Hàn Inox với thép thường: chọn vật liệu bù và quy trình tối ưu

Hàn Inox (thép không gỉ) với thép carbon là một dạng liên kết “dị vật liệu” có nhiều rủi ro kim loại học: nứt nóng, hoá giòn, ăn mòn tiếp xúc, sai lệch hệ số giãn nở. Bài viết này cung cấp hướng dẫn thực hành tốt nhất về lựa chọn vật liệu bù (que/dây), phương pháp và thông số quy trình để đạt mối hàn bền, kín, chống ăn mòn – áp dụng trực tiếp cho xưởng và công trường.

Vì sao hàn Inox–thép thường “khó”?

– Pha loãng thành phần: Hồ quang kéo nguyên tố từ thép thường (C, Mn) vào kim loại mối hàn; nếu dùng vật liệu bù không phù hợp sẽ tạo tổ chức dễ nứt.
– Nứt nóng trong austenit: Inox austenit nguyên austenit thuần dễ nứt nóng; cần một tỷ lệ ferrite (FN~3–10) trong mối hàn để kháng nứt.
– HAZ thép thường bị tôi cứng: Vùng ảnh hưởng nhiệt phía thép có thể hình thành martensite, tăng nguy cơ nứt nguội do hydro.
– Khác biệt giãn nở nhiệt: Inox austenit giãn nở lớn hơn, dễ tạo ứng suất dư cao.
– Ăn mòn điện hoá: Cặp Inox–thép trong môi trường ẩm/ion Cl- làm thép thường ăn mòn nhanh; cần giải pháp cách điện và phủ bảo vệ.

Lựa chọn vật liệu bù: khuyến nghị theo ứng dụng

Nguyên tắc: ưu tiên dây/que loại 309L/309MoL hoặc 312 để đảm bảo thành phần Cr–Ni cao, có FN đủ để chống nứt nóng và chịu pha loãng từ thép thường.

– 304/304L ↔ thép thường (S235, S355, CT3…)
– Phổ biến nhất: 309L/309LSi (AWS A5.9: ER309L/ER309LSi cho GTAW/GMAW; A5.4: E309L-16/-17 cho SMAW).
– Môi trường clorua/pitting: 309MoL/309LMo (có Mo tăng chống rỗ).
– 316/316L ↔ thép thường
– 309MoL/309L. Nếu yêu cầu cao về pitting/crevice, ưu tiên 309MoL.
– Khi khe hở lớn, chi tiết dày, hoặc thép thường không rõ mác/hàm lượng C cao, ràng buộc cứng
– 312 (AWS A5.9: ER312; A5.4: E312-16) – hàm lượng ferrite cao, chịu pha loãng tốt, kháng nứt rất tốt (đổi lại chống ăn mòn kém hơn 309L/Mo).
– Khi bắt buộc PWHT toàn bộ kết cấu ở 600–650°C
– Cân nhắc hợp kim Ni (ERNiCr-3/ERNiCrMo-3) để tránh nhạy cảm hoá Inox; cần thẩm định PQR kỹ lưỡng.
– Duplex ↔ thép thường
– Phổ biến: 2209 (ER/E2209) hoặc 309LMo; kiểm soát nhiệt nghiêm ngặt để duy trì cân bằng austenit–ferrite.

Lưu ý:
– Chọn loại “L” (hàm lượng C thấp) để giảm nguy cơ nhạy cảm hoá (carbide Cr23C6).
– Mục tiêu FN trong kim loại mối hàn ~3–10 (309L, 312 thường đáp ứng). Có thể kiểm tra FN bằng Ferritescope theo WRC-1992.

Chiến lược “buttering” để nâng tuổi thọ

– Bước 1: Đắp một lớp “butter” 309L/309MoL lên phía thép thường (2–3 lớp), sau đó gia công phẳng.
– Bước 2: Hàn liên kết chính giữa lớp butter và chi tiết Inox bằng vật liệu bù gần với Inox (308L/316L).
Lợi ích: giảm pha loãng từ thép, tăng chống ăn mòn phía Inox, phù hợp khi môi trường khắc nghiệt.

Chọn phương pháp hàn theo hiện trường và chất lượng

– GTAW (TIG): Kiểm soát cao nhất cho pass đáy (root), bề mặt sạch, thích hợp chiều dày mỏng–trung bình. Bắt buộc back purging Argon cho mặt sau phía Inox để tránh “sugar” oxy hoá.
– GMAW (MIG/MAG): Năng suất tốt cho sản xuất; dùng dây ER309LSi để cải thiện ướt mép; khuyến nghị chuyển dịch xung (pulsed) để giảm bắn toé và kiểm soát nhiệt.
– SMAW (Que hàn): Linh hoạt hiện trường; dùng E309L-16/-17, E312-16. Bảo quản que khô, quy trình ít hydro.
– FCAW (hàn dây lõi thuốc): Dây 309LT1-1/4 cho mọi vị trí; phù hợp khi cần năng suất và độ thấu tốt; quản lý xỉ và khí che chắn.
– SAW (hàn hồ quang chìm): Không khuyến khích trực tiếp do pha loãng lớn; nếu bắt buộc, hãy buttering trước bằng 309L rồi SAW lớp phủ.

Khí bảo vệ khuyến nghị

– GTAW: Argon 99.99%; back purge giữ O2 < 0.1% (màu rễ vàng rơm là đạt; xanh/đen là quá oxy hoá). - GMAW: 98% Ar + 2% CO2 hoặc 98% Ar + 1–2% O2. Tránh CO2 > 3% để hạn chế oxy hoá Cr.
– FCAW-G: Khí che chắn tương tự GMAW; tham khảo TDS của nhà sản xuất dây.

Kiểm soát nhiệt: preheat, interpass, làm nguội

– Preheat phía thép thường theo CE và bề dày:
– CE ≤ 0.40: 50–75°C.
– 0.40 < CE ≤ 0.60: 100–150°C. - Dày > 25 mm: tăng preheat trong khoảng trên. Mục tiêu giảm tốc nguội, hạn chế nứt nguội do hydro.
– Nhiệt độ giữa lớp (interpass) phía Inox: ≤ 150°C (nhiều nhà sản xuất khuyến nghị ≤ 120°C) để tránh nhạy cảm hoá và sigma.
– Làm nguội có kiểm soát, tránh dội nước lên vùng hàn.

Chuẩn bị mép và vệ sinh

– Loại bỏ mạ kẽm/sơn/dầu mỡ tối thiểu 25–50 mm quanh mép hàn.
– Chỉ dùng bàn chải, đĩa mài bằng Inox riêng biệt cho Inox; không để nhiễm sắt tự do lên bề mặt Inox.
– Vát mép hợp lý để giảm pha loãng từ thép thường (ví dụ vát V hẹp phía Inox, vát rộng hơn phía thép nếu cần).

Quy trình hàn mẫu (WPS tham khảo) 304L ↔ S355, dày 8 mm

– Liên kết: Butt joint, vát V 60° tổng; khe hở gốc 2.0 mm; backing khí trên phía Inox.
– Vật liệu bù: Root GTAW ER309L (Ø1.6–2.4 mm), fill/cap GMAW ER309LSi (Ø1.0 mm) hoặc tiếp tục GTAW.
– Khí:
– GTAW: Ar 99.99% 6–8 L/ph, back purge 5–8 L/ph, O2 < 0.1%. - GMAW: 98% Ar + 2% CO2, 14–18 L/ph, chế độ xung. - Thông số tham khảo: - GTAW root: 70–110 A DCEN, 10–12 V; tốc độ 80–140 mm/ph. - GMAW fill/cap: 160–220 A, 22–28 V, dây 0.9–1.2 mm; WFS 6–9 m/ph. - Preheat: 75–100°C phía thép (tùy CE). - Interpass: ≤ 120–150°C (đo tại cạnh mối hàn). - Trình tự: Tack nhỏ, đối xứng; root GTAW một lớp; kiểm tra rễ; fill 2–3 lớp; cap hơi lồi. - Sau hàn: Làm sạch xỉ/oxit; pickling + passivation vùng Inox; sơn phủ chống ăn mòn cho toàn bộ phần thép thường. - Kiểm tra: VT 100%; PT mặt Inox cho rỗ nứt bề mặt; nếu yêu cầu kín khí: thử rò rỉ xà phòng/áp lực thấp; đo độ cứng HAZ thép ≤ 350 HV.

Xử lý sau hàn và bảo vệ ăn mòn

– Tẩy gỉ–thụ động hoá (pickling & passivation) khu vực Inox để tái tạo lớp thụ động Cr2O3. Dùng gel HNO3–HF hoặc dung dịch citric theo hướng dẫn an toàn.
– Cách ly điện giữa Inox và thép bằng đệm cách điện, long đen nhựa, băng keo cách điện; tránh “water trap”.
– Sơn phủ/bảo vệ cho phần thép thường, ưu tiên hệ sơn kẽm epoxy + polyurethane khi môi trường ẩm mặn.
– Với đường ống/hệ thống quan trọng: cân nhắc dùng đoạn chuyển tiếp bimetal (explosion-bonded) thay vì hàn trực tiếp.

Tiêu chuẩn áp dụng và kiểm soát chất lượng

– WPS/PQR: ASME Section IX hoặc ISO 15614.
– Kết cấu Inox: AWS D1.6; kết cấu thép carbon: AWS D1.1 (áp dụng kết hợp với D1.6 cho mối hàn dị vật liệu).
– Que/dây: AWS A5.4 (SMAW), A5.9 (GTAW/GMAW), EN ISO 14343.
– Chứng chỉ thợ hàn: ISO 9606-1.
– Kiểm tra không phá hủy: VT, PT; RT/UT khi yêu cầu; đo FN nếu cần; kiểm soát độ cứng HAZ thép; thử rò rỉ cho đường ống.

Lỗi thường gặp và cách khắc phục

– Rễ hàn bị “đường đường” (sugaring) phía Inox: chưa back purge hoặc O2 purge cao → dùng buồng khí, chắn gió, kiểm soát O2 < 0.1%. - Nứt nóng ở mối hàn: chọn 309L/312 có FN đủ; giảm nhiệt đầu vào; dùng dây có Si phù hợp để cải thiện ướt mép. - Nứt nguội HAZ thép: tăng preheat, kiểm soát hydro (que/dây khô; khí sạch), tránh làm nguội đột ngột. - Ăn mòn nhanh phía thép: sơn phủ, cách điện cặp kim loại, thiết kế thoát nước. - Màu ôxy hoá đậm trên Inox: giảm heat input, cải thiện che chắn; sau hàn phải pickling/passivation.

Mẹo kỹ thuật nhanh cho hiện trường

– Ưu tiên 309L/309MoL cho đa số liên kết Inox–thép; 312 khi kết cấu cứng/khó.
– Root TIG + back purging cho chất lượng nội mối hàn; fill bằng MIG xung để tăng năng suất.
– Giữ interpass thấp, dây/que loại “L”; kiểm soát khí che chắn và vệ sinh bề mặt nghiêm ngặt.
– Buttering phía thép thường khi môi trường ăn mòn nặng hoặc cần SAW.

Nguồn tham khảo

– AWS D1.6/D1.1; ASME Section IX; EN ISO 14343; ISO 9606-1.
– TWI (The Welding Institute): Dissimilar metal welding guidelines – twi-global.com.
– Lincoln Electric: Stainless Steel Welding Guide & Filler Metal Selection – lincolnelectric.com.
– Outokumpu Welding Handbook – outokumpu.com.
– ESAB/Sandvik data sheets for ER/E309L, ER/E312.

Kết luận
Hàn Inox với thép thường đòi hỏi lựa chọn vật liệu bù đúng (ưu tiên 309L/309MoL hoặc 312), quy trình ít hydro, kiểm soát nhiệt chặt (preheat phía thép, interpass thấp), che chắn khí chuẩn (đặc biệt back purge cho Inox), và xử lý sau hàn để khôi phục thụ động hoá. Thực hiện buttering khi cần và áp dụng sơn/cách điện để ngăn ăn mòn điện hoá. Tuân thủ các tiêu chuẩn AWS/ASME/ISO và kiểm tra phù hợp sẽ giúp mối hàn bền chắc, chống ăn mòn và ổn định lâu dài.

Cần tư vấn WPS/PQR hoặc chọn dây/que 309L/312 phù hợp ứng dụng của bạn? Liên hệ Inox Cường Thịnh để được hỗ trợ kỹ thuật và báo giá tốt nhất. Hotline: 0343.417.281. Email: inoxcongnghiep.cuongthinh@gmail.com