Hàn khí: Nguyên lý, kỹ thuật và ứng dụng trong hàn thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Hàn khí là một quá trình nối kim loại thủ công hoặc bán tự động sử dụng khí dễ cháy, thường là axetilen, kết hợp với oxy để tạo ra ngọn lửa nhiệt độ cao có khả năng làm tan chảy thép và các kim loại đen và kim loại màu khác. Kỹ thuật này dựa vào quá trình đốt cháy hỗn hợp khí để tạo ra nhiệt cục bộ, làm tan chảy các vật liệu cơ bản và khi kết hợp với vật liệu độn, tạo thành liên kết kim loại khi đông đặc.

Về cơ bản, hàn khí hoạt động theo nguyên lý hóa học đốt cháy và truyền nhiệt. Quá trình đốt cháy axetilen với oxy tạo ra nhiệt độ ngọn lửa khoảng 3.200°C (5.792°F), đủ để làm tan chảy thép trong vùng mối nối. Quá trình này bao gồm kiểm soát chính xác lưu lượng khí, đặc điểm ngọn lửa và bổ sung vật liệu độn để đảm bảo sự nóng chảy và tính toàn vẹn của mối nối.

Trong phạm vi phân loại rộng hơn của các phương pháp nối thép, hàn khí được phân loại là quy trình hàn nóng chảy, được phân biệt bằng cách sử dụng ngọn lửa bên ngoài làm nguồn nhiệt. Không giống như hàn hồ quang hoặc hàn điện trở, hàn khí được đặc trưng bởi tính di động, đơn giản và phù hợp cho các ứng dụng quy mô nhỏ, thủ công hoặc sửa chữa. Nó thường được sử dụng trong công việc thực địa, bảo trì và chế tạo, nơi tính linh hoạt và khả năng tiếp cận là ưu tiên hàng đầu.

Cơ sở và cơ chế của quy trình

Nguyên lý hoạt động

Cơ chế vật lý cốt lõi của hàn khí liên quan đến quá trình đốt cháy khí nhiên liệu—thường là axetilen—với oxy để tạo ra ngọn lửa nhiệt độ cao. Nhiệt của ngọn lửa làm tan chảy các kim loại cơ bản tại giao diện mối nối, tạo ra một vũng nóng chảy. Khi kim loại phụ được đưa vào vũng này, nó sẽ nóng chảy và hợp nhất với các vật liệu cơ bản, tạo thành liên kết kim loại khi nguội.

Nguồn năng lượng là phản ứng hóa học giữa axetilen và oxy, phản ứng này giải phóng nhiệt. Quá trình đốt cháy được kiểm soát bằng cách điều chỉnh luồng khí qua đèn khò, tạo hình ngọn lửa và xác định nhiệt độ cũng như kích thước của ngọn lửa. Sự phân bố nhiệt được định vị, cho phép kiểm soát chính xác vùng nóng chảy, giảm thiểu sự biến dạng và ứng suất dư.

Trong quá trình vận hành, trình tự quy trình bao gồm việc làm nóng trước khu vực mối nối, thiết lập loại ngọn lửa chính xác (trung tính, thấm cacbon hoặc oxy hóa), thêm vật liệu độn khi cần, sau đó làm nguội mối nối dần dần. Quá trình chuyển đổi luyện kim bao gồm việc nấu chảy kim loại cơ bản và vật liệu độn, trộn ở cấp độ phân tử và đông đặc để tạo thành mối nối liên kết luyện kim bền chắc.

Động lực hình thành khớp

Ở cấp độ vi cấu trúc, mối nối hình thành thông qua quá trình nóng chảy và đông đặc tiếp theo của kim loại cơ bản và vật liệu độn. Hình dạng và tốc độ làm mát của hồ nóng chảy ảnh hưởng đến vi cấu trúc, bao gồm kích thước hạt và phân bố pha. Kiểm soát nhiệt lượng đầu vào hợp lý đảm bảo vùng nóng chảy lành mạnh với độ xốp và tạp chất tối thiểu.

Mẫu đông đặc thường theo hướng làm mát từ vũng nóng chảy ra ngoài, thúc đẩy liên kết kim loại thông qua quá trình nóng chảy. Về mặt nhiệt động học, quá trình này liên quan đến việc truyền nhiệt ra khỏi vùng nóng chảy, được thúc đẩy bởi sự dẫn nhiệt qua kim loại rắn xung quanh và sự đối lưu bên trong vũng nóng chảy. Về mặt động học, tốc độ làm mát ảnh hưởng đến sự phát triển của cấu trúc vi mô, ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học.

Sự hình thành mối nối phụ thuộc vào việc duy trì các gradient nhiệt độ thích hợp, kiểm soát bầu khí quyển để ngăn ngừa quá trình oxy hóa và đảm bảo dòng chảy kim loại phụ thích hợp. Liên kết luyện kim kết quả được đặc trưng bởi vùng nóng chảy có cấu trúc vi mô phản ánh các điều kiện làm mát và thành phần hợp kim.

Các biến thể quy trình

Hàn khí bao gồm một số biến thể phù hợp với các ứng dụng và vật liệu cụ thể:

• Hàn oxy-axetilen: Hình thức phổ biến nhất, sử dụng axetilen và oxy để tạo ra ngọn lửa trung tính thích hợp cho thép và các kim loại khác.
• Hàn oxy-propan: Sử dụng propan làm nhiên liệu, mang lại nhiệt độ ngọn lửa thấp hơn nhưng an toàn và tính di động cao hơn.
• Hàn oxy-metan: Sử dụng mêtan, cung cấp nhiệt độ ngọn lửa cao hơn propan, phù hợp với vật liệu dày hơn.
• Hàn oxy-hydro: Sử dụng khí hydro, tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ rất cao, chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng chuyên dụng.

Sự tiến hóa về công nghệ đã dẫn từ đèn khò cầm tay đơn giản đến thiết bị tinh vi hơn, có thể điều chỉnh được với khả năng kiểm soát lưu lượng chính xác, điều chỉnh khí tự động và các tính năng an toàn. Các biến thể hiện đại có thể kết hợp các kỹ thuật làm nóng trước, làm nóng sau hoặc kết hợp để cải thiện chất lượng và hiệu quả của mối nối.

Thiết bị và thông số quy trình

Các thành phần thiết bị chính

Thiết bị chính cho hàn khí bao gồm hệ thống cung cấp khí, mỏ hàn và các phụ kiện đi kèm:

• Bình khí: Chứa khí axetilen và oxy nén, được trang bị bộ điều chỉnh áp suất để kiểm soát lưu lượng.
• Bộ điều chỉnh và lưu lượng kế: Điều chỉnh chính xác áp suất và lưu lượng khí, đảm bảo đặc tính ngọn lửa đồng nhất.
• Mỏ hàn: Thiết bị cầm tay hoặc cơ khí dùng để trộn khí và hướng ngọn lửa vào vật hàn.
• Ống mềm và đầu nối: Ống dẫn linh hoạt dẫn khí từ bình đến mỏ hàn, được thiết kế để đảm bảo an toàn và độ bền.
• Cung cấp vật liệu độn: Thường ở dạng thanh, dây hoặc dải, được đưa thủ công hoặc cơ học vào hồ nóng chảy.
• Thiết bị an toàn: Thiết bị chống cháy ngược, van một chiều và van ngắt để ngăn ngừa cháy ngược và rò rỉ khí.

Khả năng tự động hóa thay đổi từ thiết lập thủ công đơn giản đến hệ thống bán tự động hoặc hoàn toàn tự động với bộ điều khiển điện tử, màn hình kỹ thuật số và giao diện vận hành từ xa.

Nguồn điện và hệ thống cung cấp

Hàn khí dựa vào khí nén được lưu trữ thay vì năng lượng điện. Hệ thống cung cấp bao gồm các xi lanh áp suất cao được kết nối thông qua bộ điều chỉnh và lưu lượng kế với mỏ hàn. Các cơ chế điều khiển bao gồm các van điều chỉnh và bộ điều chỉnh lưu lượng điều chỉnh hỗn hợp khí và lưu lượng, ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ và hình dạng của ngọn lửa.

Hệ thống bảo vệ bao gồm van xả an toàn, bộ chống cháy ngược và thiết bị ngắt tự động để ngăn ngừa tai nạn. Toàn bộ hệ thống được thiết kế để đảm bảo hoạt động ổn định, an toàn, tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn như ISO 2503 và các quy định của OSHA.

Các thông số quy trình quan trọng

Các thông số có thể kiểm soát chính bao gồm:

• Lưu lượng khí: Thường được đo bằng lít trên phút (L/phút), với ngọn lửa trung tính đạt được ở tỷ lệ cụ thể (ví dụ: axetilen:oxy = 1:1).
• Loại ngọn lửa: Trung tính, thấm cacbon hoặc oxy hóa, được lựa chọn dựa trên yêu cầu về vật liệu và mối nối.
• Góc và khoảng cách của mỏ hàn: Thường là góc 15-30° và cách phôi 5-15 mm, ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt và chất lượng mối hàn.
• Nhiệt độ gia nhiệt trước và sau: Được kiểm soát để giảm thiểu ứng suất nhiệt và cải thiện tính chất luyện kim.
• Tốc độ cấp kim loại phụ: Được điều chỉnh để duy trì kích thước và thành phần hồ nóng chảy thích hợp.

Phạm vi tham số tối ưu phụ thuộc vào độ dày vật liệu, thiết kế mối nối và điều kiện môi trường. Kiểm soát và giám sát chính xác là điều cần thiết để tạo ra mối hàn không khuyết tật với các đặc tính cơ học nhất quán.

Vật tư tiêu hao và vật liệu phụ trợ

Vật tư tiêu hao bao gồm:

• Thanh hoặc dây hàn: Được làm từ hợp kim giống hoặc tương thích với kim loại cơ bản, được phân loại theo đường kính, thành phần và lớp phủ.
• Lớp phủ thuốc hàn: Một số vật liệu hàn có lớp phủ thuốc hàn để chống oxy hóa và cải thiện chất lượng mối hàn.
• Khí bảo vệ: Độ tinh khiết và thành phần rất quan trọng; axetilen và oxy có độ tinh khiết cao là tiêu chuẩn.

Việc xử lý và lưu trữ đòi hỏi môi trường khô ráo, sạch sẽ để tránh nhiễm bẩn. Chuẩn bị đúng cách bao gồm lựa chọn vật liệu độn thích hợp, cắt trước và vệ sinh để đảm bảo khả năng tương thích và chất lượng mối hàn tối ưu.

Thiết kế và chuẩn bị chung

Hình học khớp

Các cấu hình mối hàn phổ biến cho hàn khí bao gồm:

• Mối hàn giáp mối: Các cạnh được căn chỉnh trên cùng một mặt phẳng, thích hợp để hàn các tấm mỏng.
• Mối ghép chồng: Các tấm chồng lên nhau, được sử dụng cho công việc kết cấu hoặc sửa chữa.
• Khớp chữ T: Các tấm vuông góc tạo thành hình chữ T, thường gặp trong chế tạo.
• Mối ghép góc: Gặp nhau ở góc vuông, thường được sử dụng trong khung và hộp.

Các cân nhắc về thiết kế tập trung vào khả năng tiếp cận, dòng nhiệt và các yêu cầu về tải trọng cơ học. Chuẩn bị mối nối đúng cách đảm bảo độ xuyên thấu và hợp nhất đủ, với dung sai kích thước thông thường là ±0,2 mm cho các ứng dụng quan trọng.

Yêu cầu chuẩn bị bề mặt

Độ sạch là tối quan trọng; bề mặt phải không có rỉ sét, dầu, mỡ, sơn hoặc các chất gây ô nhiễm khác. Các phương pháp bao gồm chải bằng dây, mài hoặc làm sạch bằng hóa chất. Quá trình oxy hóa bề mặt có thể làm suy yếu liên kết kim loại và tăng độ xốp.

Kiểm chứng bao gồm kiểm tra trực quan, thử nghiệm hạt từ hoặc thử nghiệm siêu âm để xác nhận độ sạch và lắp đặt phù hợp trước khi hàn. Chuẩn bị đầy đủ giúp giảm khuyết tật và tăng cường độ bền và độ chắc của mối nối.

Lắp đặt và cố định

Căn chỉnh chính xác và cố định chắc chắn là điều cần thiết để duy trì hình dạng mối nối trong quá trình hàn. Các phương pháp phổ biến bao gồm kẹp, đồ gá và đồ gá giữ các thành phần ở đúng vị trí và giảm thiểu chuyển động.

Để bù cho sự biến dạng, người ta sử dụng phương pháp gia nhiệt trước và làm mát có kiểm soát. Có thể sử dụng các kỹ thuật giảm ứng suất cơ học hoặc nhiệt sau khi hàn để giảm ứng suất dư và ngăn ngừa nứt.

Hiệu ứng luyện kim và cấu trúc vi mô

Thay đổi vật liệu cơ bản

Trong quá trình hàn khí, vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) trải qua các biến đổi cấu trúc vi mô, bao gồm sự phát triển của hạt và thay đổi pha. Trong thép cacbon, HAZ có thể phát triển các hạt thô, làm giảm độ dẻo dai.

Nhiệt độ cao có thể gây ra hiện tượng khử cacbon, dẫn đến lớp bề mặt mềm hơn hoặc quá trình oxy hóa, có thể tạo ra tạp chất. Làm mát có kiểm soát và khí bảo vệ làm giảm những tác động này.

Kích thước hạt tăng lên trong vùng HAZ có thể làm giảm các đặc tính cơ học, nhưng kiểm soát nhiệt độ thích hợp sẽ bảo toàn được độ bền và độ dẻo. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể cần thiết cho các ứng dụng quan trọng.

Đặc điểm của vùng hợp nhất

Vùng nóng chảy (FZ) là vùng xảy ra hiện tượng nóng chảy và đông đặc. Cấu trúc vi mô thường bao gồm các cấu trúc dạng sợi hoặc dạng tế bào, với các pha phụ thuộc vào thành phần hợp kim và tốc độ làm nguội.

Trong thép, FZ có thể chứa các cấu trúc martensite, bainite hoặc ferrite-pearlite. Làm nguội nhanh có thể tạo ra các pha cứng, giòn, trong khi làm nguội chậm hơn tạo ra các cấu trúc vi mô mềm, dễ uốn.

Có thể có tạp chất như oxit, sunfua hoặc silicat, ảnh hưởng đến độ bền và khả năng chống ăn mòn. Việc che chắn và kiểm soát quy trình thích hợp sẽ làm giảm sự hình thành tạp chất.

Thách thức luyện kim

Các vấn đề phổ biến bao gồm nứt, xốp và nóng chảy không hoàn toàn. Các vết nứt thường là kết quả của ứng suất dư, tốc độ làm mát cao hoặc đầu vào nhiệt không phù hợp.

Quản lý pha loãng và thành phần liên quan đến việc kiểm soát đầu vào nhiệt và lựa chọn vật liệu độn để ngăn ngừa sự hình thành pha không mong muốn hoặc giòn. Sử dụng khí bảo vệ thích hợp và gia nhiệt trước làm giảm khả năng bị oxy hóa và nứt nóng.

Tính chất cơ học và hiệu suất

Tài sản	Hiệu quả chung điển hình	Ảnh hưởng đến các thông số quy trình	Phương pháp kiểm tra phổ biến
Độ bền kéo	80-100% kim loại cơ bản	Đầu vào nhiệt, chất lượng chất độn, tốc độ làm mát	Kiểm tra độ bền kéo theo ASTM E8/E8M
Độ cứng	120-180 độ cao	Tốc độ làm mát, thành phần hợp kim	Kiểm tra độ cứng vi mô
Độ dẻo	Độ giãn dài 15-30%	Làm nóng trước, làm nóng sau, thiết kế mối nối	Kiểm tra độ bền kéo và uốn cong
Cuộc sống mệt mỏi	Có thể so sánh với kim loại cơ bản	Bề mặt hoàn thiện, ứng suất dư	Kiểm tra độ mỏi theo ASTM E466

Các thông số quy trình ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc vi mô và ứng suất dư, ảnh hưởng đến hiệu suất cơ học. Kiểm soát thích hợp đảm bảo mối nối đáp ứng thông số kỹ thuật thiết kế.

Hành vi mỏi phụ thuộc vào vùng hợp nhất không có khuyết tật và ứng suất dư tối thiểu. Các cân nhắc về cơ học gãy bao gồm các vị trí bắt đầu nứt và đường lan truyền, được giảm thiểu bằng liên kết luyện kim hợp lý.

Ứng suất dư, phát sinh từ sự chênh lệch nhiệt độ, có thể gây biến dạng hoặc nứt. Giảm ứng suất sau khi hàn và làm mát có kiểm soát là các chiến lược để quản lý những ứng suất này.

Kiểm soát chất lượng và lỗi

Những khiếm khuyết thường gặp

• Độ xốp: Do khí bị giữ lại hoặc nhiễm bẩn; có thể ngăn ngừa bằng cách che chắn và vệ sinh bề mặt đúng cách.
• Nứt: Do ứng suất nhiệt hoặc làm mát không đúng cách; khắc phục bằng cách làm nóng trước và làm mát có kiểm soát.
• Sự kết dính không hoàn toàn: Do nhiệt lượng cung cấp không đủ hoặc khâu chuẩn bị mối nối kém; giải quyết bằng cách điều chỉnh các thông số ngọn lửa và đảm bảo lắp ghép đúng cách.
• Chồng chéo hoặc cắt xén: Bề mặt không đều do góc mỏ hàn hoặc cài đặt ngọn lửa không phù hợp; được hiệu chỉnh thông qua điều chỉnh kỹ thuật.
• Tạp chất oxit: Hình thành do quá trình oxy hóa; giảm thiểu bằng cách che chắn và vệ sinh bề mặt đầy đủ.

Tiêu chuẩn chấp nhận phụ thuộc vào tiêu chuẩn ứng dụng, trong đó các mối nối không quan trọng cho phép có những khiếm khuyết nhỏ, trong khi các cấu trúc quan trọng yêu cầu mối hàn không có khuyết tật.

Phương pháp kiểm tra

• Kiểm tra trực quan: Kiểm tra các khuyết tật bề mặt, độ thẳng hàng và độ sạch.
• Kiểm tra bằng hạt từ (MT): Phát hiện vết nứt trên bề mặt và gần bề mặt.
• Kiểm tra siêu âm (UT): Xác định các khuyết tật bên trong và độ xốp.
• Kiểm tra chụp X-quang (RT): Cung cấp hình ảnh chi tiết về khuyết tật bên trong.
• Kiểm tra phá hủy: Kiểm tra độ kéo, uốn và độ cứng nhằm mục đích đánh giá chất lượng.
• Giám sát thời gian thực: Cảm biến lưu lượng khí, camera nhiệt và cảm biến hồ quang để kiểm soát quy trình.

Kiểm tra thường xuyên giúp đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn và phát hiện sớm các lỗi.

Quy trình đảm bảo chất lượng

Việc thực hiện một kế hoạch kiểm soát chất lượng toàn diện bao gồm:

• Ghi chép các quy trình và thông số hàn.
• Tiến hành kiểm tra trình độ thợ hàn theo tiêu chuẩn như AWS D1.1.
• Duy trì hồ sơ chi tiết về vật liệu, điều kiện quy trình và kiểm tra.
• Thực hiện kiểm tra định kỳ và hiệu chuẩn thiết bị.
• Đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc vật liệu và quy trình trong suốt quá trình sản xuất.

Chứng nhận của người vận hành và việc tuân thủ các tiêu chuẩn như ISO 3834 hoặc ASME Mục IX là điều cần thiết cho các ứng dụng quan trọng.

Các phương pháp khắc phục sự cố

Xử lý sự cố có hệ thống bao gồm:

• Phân tích các thông số quy trình và điều kiện chung.
• Xác định nguồn gốc lỗi thông qua kiểm tra và thử nghiệm.
• Điều chỉnh lưu lượng khí, loại ngọn lửa hoặc góc mỏ hàn.
• Cải thiện việc chuẩn bị bề mặt hoặc lắp ghép mối nối.
• Thực hiện xử lý nhiệt sau hàn nếu cần thiết.

Các chỉ số chẩn đoán bao gồm hình dạng ngọn lửa không đều, mối hàn không đồng nhất hoặc tỷ lệ lỗi tăng cao, từ đó đưa ra hành động khắc phục.

Ứng dụng và khả năng tương thích của vật liệu

Kết hợp vật liệu phù hợp

Hàn khí hiệu quả nhất với thép cacbon thấp đến trung bình, thép hợp kim và một số kim loại màu như đồng và nhôm (với các sửa đổi phù hợp). Khả năng tương thích phụ thuộc vào điểm nóng chảy, độ dẫn nhiệt và các nguyên tố hợp kim.

Việc ghép nối các vật liệu không giống nhau đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận các kim loại phụ và gia nhiệt trước để phù hợp với các điểm nóng chảy và hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Ví dụ, việc ghép nối thép cacbon với thép không gỉ có thể liên quan đến các thanh phụ chuyên dụng và đầu vào nhiệt được kiểm soát.

Phạm vi độ dày và khả năng định vị

Hàn khí thích hợp cho các vật liệu mỏng đến trung bình đến dày, thường lên đến 25 mm (1 inch). Có thể cần hàn nhiều lần cho các phần dày hơn để đảm bảo độ xuyên thấu hoàn toàn.

Khả năng hàn vị trí bao gồm các vị trí phẳng, ngang, dọc và trên cao, với mức độ dễ vận hành khác nhau tùy theo thiết kế mỏ hàn và kỹ năng của người vận hành. Hàn dọc và trên cao đòi hỏi kỹ năng bổ sung và kỹ thuật phù hợp để ngăn ngừa các khuyết tật như tạp xỉ hoặc sự kết dính không hoàn toàn.

Năng suất cao hơn ở các vị trí bằng phẳng, nhưng thiết bị di động cho phép sửa chữa tại chỗ và chế tạo tại chỗ theo nhiều hướng khác nhau.

Ứng dụng trong ngành

Hàn khí được sử dụng rộng rãi trong:

• Đóng tàu và sửa chữa: Dùng để sửa chữa nhỏ và chế tạo các bộ phận kim loại.
• Thi công đường ống: Dùng cho các mối nối tại hiện trường và sửa chữa ở những vị trí xa xôi.
• Bảo trì và sửa chữa: Trong các ngành công nghiệp như sản xuất, nông nghiệp và xây dựng.
• Công việc nghệ thuật và trang trí: Do tính linh hoạt và khả năng kiểm soát của nó.

Các ví dụ điển hình bao gồm sửa chữa các kết cấu thép bị hư hỏng, chế tạo các bộ phận kim loại tùy chỉnh và thực hiện hàn tại chỗ ở những nơi không có nguồn điện.

Tiêu chí lựa chọn

Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn hàn khí bao gồm:

• Loại vật liệu và độ dày.
• Yêu cầu về khả năng tiếp cận và tính di động.
• Cấu hình và vị trí khớp.
• Yêu cầu về chất lượng và độ bền.
• Cân nhắc về chi phí, bao gồm thiết bị, vật tư tiêu hao và nhân công.
• Điều kiện môi trường và cân nhắc về an toàn.

So với hàn hồ quang, hàn khí có ưu điểm là tính di động và đơn giản nhưng có thể có hạn chế về tốc độ và chất lượng mối hàn đối với các ứng dụng quan trọng hoặc khối lượng lớn.

Quy trình và Tiêu chuẩn

Chứng nhận quy trình hàn

Trình độ bao gồm việc phát triển một thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) xác định các thông số quy trình, vật liệu, thiết kế mối nối và các yêu cầu thử nghiệm. Quy trình phải được xác nhận thông qua các mối hàn thử nghiệm được thử nghiệm cơ học, kiểm tra không phá hủy và phân tích luyện kim.

Các biến số thiết yếu bao gồm lưu lượng khí, loại ngọn lửa, góc mỏ hàn và vật liệu độn. Các biến số không thiết yếu, chẳng hạn như điều chỉnh nhỏ về khoảng cách mỏ hàn, không ảnh hưởng đến trạng thái đủ điều kiện nhưng cần được ghi lại.

Quá trình đánh giá đảm bảo khả năng lặp lại và tuân thủ các tiêu chuẩn như AWS D1.1 hoặc ISO 15614.

Tiêu chuẩn và Quy tắc chính

Các tiêu chuẩn quốc tế chính chi phối hàn khí bao gồm:

• AWS D1.1/D1.1M: Quy định hàn kết cấu thép.
• ISO 15614: Tiêu chuẩn đánh giá quy trình hàn.
• EN 439: Tiêu chuẩn Châu Âu cho thiết bị hàn khí.
• ASME Phần IX: Chứng nhận quy trình hàn và nhân sự.

Các tổ chức quản lý như OSHA và các cơ quan an toàn địa phương thực thi các tiêu chuẩn về an toàn và môi trường.

Yêu cầu về tài liệu

Thông số kỹ thuật về quy trình hàn phải bao gồm:

• Mô tả quy trình và thiết bị.
• Thông số kỹ thuật và chuẩn bị vật liệu.
• Thông số và trình tự hàn.
• Yêu cầu kiểm tra và thử nghiệm.
• Hồ sơ trình độ và phê duyệt.

Tài liệu chứng nhận trình độ của người vận hành xác minh các kỹ năng và việc tuân thủ các quy trình. Hồ sơ truy xuất nguồn gốc theo dõi vật liệu, điều kiện quy trình và kết quả kiểm tra để đảm bảo chất lượng và tuân thủ quy định.

Các khía cạnh về sức khỏe, an toàn và môi trường

Nguy cơ an toàn

Các rủi ro chính bao gồm:

• Rò rỉ khí gas và nổ: Do xử lý không đúng cách hoặc thiết bị hỏng hóc.
• Nguy cơ hỏa hoạn: Từ ngọn lửa trần và bề mặt nóng.
• Hít phải khói: Khí cháy và khói kim loại gây ra nguy cơ về hô hấp.
• Bỏng và thương tích: Do kim loại và thiết bị nóng.

Các biện pháp giảm thiểu bao gồm thông gió thích hợp, phát hiện rò rỉ, thiết bị ngăn cháy, quần áo bảo hộ, găng tay và bảo vệ mắt. Các thủ tục khẩn cấp bao gồm kế hoạch sơ tán và hệ thống chữa cháy.

Những cân nhắc về môi trường

Hàn khí tạo ra các khí thải như carbon monoxide, nitơ oxit và hydrocarbon chưa cháy. Hệ thống thông gió và xả khí thích hợp giúp giảm thiểu sự tiếp xúc.

Dòng chất thải bao gồm các bình đã qua sử dụng, xỉ và vật liệu làm sạch bị ô nhiễm. Tái chế và xử lý đúng cách sẽ giảm thiểu tác động đến môi trường.

Tuân thủ quy định bao gồm việc tuân thủ các tiêu chuẩn về môi trường như quy định của EPA và thực hiện các biện pháp tốt nhất để kiểm soát khí thải và quản lý chất thải.

Các yếu tố công thái học

Người vận hành phải đối mặt với những thách thức về mặt công thái học như đứng lâu, chuyển động lặp đi lặp lại và xử lý thiết bị nặng. Thiết kế trạm làm việc phù hợp, hỗ trợ có thể điều chỉnh và các công cụ công thái học giúp giảm mệt mỏi và căng thẳng cơ xương.

Đào tạo về tư thế đúng, cách xử lý đèn khò và nhịp độ làm việc giúp tăng cường an toàn và năng suất. Nghỉ giải lao thường xuyên và đánh giá công thái học góp phần tạo nên môi trường làm việc lành mạnh hơn.

Những phát triển gần đây và xu hướng tương lai

Tiến bộ công nghệ

Những đổi mới gần đây bao gồm:

• Hệ thống hàn khí tự động: Đảm bảo chất lượng đồng đều và tăng năng suất.
• Bộ điều khiển kỹ thuật số: Điều chỉnh chính xác lưu lượng khí và đặc điểm ngọn lửa.
• Các tính năng an toàn nâng cao: Chẳng hạn như tự động tắt và theo dõi thời gian thực.
• Đèn khò chuyên dụng cho vật liệu: Được thiết kế dành cho hợp kim chuyên dụng và vật liệu mỏng.

Sự phát triển của các thiết bị di động, nhẹ giúp mở rộng phạm vi ứng dụng, đặc biệt là trong sửa chữa tại hiện trường.

Hướng nghiên cứu

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào:

• Kỹ thuật hàn kết hợp: Kết hợp phương pháp hàn khí với phương pháp hàn hồ quang hoặc laser để nâng cao hiệu quả.
• Vật liệu độn tiên tiến: Phát triển hợp kim có tính chất cơ học và chống ăn mòn tốt hơn.
• Mô hình hóa quy trình: Sử dụng các công cụ tính toán để tối ưu hóa các thông số và dự đoán sự tiến hóa của cấu trúc vi mô.
• Giảm tác động đến môi trường: Khám phá nhiên liệu sạch hơn và công nghệ kiểm soát khí thải.

Các phương pháp thực nghiệm bao gồm chụp ảnh tốc độ cao về động lực ngọn lửa và phân tích cấu trúc vi mô của mối hàn.

Xu hướng áp dụng của ngành

Việc áp dụng hàn khí chịu ảnh hưởng bởi:

• Nhu cầu thị trường về giải pháp hàn di động và linh hoạt.
• Những tiến bộ trong tự động hóa làm giảm bớt lao động thủ công.
• Chuyển sang sản xuất khối lượng lớn, tốc độ cao, ưu tiên hàn hồ quang.
• Tiếp tục có liên quan trong sửa chữa, bảo trì và các ứng dụng thủ công.

Việc tích hợp với sản xuất kỹ thuật số và các sáng kiến ​​Công nghiệp 4.0 dự kiến ​​sẽ tăng cường khả năng kiểm soát quy trình và khả năng truy xuất nguồn gốc, đảm bảo hàn khí vẫn là một kỹ thuật quan trọng trong các lĩnh vực cụ thể.

---

Bài viết toàn diện này cung cấp hiểu biết sâu sắc về hàn khí trong ngành công nghiệp thép, bao gồm các nguyên tắc kỹ thuật, thiết bị, kiểm soát quy trình, tác động luyện kim, đảm bảo chất lượng, an toàn và xu hướng tương lai, tổng cộng khoảng 1500 từ.