Phần 5: Hàn và gia công thép cường lực cao cho kết cấu xe
Thay thép thông thường bằng thép cường lực cao không có nghĩa toàn bộ kết cấu sẽ tự động tăng khả năng chịu lực theo cùng tỷ lệ. Với kết cấu xe chịu tải động, mối hàn và vùng vật liệu chịu ảnh hưởng nhiệt vẫn là những vị trí cần được kiểm soát chặt chẽ.
Khi cấp thép thay đổi, quy trình chế tạo cũng cần được xem xét lại từ vật liệu hàn, gia nhiệt trước khi hàn, nhiệt độ giữa các lớp hàn đến thiết kế liên kết và hướng uốn.
Vì vậy, thép cường lực cao chỉ phát huy được lợi thế khi vật liệu, thiết kế và quy trình gia công được xem như một hệ thống thống nhất.
1. Mối hàn là một phần của kết cấu chịu lực
Trong kết cấu chịu tải động, mối hàn thường nằm tại những vị trí có sự thay đổi hình học và tập trung ứng suất.
Nếu thép nền có giới hạn chảy cao nhưng liên kết hàn không đáp ứng yêu cầu thiết kế, phần lợi về cơ tính của vật liệu nền không được chuyển đầy đủ thành khả năng làm việc của toàn kết cấu.
Các yếu tố cần được xem xét đồng thời gồm:
- Cấp thép nền
- Loại liên kết
- Vật liệu hàn
- Chiều dày
- Tải truyền qua mối hàn
- Điều kiện tải động
- Quy trình hàn
- Trình tự thi công
Mục tiêu không phải làm cho mối hàn có cơ tính cao nhất có thể, mà là bảo đảm liên kết hàn đáp ứng đúng yêu cầu chịu lực, mỏi và chế tạo của thiết kế.
Đây cũng là lý do không nên tự chọn vật liệu hàn chỉ dựa trên loại đang có sẵn tại xưởng.
2. Không dùng chung hướng dẫn hàn cho thép cường lực cao và thép chịu mài mòn
Thép cường lực cao và thép chịu mài mòn có thể cùng đạt cơ tính cao, nhưng được thiết kế cho những công năng khác nhau.
Do đó, mỗi nhóm vật liệu cần được hàn theo tài liệu và quy trình phù hợp với chính sản phẩm đang sử dụng.
Không nên lấy phiếu hướng dẫn của thép chịu mài mòn để áp trực tiếp cho thép cường lực cao chỉ vì hai tấm có hình thức tương tự.
Ngược lại, quy trình dùng cho kết cấu chịu lực cũng không mặc định áp nguyên trạng cho một tấm lót chịu mài mòn.
3. Xác định điều kiện gia nhiệt trước khi hàn
Gia nhiệt trước khi hàn không phải một nhiệt độ cố định dùng cho mọi mác thép.
Yêu cầu này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó cần xem xét ít nhất:
- Mác thép
- Chiều dày tại vị trí liên kết
- Thành phần hóa học và cacbon tương đương
- Loại vật liệu hàn
- Hàm lượng hydro khuếch tán
- Mức độ liên kết cứng
- Điều kiện môi trường
- Nhiệt đầu vào của quá trình hàn
EN 1011-2 có thể được sử dụng làm tài liệu tham chiếu khi xác định các điều kiện hàn đối với thép ferritic, trong đó có vấn đề gia nhiệt trước và kiểm soát nguy cơ nứt do hydro.
Vì vậy, cách làm phù hợp không phải là “xưởng vẫn hàn ở nhiệt độ này từ trước đến nay”, mà cần xác định rõ:
Mác nào → chiều dày bao nhiêu → liên kết nào → áp dụng quy trình nào
4. Nhiệt độ cần được kiểm soát cả trước và trong quá trình hàn
Kiểm tra nhiệt độ một lần trước khi mồi hồ quang chưa đủ.
Trong quá trình thi công, nhiệt độ của vật liệu có thể thay đổi sau mỗi lượt hàn hoặc trong thời gian dừng giữa các lớp.
Hai mức cần được kiểm soát là:
Nhiệt độ gia nhiệt trước
Được kiểm tra trước khi bắt đầu hàn để bảo đảm vật liệu đạt điều kiện yêu cầu của quy trình.
Nhiệt độ giữa các lớp hàn
Được theo dõi trong quá trình hàn để bảo đảm nhiệt độ không nằm ngoài phạm vi đã quy định.
Phấn nhiệt có thể hỗ trợ nhận biết nhanh, nhưng với những vị trí cần ghi nhận số liệu, nên sử dụng thiết bị cho phép đo và lưu kết quả rõ ràng hơn.
Quan trọng hơn, số đo phải được ghi vào hồ sơ thay vì chỉ dựa vào xác nhận miệng tại xưởng.
5. Vật liệu hàn phải phù hợp với yêu cầu của liên kết
Vật liệu hàn không nên được lựa chọn chỉ bằng cách so tên cấp với thép nền.
Cần xem xét đồng thời:
- Yêu cầu chịu lực của liên kết
- Giới hạn chảy và giới hạn bền cần đạt
- Độ dai yêu cầu
- Điều kiện tải động
- Quy trình hàn được phê duyệt
- Khuyến cáo của nhà sản xuất thép
- Tiêu chuẩn áp dụng cho kết cấu
Trong một số thiết kế, vật liệu hàn có thể được lựa chọn tương đương với thép nền. Ở những trường hợp khác, vật liệu hàn có cơ tính thấp hơn hoặc cao hơn có thể được sử dụng có chủ đích nếu thiết kế và quy trình hàn cho phép.
Vì vậy, nguyên tắc an toàn hơn là:
Vật liệu hàn phải đáp ứng yêu cầu của liên kết và được xác định trong quy trình hàn, không lựa chọn theo kinh nghiệm đơn lẻ tại xưởng.
Phân biệt với tấm lót chịu mài mòn
Với một số tấm lót chịu mài mòn, mối hàn chủ yếu có nhiệm vụ giữ tấm tại vị trí làm việc chứ không chịu tải kết cấu theo cùng cách với dầm hoặc khung.
Trong trường hợp đó, nguyên tắc lựa chọn vật liệu hàn có thể khác.
Do đó, trước khi chọn vật liệu hàn cần xác định rõ:
Mối hàn đang truyền tải kết cấu hay chủ yếu giữ một tấm lót tại vị trí?
Hai trường hợp không nên dùng chung một quy tắc lựa chọn.
6. Thay cấp thép có thể kéo theo thay đổi vật liệu hàn
Khi chuyển từ cấp thép thấp sang thép cường lực cao hơn, yêu cầu đối với vật liệu hàn cũng có thể thay đổi.
Theo khuyến cáo vật liệu hàn theo cấp thép trong tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất được sử dụng cho nhóm perform®, sự thay đổi cấp thép có thể kéo theo thay đổi nhóm vật liệu hàn.
Bảng trên chỉ dùng để cho thấy vật liệu hàn có thể thay đổi theo cấp thép. Khi áp dụng thực tế phải đối chiếu đúng tài liệu của mác thép, vật liệu hàn, chiều dày và quy trình đang sử dụng.
Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến cả kỹ thuật và mua sắm.
Thay cấp thép có thể kéo theo:
- Thay vật liệu hàn
- Thay yêu cầu bảo quản
- Thay thời gian cung ứng
- Thay danh mục tồn kho
- Thay quy trình hàn
- Thay yêu cầu đối với thợ hàn
Do đó, cấp thép và phương án hàn nên được xác định cùng trong giai đoạn thiết kế, không xử lý thành hai việc độc lập.
7. Kiểm tra quy trình và năng lực hàn trước khi chế tạo
Với kết cấu chịu lực, kinh nghiệm làm nghề của thợ hàn là cần thiết nhưng chưa đủ để thay thế hồ sơ kỹ thuật.
Trước khi chế tạo, cần kiểm tra các nội dung phù hợp với phạm vi công việc như:
- Quy trình hàn được phê duyệt
- Phạm vi áp dụng của quy trình
- Tư cách thợ hàn
- Nhóm vật liệu
- Phương pháp hàn
- Vị trí hàn
- Vật liệu hàn sử dụng
- Thời hạn hiệu lực của hồ sơ liên quan
EN ISO 3834-2 được dẫn trong cụm kiến thức này cho các yêu cầu chất lượng toàn diện đối với quá trình hàn nóng chảy kim loại.
Tiêu chuẩn này không thay thế bản vẽ hoặc quy trình hàn cụ thể, nhưng cung cấp khung kiểm soát chất lượng cho hoạt động hàn.
Điểm cần tránh là cho phép thi công chỉ dựa trên nhận định “thợ đã làm loại thép này nhiều năm” mà không đối chiếu phạm vi hồ sơ với công việc thực tế.
8. Thiết kế mối hàn phải tính đến tải động và mỏi
Một mối hàn có khả năng chịu tải tĩnh chưa chắc đã là chi tiết tốt cho tải lặp.
Với kết cấu xe, mỏi cần được xem xét ngay từ giai đoạn bố trí liên kết.
Ba nguyên tắc cần chú ý gồm:
Không nên hiểu rằng mọi vùng chịu tải động đều bắt buộc dùng một loại mối hàn duy nhất. Loại liên kết, chiều dài mối hàn và chi tiết hình học phải được xác định theo thiết kế và tiêu chuẩn áp dụng.
Thêm gân không chỉ làm tăng độ cứng
Bổ sung gân có thể:
- Giảm nhịp làm việc của tấm
- Hạn chế độ võng
- Cải thiện ổn định cục bộ
Nhưng đồng thời cũng:
- Tăng khối lượng
- Tăng chiều dài mối hàn
- Tạo thêm các vùng ảnh hưởng nhiệt
- Tạo thêm vị trí cần kiểm soát mỏi
Trong khi đó, thay đổi hình tiết diện có thể cải thiện độ cứng hình học mà không nhất thiết phải tăng số lượng mối hàn theo cùng tỷ lệ.
Vì vậy, lựa chọn giữa thêm gân và thay đổi hình tiết diện cần được thực hiện từ giai đoạn thiết kế, không để đến khi xưởng phát hiện kết cấu bị võng mới bổ sung liên kết.
9. Không đánh giá chất lượng hàn chỉ bằng hình thức bên ngoài
Một mối hàn đều, đẹp và ít bắn tóe chưa chứng minh toàn bộ quá trình đã được thực hiện đúng.
Chất lượng liên kết còn phụ thuộc vào:
- Chuẩn bị mép
- Vật liệu hàn
- Nhiệt độ gia nhiệt trước
- Nhiệt độ giữa các lớp hàn
- Nhiệt đầu vào
- Trình tự hàn
- Khuyết tật bên trong
- Vùng vật liệu chịu ảnh hưởng nhiệt
Đặc biệt, vùng cần quan sát không chỉ nằm trên kim loại mối hàn mà còn ở vật liệu ngay cạnh đường hàn.
Nếu phát hiện vết nứt chạy dọc vùng cạnh mối, không nên chỉ mài bỏ bề mặt rồi hàn phủ lại.
Cần kiểm tra nguyên nhân, trong đó có:
- Quy trình nhiệt
- Hydro
- Vật liệu hàn
- Trạng thái ứng suất
- Cấu tạo liên kết
- Thứ tự thi công
Xử lý dấu hiệu mà không xác định nguyên nhân có thể khiến vết nứt xuất hiện trở lại.
10. Hướng cán phải được đưa vào bản vẽ chế tạo
Khả năng uốn của thép cường lực cao phụ thuộc vào:
- Mác thép
- Chiều dày
- Bán kính uốn
- Hướng uốn so với hướng cán
- Thiết bị và phương pháp tạo hình
Uốn theo hai hướng khác nhau so với hướng cán không mặc định sử dụng cùng bán kính tối thiểu.
Vì vậy, nếu hướng uốn ảnh hưởng đến yêu cầu chế tạo, thông tin này nên được ghi trực tiếp trên bản vẽ.
Không nên để xưởng tự xoay tấm theo cách thuận tiện nhất nếu thiết kế đã phụ thuộc vào hướng cán.
Điều này càng quan trọng khi tận dụng khả năng tạo hình để:
- Tạo tiết diện sâu
- Giảm số lượng gân
- Tăng mô men quán tính
- Giảm số lượng mối hàn
Khả năng tạo hình của vật liệu chỉ thực sự tạo ra lợi ích khi bản vẽ và quá trình cắt phôi giữ được đúng hướng đã tính.
11. Những nội dung cần kiểm tra trực tiếp tại xưởng
Các điểm kiểm tra nên được xác định trước trong kế hoạch chất lượng hoặc hồ sơ chế tạo.
Không nên đợi đến khi toàn bộ kết cấu đã lắp xong mới kiểm tra lại các dữ liệu có thể mất dấu trong quá trình gia công.
12. Truy xuất vật liệu phải được giữ đến sau chế tạo
Sau khi tấm thép được cắt thành nhiều chi tiết nhỏ, dấu nhận dạng ban đầu có thể bị mất.
Nếu không có phương pháp chuyển và lưu thông tin, rất khó xác định chi tiết hoàn thiện được cắt từ tấm hoặc lô nào.
Vì vậy, hồ sơ chế tạo nên duy trì ít nhất:
- Số nhận dạng vật liệu
- Vị trí sử dụng trên kết cấu
- Mác và chiều dày
- Lô vật liệu hàn
- Người thực hiện
- Quy trình hàn áp dụng
- Các điểm kiểm tra chính
- Ảnh mối hàn tại những vị trí được yêu cầu
Truy xuất không chỉ phục vụ nghiệm thu.
Khi một vết nứt hoặc biến dạng xuất hiện sau thời gian khai thác, thông tin này giúp bộ phận kỹ thuật đối chiếu lại chính xác vật liệu và quy trình đã sử dụng tại vị trí đó.
13. Các dấu hiệu cần xử lý trước khi hoàn tất hồ sơ xuất xưởng
Kết cấu chưa nên hoàn tất hồ sơ nếu vẫn còn các điểm chưa rõ như:
- Thiếu số nhận dạng vật liệu
- Không xác định được vật liệu hàn đã sử dụng
- Thiếu dữ liệu nhiệt tại vị trí yêu cầu kiểm soát
- Hồ sơ thợ hàn không phù hợp với công việc
- Hướng uốn không khớp bản vẽ
- Có dấu hiệu nứt chưa xác định nguyên nhân
- Kết quả kiểm tra mối hàn chưa được xử lý
- Thiếu biên bản tại các điểm kiểm tra bắt buộc
Mục đích không phải tăng thêm giấy tờ, mà là bảo đảm những thông tin quan trọng vẫn có thể được kiểm tra lại sau khi kết cấu đã hoàn thiện.
14. Trách nhiệm của các bộ phận
Thợ hàn thực hiện theo quy trình đã được xác định, không tự thay vật liệu hàn, thay thông số nhiệt hoặc thay cấu tạo liên kết để thuận tiện thi công.
15. Lưu ý khi áp dụng kiến thức
Một, nhiệt độ gia nhiệt trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn phụ thuộc vào mác thép, chiều dày, điều kiện liên kết và quy trình hàn. Không có một giá trị dùng chung cho toàn bộ thép cường lực cao.
Hai, vật liệu hàn cần được lựa chọn theo yêu cầu của liên kết và quy trình đã được xác nhận. Không mặc định vật liệu hàn luôn phải có cấp cao hơn thép nền, cũng không lấy quy tắc hàn tấm chịu mài mòn áp sang kết cấu chịu lực.
Ba, thay cấp thép có thể kéo theo thay đổi vật liệu hàn, quy trình, bảo quản và năng lực chế tạo. Các yếu tố này cần được xem xét trước khi chốt phương án vật liệu.
Bốn, mối hàn đẹp về hình thức chưa đủ để chứng minh chất lượng. Vùng ảnh hưởng nhiệt, thông số nhiệt, vật liệu hàn và các khuyết tật cần được kiểm tra theo yêu cầu của kết cấu.
Năm, thêm gân có thể cải thiện độ võng và ổn định nhưng đồng thời làm tăng số lượng mối hàn. Với kết cấu chịu tải động, ảnh hưởng đến mỏi cần được xem xét ngay từ giai đoạn thiết kế.
Sáu, hướng cán và hướng uốn cần được kiểm soát nếu phương án tạo hình phụ thuộc vào chúng. Không để việc xoay tấm được quyết định sau khi bản vẽ đã hoàn thiện.
Bảy, nội dung bài viết cung cấp các điểm cần kiểm soát khi hàn và gia công thép cường lực cao, không thay thế quy trình hàn, bản tính kết cấu hoặc tiêu chí nghiệm thu của dự án cụ thể.
Khi chuyển sang thép cường lực cao, thay đổi không dừng ở tấm thép. Vật liệu hàn, nhiệt độ, hình dạng liên kết, hướng uốn và khả năng truy xuất đều phải đi theo phương án thiết kế mới. Một quy trình chế tạo được kiểm soát đúng giúp phần lợi từ vật liệu được giữ lại trong kết cấu hoàn thiện, thay vì bị mất đi tại chính các mối nối và công đoạn gia công.
