Trong lĩnh vực đóng tàu, chất lượng mối hàn tấm dày ảnh hưởng trực tiếp đến độ an toàn, độ bền và khả năng chống mỏi của kết cấu tàu. Công nghệ làm sạch và tạo hình gốc hàn hai mặt, là quy trình cốt lõi để hàn tấm dày (chẳng hạn như lắp ráp lớn các phần tàu, boong chắc chắn và vách ngăn phía trên ở các bộ phận quan trọng), đảm bảo sự xuyên thấu hoàn toàn của đường hàn và không có khuyết tật bên trong bằng cách thực hiện hàn hai mặt và loại bỏ triệt để các khuyết tật gốc. Đây là một trong những yêu cầu bắt buộc về chất lượng hàn tàu do Hiệp hội phân loại Trung Quốc (CCS) đặt ra. Bài viết này phân tích một cách có hệ thống các yêu cầu về thông số kỹ thuật, các điểm chính trong quy trình và ứng dụng kỹ thuật của công nghệ tạo hình và làm sạch gốc hàn hai mặt, kết hợp với các tiêu chuẩn như 'Quy tắc phân loại tàu buôn thép' (2021), 'Thử hàn cho tàu' và 'Bình áp suất khí quyển hàn bằng thép' (NB/T 47015).

I. Bản chất kỹ thuật và định vị quy chuẩn của hàn hai mặt để loại bỏ rễ

Công nghệ tạo hình làm sạch gốc hàn hai mặt đề cập đến quá trình hoàn chỉnh sử dụng các phương pháp hàn hai mặt (như hàn hồ quang chìm, hàn che chắn khí CO₂, v.v.), sau khi hoàn thành việc hàn đường hàn phía trước, thông qua các phương pháp cơ học hoặc nhiệt để loại bỏ các khuyết tật không nóng chảy, xỉ và độ xốp khí ở gốc đường hàn, sau đó thực hiện hàn làm sạch gốc mặt sau. Mục tiêu cốt lõi của nó là đảm bảo đường hàn được xuyên thấu hoàn toàn và không có khuyết tật bên trong, đáp ứng các cấp chất lượng mối hàn (như cấp A, cấp B) theo yêu cầu của CCS. Theo Điều 2.2.4 của Chương 2 Phần 3 trong 'Thông số kỹ thuật phân loại tàu thép' của CCS, 'Đối với các mối hàn giáp mép của các kết cấu quan trọng (chẳng hạn như dầm thân tàu, khung chắc chắn, các tấm bên ngoài, v.v.) chịu tải trọng tĩnh hoặc động, khi độ dày tấm vượt quá độ dày hiệu quả của hàn một mặt được quy định trong tiêu chuẩn, nên áp dụng hàn hai mặt hoặc hàn ngấu hoàn toàn tương đương với hàn hai mặt.' Trong số đó, 'tạo hình làm sạch gốc' là bước quan trọng để đạt được sự 'ngâm hoàn toàn' và chất lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực và khả năng chống lan truyền vết nứt của đường hàn.

II. Yêu cầu kỹ thuật của thông số kỹ thuật CCS để làm sạch chân hàn hai mặt

CCS đã đề xuất một thông số kỹ thuật có hệ thống cho công nghệ tạo khe hở gốc hàn hai mặt, bao gồm các khía cạnh như lựa chọn vật liệu, thiết kế góc xiên, quy trình làm sạch, tiêu chuẩn kiểm tra và kiểm soát làm lại. Các điểm chính như sau: 1. Yêu cầu về vật liệu và vật liệu hàn: Khe hở gốc hàn hai mặt được áp dụng cho các loại thép kết cấu được quy định trong quy định CCS cho kết cấu tàu (như AH32, DH36, EH36, v.v., thép cường độ cao) và phải đáp ứng các yêu cầu của 'Kết cấu thép cho tàu '. Đối với các tấm có độ dày trên 30 mm, cần phải kiểm tra lại bằng siêu âm (UT) để đảm bảo không có hiện tượng bong tróc, tạp chất hoặc các khuyết tật khác (Điều 3.2.1 của 'Quy tắc phân loại thép của tàu').

1. Chứng nhận vật liệu hàn: Vật liệu hàn (que hàn, dây hàn, thuốc hàn) phải được các sản phẩm CCS phê duyệt (chẳng hạn như 'Quy tắc kiểm tra để nhận biết vật liệu hàn tàu') và độ bền của chúng phải phù hợp với độ bền của vật liệu cơ bản. Ví dụ, khi hàn thép EH36, nên chọn que hàn kiềm có hàm lượng hydro thấp (như J507RH) hoặc dây hàn hồ quang chìm có độ bền cao (như ER50-6) để đảm bảo độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống nứt của kim loại hàn không thấp hơn vật liệu cơ bản.

2. Thiết kế rãnh và dạng rãnh tiền xử lý: Dựa trên độ dày tấm và vị trí kết cấu, CCS khuyến nghị sử dụng rãnh hình chữ X hoặc hình chữ V kép (Hình 1). Đối với hàn hai mặt, có thể giảm nguy cơ hàn không hoàn toàn gốc. Góc rãnh α thường là 60° đến 70°, bán kính góc lượn p ≤ 2 mm (đối với độ dày tấm ≤ 25 mm) hoặc p ≤ 3 mm (đối với độ dày tấm > 25 mm) và khoảng cách gốc b ≤ 2 mm (theo 'Rãnh hàn cho kết cấu tàu').

Yêu cầu tiền xử lý: Trước khi hàn, rãnh và vùng 20 mm ở hai bên cần được làm sạch để loại bỏ các tạp chất như dầu, rỉ sét và cặn oxit (Điều 5.2.1 của 'Kiểm tra phê duyệt quy trình hàn tàu'); đối với thép cường độ cao (như EH36), cần nung nóng ngọn lửa trước (với nhiệt độ nung nóng trước ≥ 100oC) để giảm tốc độ làm mát của đường hàn và ngăn ngừa các vết nứt nguội.

3. Quy trình làm sạch rễ và thông số kỹ thuật vận hành Phương pháp làm sạch rễ: Các phương pháp làm sạch rễ được CCS cho phép bao gồm cắt bằng hồ quang carbon (CJP), phay hoặc cắt plasma. Cắt bằng hồ quang carbon là phương pháp được ưa chuộng (do chi phí thấp và hiệu quả cao), nhưng các thông số cắt khí phải được kiểm soát chặt chẽ (dòng điện 180-250A, áp suất khí nén 0,5-0,6MPa) để tránh hình thành các lớp cacbon hóa hoặc vết đồng (ảnh hưởng đến chất lượng hàn sau này).

Độ sâu và hình dạng của khe hở rễ: Sau khi làm sạch rễ, bề mặt kim loại phải lộ ra ánh kim loại và không được có các khuyết tật như phản ứng tổng hợp không hoàn toàn hoặc cặn xỉ ở gốc; bán kính đáy của góc xiên r ≥ 2mm (đối với góc xiên hình chữ X) hoặc r ≥ 1,5mm (đối với góc xiên hình chữ V) và cạnh góc xiên p ≤ 1mm (theo GB/T 19868-2005). Đối với các mối hàn có độ dày tấm lớn hơn 30 mm, nên thực hiện làm sạch gốc theo hai giai đoạn (làm sạch đến 2-3 mm so với mặt sau ở giai đoạn đầu và làm sạch hoàn toàn ở giai đoạn thứ hai) để đảm bảo mối hàn mặt sau được hình thành trơn tru.

4. Hàn mặt sau trong quá trình hàn và xử lý gia nhiệt sau: Sau khi làm sạch chân răng, hàn mặt sau phải tiến hành ngay, sử dụng cùng vật liệu và quy trình hàn như mặt trước (ví dụ khi hàn hồ quang chìm, dòng điện là 180-220A, điện áp 28-32V, tốc độ 35-45cm/phút). Đảm bảo độ dày của đường hàn hai mặt đồng đều và không có vết lõm (độ sâu của vết cắt phải ≤ 0,5mm và chiều dài ≤ 10% tổng chiều dài của đường hàn).

Gia nhiệt và cách nhiệt sau: Đối với thép cường độ cao (chẳng hạn như EH36) hoặc khi nhiệt độ môi trường xung quanh nhỏ hơn 5oC, sau khi hàn xong, cần xử lý sau gia nhiệt (ở nhiệt độ 200 ~ 300oC, với thời gian cách nhiệt là 1 ~ 2 giờ) để loại bỏ ứng suất dư khi hàn và ngăn ngừa các vết nứt do hydro gây ra (theo 'Thông số kỹ thuật phân loại tàu thép' 3.3.4 của CCS).

5. Tiêu chuẩn nghiệm thu và kiểm tra chất lượng - Thử nghiệm không phá hủy (NDT): Phải tiến hành thử nghiệm chụp ảnh phóng xạ (RT) 100% đối với các mối hàn của hàn hai mặt. RT phải được thực hiện theo GB/T 3323-2005 'Thử nghiệm chụp ảnh phóng xạ các mối hàn trong hàn tổng hợp kim loại' và được coi là đủ tiêu chuẩn ở cấp độ B (với cấp độ khuyết tật không vượt quá cấp độ II). (UT cũng có thể được thực hiện, nhưng tôi không có nhiều kiến ​​thức về nó. Tôi chắc chắn sẽ nghiên cứu thêm về cách UT tiến hành kiểm tra khi có thời gian.)

Kiểm tra bề ngoài: Bề mặt của đường hàn phải nhẵn và liền mạch, không có vết nứt, lỗ rỗng hoặc tạp chất xỉ. Chiều cao vượt quá phải từ 0 đến 3mm (đối với rãnh hình chữ X) hoặc 0 đến 4mm (đối với rãnh hình chữ V). Chiều rộng mỗi bên không được tăng quá 2 mm so với rãnh (Phụ lục 1 của 'Bộ luật phân loại tàu thép').

6. Những điểm chính để kiểm soát chất lượng và những vấn đề thường gặp cần tránh: Làm sạch rễ không đủ: Điều này có thể dẫn đến sự hợp nhất không hoàn toàn ở gốc. Cần xác nhận độ sâu làm sạch thông qua kiểm tra lại UT ( ≥ 80% độ dày tấm) và kiểm tra hình dạng bằng các máy đo đặc biệt (như máy đo rãnh).

Các vết nứt do hydro gây ra: Khi hàn thép cường độ cao, cần kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ gia nhiệt trước ( ≥100oC) và nhiệt độ giữa các lớp ( 250oC ) để tránh các vết nứt nguội.

Kiểm soát việc làm lại: Nếu phát hiện sai sót trong quá trình kiểm tra, việc làm lại phải được thực hiện theo yêu cầu của CCS 'Kiểm tra chất lượng quy trình hàn cho tàu' (số lần làm lại cho cùng một khu vực không được vượt quá 2 lần). Sau khi làm lại, các bài kiểm tra UT/RT phải được tiến hành lại.

Phần kết luận

Các thông số kỹ thuật do Hiệp hội phân loại Trung Quốc đặt ra cho quy trình tạo hình làm sạch gốc hàn hai mặt là những 'hạn chế cứng' đối với chất lượng đóng tàu. Thông qua việc kết hợp vật liệu, tối ưu hóa rãnh, kiểm soát quá trình làm sạch gốc và kiểm tra nghiêm ngặt, có thể đảm bảo hiệu quả sự xuyên thấu hoàn toàn của đường hàn, từ đó nâng cao độ an toàn và độ tin cậy của kết cấu tàu.