Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ hàn để hàn thép không gỉ SUS304 với thép các bon A53

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 68 (3/2020) 75 
BÀI BÁO KHOA HỌC 
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HÀN ĐỂ HÀN THÉP 
KHÔNG GỈ SUS304 VỚI THÉP CÁC BON A53 
Ngô Hữu Mạnh1 
Tóm tắt: Quá trình hàn vật liệu khác nhau về thành phần, đặc tính gặp rất nhiều khó khăn. Mối hàn 
yêu cầu phải đảm bảo không có khuyết tật, tổ chức ổn định, có độ bền cao trong quá trình làm việc. 
Trong bài báo này, nhóm tác giả nghiên cứu quy trình hàn thép không gỉ SUS304 với thép các bon A53 
bằng quá trình hàn GTAW và SMAW. Phương pháp kim tương được sử dụng để phân tích cấu trúc tế vi. 
Các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) bằng tia Rơnghen, kiểm tra phá hủy (DT) bằng kéo và 
uốn để đánh giá chất lượng hàn. 
Từ khoá: Hàn thép Austenite, hàn vật liệu khác nhau, hàn thép không gỉ. 
1. GIỚI THIỆU CHUNG 
Trong lĩnh vực sản xuất cơ khí, nhiệt điện, hóa 
chất, thực phẩm, thủy lợi,...hàn các vật liệu khác 
nhau trong đó hàn thép không gỉ SUS 304 với 
thép các bon A53 là một vấn đề vô cùng quan 
trọng. Một mặt nhằm sử dụng đúng vật liệu để 
phát huy tốt các đặc tính ưu việt của chúng. Mặt 
khác giúp tiết kiệm vật liệu tốt, giảm chi phí sản 
xuất, hạ giá thành sản phẩm sau khi chế tạo. Tuy 
nhiên vấn đề khó khăn ở đây là liên kết các loại 
vật liệu khác nhau hoàn toàn về thành phần và đặc 
tính này với nhau. Kim loại khác nhau là các kim 
loại có thành phần hóa học, đặc tính, tổ chức tế vi 
khác nhau. Quá trình hàn các kim loại đồng nhất 
thường thuận lợi hơn khi hàn các kim loại khác 
nhau DMW (E. Taban, et al, 2008). Trong quá 
trình hàn, các nguyên tố hợp kim bị khuếch tán, 
nóng chảy, hòa tan vào nhau tạo ra liên kim mới 
hoặc pha mới hoặc hợp chất mới. Các quá trình 
này bị ảnh hưởng bởi chế độ hàn, quy trình hàn, 
quá trình luyện kim, tốc độ nguội, (AWS 
welding handbook, 2011). Vì vậy, các yếu tố ảnh 
hưởng cần được nghiên cứu, phân tích trước khi 
hàn để loại bỏ những yếu tố bất lợi và hướng đến 
nhận được mối hàn và liên kết hàn tốt nhất. Mặt 
khác, sau khi hàn, mối hàn và liên kết hàn cần 
được kiểm tra, đánh giá không phá hủy NDT hoặc 
kiểm tra phá hủy DT hoặc cả NDT và DT để đảm 
bảo an toàn tuyệt đối trước khi sử dụng. 
2. THỰC NGHIỆM HÀN 
2.1. Vật liệu cơ bản 
Vật liệu cơ bản gồm thép không gỉ SUS 304 và 
thép các bon A53 chiều dày δ=10mm. Bề mặt của 
vật hàn được làm sạch tại vị trí hàn. Mỗi tấm được 
gia công vát mép chữ V, góc vát α=600, phần 
không vát p=(1.0÷1.5)mm. 
Hình 1. Liên kết hàn thép SUS 304 và A53
Bảng 1. Thành phần hóa học của thép SUS 304 (JIS G 3101, 2010) 
%C %Si %Mn %S %P %Cr %Ni 
0.08 0.75 2.0 0.03 0.045 18-20 8.0-10.5 
1 Phòng Khoa học công nghệ và Hợp tác quốc tế, 
Trường Đại học Sao Đỏ 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 68 (3/2020) 76 
Bảng 2. Cơ tính của thép SUS 304 (JIS G 3101, 2010) 
Giới hạn bền (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ giãn dài (%) 
500 - 525 205 - 215 40 
Bảng 3. Thành phần hóa học của thép ASTM A53 (John E. Bringas, 2007) 
%C %Mn %S %P %Cr %Ni %Mo 
0.25 0.95 0.045 0.05 0.4 0.4 0.15 
Bảng 4. Cơ tính của thép ASTM A53 (John E. Bringas, 2007) 
Giới hạn bền (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ giãn dài (%) 
>415 >240 23>20 
2.2. Vật liệu hàn 
Do sử dụng hai quá trình hàn GTAW và SMAW 
nên vật liệu hàn được sử dụng gồm que hàn dùng 
để hàn lớp đáy mối hàn và que hàn dùng để hàn lớp 
phủ trên bề mặt mối hàn. Vật liệu hàn lớp đáy được 
sử dụng là que hàn TG-S309L tiêu chuẩn AWS 
A5.9 ER309L, đường kính 2.4mm. Vật liệu hàn lớp 
phủ được sử dụng là que hàn NC-39L tiêu chuẩn 
AWS A5.4 E309L-16, đường kính 3.2mm. Hai loại 
vật liệu hàn này được sản xuất bởi hãng Kobelco 
(Nhật Bản). Thành phần và cơ tính của hai loại vật 
liệu hàn này được mô tả như bảng dưới đây. 
Bảng 5. Thành phần hóa học của que hàn TG-S309L (Kobe steel, 2011) 
%C %Si %Mn %Cr %Ni %Mo %Cu 
0.016 0.41 1.84 23.28 13.68 0.03 0.04 
Bảng 6. Cơ tính của của que hàn TG-S309L (Kobe steel, 2011) 
Giới hạn bền (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ giãn dài (%) Độ dai va đập (V) ở 00C (J) 
570 410 38 110 
Bảng 7. Thành phần hóa học của que hàn NC-39L (Kobe steel, 2011) 
%C %Si %Mn %S %P %Cr %Ni 
0.03 0.6 1.5 0.005 0.02 23.13 12.5 
Bảng 8. Cơ tính của của que hàn NC-39L (Kobe steel, 2011) 
Giới hạn bền (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ giãn dài (%) Độ dai va đập (V) ở 00C (J) 
560 410 42 67 
Điện cực không nóng chảy được sử dụng trong 
quá trình hàn GTAW là W-ThO2, đường kính điện 
cực là 2,4mm. Khí bảo vệ được sử dụng trong quá 
trình hàn là khí Argon (Ar) với độ tinh khiết đạt 
99,99%. Khí Ar được nén vào bình chuyên dụng 
dung tích 40l, áp suất 150bar. 
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 
3.1. Quy trình hàn 
Để đảm bảo chất lượng hàn, tiến hành gia nhiệt 
cho vật hàn với nhiệt độ 200 – 3000C. Các mối 
hàn được thực hiện ở vị trí 5G đảm bảo quy trình 
hàn theo tiêu chuẩn AWS D1.1 (AWS 
D1.1/D1.1M, 2010). Quy trình hàn được thực hiện 
theo trình tự hàn lớp đáy bằng quá trình hàn 
GTAW, sau đó hàn lớp phủ bằng quá trình hàn 
SMAW để hoàn thiện mối hàn nối hai loại vật liệu 
SUS 304 và A53. 
Do sử dụng phương pháp hàn nóng chảy nên 
kim loại mối hàn là hỗn hợp gồm vật liệu cơ bản 
và vật liệu bổ sung từ que hàn. Vì hàn nối ghép 
hai loại vật liệu khác nhau hoàn toàn về thành 
phần và cơ tính, nên thép A53 tham gia quá 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 68 (3/2020) 77 
nhiều vào mối hàn sẽ làm giảm cơ tính, khả năng 
chịu nhiệt và khả năng chống ăn mòn của kim 
loại mối hàn. 
Vì độ dẫn nhiệt của thép SUS 304 với A53 có sự 
chênh lệch đáng kể (khoảng 0.3:1.0). Do đó trong 
quá trình hàn, nhiệt do hồ quang sinh ra sẽ nhanh 
chóng truyền từ vũng hàn vào thép A53. Nhiệt 
truyền vào thép SUS 304 sẽ chậm hơn so với A53. 
Vì vậy, nguồn nhiệt hồ quang hướng sang thép SUS 
304 là cần thiết để cân bằng nguồn nhiệt. 
Hình 2. Quá trình chuyển từ trạng thái từ rắn 
sang lỏng của kim loại mối hàn 
Bên cạnh đó, thép không gỉ SUS 304 và thép 
các bon A53 có sự chênh lệch về hệ số dãn nở 
nhiệt (khoảng 1.3:1.0), nên khi có sự thay đổi 
nhiệt độ sẽ sinh ra ứng suất dư trong liên kết khi 
hàn. Yếu tố này rất quan trọng đối với các liên kết 
hàn làm việc trong môi trường nhiệt độ cao và 
thay đổi theo chu kì. 
Quá trình phân tích đường đặc tính nhiệt thấy 
rằng, kim loại mối hàn chuyển từ trạng thái rắn 
sang trạng thái lỏng ở nhiệt độ khoảng 14300C. 
Đây là cơ sở quan trọng để điều tiết nguồn nhiệt 
lệch về phía vật liệu SUS 304 trong quá trình hàn. 
Vì quá trình điều tiết nguồn nhiệt sẽ giúp kiểm 
soát được mức độ tham gia của vật liệu nền vào 
mối hàn. Khi đó, mức độ tham gia vào mối hàn 
của thép SUS 304 sẽ nhiều hơn so với A53. Thép 
SUS 304 tham gia nhiều vào mối hàn kết hợp với 
vật liệu bổ sung từ que hàn sẽ làm tăng độ dẻo, độ 
bền, khả năng chịu nhiệt, khả năng chống ăn mòn, 
khả năng kháng nứt cho kim loại mối hàn. 
Quá trình hàn lớp thứ nhất (lớp đáy) được 
thực hiện bằng quá trình hàn GTAW sử dụng que 
hàn TG-S309L, đường kính 2.4mm của hãng 
Kobelco. Khí Ar 99,99% được sử dụng để bảo vệ 
vùng hàn và điện cực. Khí Ar được cấp vào với 
lưu lượng 15 lít/phút để bảo vệ tốt hơn vùng chân 
mối hàn. Phương pháp dao động mỏ hàn hình 
răng cưa được sử dụng để đảm bảo chân độ ngấu 
của mối hàn. Độ lồi chân mối hàn đảm bảo từ 0.5 
đến 1.0mm. 
Bảng 9. Thông số chế độ hàn GTAW 
Chế độ hàn Ký hiệu Giá trị Ghi chú 
Đường kính điện cực (mm) de 2.4 W-ThO2, α=30
0 
Đường kính que hàn (mm) d 2.4 L = 1000mm 
Cường độ dòng hàn (A) Ih 100 - 110 DCEN 
Điện áp hàn (V) Uh 26 - 28 
Vận tốc hàn (mm/phút) Vh 50 - 55 
Khí bảo vệ (l/phút) Lk 10 - 15 Ar99,99% 
Quá trình hàn lớp phủ được thực hiện bằng công 
nghệ hàn SMAW sử dụng que hàn NC-39L tiêu 
chuẩn E309L-16, đường kính 3.2 mm của hãng 
Kobelco. Trước khi thực hiện hàn lớp phủ, bề mặt 
mối hàn và mép vật hàn được làm sạch để đảm bảo 
nhận được mối hàn tốt nhất. Mỗi lớp hàn phủ gồm 
nhiều đường hàn khác nhau, nên các đường hàn phải 
được thực hiện theo đúng quy trình hàn. Sau mỗi 
đường hàn và lớp hàn, bề mặt mối hàn, vật hàn được 
làm sạch trước khi thực hiện đường hàn tiếp theo. 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 68 (3/2020) 78 
Bảng 10. Thông số chế độ hàn SMAW 
Chế độ hàn Ký hiệu Giá trị Ghi chú 
Đường kính que hàn (mm) d 3.2 
Cường độ dòng hàn (A) Ih 100 - 110 DCEP 
Điện áp hàn (V) Uh 30 - 32 
Vận tốc hàn (mm/phút) Vh 80 - 100 
Với chiều dày 10mm, được hàn lớp đáy bằng 
quá trình hàn GTAW, tác giả thực hiện 03 lớp hàn 
phủ. Bề mặt mối hàn lớp đáy và mép vật hàn được 
làm sạch trước khi hàn phủ. Lớp hàn phủ thứ I gồm 
01 đường hàn phủ kín toàn bộ lớp hàn lót. Lớp phủ 
thứ II gồm 02 đường hàn phủ kín lớp hàn thứ I. 
Lớp phủ thứ III gồm 03 đường hàn phủ kín toàn bộ 
lớp hàn thứ II. 
3.2. Kiểm tra kim tương mối hàn 
Mẫu kiểm tra kim tương được cắt ra từ vật hàn. 
Sau đó, mẫu thử được mài bóng và tẩm thực màu 
để thuận lợi cho cho trình phân tích cấu trúc. Mẫu 
thử được quan sát và chụp ảnh bằng thiết bị hiển 
vi quang học OM (Optical microscopy) với độ 
phóng đại từ 50 đến 1000 lần. Kết quả phân tích 
ảnh chụp cấu trúc kim loại vùng mối hàn và vùng 
ảnh hưởng nhiệt HAZ (Heat Affected Zone) bằng 
OM như sau: 
Tại vùng kim loại mối hàn: Kim loại vùng 
mối hàn có cấu trúc gồm hai pha Ferrite và 
Austenite. Cấu trúc pha tương đối ổn định, các 
hạt khá đồng đều. 
Hình 3. Cấu trúc kim loại mối hàn 
thép SUS 304 với thép A53 
Tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) giữa tấm thép 
SUS 304 với mối hàn có cấu trúc tương đối ổn 
định; đường phân giới giữa mối hàn với kim loại 
nền SUS 304 là khá rõ nét; không thấy xuất hiện 
vết nứt hoặc tách lớp trong vùng phân giới tại vị 
trí kiểm tra. 
Hình 4. Cấu trúc kim loại vùng HAZ 
giữa thép SUS 304 với mối hàn 
Tại vùng HAZ giữa tấm thép A53 với mối hàn, 
do hai loại thép khác nhau về thành phần và cơ 
tính nên quá trình tẩm thực màu ưu tiên thể hiện 
cấu trúc của thép A53. Từ đường phân giới với 
mối hàn về phía tấm thép A53 có sự thay đổi rõ 
rệt về tổ chức kim loại trong vùng HAZ. Cấu trúc 
kim loại vùng HAZ không còn dạng sóng/ thớ như 
thép A53 ban đầu. Thay vào đó, các hạt có cấu 
trúc hạt nhỏ; càng xa mối hàn về phía tấm thép 
A53, mức độ ảnh hưởng của nguồn nhiệt càng 
giảm nên kích cỡ hạt càng thô to; không thấy xuất 
hiện vết nứt hoặc tách lớp trong vùng phân giới tại 
vị trí kiểm tra. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 68 (3/2020) 79 
Hình 5. Cấu trúc kim loại vùng HAZ giữa thép 
A53 với mối hàn 
3.3. Kiểm tra cơ tính mối hàn 
Sau khi hàn, mối hàn được kiểm tra bằng 
phương pháp chụp ảnh bức xạ RT 
(Radiography Test) với nguồn Ir-192 tại Trung 
tâm đánh giá không phá hủy (NDE) - Viện 
Năng lượng kỹ thuật hạt nhân Việt Nam. Sau 
khi có kết quả đánh giá RT, tiến hành cắt mẫu 
thử kéo từ vật hàn để xác định cơ tính của mối 
hàn và liên kết hàn. Kích thước mẫu thử kéo 
theo tiêu chuẩn ASME IX. Quá trình kiểm tra 
cơ tính gồm thử kéo và uốn 1800 tại Trường 
Đại học Sao Đỏ. Với hai mẫu thử kéo ngang 
mối hàn, độ bền kéo đến khi có hiện tượng thắt 
bên phía tấm thép A53 là σb = 535 MPa. Sự 
phá hủy liên kết hàn khi thử kéo xảy ra tại vị 
trí vết thắt nằm trong vùng HAZ của tấm thép 
A53, trong khi vùng mối hàn vẫn đảm bảo độ 
an toàn cho phép. Điều này đã chứng minh 
rằng, cơ tính của mối hàn cao hơn kim loại 
vùng ảnh hưởng nhiệt nằm trên vật hàn. Đây là 
mục tiêu hướng đến và là yêu cầu đối với liên 
kết hàn thép SUS 304 với thép A53. 
Hình 6. Mẫu thử kéo ngang mối hàn giữa thép 
SUS 304 với A53 
Quá trình kiểm tra uốn gồm uốn chân và uốn 
mặt để đánh giá độ bền và xác định khả năng chịu 
tải của mối hàn. Góc kiểm tra uốn là 1800 như 
Hình 7 dưới đây. 
Hình 7. Mẫu thử uốn liên kết hàn 
giữa thép SUS 304 với A53 
Kết quả kiểm tra uốn, không thấy xuất hiện vết 
nứt trên bề mặt mối hàn và chân mối hàn. Tuy 
nhiên, khi quan sát thấy xuất hiện vết nứt nhỏ, 
chiều dài từ (2÷3) mm tại vùng ảnh hưởng nhiệt 
cách chân của mối hàn khoảng (2÷4)mm nằm bên 
tấm thép A53. Điều này có thể là do tấm thép A53 
đã bị biến cứng sau khi hàn; dẫn đến vùng ảnh 
hưởng nhiệt của mối hàn bên phía thấm thép A53 
bị thay đổi tổ chức dưới tác dụng của nguồn nhiệt 
hồ quang. Mặt khác, tấm thép không gỉ SUS 304 
có độ dẻo cao hơn nên khả năng chịu uốn tốt hơn. 
Mặc dù có bị thay đổi cơ tính tại vùng ảnh hưởng 
nhiệt của mối hàn, nhưng tấm thép SUS 304 vẫn 
đảm bảo an toàn và không bị nứt khi kiểm tra uốn. 
4. KẾT LUẬN 
- Khi hàn nối vật liệu thép không gỉ SUS 304 
với thép các bon A53 cần gia nhiệt trong khoảng 
200 - 3000C. 
- Lớp hàn đáy được thực hiện bằng quá trình 
hàn GTAW và được bảo vệ bởi khí Ar. 
- Lớp phủ được thực hiện bằng quá trình hàn 
SMAW có năng suất cao hơn; tuy nhiên do tốc độ 
hàn SMAW thấp nên có thể làm tăng kích thước 
vùng HAZ của mối hàn. 
- Kim loại mối hàn có cấu trúc gồm hai pha 
Ferrite và Austenite sắp xếp ổn định. Đường phân 
giới giữa SUS 304 và A53 với mối hàn không có 
vết nứt. 
- Cấu trúc kim loại vùng HAZ giữa thép SUS 
304 với mối hàn khá ổn định. Cấu trúc kim loại 
vùng HAZ giữa thép A53 với mối hàn thay đổi 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 68 (3/2020) 80 
theo hướng càng xa mối hàn kim loại càng có cấu 
trúc hạt thô đại. 
- Kim loại mối hàn không có khuyết tật khi 
kiểm tra bằng RT. Cơ tính mối hàn cao, không bị 
phá hủy khi kiểm tra thử kéo và uốn. 
- Kim loại vùng HAZ của mối hàn bị thắt khi 
kéo và bị nứt khi uốn xảy ra trong vùng HAZ của 
tấm thép A53 là phù hợp với kết quả phân tích 
kim tương. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
E. Taban, et al, (2008), Evaluation of Dissimilar Welds between Ferritic Stainless Steel Modified 12% 
Cr and Carbon Steel S355, SUPPLEMENT TO THE WELDING JOURNAL, Sponsored by the 
American Welding Society and the Welding Research Council. 
AWS welding handbook, (2011), Materials and Applications, Part 1, Ed. 9th, Volume 4, AWS, USA. 
JIS G 3101, (2010), Rolled steels for genaral structure, Japan 
John E. Bringas, (2007), Handbook of comparative world steel standards, Ed. 4rd, USA. 
Kobe steel, (2011), Kobelco welding handbook, Kobe steel,. LTD, Japan 
AWS D1.1/D1.1M, (2010), Structural welding code – steel, USA 
Abstract: 
RESEARCH AND APPLICATION OF DISSIMILAR METAL WELDING 
TECHNOLOGY BETWEEN SUS304 STAINLESS STEEL AND A53 CARBON STEEL 
Dissimilar metal welding (DMW) process of composition and characteristic is difficultly. The weld is 
require non-defect, stability microstructure and high strength. In this paper, author is study welding 
processes between SUS304 stainless steel and A53 carbon steel by gas tungsten arc welding (GTAW) 
and shielded metal arc welding (SMAW). Metallography method was used to analyzed metal 
microstructure. Methods are non-destructive test (NDT) with radiography test (RT), destructive test 
(DT) with strength tensile (TT) and face/root bending test (F/R-BT) to assessing welding quality. 
Keywords: Austenite steel welding, dissimilar metal welding, stainless steel welding. 
Ngày nhận bài: 17/02/2020 
Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2020