Hàn, hàn vảy và liên kết khuếch tán cho chi tiết kim loại in 3D: phương pháp kỹ thuật từ ghép cùng kim loại đến mối nối chuyển tiếp vật liệu khác loại

Mở đầu: khi kích thước in, vật liệu hoặc chi phí chạm trần, công nghệ liên kết là lối ra kỹ thuật cuối cùng

Trong các buổi thẩm định dự án sản xuất bồi đắp, có một nhóm yêu cầu gần như tuần nào cũng xuất hiện: biên dạng chi tiết vượt quá kích thước hữu dụng của buồng tạo hình, một số vùng cục bộ cần đặc tính vật liệu mà thiết bị in hiện có không thể đạt được một cách kinh tế, hoặc chi phí giờ máy để in toàn bộ đã cao đến mức khách hàng không thể chấp nhận. Điểm chung của ba tình huống này là chúng không còn là vấn đề có thể giải quyết bằng cách tối ưu thông số in, mà phải quay lại tìm lời giải trong tổ hợp quy trình chế tạo. Hàn, hàn vảy và liên kết khuếch tán chính là nhóm công nghệ được sử dụng lặp đi lặp lại khi sản xuất bồi đắp chuyển từ tạo hình đơn khối sang chế tạo tổ hợp, nhưng cũng là nhóm dễ bị đánh giá thấp nhất.

Một bối cảnh kỹ thuật thực tế là: một bộ manifold phân phối chất lỏng có kích thước ngoài 780 mm × 420 mm, vượt quá vùng tạo hình khoảng 400 mm của các thiết bị nóng chảy giường bột laser phổ biến; trong khi đó chỉ có hai đầu bích cần độ bền cao, phần thân còn lại chỉ yêu cầu chịu áp và chống ăn mòn. Nếu in toàn bộ, phải dùng thiết bị cỡ lớn và chấp nhận gần một nghìn giờ máy; nếu in theo phân đoạn rồi hàn lắp ghép, chi phí có thể giảm xuống dưới một phần ba. Mấu chốt của loại quyết định này không nằm ở việc có hàn được hay không, mà ở chỗ mối nối có vượt qua được thử áp, kiểm tra khuyết tật và đánh giá làm việc sau đó hay không.

1. Vì sao chi tiết in 3D không thể áp dụng máy móc quy trình hàn truyền thống

Xem chi tiết in như vật rèn hoặc vật đúc thông thường để hàn là sai lầm phổ biến nhất tại hiện trường. Vật liệu nền của chi tiết sản xuất bồi đắp có ba đặc điểm khác với vật liệu thông thường: bên trong tồn tại một tỷ lệ nhất định lỗ rỗng và khuyết tật không ngấu, tổ chức thể hiện rõ tính dị hướng và đặc trưng theo lớp, đồng thời sau tạo hình còn lưu lại ứng suất nhiệt khá cao. Những đặc điểm này sẽ bị khuếch đại dưới chu trình nhiệt hàn.

Vấn đề lỗ rỗng là trực tiếp nhất. Chi tiết tạo bằng nóng chảy giường bột laser trước khi ép đẳng tĩnh nóng thường có mật độ tương đối trong khoảng 99,5% đến 99,9%. Các lỗ rỗng vi mô còn sót lại sẽ giãn nở và tập trung trong bể hàn nhiệt độ cao của hàn hồ quang hoặc hàn laser, tạo thành chuỗi lỗ rỗng phân bố dọc đường nóng chảy. Trong thực tế, đối với vật liệu nền trong phạm vi 10 mm quanh vùng hàn, thường yêu cầu phải được ép đẳng tĩnh nóng để tăng độ đặc, hoặc trong giai đoạn đánh giá quy trình phải dùng CT công nghiệp xác nhận độ rỗng của vùng này thấp hơn 0,2%. Nếu bỏ qua bước này, tỷ lệ đạt ngay lần đầu trong kiểm tra chụp X-quang của mối nối thường giảm từ trên 90% xuống dưới 60%.

Tính dị hướng lại ảnh hưởng đến hành vi biến dạng của mối nối. Hệ số giãn nở nhiệt và giới hạn chảy theo hướng in, tức hướng Z, khác với phương vuông góc; dưới tác động gia nhiệt không đồng đều khi hàn sẽ sinh co ngót bất đối xứng, khiến mặt bích bị biến dạng góc vượt dung sai. Cách làm theo kinh nghiệm là bố trí đường hàn đối xứng, áp dụng hàn lùi theo đoạn và chừa lượng biến dạng ngược trên đồ gá.

2. Phân loại nhóm công nghệ: ranh giới ứng dụng của hàn nóng chảy, hàn vảy và liên kết pha rắn

Khi đặt ba nhóm công nghệ này vào cùng một bảng quyết định, các căn cứ đánh giá chủ yếu là yêu cầu độ bền mối nối, tính tương thích luyện kim của vật liệu nền và mức nhiệt đầu vào cho phép.

Hàn nóng chảy, gồm TIG, MIG, hàn laser và hàn chùm điện tử, dựa vào sự nóng chảy đồng thời của vật liệu nền và kim loại điền đầy để hình thành các hạt tinh thể chung. Độ bền mối nối có thể tiệm cận vật liệu nền, phù hợp với kết cấu chịu lực và chi tiết dạng bình chịu áp. Đổi lại, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn, biến dạng rõ rệt và yêu cầu cao về tính hàn của vật liệu nền. Với chi tiết in bằng thép không gỉ 316L, khi hàn TIG bằng dây hàn ER316L, kiểm soát nhiệt đầu vào mỗi đường ở mức 0,8 đến 1,2 kJ/mm, nhiệt độ giữa các lớp không vượt quá 150 ℃, độ bền kéo của mối nối thường đạt trên 90% vật liệu nền.

Hàn vảy dựa vào kim loại điền đầy có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn vật liệu nền để lấp đầy khe hở nhờ tác dụng mao dẫn; bản thân vật liệu nền không nóng chảy, vùng ảnh hưởng nhiệt rất nhỏ, phù hợp với chi tiết chính xác, chi tiết thành mỏng và tổ hợp vật liệu khác loại. Vật liệu hàn vảy gốc bạc, như dòng BAg, có nhiệt độ hàn khoảng 600 đến 800 ℃; hàn vảy chân không hoặc hàn vảy trong khí bảo vệ có thể tránh oxy hóa. Hạn chế của nó là độ bền mối nối bị chi phối bởi độ bền của vật liệu hàn vảy và khả năng kiểm soát khe hở: độ bền cao nhất khi khe hàn vảy nằm trong khoảng 0,05 đến 0,15 mm, còn nếu khe quá lớn thì độ bền giảm mạnh. Đây cũng là lý do thiết kế mối hàn vảy phải ghi rõ dung sai lắp ghép.

Liên kết khuếch tán và liên kết pha rắn, gồm hàn khuếch tán và hàn ma sát khuấy, nằm giữa hai nhóm trên. Liên kết khuếch tán được thực hiện trong chân không hoặc khí trơ, có tác dụng của áp lực và giữ nhiệt ở mức 0,5 đến 0,7 lần nhiệt độ nóng chảy, dựa vào khuếch tán nguyên tử để tạo mối nối không dùng vật liệu hàn vảy, hầu như không tạo vùng ảnh hưởng nhiệt. Đây là phương án ưu tiên cho tổ hợp chi tiết in bằng hợp kim titan và hợp kim nhiệt độ cao; thông số điển hình là 900 đến 950 ℃, áp lực 5 đến 10 MPa, thời gian giữ nhiệt 60 đến 120 phút.

3. Các điểm then chốt khi liên kết cùng kim loại

Lấy chi tiết in bằng hợp kim titan Ti6Al4V phổ biến nhất làm ví dụ, trước khi hàn phải hoàn tất ba bước chuẩn bị. Thứ nhất là làm sạch bề mặt: các hạt bán nóng chảy và lớp oxit bám trên bề mặt chi tiết in phải được loại bỏ tại vùng hàn bằng mài cơ học hoặc phay hóa học, để lộ ánh kim loại; phạm vi mài cần vượt quá mép vát tối thiểu 15 mm. Thứ hai là thiết kế mép vát: khi chiều dày tấm vượt quá 6 mm, nên dùng vát chữ V hoặc chữ X, mép tù 1 đến 2 mm để bảo đảm ngấu chân. Thứ ba là bảo vệ khí: hợp kim titan hấp thụ mạnh oxy, nitơ và hydro khi trên 400 ℃, vì vậy mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt phải được bảo vệ hai mặt bằng argon có độ tinh khiết không thấp hơn 99,999%, đồng thời dùng chụp kéo để bảo vệ vùng nhiệt độ cao cho đến khi nguội xuống dưới 400 ℃. Màu mối hàn bạc trắng hoặc vàng nhạt được xem là đạt; nếu xuất hiện màu xanh lam hoặc xám thì đánh giá là oxy hóa vượt mức và phải cắt bỏ hàn lại.

Khó khăn của chi tiết in bằng hợp kim nhôm nằm ở lỗ rỗng hydro. Chi tiết AlSi10Mg vốn có hàm lượng silic cao, khi hàn bể hàn có xu hướng hấp thụ hydro lớn; do đó trước khi hàn cần gia nhiệt sơ bộ vật liệu nền ở 120 đến 150 ℃ để khử ẩm, chọn dây hàn ER4043 để giảm độ nhạy nứt nóng, đồng thời kiểm soát nghiêm ngặt điểm sương của khí bảo vệ thấp hơn -40 ℃.

4. Mối nối chuyển tiếp vật liệu khác loại: từ thép-nhôm đến đồng-thép không gỉ

Liên kết chi tiết in với chi tiết vật liệu truyền thống là nhu cầu tăng nhanh nhất sau khi sản xuất bồi đắp đi vào ứng dụng kỹ thuật. Mâu thuẫn cốt lõi là không tương thích luyện kim: nếu hàn nóng chảy trực tiếp thép với nhôm, sẽ hình thành lớp hợp chất liên kim giòn; khi chiều dày lớp này vượt 10 μm, mối nối gần như mất tính dẻo.

Giải pháp chủ đạo trong kỹ thuật là sử dụng mối nối chuyển tiếp. Trước hết đắp hàn hoặc ghép nổ trên phía thép một lớp kim loại tương thích với nhôm, như nhôm nguyên chất hoặc hợp kim nhôm-silic, sau đó hoàn thành hàn vảy hoặc hàn nóng chảy phía nhôm trên lớp chuyển tiếp, nhờ đó giới hạn hợp chất giòn ở mặt phân cách ghép chứ không nằm trong mối hàn. Với tổ hợp đồng-thép không gỉ, thường dùng kim loại điền đầy gốc niken hoặc mạ trước một lớp niken trên phía đồng để ức chế nứt thấm của đồng vào biên hạt thép.

Một hướng đi ổn định hơn là tránh hàn nóng chảy: thiết kế mối nối tổ hợp gồm liên kết cơ khí kết hợp hàn vảy làm kín giữa các vật liệu khác loại. Kết cấu cơ khí chịu tải, còn lớp hàn vảy chỉ đảm nhiệm chức năng làm kín. Thiết kế này tách rời rủi ro luyện kim khỏi chức năng chịu lực, được ứng dụng rộng rãi ở các đầu nối ống của bình chịu áp; đổi lại kết cấu hơi nặng hơn và công đoạn lắp ráp tăng lên.

5. Xác minh chất lượng mối nối và tiêu chí chấp nhận

Mối hàn và mối hàn vảy không thể được cho xuất xưởng chỉ dựa vào ngoại quan. Một bộ xác minh hoàn chỉnh cần bao phủ bốn cấp độ: ngoại quan và kích thước, gồm chiều cao dư mối hàn, biến dạng góc, tỷ lệ lấp đầy mối hàn vảy; kiểm tra không phá hủy, trong đó mối hàn nóng chảy kiểm tra bằng chụp X-quang hoặc siêu âm, mối hàn vảy chủ yếu dùng siêu âm và thử kín khí, còn vùng hàn của chi tiết in nên bổ sung CT công nghiệp để kiểm tra sự tập trung lỗ rỗng; xác minh cơ tính, gồm thử kéo, uốn và va đập trên tấm thử đánh giá quy trình cùng lô; và xác minh làm việc, gồm thử thủy lực ở mức 1,5 lần áp suất làm việc và giữ áp không dưới 30 phút.

Đánh giá quy trình phải được hoàn tất trước sản xuất hàng loạt và lập thành quy trình hàn dạng văn bản, trong đó cố định toàn bộ dòng điện, điện áp, nhiệt đầu vào, nhiệt độ giữa các lớp, lưu lượng khí bảo vệ và đường cong nhiệt luyện sau hàn. Nếu thiếu bước này, mỗi lần hàn đều là một thí nghiệm bất định, và chi phí làm lại sẽ nhanh chóng ăn mòn lợi thế tiết kiệm thời gian mà bản thân sản xuất bồi đắp mang lại.

6. Khuyến nghị thiết kế mối nối cho sản xuất bồi đắp

Thay vì cứu chữa ở khâu công nghệ, tốt hơn là đưa yếu tố liên kết vào ngay từ giai đoạn thiết kế. Có ba khuyến nghị cụ thể: thứ nhất, bố trí mối hàn ở vùng ứng suất thấp, tránh nơi tiết diện thay đổi đột ngột và vị trí nhạy cảm với mỏi; thứ hai, tạo hình trực tiếp trên chi tiết in các bậc định vị hàn và rãnh chứa vật liệu hàn vảy, nhằm giảm thời gian căn chỉnh lắp ráp và bảo đảm khe hở nhất quán; thứ ba, ghi rõ sau hàn có cần ủ khử ứng suất hay không. Với hợp kim titan, thường giữ ở 600 đến 700 ℃ trong 1 đến 2 giờ; với hợp kim nhôm, thường dùng ủ nhiệt độ thấp 250 đến 300 ℃. Nếu ghi sai thông số, có thể trực tiếp gây vượt dung sai kích thước hoặc suy giảm tính năng.

Kết luận

Hàn, hàn vảy và liên kết khuếch tán không phải là phương án thay thế sản xuất bồi đắp, mà là công cụ kỹ thuật giúp giải phóng nó khỏi giới hạn kích thước của một máy đơn lẻ. Chọn công nghệ nào phụ thuộc vào yêu cầu độ bền mối nối, tính tương thích luyện kim của vật liệu nền và nhiệt đầu vào cho phép; còn khả năng đạt chất lượng ổn định phụ thuộc vào trạng thái đặc hóa của vật liệu nền, chất lượng làm sạch bề mặt, bảo vệ khí và mức độ hoàn thiện của đánh giá quy trình. Khi các điều kiện tiên quyết này được thực hiện chắc chắn, chế tạo tổ hợp mới vừa tận dụng được tự do hình học của sản xuất bồi đắp, vừa giữ vững giới hạn tin cậy của kết cấu.