Biến dạng hàn là một vấn đề thường gặp trong chế tạo kết cấu thép và xây dựng thép . Biến dạng quá mức có thể ảnh hưởng đến độ chính xác về kích thước của các cấu kiện thép, gây khó khăn trong quá trình lắp ráp và lắp đặt, đồng thời làm giảm hiệu suất tổng thể của kết cấu thép hoàn thiện.

Trong những trường hợp nghiêm trọng, biến dạng khi hàn cũng có thể gây ra mô men uốn bổ sung, ứng suất thứ cấp và các vấn đề về căn chỉnh. Do đó, kiểm soát hiệu quả biến dạng hàn là một phần quan trọng trong thiết kế, chế tạo và quản lý chất lượng kết cấu thép.

Tại sao biến dạng hàn xảy ra?

Trong quá trình hàn, thép xung quanh mối hàn bị nóng lên nhanh chóng và sau đó nguội đi không đều. Sự giãn nở và co lại nhiệt không đều này có thể gây ra:

• Biến dạng góc

• Co ngót theo chiều dọc

• Co ngót ngang

• Biến dạng uốn

• xoắn

• Oằn cục bộ

• Độ lệch kích thước tổng thể

Mức độ biến dạng phụ thuộc vào các yếu tố như độ dày tấm, kích thước mối hàn, nhiệt đầu vào, thiết kế mối nối, trình tự hàn, điều kiện hạn chế và tính chất vật liệu.

Phương pháp kiểm soát biến dạng hàn

1. Giảm tiết diện mối hàn

Khi vẫn có thể đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng mối hàn và độ bền kết cấu, góc rãnh và khe hở gốc phải được giữ ở mức hợp lý nhất có thể.

Giảm lượng kim loại hàn lắng đọng giúp giảm lượng nhiệt đầu vào và độ co ngót của mối hàn.

2. Kiểm soát nhiệt đầu vào hàn

Đối với các loại thép phù hợp có cường độ chảy dưới khoảng 345 MPa và độ cứng tương đối thấp, cần tránh cung cấp nhiệt quá mức.

Khi được quy trình hàn hiện hành cho phép, nhiệt độ gia nhiệt trước và nhiệt độ giữa các lớp phải được kiểm soát một cách thích hợp.

Các quy trình hàn sử dụng nhiệt lượng thấp, chẳng hạn như hàn được bảo vệ bằng khí CO₂ , có thể giúp giảm biến dạng nhiệt.

Tất cả các thông số hàn phải tuân thủ quy trình hàn đã được phê duyệt và các tiêu chuẩn dự án hiện hành.

3. Sử dụng phương pháp hàn nhiều lớp cho tấm dày

Đối với các tấm thép dày, hàn nhiều lượt thường được ưu tiên hơn là thực hiện một mối hàn lớn trong một lượt.

Hàn nhiều đường giúp kiểm soát phân phối nhiệt tốt hơn và giúp giảm biến dạng cục bộ quá mức.

4. Sử dụng hàn gián đoạn khi được phép

Đối với các nẹp dọc và các nẹp ngang, việc hàn gián đoạn có thể làm giảm tổng lượng kim loại mối hàn và lượng nhiệt đầu vào khi được yêu cầu thiết kế kết cấu cho phép.

Tuy nhiên, nên sử dụng hàn liên tục khi có yêu cầu tính toán kết cấu, yêu cầu về độ mỏi, yêu cầu về độ kín hoặc thông số kỹ thuật của dự án.

5. Áp dụng hàn đối xứng

Khi cả hai mặt của mối nối đều có thể tiếp cận được thì nên xem xét tạo rãnh hai mặt đối xứng.

Đối với hàn nhiều đường, các mối hàn phải được đặt đối xứng quanh trục trung hòa của bộ phận bất cứ khi nào có thể.

Điều này giúp cân bằng độ co ngót của mối hàn và giảm hiện tượng biến dạng góc.

6. Tối ưu hóa mối hàn chữ T

Đối với các mối hàn chữ T dày hoặc các mối hàn chữ thập, mối hàn rãnh có thể phù hợp hơn các mối hàn phi lê thông thường cỡ lớn.

Khi được thiết kế hợp lý, hàn rãnh có thể làm giảm khối lượng kim loại mối hàn cần thiết trong khi vẫn duy trì độ bền mối nối cần thiết.

7. Sử dụng biến dạng trước khi hàn

Có thể đưa ra biến dạng đặt trước hoặc biến dạng ngược trước khi hàn để bù cho độ biến dạng góc dự kiến.

Sau khi hàn và làm mát, bộ phận có thể trở lại gần hơn với hình dạng yêu cầu.

Phương pháp này thường được sử dụng cho dầm thép, tiết diện chữ H, tấm và các bộ phận chế tạo khác.

8. Cho phép co ngót khi hàn

Các khoản phụ cấp kích thước có thể được đưa vào trong quá trình chế tạo để bù cho độ co ngót theo chiều dọc và ngang dự kiến.

Ví dụ, mặt cắt chữ H được chế tạo có thể yêu cầu chiều dài bổ sung để bù cho độ co ngót của mối hàn theo chiều dọc.

Mức trợ cấp thực tế được xác định theo:

• Kích thước thành phần

• Độ dày tấm

• Kích thước mối hàn

• Quá trình hàn

• Cấu hình chung

• Kinh nghiệm chế tạo

• Quy trình hàn được phê duyệt

Thay vì dựa vào một giá trị cố định duy nhất, mức độ hao hụt phải được xác minh theo điều kiện sản xuất thực tế.

9. Cải thiện độ phẳng của vật liệu và độ chính xác của lắp ráp

Đối với các cấu kiện thép dài, độ xoắn thường có thể được giảm bằng cách cải thiện độ phẳng của tấm thép và độ chính xác của việc lắp ráp các bộ phận.

Các yếu tố quan trọng bao gồm:

• Góc rãnh chính xác

• Khoảng cách gốc nhất quán

• Căn chỉnh thành viên chính xác

• Định vị mối hàn thích hợp

• Hướng điện cực hoặc mỏ hàn chính xác

• Thông số hàn nhất quán

Việc duy trì các điều kiện hàn đồng đều dọc theo toàn bộ bộ phận giúp giảm sự biến dạng theo chiều dọc và góc không đều.

10. Giảm thiểu các mối hàn không cần thiết

Trong quá trình thiết kế kết cấu, nên tránh các mối hàn không cần thiết bất cứ khi nào có thể.

Các phần thép cán, các bộ phận định hình hoặc các biên dạng tiêu chuẩn hóa có thể được sử dụng thay cho các cụm hàn chặt khi thích hợp.

Giảm số lượng và kích thước mối hàn có thể giúp:

• Giảm đầu vào nhiệt hàn

• Giảm thiểu biến dạng

• Giảm thời gian chế tạo

• Chi phí điều chỉnh thấp hơn

• Nâng cao hiệu quả sản xuất

11. Tối ưu hóa vị trí mối hàn

Các mối hàn phải được đặt càng gần càng tốt với trục trung tính hoặc đường tâm của mặt cắt.

Bố trí mối hàn đối xứng có thể làm giảm biến dạng uốn do co ngót không cân bằng.

Cũng nên tránh tập trung mối hàn vì các mối hàn có khoảng cách gần nhau có thể tạo ra sự tích tụ nhiệt quá mức và biến dạng cục bộ.

12. Sử dụng trình tự hàn phù hợp

Đối với các bộ phận có nhiều mối hàn thì cần phải có trình tự hàn thích hợp.

Tùy thuộc vào thiết kế thành phần, các phương pháp phù hợp có thể bao gồm:

• Hàn đối xứng

• Hàn bước lùi

• Bỏ qua hàn

• Hàn đoạn

• Hàn từ tâm về hai đầu

Trình tự được lên kế hoạch tốt giúp phân phối nhiệt đồng đều hơn và ngăn ngừa biến dạng tích tụ theo một hướng.

Kiểm soát biến dạng hàn trong sản xuất

Giảm số lượng mối hàn

Thiết kế kết cấu nên giảm thiểu các kết nối hàn không cần thiết.

Trong thực tế, các phần được cán hoặc các thành phần thép định hình có thể thay thế các bộ phận hàn được chế tạo, làm giảm số lượng nẹp và mối hàn.

Điều này có thể làm giảm đáng kể cả biến dạng hàn và công việc làm thẳng tiếp theo.

Chọn hình dạng và kích thước mối hàn phù hợp

Đối với các mối nối đối đầu tấm dày, mối nối rãnh chữ X có thể yêu cầu kim loại hàn ít lắng đọng hơn so với mối nối rãnh chữ V thông thường.

Giảm thể tích kim loại mối hàn giúp giảm:

• Đầu vào nhiệt hàn

• Co ngót ngang

• Biến dạng góc

• Ứng suất dư

Đối với các mối nối chữ T không yêu cầu mối hàn lớn để đảm bảo độ bền kết cấu, nên chọn kích thước mối hàn góc thực tế tối thiểu theo yêu cầu thiết kế hiện hành.

Khi điều kiện kết cấu cho phép, các mối hàn gián đoạn cũng có thể giúp giảm biến dạng.

Tối ưu hóa thiết kế kết cấu

Biến dạng hàn cần được xem xét trong giai đoạn thiết kế kết cấu thay vì chỉ trong quá trình chế tạo.

Đối với kết cấu tấm thép mỏng, cần lựa chọn độ dày tấm, khoảng cách tăng cứng và kích thước mối hàn phù hợp để nâng cao độ ổn định của kết cấu và giảm biến dạng sóng.

Các cấu hình cấu trúc đơn giản và thông thường thường dễ chế tạo và kiểm soát hơn so với các hình học hàn phức tạp không cần thiết.

Kiểm soát độ co ngót ngang và dọc

Trong nhiều kết cấu hàn, độ co ngót ngang có thể lớn hơn độ co ngót dọc.

Vì lý do này, hướng và vị trí mối hàn cần được xem xét cẩn thận trong quá trình thiết kế.

Nếu có thể, mối hàn nên:

• Được sắp xếp đối xứng

• Nằm sát tim đường

• Tránh tập trung quá mức

• Được định hướng để giảm thiểu biến dạng theo các hướng quan trọng

Các biện pháp này giúp giảm hiện tượng uốn, xoắn, sai lệch kích thước sau khi hàn.

Hiệu chỉnh biến dạng hàn

Ngay cả với các biện pháp kiểm soát thích hợp, một số biến dạng vẫn có thể xảy ra.

Các phương pháp chỉnh sửa phổ biến bao gồm:

• Làm thẳng cơ học

• Làm thẳng nhiệt có kiểm soát

• Nhấn sửa

• Làm thẳng ngọn lửa ở những nơi được phép

• Điều chỉnh cơ học cục bộ

Công việc sửa chữa phải được thực hiện cẩn thận để tránh làm hỏng thép, gây ra vết nứt hoặc ảnh hưởng xấu đến tính chất vật liệu.

Phần kết luận

Kiểm soát biến dạng hàn hiệu quả đòi hỏi sự phối hợp giữa thiết kế kết cấu, phát triển quy trình hàn, chế tạo, lắp ráp, trình tự hàn và kiểm tra chất lượng..

Cách tiếp cận hiệu quả nhất là ngăn ngừa biến dạng quá mức trước và trong khi hàn thay vì dựa nhiều vào việc hiệu chỉnh sau khi chế tạo.

Bằng cách kiểm soát kích thước mối hàn, nhiệt đầu vào, thiết kế mối nối, trình tự hàn, độ chính xác lắp ráp và độ co ngót, các nhà chế tạo thép có thể đạt được độ chính xác kích thước cao hơn, hiệu quả lắp đặt tốt hơn và hiệu suất kết cấu đáng tin cậy hơn.