Cách lựa chọn vật liệu hàn nhôm

Khi lựa chọn vật liệu hàn nhôm, một điều cần luôn phải lưu ý trong đầu đó là cần phải hiểu rõ tính hàn của vật liệu nhôm cơ bản theo từng loại ứng dụng cụ thể.

Bạn đọc có thể theo dõi bài viết Phân loại nhôm và hợp kim nhôm tại đây: https://doublegood.com.vn/phan-loai-nhom-va-hop-kim-nhom/

Thông tin về vật liệu hàn nhôm có thể tra cứu theo các tiêu chuẩn như: AWS D1.2, AWS A5.10 hoặc theo các công bố của các hiệp hội hàn nhôm hay theo khuyến cáo của các hãng sản xuất.

Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, mà có thể yêu cầu vật liệu hàn đáp ứng được các yêu cầu như: đồng màu giữa vùng kim loại cơ bản, vùng ảnh hưởng nhiệt và kim loại mối hàn (color matching), đáp ứng khả năng chống ăn mòn (corrosion resistance), bảo đảm độ dẻo (ductility), hay yêu cầu của thiết kế liên kết (joint design), yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn (post weld heat treatment), yêu cầu làm việc ở nhiệt độ cao (service temperature), yêu cầu độ bền của mối hàn (strength of weld), hoặc đáp ứng tính hàn tốt (weldability).

1. Khuyến cáo lựa chọn vật liệu hàn cho từng nhóm hợp kim nhôm rèn

a) Nhóm hợp kim nhôm rèn nhóm 1XXX (trên 99% Al, nhóm không thể nhiệt luyện):

  • Độ bền kéo trong khoảng 10 – 27 ksi.
  • Nhóm này thường được ứng dụng để làm thùng chứa hóa chất hoặc đường ống bởi khả năng chống ăn mòn tốt, hoặc sử dụng làm cầu dẫn điện vì khả năng dẫn điện cao.
  • Khuyến cáo vật liệu hàn: sử dụng dây hàn ER1100 hoặc ER4043. Vì nhóm vật liệu 1100 có khả năng chịu được ăn mòn hóa chất tốt, bền thời tiết và chuyển màu vàng nhẹ sau khi mạ điện phân (anodizing).

b) Hợp kim nhôm rèn nhóm 2XXX (Hợp kim Al + < 7%Cu, nhóm có thể nhiệt luyện):

  • Có độ bền kéo trong khoảng 27 – 62 ksi.
  • Thường được ứng dụng trong các chi tiết của máy bay. Với đặc tính là độ bền cao trong một dải rộng nhiệt độ. Phần lớn các hợp kim nhôm nhóm này có tính hàn kém khi dùng các quá trình hàn hồ quang do tính nhạy cảm với nứt nóng của chúng.
  • Khuyến cáo vật liệu hàn: Có thể sử dụng vật liệu hàn 2014, 2219 và 2519. Tuy nhiên, thông thường sử dụng dây 2319 (có khả năng chống nứt do ứng suất bởi ăn mòn, độ bền và tính dẻo cao hơn nhóm 4xxx) hoặc vật liệu hàn nhóm 4xxx (như 4043, 4047) vì chúng có nhiệt độ nóng chảy thấp, làm giảm khả năng nứt nóng. Vật liệu 2319 chuyển màu vàng sau khi mạ điện phân, trong khi vật liệu 4043 chuyển sang màu xám và 4047 chuyển sang màu xám/đen. Vật liệu 4043 thích hợp để hàn hầu hết nhóm hợp kim nhôm có thể nhiệt luyện (đặc biệt là đối với hợp kim nhóm 6xxx).

c) Hợp kim nhôm rèn nhóm 3XXX (Hợp kim Al + < 2%Mn, nhóm không thể nhiệt luyện):

  • Có độ bền kéo trong khoảng 16 – 41 ksi.
  • Có độ bền tương đối cao, khả năng chống ăn mòn tốt và khả năng tạo hình tốt, thích hợp làm việc ở nhiệt độ cao. Tính hàn tốt, và ít có xu hướng bị nứt nóng.
  • Hợp kim 30003: thường làm thiết bị trao đổi nhiệt, cáp dẫn hoặc ứng dụng tạo hình.
  • Hợp kim 3004: dùng làm các cốc đựng đồ uống (thường không hàn).
  • Khuyến cáo vật liệu hàn: Có thể sử dụng vật liệu hàn 4043, 4047 hoặc 5356. Trong đó, vật liệu 4047 giúp tăng hàm lượng silic nhờ đó giảm thiểu nguy cơ nứt nóng (nếu có). Còn vật liệu 5356 thì thích hợp để hàn hầu hết các nhóm hợp kim, nó có độ bền cắt (shear strength) cao, tuy nhiên nó không thích hợp với những ứng dụng làm việc ở nhiệt độ cao quá 150 oF (bởi nguy cơ nứt do ăn mòn ứng suất hoặc tạo hợp chất Al2Mg), vật liệu này chuyển màu trắng sau khi mạ điện phân.

d) Hợp kim nhôm rèn nhóm 4XXX (hợp kim Al + < 12%Si, nhóm không thể nhiệt luyện):

  • Có độ bền kéo trong khoảng từ 25 – 55 ksi.
  • Đây là nhóm hợp kim không thể nhiệt luyện. Tuy nhiên, khi thêm vào thành phần Magie hoặc đồng, nó sẽ trở thành nhóm hợp kim có thể nhiệt luyện.
  • Khuyến cáo vật liệu hàn: Có thể sử dụng vật liệu 4043 và 4047.
  • Vật liệu hàn 4643: Bao gồm một lượng nguyên tố Magie và có khả năng nhiệt luyện. Nên 4643 chỉ sử dụng khi kết cấu yêu cầu có xử lý nhiệt sau khi hàn.

e) Hợp kim nhôm rèn nhóm 5XXX (hợp kim Al + < 6%Mg, nhóm không thể nhiệt luyện):

  • Có độ bền kéo trong khoảng 18 – 51 ksi. Đây là nhóm có độ bền lớn nhất trong các hợp kim không thể nhiệt luyện.
  • Nhóm này có tính hàn tốt, nên có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: đóng tàu, vận tải, bồn áp lực, cầu đường và xây dựng. Ví dụ:
    • 5052: có khả năng ứng dụng tạo hình tốt hơn so với 1100 và 3003.
    • 5454: có thể ứng dụng làm bồn chứa hóa chất hoặc bồn áp lực làm việc ở nhiệt độ cao.
    • 5083, 5086: thuộc nhóm hợp kim nhôm kết cấu, có thể làm ray xe, thùng xe tải, đóng tàu hoặc cầu.
  • Khuyến cáo vật liệu hàn: Các vật liệu hàn thông dụng có thể sử dụng cho nhóm hợp kim này đó là: 5356, 5183 và 5556. Ở đây, vật liệu 5183 là một biến thể của 5356 với độ bền cao hơn (do có hàm lượng Mn cao hơn), thường sử dụng để hàn hợp kim 5083 (để tăng hàm lượng Magie, giúp tăng độ bền của liên kết), không thích hợp cho ứng dụng ở nhiệt độ cao, và bị chuyển màu trắng sau khi mạ điện phân. Còn vật liệu 5556 thì có khả năng chống ăn mòn tốt, độ dai va đập tốt, khả năng làm việc cũng như tính hàn tốt, tuy nhiên nhạy cảm với nứt do ăn mòn ứng suất khi hàm lượng Mg quá 3% hoặc khi làm việc lâu ở nhiệt độ cao, 5556 chuyển màu trắng khi mạ điện phân.

f) Hợp kim nhôm rèn nhóm 6XXX (hợp kim Al + < 1.8%si, 1.4%Mg, nhóm có thể nhiệt luyện):

  • Có độ bền kéo trong khoảng 18 – 58 ksi.
  • Nhóm hợp kim này ứng dụng khá rộng rãi trong công nghiệp. Việc thêm Magie và Silic vào hợp kim với nhôm giúp tạo ra hỗn hợp Mg-Si hòa tan vào nhôm ở nhiệt độ cao, do đó giúp cải thiện độ bền cho hợp kim.
  • Tuy nhiên, nhóm hợp kim này nhạy cảm với nứt nóng, nên khuyến cáo không nên hàn mà không có kim loại bù (autogenously). Và việc kiểm soát lượng kim loại đắp hòa tan vào với kim loại cơ bản khi hàn cũng là một điều vô cùng quan trọng để tránh được nứt nóng (vật liệu cơ bản nhóm 6XXX thường chứa khoảng 1% Mg2Si và sẽ là nhân tố gây nứt nếu như không lựa chọn đúng vật liệu hàn để thay đổi thành phần hóa học).
  • Khuyến cáo vật liệu hàn: Có thể sử dụng vật liệu hàn nhóm 5xxx (hàm lượng Mg cao) hoặc nhóm 4xxx (hàm lượng Si cao) mà không bị nứt.

g) Hợp kim nhôm rèn nhóm 7XXX (hợp kim Al + < 9.7% Zn, nhóm có thể nhiệt luyện):

  • Có độ bền kéo trong khoảng 32 – 88 ksi. Đây là nhóm hợp kim nhôm có độ bền lớn nhất.
  • Hợp kim nhóm này thường được ứng dụng trong những kết cấu yêu cầu độ bền cao như: máy bay, hàng không (7075, 7050), nhôm kết cấu đùn ép (structural extrusion) như 7003, 7004, 7005.
  • Hầu hết các nhôm nhóm 7XXX nhạy cảm với nứt nên thường ít sử dụng hàn hồ quang.
  • Khuyến cáo vật liệu hàn: Có thể sử dụng vật liệu hàn nhóm 5XXX để hàn cho hợp kim 7003, 7005 và 7039.

h) Hợp kim nhôm rèn nhóm 8XXX (hợp kim nhôm khác, nhóm có thể nhiệt luyện):

  • Hầu hết nhóm này không thích hợp để hàn. Có độ cứng cao.
  • Phổ biến là nhóm Al-Li, hay sử dụng cho ngành hàng không, nhưng thường rất hiếm gặp trong công nghiệp.
  • Khuyến cáo vật liệu hàn: Khi hàn được sử dụng, thì nhóm vật liệu hàn 4xxx và các hợp kim phù hợp khác sẽ được cân nhắc lựa chọn.

2. Lựa chọn vật liệu hàn cho hợp kim nhôm đúc:

  • Như có đề cập ở trong bài Phân loại nhôm và hợp kim nhôm thì nhóm nhôm đúc thường ít khi sử dụng để hàn. Một số hợp kim sau đây có thể được sử dụng để hàn cho một số ứng dụng, bao gồm:
    • Nhóm 3XX.x (Al-Si-Mg): 319.0; 355.0; 356.0; 357.0
    • Nhóm 4XX.x (Al-Si): 443.0; 444.0.
    • Nhóm 5XX.x (Al-Mg): 520.0; 535.0.
    • Nhóm 7XX.x (Al-Zn): 710.0; 712.0
  • Bề mặt của nhôm đúc rất khó để thực hiện hàn. Bởi vậy, nhôm được sản xuất trong khuôn cát hoặc khuôn cố định thì thường có tính hàn trong khi nhôm đúc áp lực thì không vì nó nguội quá nhanh gây ra rất nhiều khuyết tật rỗ khí bị kẹt lại bên trong phôi.

Tùy thuộc từng ứng dụng cụ thể, mà kỹ sư hàn sẽ đưa ra phân tích và lựa chọn vật liệu hàn một cách phù hợp nhất. Bảng dưới đây là tổng hợp và khuyến cáo lựa chọn vật liệu hàn cho các nhóm vật liệu cơ bản thông dụng nhất.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

  1. Aluminum alloy and temper designations, Lincoln Electric
  2. Aluminum filler metal selection, Lincoln Electric.
  3. https://www.lincolnelectric.com/en-us/support/welding-how-to/Pages/aluminum-design-mistakes-detail.aspx
  4. https://matmatch.com/learn/material/cast-wrought-aluminium
  5. https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_alloy
  6. https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=ktn&NM=22
  7. http://www.alcotec.com/us/en/education/knowledge/qa/The-Differences-Between-Heat-Treatable-and-Non-Heat-Treatable-Aluminum-Alloys.cfm
  8. https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Structure/strengthening.htm
  9. https://www.advent-rm.com/information/glossary.aspx?definition=tempers