1. Đặt vấn đề
Dưới góc nhìn của một nhà văn, nhà thơ, nhà soạn kịch nổi tiếng, khi được hỏi “What is history?”, Đại văn hào người Pháp Victor Hugo (1802-1885) trả lời rằng “History is: a echo of the past in the future; a reflex from the future on the past”. Tạm dịch là: “Lịch sử là tiếng vọng của quá khứ trong tương lai; là ánh sáng phản chiếu từ tương lai về quá khứ”. Từ vũ trụ bao la, tới con người nhỏ bé, hết thảy mọi người đều quan tâm và cố gắng tìm về quá khứ, để hiểu rõ được gốc rễ nguồn cội.
Công nghệ hàn là tổng hợp những kiến thức, kinh nghiệm liên quan đến việc ứng dụng phương pháp kỹ thuật hàn đã được các chuyên gia sử dụng và đúc kết trong nhiều năm. Là một người làm việc trong lĩnh vực hàn, từ người thợ hàn, kỹ sư hàn cho tới những nhà khoa học… việc hiễu rõ về nguồn gốc và các dấu mốc phát triển của kỹ thuật hàn là một điều thú vị.
Đã có nhiều tài liệu đề cập tới các dấu mốc trong lịch sử phát triển của kỹ thuật hàn. Tuy nhiên, việc viết lại lịch sử một cách đầy đủ nhất là một việc khó khăn. Trong bài viết này, chúng tôi cố gắng tổng hợp thông tin từ nhiều nguồn tài liệu để viết nên các dấu mốc lịch sử một cách đầy đủ nhất có thể, với mong muốn bạn đọc sẽ có được cái nhìn cụ thể và rõ ràng hơn về ngành hàn và lịch sử phát triển của nó.
2. Lịch sử phát triển của kỹ thuật hàn
2.1. Thời kỳ sơ khai: Từ người Sumer (sumerians) tới năm 1800
Khi mới bắt đầu, nguồn gốc của hàn được bắt nguồn từ lửa, và đây được coi là nguồn năng lượng chính được sử dụng cho kỹ thuật hàn. Lúc đầu, vào khoảng những năm 4000 trước công nguyên (TCN), để hàn 2 vật liệu kim loại với nhau (vàng với vàng, đồng với vàng…) những người Sumer đã dùng lửa để đốt nóng các chi tiết đến trang thái nóng đỏ, sau đó dùng búa để đập ép hai chi tiết dinh vào nhau. Phương pháp này ngày nay được biết đến với tên gọi là hàn rèn (forge welding).
Vào khoảng 2500 – 3400 năm TCN, hàn vảy cứng (brazing) và hàn vảy mềm (soldering) được ứng dụng để hàn đồ trang sức và đồ kim hoàn được sử dụng ở Mesopotamia và Ai Cập cổ đại. Thời đó, Vảy mềm thường được sử dụng là hợp kim của chì mà phổ biến nhất là vảy thiếc chì (Sn-Pb). Còn vảy cứng thường là vảy đồng hoặc đồng bạc [1]. Chiếc bình cổ entemena (vase of entemena) là bằng chứng của việc hàn vảy giữa đồng với bạc được xác định là có từ thời kỳ của người Sumer. Quá trình hàn rèn và hàn vảy ban đầu còn ít được sử dụng, nhưng sau này được sử dụng nhiều để rèn vũ khí và quân trang mãi cho tới khi cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất mở ra (sau năm 1800) với những nhiều phát minh khoa học.
2.2. Thời kỳ khám phá và phát minh (1800 – 1870) [2]:
Trong thời kỳ này, các nhà khoa học đang mở rộng tầm nhìn của họ về thế giới vi mô của điện và hóa học. Từ năm 1800 đến những năm 1870, các nhà khoa học đã sử dụng ống thổi oxy-hydro làm công cụ trong phòng thí nghiệm để kiểm tra các khả năng chịu nhiệt của các kim loại ở nhiệt độ cao lên tới 4468 oF (~ 2464 oC).
Năm 1800, Alessandro Volta đã phát hiện ra rằng, hai kim loại khác nhau (kẽm & đồng) được nhúng trong axit (Axit sunfuric), nếu nối hai tấm kim loại này với nhau thì nó có thể sinh ra một dòng điện liên tục và ổn định. Và sau đó ông phát kiến ra “Pin Volta”.
Năm 1801, Nhà khoa học Humphry Davy (1778-1829) người Anh, ông đã làm thí nghiệm và chứng minh hồ quang tồn tại giữa hai điện cực bằng Carbon sử dụng pin. Đây được coi là tiền thân của ánh sáng hồ quang điện (Arc) sau này. Nguyên tố Vanadi được phát hiện ra ở Mexico (nhưng được coi là Crom trong suốt ba thập kỷ). Tới năm 1830, nó được tái phát hiện bởi N.C. Sefstrom, và tới năm 1887, H.E. Rosco đã phân tích nguyên tố này từ các hợp chất của nó, thành phần chủ yếu là Vanadi và Cacnotit. Sau đó nguyên tố này đã được đặt tên theo tên của nữ thần Vanadis (của dân tộc Vanir ở Scandinavian).
Năm 1808, Nguyên tố Ma-giê được phát hiện bởi Humphrey Davy. Và sau đó, cũng chính Humphrey Davy đã chứng minh sự tồn tại của Aluminum. Năm 1820, Hans Christian Øerted (người Đan Mạch) đã phát hiện ra mối liên hệ giữa điện và từ (sau này được biết đến với cái tên điện từ). Tiếp đó, Andre-Marie Ampere (người Pháp) là người tiên phong nghiên cứu trong lĩnh vực điện từ, và phát minh ra định luật mang tên ông (Định luật Ampare).
Năm 1831, Michael Faraday (nhà vật lý người Anh) đã phát minh ra Dynamo (nguồn gốc của máy phát điện ngày nay) được tạo ra từ việc cuốn hai cuộn dây cách điện xung quanh vòng kim loại, việc di chuyển cuộn dây qua thanh nam châm đứng yên. Năm 1838, Charles Goodyear khám phá ra sự lưu hóa của cao su, đây là nguồn gốc cho sự phát triển của ống dẫn khi hàn khí. Cũng vào thời gian đó, Eugène Desbassayns de Richemont được cấp bằng sáng chế cho quá trình hàn nóng chảy. Tới năm 1839, Michael Faraday phát hiện ra thiết bị đồng cực có thể tạo ra điện áp. Sau đó, năm 1940 nhà khoa học người Pháp E. Densbassans de Richemont phát minh ra ống thổi khí Hydro đầu tiên.
Năm 1841, nhà khoa học người Đức H. Rossier đã sử dụng ống thổi khí-Hydro để hàn vảy chì. Năm 1846, Kỹ sư (nhà triết học, họa sỹ, nhà phát minh) người Xcôt-len James Nasmyth (1808-1890) trong khi nghiên cứu làm xích tàu cho đô đốc Anh Quốc thì ông khám phá ra lý do để thực hiện được mối hàn rèn lồi khi nối mắt xích. Bằng cách chuẩn bị kỹ bề mặt, tạo ra hơi lồi, thì phần gỉ sắt và phoi bào sẽ được đẩy ra khỏi liên kết. Ngược lại, chúng sẽ bị kẹt lại trong liên kết và giảm độ bền của mối nối. Đây là cải tiến đầu tiên về hànrèn kể từ khi được biết đến từ khoảng 3000 năm trước đó. Trước đây, hình dáng của liên kết thường là ngẫu nhiên phẳng, lõm hoặc lồi.
Năm 1856, Nhà vật lý người Anh, James Joule (1818-1889) đã thí nghiệm hàn bó dây điện cực thanh với nhau bằng cách nung bởi dòng điện. Đây là ví dụ đầu tiên về việc sử dụng nhiệt điện trở để hàn. Nhiều năm sau đó, Elihu Thomson đã hoàn thiện ra quy trình hàn mà sau này được biết đến là quá trình hàn điện trở (resistance welding, 1877-1885).
Những năm 1860s, một người Anh tên là Henry Wilde đã sử dụng thành công các lý thuyết của Volta và Davy để tạo ra một nguồn điện nguyên thủy và sử dụng nó để hàn. Sau đó ông đã được nhận bằng sáng chế (1865) khi dùng nguồn hàn điện để thực hiện thành công việc tạo ra mối hàn bằng cách nung chảy mẩu sắt nhỏ, và có thể coi đây là dạng máy hàn điện thế hệ đầu tiên. Sau đó, nhà hóa học người Pháp, Berthelot (1827-1907) đã đưa ra công thức chính xác của Axetylen C2H2, và ông tìm thấy sự không ổn định của nó theo áp suất và nhiệt độ vào năm 1963. Năm 1962, nhà hóa học người Đức, Friederich Wöhler (Woehler 1800-1882), đã sản xuất được Axetilen từ Can-xi các-bua.
Năm 1863, Đường ống dẫn dầu đều tiên được xây dựng bởi Samuel Van Sickel taị Titusville, Pennsylvania, với tổng chiều dài 2.5 dặm (4 km), đường ống kích thước 2 inch được lắp đặt để vận chuyển 800 thùng dầu thô. Tuy nhiên, các đường ống được ghép nối với nhau bằng vít và búa bởi vì thời điểm đó chưa có phát minh quá trình hàn cho đường ống. Khớp nối Dresser được phát minh vào năm 1891 là khớp nối cơ học được sử dụng để lắp ráp với khả năng bị rò gì không quá mức. Và phương pháp này dược dùng làm tiêu chuẩn để ghép nối đường ống cho mãi tới giữa năm 1930, khi hàn được xem xét sử dụng vào quá trình lắp ghép.
2.3. Thời kỳ ứng dụng (1870 – 1920) [2-3]:
Trong thời kỳ này, các khám phá dần thoát khỏi khuôn khổ của phòng thí nghiệm và ứng dụng dần vào thực tế dưới sự bùng nổ của cách mạng công nghiệp lần 2 (1871-1914). Rất nhiều quá trình hàn, cắt được ra đời và phát triển trong thời kỳ này.
Năm 1881, Nhà nghiên cứu người Pháp Auguste De Meritens làm việc tại một phòng thí nghiệp tài trợ bởi “l’Electricien” – Cabot Laboratory (Cabat), đã sử dụng nhiệt hồ quang để hàn tấm chì cho pin lưu trữ. Sau đó được đăng ký bằng sáng chế số 146010.
Năm 1885, Nikolai N. Benardos (Bernados) và Stanislav Olszewaski (Olszewaski) lấy bằng sáng chế của Anh về hàn hồ quang điện cực cacbon. Cả hai người đều làm dưới sự hướng dẫn của A.De Meritens về ánh sáng hồ quang công nghiệp ở phòng thí nghiệm Cabot (Cabat, Pháp). Cacbon bị oxi hóa ở đầu điện cực cacbon và tạo thành khí CO2 giúp bảo vệ mối hàn. Họ đã phải sử dụng động cơ hơi nước (động cơ chính) để tạo ra điện. Một cách khác là họ dùng pin nhưng phương pháp này không dùng được lâu do bị ngắn mạch. Bằng sáng chế cũng được cấp cho các nước láng giềng như: Bỉ, Đức, Thụy điển và Pháp.
Năm 1886, N.N. Benardos cũng nhận bằng sáng chế ở Nga (số 11982) về hồ quang điện sử dụng điện cực cacbon, và sử dụng tên gọi là “Elecktrogefest” hoặc “Electrohephaestus”. Phương pháp hàn và cắt bằng hồ quang có tên gọi là “Electrohefest” là để nhớ lại vị thần lửa và thộ rèn Hephaestus của Hy Lạp. Cũng thời gian này, Benardos nhận được sự cho phép của chính phủ Nga để tổ chức sản xuất cho “việc sản xuất trong nhà máy sử dụng quá trình hàn và hàn vảy bằng điện, và cũng sản xuất các thiết bị chiếu sáng điện”. Lò điện cũng được lắp đặt để sản xuất hợp kim nhôm, một bước quan trọng trong sự phát triển ban đầu của ngành công nghiệp nhôm sau này.
Năm 1887, N.N.Benardos và S. Olsze waki nhận bằng sáng chế của Mỹ cho bộ máy hàn (Số 363320, 17/05). “ống thổi khí” và “mỏ hàn”, sử dụng để hàn khí bằng axetilen và khí hóa lỏng hoặc oxy cũng được phát triển trong thời gian này. Thomas Fletcher đã phát triển ống thổi/ ống dẫn mà có thể sử dụng cho hydro hoặc khí than với Oxy. Ở Anh đã bắt đầu sản xuất thùng, đồ nội thất, sân vườn bằng sắt với quy trình hàn hồ quang điện.
Năm 1888, Benardos/Olczewski nhận bằng sáng chế số 12984 cho hàn hồ quang bằng điện cực Carbon. Ở Nga, để vinh danh Benardos như cha đẻ của kỹ thuật hàn (father of welding), người ta đã cho in hình ông cùng với hình ảnh hàn hồ quang bằng điện cực cacbon lên con tem (Russian stamp).
Năm 1889, Hans Zerner được cấp bằng sáng chế của Đức số 53502.3.12.1889 cho quá trình hàn hai hồ quang bằng điện cực cacbon. Charles L. Cofflin ở Detroil Michigan đã được trao bằng sáng chế đầu tiên của Hòa kỳ số 395878 về quá trình hàn hồ quang điện sử dụng điện cực kim loại. Đây được coi là ghi nhận đầu tiên về sự nóng chảy kim loại từ điện cực, và thực tế là thông qua hồ quang điện sẽ đốt chảy dây hàn để tạo ra mối hàn. Quá trình sử dụng một điện cực cacbon và một que hàn bù.
Năm 1890, Charles L. Coffin, chủ tịch công ty thép Barrel Corp.,[5] cũng được cấp bằng sáng chế Mỹ số #428459 về quá trình hàn bằng điện cực kim loại, có khả năng thực hiện được trong môi trường có oxy hóa trung bình.
Năm 1892, N.G. Slavianoff đề nghị thay điện cực kim loại trần (bare metallic electrode) để thay thế cho điện cực cacbon của Benardos. Cũng thời gian đó, C.L. Coffin cũng được ghi nhận là giới thiệu điện cực kim loại ở Mỹ, và nó được sử dụng ở Mỹ cho tới năm 1920. Công trình đầu máy Baldwin đã sử dụng phương pháp hàn bằng điện cực cabon (CAW) để bảo trì đầu máy, nhưng các mối hàn lại rất cứng và giòn do cacbon bị bong ra từ điện cực trong quá trình hàn.
Năm 1895, Hands Goldschmidt phát triển quá trình hàn nhiệt nhôm (Aluminothermical welding) và nhận bằng sáng chế số #116400 (1899).
Cũng trong năm 1895, John C. Lincoln sáng lập ra công ty Lincoln Electric (LE) với tổng vốn đầu tư ban đầu là 200.00$, và sản phẩm chính là mô-tơ điện do ông tự thiết kế. Sau này, tới năm 1907 em trai của John C. Lincoln cũng tham gia vào công ty của ông dưới vai trò của người bán hàng, thì thị trường của LE được mở rộng thêm với sản phẩm là thiết bị sạc pin cho oto điện. Nguồn hàn của LE được chế tạo lần đầu năm 1909 và tới năm 1911 LE giới thiệu máy hàn cầm tay, có điều chỉnh điện áp 1 pha đầu tiên trên thế giới
Năm 1907, Một kỹ sư người Thụy điển tên là Oscar Kjellberg đã phát triển phương pháp hàn dây bằng điện cực có vỏ bọc thuốc (SMAW) và nhận bằng sáng chế (Swedish Patent: 27152, June 29, 1907) cho phương pháp này, ông cũng được biết đến là người sáng lập ra công ty ESAB vào năm 1904 [3]. Lúc đầu, lớp vỏ bọc rất mỏng với mục đích để ổn định hồ quang thay vì hợp kim hóa cho mối hàn. Và nó cho mối hàn có chất lượng tốt hơn một chút so với khi hàn bằng điện cực trần.
Năm 1908, Benardos cũng nhận bằng sáng chế về phương pháp hàn điện sỉ (electroslag) cho tấm dày và hàn bằng 1 đường hàn, và phương pháp này được sử dụng để hàn trong nhiều thập kỷ về sau.
Năm 1912, Kjellberg nhận thêm một bằng sáng chế nữa về hàn bằng điện cực có vỏ bọc thuốc dày có chữa a-mi-ăng (asbestos) và muối Na-tri Silicat (Na2(SiO2)nO), mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp hàn que (Stick welding) vào thực tế. Công nghệ này sau đó được công ty đóng tàu Mitsubishi Nagasaki mua bản quyền sử dụng vào năm 1914 bởi ông Ito Kumezo. Mitsubishi là công ty đầu tiên nhập khẩu công nghệ này vào Nhật Bản. Lúc dầu họ rất thích thú mà với những lợi thế mà công nghệ này đem lại, nhưng dần dần họ nhận thấy cần phải cài tiến về công nghệ, nên tới năm 1918 Nagasaki đã mở ra một phòng thí nghiệm chuyên nghiên cứu về hàn hồ quang ở Jikkenba. Sau đó, nhận thấy sự quan trọng trong việc nghiên cứu và kết nối cộng đồng, tiến sĩ Kanamori Masao đã khởi sướng cho sự thành lập hiệp hội hàn Nhật Bản (The Japan Welding Society) vào năm 1926.
Các quá trình hàn mới được phát triển này được áp dụng chậm rãi trong công nghiệp (chủ yếu là hàn sửa chữa), cho tới khi thế chiến thứ nhất (1914-1918) xảy ra, nhu cầu về việc đóng tàu chiến và tàu vận tải phục vụ cho chiến tranh ngày càng cao thúc đẩy cải tiến các phương pháp sản xuất. Tới cuối thời kỳ của cuộc chiến tranh thế giới lần thứ nhất, công nghệ hàn đã được chấp nhận rộng rãi. Tại Mỹ, công nghệ hàn đã đóng vai trò rất lớn trong sản xuất thiết bị quân sự trong thế chiến. Sau khi chiến tranh kết thúc, nhận thấy nhu cầu cần một tổ chức độc lập có thể kết nối và cung cấp các thông tin khách quan về sự phát triển của công nghệ hàn, giáo sư Comfort A. Adams của đại học Harvard đã kêu gọi sát nhập hai tổ chức, Ủy ban hàn của hạm đội khẩn cấp (Welding Committee of the Emergency Fleet Corp.) với Hội đồng hàn quốc gia (National Welding Council) thành một tổ chức chung với tên gọi Hiệp hội hàn Hoa kỳ (American Welding Sociaty) vào ngày 28 tháng 3 năm 1919, và ông trở thành chủ tịch đầu tiên của hội hàn Mỹ.
Cũng vào khoảng cuối năm 1919, công ty Daihen (Nhật bản) được thành lập với tên gọi là Công ty Osaka Transformer Co., Ltd. (OTC) trước khi chính thức trở thành công ty thương mại về máy hàn vào năm 1934.
Các nghiên cứu liên quan đến hàn điện cực có vỏ bọc thuốc (coated-electrode welding) được tập trung tới năm 1920, giúp cải thiện đáng kể chất lượng vỏ thuốc bọc và lõi que, và đây là lý do dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của quá trình hàn que, thuật ngữ này ngày nay được biết đến với tên gọi là SMAW (Shielded Metal Arc Welding). Cùng với sự phát triển của chiếu chụp bằng tia X trong sản phẩm hàn, làm thúc đẩy nhu cầu cải tiến thêm về kỹ thuật hàn.
2.4. Thời kỳ phát rầm rộ về công nghệ hàn (1920 – 1980) [3-4]:
Trong thời kỳ hậu chiến thế giới thứ nhất, thiết kế máy hàn thay đổi không đáng kể. Người ta vẫn sử dụng nguồn hàn một chiều (DC) như thiết kế đầu tiên. Giai đoạn những năm 1920-1930s các nghiên cứu bắt đầu tập trung vào nguồn xoay chiều (AC). Năm 1922, số lượng sản xuất máy hàn ở Lincoln Electric đã vượt sản phẩm Mo-tơ và trở thành sản phẩm sản xuất và thương mại chính của hãng này. Năm 1927, LE giới thiệu nguồn hàn Feetweld® 5, đây là một nguồn hàn hồ quang tay dùng que có vỏ bọc, cho phép tạo được mối hàn chất lượng cao, tăng 20-50% độ bền và 100% độ dãn dài so với quá trình hàn bằng điện cực trần.
Năm 1924, Alexander nhận bằng sáng chế số #1,746,207 về ý tưởng như phương pháp hàn MIG/GMAW mà chúng ta biết đến và đang sử dụng ngày nay. Tuy nhiên do hạn chế về thiết bị, nên thời gian đó Alexander chỉ thực hiện thành công khi sử dụng khí bảo vệ là Hydro mà không sử dụng được khí CO2, nên thời đó họ gọi đây là quá trình hàn hồ quang sử dụng khí bảo vệ là hydro (Hydrogen Welding process).
Tới năm 1936, Brace của công ty General Electric đã nhận bằng sáng chế số #2,053,417 về quá trình hàn mà chúng ta có thể gọi là MIG như ngày nay.
Qua rất nhiều cải tiến, và cố gắng đưa vào áp dụng, thì mãi tới năm 1949, bằng sáng chế số #2,504,868 cho Airco đã xác minh đầy đủ về khả năng làm việc của hệ thống hàn MIG khi ứng dụng vào thực tế.
Cũng vào khoảng cuối những năm 1950, quá trình hàn tương tự nhưng sử dụng dây lõi thuốc (FCAW, Flux-cored Arc Welding) được phát triển. Trong đó, hàn dây lõi thuốc có khí bảo vệ (FCAW-G) do Arthur Benard, chủ tịch của công ty thiết bị hàn Benard sáng chế (sau này do không hứng thú phát triển hướng cơ bản, ông đã bán công nghệ này cho công ty khí National cylinder gas company), và phương pháp hàn dây lõi thuốc tự bảo vệ (FCAW-S) được phát triển bởi kỹ sư nghiên cứu Tom Black của Lincoln Electric.
Năm 1925, Frank.A. Haughton của General Electric Corporation đã nhận bằng sáng chế số #1,676,985 cho quá trình hàn tự động bằng dây trần dạng cuộn (giống với nguyên lý của quá trình hàn dưới lớp thuốc SAW ngày nay), nhưng thực hiện trong không khí, nên mối hàn có nhiều rỗ và không phù hợp áp dụng trong công nghiệp.
Sau đó, quá trình được cải tiến bởi Robinoff thông qua bằng sáng chế số 1,782,316 (năm 1930) của mình, ông có sử dụng một chút thuốc hàn để đưa vào liên kết hàn.
Sau này công nghệ được Jones, Kennedy và Rothermund của công ty tiếp nhận, cải tiến và được cấp bằng sáng chế số #2,043,960 với tên gọi là hàn điện “electric welding” vào năm 1936, đưa vào thương mại như một quá trình hàn thương mại với cái tên “unionmelt” vào năm 1937.
Năm 1929, Giáo sư E.O. Paton (1870-1953) đã lập Phòng thí nghiệm hàn và ủy ban hàn điện (welding laboratory and the electric welding committee), đây là tiền thân của Viện hàn Paton (Paton Institute of Electric Welding) được thành lập vào năm 1934 tại Kiev, Ukraine. Dưới sự giám sát của Paton, viện hàn này đã đóng góp rất lớn vào việc nghiên cứu và thiết kế kết cấu hàn, phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc (SAW) và các thiết bị tự động khác để chế tạo bồn, bom và các thiết bị quân sự khác phục vụ cho thế chiến thứ hai (1939-1945).
Cũng trong năm 1929, được biết đến với sự ra đời của công ty nổi tiếng về thiết bị hàn và cắt Miller Electric do Niels Miller sáng lập, sau khi ông thiết kế thành công nguồn điện hàn hồ quang tay một chiều với ưu thế nhỏ nhẹ và rẻ hơn so với các nguồn hàn trước đó. Tới năm 1935, Miller phát minh ra nguồn điện hàn xoay chiều ổn định tần số đầu tiên trên thế giới, nguồn hàn này sau đó trở nên rất phổ biến vì có khả năng đắp cao mà không bị thổi lệch hồ quang.
Việc nổ ra chiến tranh thế giới lần thứ hai đã thúc đẩy nhu cầu phát triển phương pháp hàn trong môi trường khí trơ để hàn những ứng dụng yêu cầu cao về chất lượng. Xuất phát từ ý tưởng hàn trong môi trường khí không bị oxy hóa (non-oxidizing gas) của C.J. Coffin từ năm 1890 và kết quả thí nghiệm của Horbat & Devers đầu những năm 1920 khi Henry M. Hobart đã dùng Heli và Philip K. Devers dùng Argon để thử làm khí bảo vệ cho quá trình hàn, và sau đó Horbat nhận bằng sáng chế số 1746081, còn Devers nhận bằng sáng chế số 1746191 (lần đầu năm 1926) về phương pháp hàn trong môi trường khi trơ (MIG, Metal Inert Gas), nhưng quá trình hàn này không được áp dụng rộng rãi bởi vì giá thành khí Argon và Heli rất cao, và thiết bị hàn chưa phù hợp.
Năm 1941, Russell Meredeth, một kỹ sư của công ty sản xuất máy bay Northrop Aircraft, đã phải đối mặt với việc cần phải tìm ra phương pháp cải thiện chất lượng mối hàn giữa Nhôm với Magie trong môi trường khí trơ, do tỷ lệ cháy thủng. Tiếp tục phát triển trên ý tưởng của Hobart và Devers, lần này Meredeth đã dùng điện cực Wonfram để làm điện cực hàn, và sau đó ông đã thực hiện thành công để được nhận bằng sáng chế số # 2,274,631 (năm 1942) về phương pháp hàn trong môi trường khí Heli (HeliArc, sau này được biết đến với tên gọi TIG-Tungsten Inert Gas, hay GTAW – Gas Tungsten Arc Welding).
Tới cuối năm 1942, công ty Linde (hiện có tên là Praxair) đã mua chứng nhận quyền sở hữu và tiếp tục phát triển công nghệ hàn này. Frank Pilia người làm cho Linde đã phát minh mỏ TIG làm mát bằng nước và lấy bằng sáng chế số #2,468,806 năm 1946. Tiếp sau đó, Pete Scheller cũng của công ty Linde đã phát triển mỏ hàn TIG có thể uốn cong để hàn cho các vị trí khó thao tác, và nhận bằng sáng chế số # 2,685,631 vào năm 1951. Sau này Cliff Hill, kỹ sư của Linde tiếp tục phát triển và nhận nhiều bằng sáng chế liên quan đến mỏ hàn TIG. Quá trình hàn TIG lúc đầu được thực hiện với động cơ rơ-to một chiều DC, sau này nguồn xoay chiều tần số cao được phát triển.
Năm 1950, Công ty Linde cũng được cấp bằng sáng chế số # 2,631,344 liên quan đến một quá trình hàn khá gần với quá trình hàn điện xỉ dạng đơn giản (Electrodslag welding). Quá trình hàn này được trang web Robert Hopkins xác định là nó đã phát minh từ năm 1930. Nhưng mãi tới năm 1957, bằng sáng chế số #2,868,951 về quá trình hàn điện xỉ, cấp cho Harry Shrubsall của công ty Linde, là quá trình giống với quá trình hàn điện xỉ ngày nay. Liên quan đến quá trình hàn này, Viện hàn Paton của Nga cũng giới thiệu cuốn sách về hàn điện xỉ vào năm 1959 (sau này được dịch ra tiếng anh và đăng trên hội hàn Mỹ AWS vào năm 1962). Thuật ngữ “electrodeslag welding” lần đầu tiên được xuất hiện trên tạp chí hàn tự động (Avtomaticcicheskaya Svarka) năm 1953, đăng bởi Voloshkevich.
Những năm 1960, được biết đến với sự bùng nổ về sử dụng công nghệ cao ứng dụng trong sản xuất máy bay. Khi đó, rất nhiều công ty sản xuất chế tạo đã đặt mua thiết bị hàn chum tia điện tử (EBW, Electron Beam Welding) phục vụ cho việc nghiên cứu phát triển của mình. Thiết bị Electron beam được báo cáo là xuất hiện lần đầu ở Đức vào năm 1948, sau đó được công bố lần đầu trên tạp chí thương mại vào năm 1957. Sau đó, các hãng sản xuất máy bay của Mỹ đã nhập rất nhiều thiết bị hút chân không áp suất cao (high-vacuum) cho hàn EBW. Trong giai đoạn từ 1960-1964 có khoảng 130 thiết bị high-vacuum EBW được nhập từ Đức tới Mỹ. Họ đã sử dụng thiết bị hàn EBW để hàn cánh máy bay quân sự có kích thước dài 32 ft. (10 mét), rộng 10 ½ ft. (3 mét) và khoang động cơ cao 8 ft. (2.5 mét).
Năm 1958, Charles Towns and Arthur Scala của phòng thí nghiệm Bell đã công bố bài báo liên quan đến thiết bị tạo tia Laser. Nhưng việc thực hiện hàn laser lần đầu tiên là trên một laser đỏ ngọc (ruby laser) và thực hiện bởi Ted Maiman tại Hughes Aircraft năm 1960. Khí CO2 laser và Neodymium:Yttrium aluminum garnet (Nd:YAG laser) sau đó cùng được phát minh vào năm 1964 tại phòng thí nghiệm Bell.
Một trong những điểm nhấn trong thời kỳ phát triển về nguồn điện hàn hồ quang đó là sự ra đời của nguồn điện thay đổi tần số (inverter) cho phép điều chỉnh được dòng điện dạng xung với tần số chuyển mạch cao, giảm tổn thất dòng điện. Năm 1974, Ủy ban hằng hải Mỹ (U.S Maritime Commission) có trình diễn nguồn hàn xách tay 300A sử dụng công nghệ inverter. Jim Thommes là kỹ sư thiết kế chính cho thế hệ nguồn hàn đầu tiên sử dụng bóng bán dẫn (transistor). Ngay sau đó, thế hệ mẫu thứ hai được phát triển sử dụng chất liệu bán dẫn (semiconductor). Năm 1977 tại Essen, hãng máy hàn Kempi của Phần Lan (thành lập từ năm 1949 bởi Martti Kemppi) cho ra đời nguồn hàn inverter thương mại thế hệ đầu tiên trên thế giới, thuộc dòng Hilarc với tên gọi VINKU-400. Tiếp sau đó là hàng loạt các nguồn hàn thế hệ inverter được ra đời bởi các hãng sản xuất máy hàn trên thế giới.
Trải theo chiều dài lịch sử phát triển, có rất nhiều phương pháp hàn đã ra đời. dưới đây là bảng tóm tắt về thời gian, cá nhân hoặc tổ chức phát minh ra các phương pháp hàn đó [6].
2.5. Kỷ nguyên số của thiết bị hàn (1980 – nay) [7]:
Từ những năm 1980 cho tới nay, đã có sự thay đổi nhanh chóng về công nghệ, thiết bị, và vật liệu hàn. Các kỹ sư, nhà nghiên cứu liên tục nghiên cứu ra các công thức để chế tạo vật liệu mới nhằm cải thiện đặc tính hồ quang. Các hãng sản xuất liên tục cải tiến công nghệ để đưa ra các thế hệ máy hàn linh hoạt, tiện lợi với người dùng. Hướng tới mục tiêu: an toàn, chất lượng, tiện lợi và linh hoạt. Dưới đây là tóm tắt một số công nghệ và thiết bị hàn mới nhất của một số hãng máy hàn lớn trên thế giới [7].
3. Kết luận
Đi cùng với chiều dài lịch sử phát triển của nhân loại, công nghệ và kỹ thuật hàn đã chứng minh được vai trò vô cùng quan trọng trong lĩnh vực sản xuất và đời sống con người. Với yêu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm cũng như yêu cầu về môi trường và an toàn… Các nhà nghiên cứu hiện đã và đang tập trung vào các giải pháp tổng thể và toàn diện hơn, không chỉ riêng về thiết bị, vật liệu, các nghiên cứu cải tiến quá trình sản xuất, giảm thiểu ứng suất biến dạng, tăng độ bền và tuổi thọ của kết cấu, giảm thải tai nạn lao động hay giảm lượng khí thải vào môi trường…. Kết hợp với sự hỗ trợ của công nghệ cao, internet, công nghệ và kỹ thuật hàn sẽ đạt được nhiều thành tựu mới trong tương lai và áp dụng hữu hiệu vào cuộc sống của con người.
Trong ngôn ngữ Hy Lạp cổ, từ “techne” được hiểu là “nghệ thuật”, và nó cũng là gốc của các thuật ngữ liên quan đến “công nghệ” và “kỹ thuật” (đó là Technology và technique). Trong mỹ thuật, những người vẽ tranh là những nghệ sĩ tài ba, họ dùng cây bút vẽ để tạo nên những tác phẩm nghệ thuật và có những tác phẩm trở thành kiệt tác. Cũng vậy, trong lĩnh vực hàn, những nghệ nhân hàn xì được coi là những nghệ sỹ, họ dùng những cây viết là que hàn, là súng hàn, dùng mực viết là kim loại lỏng để vẽ nên các tác phẩm nghệ thuật bằng kim loại vậy. Cùng nhau, chúng ta sẽ chung tay để môn nghệ thuật hàn đóng góp những giá trị tốt nhất của nó vào cuộc sống, đúng như lời của nhà họa sĩ, bác sĩ, kỹ sư, nhà phát minh… thiên tài người Ý, Leonardo da Vinci từng nói “Nghệ thuật là nữ hoàng của mọi môn khoa học, truyền đạt kiến thức tới mọi thế hệ trên thế giới”.
