Khuôn hàn hóa nhiệt: Cấu tạo, nguyên lý, phân loại và ứng dụng

Khuôn hàn hóa nhiệt là một thiết bị quan trọng trong phương pháp hàn hóa nhiệt (hay còn gọi là hàn nhiệt nhôm, exothermic welding). Khuôn thường được chế tạo từ graphite (than chì) chất lượng cao, có khả năng chịu nhiệt lên đến 3000°C – mức nhiệt độ phát sinh khi phản ứng nhiệt nhôm xảy ra. Nhờ khuôn hàn, quá trình đúc mối hàn đồng diễn ra trong môi trường kín, giúp tạo ra mối nối phân tử có độ dẫn điện cao, bền bỉ và an toàn.

Mục lục bài viết

Phương pháp hàn hóa nhiệt ngày càng được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực chống sét, tiếp địa, kết nối cọc tiếp đất, hệ thống an toàn điện, đường sắt, viễn thông… Vì vậy, khuôn hàn hóa nhiệt trở thành một công cụ không thể thiếu để đảm bảo các mối nối được thực hiện chính xác và đạt chất lượng cao.

Hàn hoá nhiệt tiếp địa là gì và vai trò trong hệ thống chống sét

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HÀN HÓA NHIỆT VÀ VAI TRÒ CỦA KHUÔN

Phản ứng nhiệt nhôm

Phương pháp hàn hóa nhiệt dựa trên phản ứng nhiệt nhôm. Phản ứng này xảy ra giữa bột nhôm (Al) và oxit kim loại (phổ biến là CuO), tạo ra nhiệt lượng cực lớn (lên đến 2500–3000°C) đủ để nấu chảy các kim loại như đồng, thép. Phương trình phản ứng tiêu biểu:

Khi được kích hoạt (bằng bột mồi và tia lửa), nhiệt độ tăng lên nhanh chóng. Đồng nóng chảy sẽ bao bọc và liên kết các bề mặt kim loại (dây dẫn, cọc, thanh đồng…) lại với nhau, tạo thành một mối nối phân tử.

Cơ chế khuôn hàn đóng vai trò gì trong quá trình phản ứng

Định hình mối hàn: Khuôn hàn có khoang chứa để kim loại nóng chảy “đúc” thành hình dạng mong muốn (chữ T, chữ thập, nối thẳng…).
Chịu nhiệt, chống thất thoát: Nhiệt độ phản ứng lên đến 3000°C. Graphite có nhiệt độ nóng chảy rất cao, đồng thời không bị dính kim loại. Nhờ thế, kim loại lỏng không rò rỉ, không bám dính lên thành khuôn.
Tạo môi trường phản ứng kín: Giúp duy trì áp suất, nhiệt độ cần thiết, tránh gió, hơi ẩm… can thiệp.

Nói cách khác, khuôn hàn hóa nhiệt chính là “mắt xích” quyết định chất lượng mối hàn: nếu khuôn không kín, không đúng kích thước, hoặc bị hư hỏng, mối hàn sẽ không đạt tiêu chuẩn về độ chắc, khả năng dẫn điện, thậm chí dẫn đến rò rỉ kim loại gây nguy hiểm.

CẤU TẠO VÀ CHẤT LIỆU KHUÔN HÀN HÓA NHIỆT

Than chỉ chất lượng cao: Đặc điểm và khả năng chịu nhiệt

Khuôn hàn hóa nhiệt thường được làm từ graphite (than chì) – một dạng carbon có những đặc tính nổi bật:

Nhiệt độ bốc cháy cao (khoảng trên 3000°C) và khả năng cách nhiệt tương đối tốt.
Bề mặt láng mịn, chống dính: Kim loại nóng chảy không bám dính vào thành khuôn.
Tính ổn định hóa học: Ít bị phản ứng, oxy hóa trong môi trường nhiệt độ cao.
Trọng lượng nhẹ hơn kim loại, dễ gia công thành nhiều kiểu dáng khuôn.

Kết cấu khuôn 2 mảnh (hoặc nhiều mảnh) và bộ kẹp chuyên dụng

Phần lớn khuôn hàn hóa nhiệt được thiết kế theo 2 mảnh, có chốt lẫy hoặc bộ kẹp để ghép chúng lại thành một khối kín khi hàn. Ngoài ra:

Một số thiết kế nhiều mảnh (3-4 mảnh) để phù hợp với mối nối phức tạp, nhiều ngã.
Mặt trong khuôn có lỗ hoặc rãnh để đặt dây dẫn, cọc tiếp địa. Phía trên thường có chén chứa bột hàn và lỗ thoát xỉ.
Dây buộc hoặc tay cầm chống nóng, giúp người thợ dễ thao tác và nâng – hạ khuôn khi cần.

PHÂN LOẠI KHUÔN HÀN HÓA NHIỆT

Phân loại theo kiểu hàn

Khuôn hàn chữ T (TV):
- 2 dây nằm ngang và 1 cọc thẳng đứng tạo hình chữ T, thường dùng nối cọc tiếp địa với dây đồng.
Khuôn hàn chữ thập (CC4) hay kiểu 4 ngã (dấu +):
- Cho các dây giao nhau tại 4 hướng vuông góc.
Khuôn hàn song song (LV), khuôn hàn nối thẳng:
- Nối 2 dây trong cùng một hướng, phù hợp cho mối nối kéo dài đường dây.
Khuôn hàn ngã 3 (TH), khuôn hàn ngã 4 (XS):
- Tương tự T hay chữ thập nhưng với một số biến thể về góc, hướng dây.
Khuôn hàn mặt bích, hàn thanh la:
- Dành cho băng đồng (la đồng) hàn vuông góc hoặc song song với cọc, dây.

Phân loại theo kích thước cáp/cọc

Cáp đồng tiết diện: Từ nhỏ 16 mm² đến lớn 240 mm² (thậm chí 300 mm²).
Cọc tiếp địa đường kính: D14, D16, D17.2, D20, D22…
Một số khuôn hàn cho băng đồng (30×3 mm, 40×4 mm…).

Một số kiểu khuôn hàn đặc biệt

Khuôn hàn cọc dẹt: Cọc có hình dẹt, hình chữ U.
Khuôn hàn băng đồng – băng đồng: Dùng thanh la đồng chồng lên nhau.
Khuôn hàn đồng – thép: Có cấu trúc đặc biệt, vì thép có đường kính khác với dây đồng.

Trên thị trường, có tới 300–500 loại khuôn hàn khác nhau, đáp ứng hầu như mọi nhu cầu về kiểu mối nối và kích thước vật liệu.

QUY TRÌNH HÀN HÓA NHIỆT VÀ VỊ TRÍ CỦA KHUÔN TRONG QUY TRÌNH

Chuẩn bị và kiểm tra khuôn

Làm sạch khuôn: Bụi than, cặn kim loại từ lần hàn trước.
Kiểm tra độ kín, lỗ chốt, kẹp khuôn. Nếu phát hiện nứt, gãy hoặc hao mòn nghiêm trọng → cần thay thế.

Đổ bột hàn, bột mồi, kích hoạt phản ứng

Sau khi đặt dây dẫn/cọc vào khuôn, khóa hai mảnh khuôn bằng kẹp.
Đổ bột hàn (chứa CuO và Al) vào chén nung trong khuôn.
Phủ bột mồi (bột khởi động) lên trên.
Dùng tia lửa từ súng bắn hoặc dụng cụ đánh lửa, kích hoạt phản ứng.

Tháo khuôn và hoàn thiện mối hàn

Khi phản ứng kết thúc (sau vài giây), kim loại nóng chảy đông cứng lại, tạo thành mối hàn phân tử.
Mở kẹp, tháo khuôn nhẹ nhàng. Làm sạch xỉ còn sót trên mối hàn.
Kiểm tra xem mối hàn có rỗ, nứt hay không. Nếu đạt yêu cầu, di chuyển sang mối hàn khác (nếu cần).

ĐẶC TÍNH VÀ ƯU ĐIỂM CỦA KHUÔN HÀN HÓA NHIỆT

Chịu được nhiệt độ cao đến 3000°C

Trong quá trình hàn, phản ứng nhiệt nhôm sinh nhiệt lên tới 3000°C. Nhờ làm từ graphite chất lượng cao, khuôn không bị chảy, biến dạng, hay thủng khi tiếp xúc với kim loại lỏng.

Tính dẫn nhiệt, chống oxy hóa

Graphite có khả năng dẫn nhiệt, giúp tản nhiệt đều quanh vị trí hàn, tránh tình trạng kim loại nóng chảy bị cô đặc cục bộ. Đồng thời, graphite ít bị oxy hóa hoặc ăn mòn dưới nhiệt độ cao.

Có thể tái sử dụng nhiều lần

Khuôn hàn thường dùng được 50–100 lần (hoặc hơn, tùy chất lượng và cách bảo quản). Điều này tiết kiệm chi phí, đặc biệt trong các dự án nhiều mối hàn.

Tạo mối nối “phân tử” bền vững, điện trở thấp

Nhờ khuôn hàn có hình dạng tối ưu, kim loại nóng chảy được đổ và giữ cố định, hình thành mối nối đồng nhất. Mối nối này có điện trở rất thấp, gần như nguyên liệu đồng ban đầu.

CÁC LỢI ÍCH KHI DÙNG HÀN HÓA NHIỆT (SO VỚI PHƯƠNG PHÁP HÀN KHÁC)

Không cần máy hàn, nguồn điện: Hoàn toàn dùng năng lượng tỏa ra từ phản ứng, tiện lợi ở vùng xa.
Dễ thực hiện: Quy trình hàn hóa nhiệt gọn nhẹ, không đòi hỏi kỹ sư có tay nghề hàn điện cao.
Chi phí dài hạn thấp: Mối hàn bền, ít bảo trì, khuôn hàn tái sử dụng nhiều lần.
Tính an toàn điện cao: Mối nối không lỏng lẻo như kẹp, bulông → giảm thiểu rủi ro chập cháy, tia lửa.

ỨNG DỤNG CỦA KHUÔN HÀN HÓA NHIỆT

Hệ thống chống sét, tiếp địa

Kết nối dây thoát sét với cọc tiếp địa.
Liên kết các dây, thanh đồng trong bãi tiếp địa với nhau.
Tạo mạch dẫn sét liên tục, bền vững, điện trở thấp.

Liên kết cọc tiếp địa, dây dẫn, băng đồng

Ở các công trình công nghiệp, khuôn hàn giúp hàn nối cọc thép mạ đồng, cọc đồng nguyên chất với dây cáp đồng hoặc băng đồng (la đồng).
Đảm bảo an toàn điện cho nhà máy, trạm biến áp, tòa nhà cao tầng…

Ngành điện công nghiệp, năng lượng, viễn thông, đường sắt…

Điện công nghiệp: Thi công thanh cái, tủ điện, máng dẫn yêu cầu độ bền điện cao.
Viễn thông: Nối cáp chống sét cho trạm BTS, anten, cột viễn thông…
Đường sắt: Hàn nối ray thép với dây dẫn tiếp đất, hệ thống tín hiệu.
Năng lượng tái tạo: Hệ thống pin mặt trời, tuabin gió cũng cần hàn hóa nhiệt để chống sét, tiếp địa tối ưu.

CÁCH BẢO QUẢN VÀ NÂNG CAO TUỔI THỌ KHUÔN HÀN HÓA NHIỆT

Dù rất bền, graphite vẫn có thể hao mòn theo thời gian và quá trình sử dụng. Một số biện pháp:

Làm sạch khuôn sau mỗi lần hàn: Loại bỏ xỉ, kim loại bám dính (nếu có).
Hạn chế va đập: Khuôn graphite tương đối giòn, dễ nứt nếu rơi từ cao hoặc bị gõ mạnh.
Bảo quản nơi khô ráo, nhiệt độ vừa phải, tránh ẩm ướt gây oxy hóa (dù graphite ít chịu tác động).
Định kỳ kiểm tra độ mòn mặt trong. Nếu thấy lỗ nung, rãnh hàn bị biến dạng nhiều → nên thay mới.

MỘT SỐ LƯU Ý AN TOÀN KHI SỬ DỤNG KHUÔN HÀN HÓA NHIỆT

Phòng cháy, phòng nổ

Phản ứng nhiệt nhôm tạo tia lửa, cần giữ khoảng cách với các vật liệu dễ cháy.
Chuẩn bị bình chữa cháy hoặc cát khô để xử lý tình huống khẩn cấp.

Bảo vệ mắt, da, đường hô hấp

Kính bảo hộ, găng tay cách nhiệt, quần áo dài giúp tránh phỏng do bắn tóe kim loại nóng chảy.
Đeo khẩu trang nếu làm việc trong không gian kín (khói, bụi phản ứng).

Lựa chọn bột hàn đúng loại, thao tác chuẩn xác

Bột hàn và khuôn hàn phải tương thích với nhau (cỡ cáp, đường kính cọc).
Đổ bột đúng liều lượng, kích hoạt phản ứng cẩn thận, tránh để bị đổ trước khi đậy nắp khuôn.

TIÊU CHUẨN LIÊN QUAN VÀ CHỌN MUA KHUÔN HÀN CHẤT LƯỢNG

Hệ thống chống sét, tiếp địa và kết cấu nối đất thường áp dụng các tiêu chuẩn như:

TCVN 4756: Quy phạm nối đất và nối không thiết bị điện.
TCVN 9385, IEC 62305: Tiêu chuẩn chống sét cho công trình.
IEEE Std 80: Hướng dẫn tính toán hệ thống nối đất trạm biến áp, khuyến nghị hàn hóa nhiệt.

Khuôn hàn và bột hàn được nhiều nhà sản xuất cung cấp với thương hiệu uy tín (Cadweld, Ultraweld, Thermoweld…). Khi chọn mua, nên:

Đảm bảo khuôn hàn được gia công chính xác, không nứt, mặt trong láng mịn.
Hỏi rõ chứng chỉ hoặc bảo hành của nhà cung cấp.
So sánh giá và chính sách bảo trì, hỗ trợ kỹ thuật.

KẾT LUẬN

Khuôn hàn hóa nhiệt là một thành phần cốt lõi trong kỹ thuật hàn hóa nhiệt, đảm bảo tạo ra mối nối phân tử với khả năng dẫn điện tốt và tuổi thọ cao. Nếu coi mối hàn là “sản phẩm cuối” thì khuôn hàn chính là “công cụ” quyết định độ chính xác và chất lượng của sản phẩm.

Tóm gọn những lợi thế chính của khuôn hàn hóa nhiệt:

Chịu nhiệt độ cao, không biến dạng hay cháy ở mức nhiệt 3000°C.
Dễ tạo hình, hỗ trợ nhiều kiểu hàn (chữ T, chữ thập, ngã 3, ngã 4, nối thẳng…) và nhiều kích cỡ cáp/cọc.
Có thể tái sử dụng nhiều lần, giúp tiết kiệm chi phí.
Tạo mối nối bền, an toàn, điện trở thấp, phù hợp yêu cầu chống sét, tiếp địa.

Khuyến nghị:

Chọn mua khuôn hàn từ nhà cung cấp đáng tin cậy, kiểm tra kỹ tình trạng khuôn trước khi sử dụng.
Làm sạch, bảo quản khuôn hằng ngày để kéo dài vòng đời sản phẩm.
Tuân thủ quy trình hàn hóa nhiệt, đảm bảo an toàn cho cả người thi công và công trình.
Kết hợp với bột hàn chất lượng, đúng thông số để tạo ra mối hàn tối ưu.

Với sự phát triển của các dự án hạ tầng, công nghiệp, xây dựng, viễn thông…, khuôn hàn hóa nhiệt ngày càng được tin dùng để tối ưu hóa hệ thống nối đất, chống sét. Đây chính là giải pháp hiện đại, hiệu quả, tiết kiệm và an toàn trong thi công điện – điện tử, góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ cho công trình.