Ron Covell giải thích các loại tungsten dùng trong hàn TIG, mã màu của tungsten và cách mài cũng như bảo quản các điện cực này.

Điện cực tungsten để hàn 

Một trong những lý do khiến hàn TIG được ưa chuộng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao là vì nó mang lại cho thợ hàn khả năng kiểm soát tuyệt vời. Nhiệt cho quá trình hàn đến từ một hồ quang điện phát ra từ điện cực tungsten trong đuốc hàn. Qua nhiều năm, các kỹ sư hàn đã tìm ra nhiều cách để điều chỉnh các điện cực này phù hợp với từng ứng dụng cụ thể bằng cách thêm một lượng nhỏ các nguyên tố đặc biệt vào tungsten. Các loại điện cực khác nhau được nhận diện bằng một vạch màu ở một đầu.

Vào những ngày đầu của quá trình hàn TIG, chỉ có hai loại tungsten được sử dụng phổ biến. Tungsten nguyên chất được ưa chuộng khi hàn nhôm và magiê, còn tungsten chứa 2% thori được dùng cho các vật liệu khác. Mặc dù hai loại này đã hoạt động hiệu quả qua nhiều thế hệ, nhưng nhờ vào quá trình nghiên cứu và phát triển, ngày nay có rất nhiều loại điện cực tungsten khác nhau, mỗi loại đều có những đặc tính riêng biệt. Điều này có thể khiến những thợ hàn mới vào nghề cảm thấy bối rối khi lựa chọn, vì vậy chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về những loại điện cực tungsten được sử dụng phổ biến nhất. Điều này sẽ giúp bạn đưa ra quyết định sáng suốt về loại nào phù hợp nhất cho dự án hàn của mình. 

Tungsten nguyên chất đã được sử dụng làm điện cực hàn ngay từ khi quy trình hàn TIG ra đời vào những năm 1940. Hàn TIG được phát triển nhằm mục đích nối các hợp kim nhôm và magiê một cách hiệu quả, và vào thời điểm đó, việc sử dụng tungsten nguyên chất là hợp lý vì nó có điểm nóng chảy cao nhất trong tất cả các kim loại. Khi ấy, các nguồn điện chủ yếu sử dụng công nghệ biến áp, và tungsten nguyên chất có thể đáp ứng yêu cầu hàn ở chế độ AC – đây là chế độ tiêu chuẩn khi hàn nhôm và magiê. Khi đó, một kỹ thuật phổ biến là "làm tròn đầu điện cực" bằng cách cho dòng điện chạy qua đầu tungsten trong thời gian ngắn với nguồn điện đặt ở chế độ phân cực ngược (điện cực dương). Điều này sẽ làm nóng chảy đầu điện cực, và khi ngắt dòng điện, tungsten sẽ đông đặc lại thành như một hình cầu mịn, sáng bóng. Khí bảo vệ sẽ ngăn không cho điện cực bị oxy hóa, và kích thước của hình cầu có thể điều chỉnh bằng lượng dòng điện chạy qua ở chế độ EP. Điện cực có đầu tròn này sẽ tạo ra hồ quang có hình nón rộng, và có thể chịu được dòng điện khá cao mà không bị văng bắn – tức là không làm nhiễm kim loại hàn với các hạt tungsten nhỏ. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng với các nguồn điện hiện đại sử dụng công nghệ inverter, tungsten nguyên chất không còn được khuyến nghị sử dụng nữa. 

Đối với hàn DC (được sử dụng cho tất cả các kim loại ngoại trừ nhôm và magiê), một lượng nhỏ thorium – thường là 2% – được thêm vào điện cực tungsten. Việc này giúp khởi động hồ quang ổn định hơn và tăng khả năng chịu dòng điện của điện cực. 

Mặc dù hai loại điện cực này đã đáp ứng tốt nhu cầu của thợ hàn TIG trong nhiều thập kỷ, nhưng ngày nay chúng không còn được sử dụng phổ biến với các thiết bị hàn hiện đại – và điều đó hoàn toàn có lý do. Khi ngành công nghiệp chuyển từ nguồn điện biến áp sang nguồn inverter, việc làm tròn đầu điện cực khi hàn AC không còn cần thiết nữa, và điện cực tungsten nguyên chất đã được thay thế bằng các hợp kim có hiệu suất cao hơn. 

Thorium là một chất hơi phóng xạ, và việc xử lý điện cực tungsten có chứa thorium tiềm ẩn rủi ro về sức khỏe và môi trường khi tiếp xúc ở mức cao. Hãy tham khảo Tờ Thông tin An toàn và Sức khỏe của AWS về Điện cực Tungsten có chứa Thorium để biết thêm chi tiết. 

Ngày nay, nhiều nguyên tố khác đã chứng minh hiệu quả vượt trội hơn thorium trong mọi khía cạnh khi dùng làm điện cực hàn. Như bạn sẽ thấy, có một vài loại điện cực tungsten phù hợp với hầu hết mọi công việc hàn TIG, dù là AC hay DC. 

Trong đó, tungsten chứa 2% lanthan (mã màu xanh dương) đứng đầu danh sách. Đây là một loại điện cực đa dụng thực sự, với khả năng khởi động hồ quang xuất sắc và chịu được dòng điện cao mà không bị văng bắn. Nó tạo ra hồ quang ổn định ở cả dòng cao và thấp, và hoạt động rất hiệu quả với tất cả các loại kim loại. 

Tungsten chứa 2% Cerium (mã màu xám) cũng là một lựa chọn rất tốt cho tất cả các loại hàn; loại điện cực này cung cấp khả năng khởi động và tái khởi động hồ quang ổn định mà không bị văng bắn. Nó đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng hàn ở dòng thấp và trung bình trên mọi loại kim loại. 

Tungsten hiếm, mã màu vàng lục chuối có khả năng khởi động hồ quang ở dòng thấp tốt nhất trong tất cả các loại, và có thể sử dụng với mọi loại kim loại. Loại điện cực này thường được ưu tiên sử dụng trong các hệ thống hàn tự động. 

Tungsten chứa Zirconi (mã màu trắng) phù hợp để hàn các hợp kim nhôm và magiê. Loại này có khả năng chịu dòng cao và mang lại khả năng khởi động hồ quang cũng như độ ổn định tốt hơn so với tungsten nguyên chất. 

Điện cực tungsten có nhiều đường kính khác nhau — từ 0.020 inch đến ¼ inch. Bạn cần chọn đường kính đủ lớn để chịu được dòng điện tối đa sử dụng cho từng công việc hàn. Những điện cực có đường kính nhỏ hơn sẽ dễ khởi động hồ quang hơn khi sử dụng ở dòng điện rất thấp. Với công việc của tôi, vốn bao gồm nhiều dạng hình học và kích thước khác nhau, tôi sử dụng điện cực đường kính 3/32 inch. Tôi không gặp bất kỳ vấn đề nào khi khởi động hồ quang, kể cả khi hàn tôn mỏng, và tôi vẫn có thể hàn được những kim loại dày đến ¼ inch hoặc hơn. 

Chiều dài phổ biến nhất của điện cực tungsten là 7 inch. Khi làm việc trong các khu vực chật hẹp, việc cắt ngắn điện cực có thể hữu ích, cho phép sử dụng chụp đuôi ngắn hơn trên đuốc hàn. 

Tungsten có thể được cắt bằng đá cắt, hoặc mài xuyên qua bằng góc của đá mài. Không nên cắt điện cực bằng kìm cắt dây hoặc bẻ gãy bằng cách uốn cong, vì điều này có thể gây ra các vết nứt nhỏ không nhìn thấy được ở đầu cắt — những vết nứt này có thể làm cho hồ quang hoạt động không ổn định. 

Điện cực tungsten thường được sản xuất với hai đầu tù và cần phải được mài nhọn trước khi sử dụng. Góc nhọn của đầu điện cực sẽ quyết định hình dạng của hồ quang phát ra từ điện cực. Có một mối quan hệ nghịch giữa góc nhọn của đầu điện cực và hình dạng của hồ quang — điện cực được mài nhọn sắc sẽ tạo ra một hồ quang hình nón với đáy rộng tại điểm tiếp xúc với kim loại, tạo nên một vũng hàn rộng. Điều này đặc biệt hữu ích khi hàn mép của các vật liệu mỏng.

Ngược lại, một đầu điện cực tungsten tù và ngắn sẽ tạo ra hồ quang hình nón hẹp với đáy nhỏ, tập trung năng lượng vào một vùng nhỏ hơn. Điều này giúp bạn đạt được độ ngấu sâu hơn khi hàn các vật liệu dày. Với một chút thử nghiệm và điều chỉnh, bạn có thể tìm ra góc mài đầu điện cực phù hợp nhất với đặc điểm yêu cầu của từng công việc cụ thể. 

Khi hàn ở dòng điện rất cao, việc mài một mặt phẳng nhỏ ở đầu điện cực tungsten có thể giúp ích. Cách làm này giúp ngăn điện cực bắn ra các hạt nhỏ vào vật hàn, từ đó giữ cho vùng hàn sạch sẽ và ổn định hơn. 

Có rất nhiều dụng cụ được thiết kế chuyên biệt để mài nhọn điện cực tungsten, nhưng bạn vẫn có thể thực hiện tốt việc này bằng đá mài, máy mài dây đai hoặc máy mài đĩa. Để tránh làm nhiễm bẩn điện cực, bạn nên sử dụng máy mài chuyên dụng chỉ dành cho tungsten, và đặc biệt phải đảm bảo các vết xước khi mài song song với trục của điện cực. Nếu bạn để lại các vết xước nghiêng hoặc xoắn ốc, hồ quang có thể trở nên không ổn định. 

Việc điện cực bị nhiễm bẩn là điều khá phổ biến. Điều này có thể xảy ra khi đầu điện cực vô tình chạm vào vũng hàn nóng chảy, hoặc khi que bù tiếp xúc với điện cực đang nóng. Đôi khi, các tạp chất có trong hoặc trên bề mặt kim loại cũng có thể bắn ra và làm bẩn điện cực. Việc giữ cho điện cực hoàn toàn sạch sẽ, không bị nhiễm bẩn là vô cùng quan trọng, vì vậy bạn cần sẵn sàng thay thế điện cực bất cứ khi nào điều này xảy ra. Một mẹo hữu ích là chuẩn bị sẵn vài điện cực đã được mài nhọn từ trước, để quá trình hàn không bị gián đoạn. 

Mặc dù có rất nhiều lựa chọn về điện cực tungsten cho hàn, nhưng sau khi bạn đã chọn được loại và đường kính phù hợp với ứng dụng của mình, thì bạn sẽ không cần phải bận tâm quá nhiều đến nó nữa. Một loại điện cực đa dụng tốt, như điện cực chứa 2% lanthan, đường kính 3/32 inch, sẽ là lựa chọn tuyệt vời cho hầu hết thợ hàn.