Phần 2: Hàn thép độ cứng cao

Một mối hàn có hình thức đẹp vẫn có thể xuất hiện nứt sau khi đã nguội.

Với thép độ cứng cao, nguyên nhân không chỉ nằm ở thao tác của thợ hàn mà còn liên quan đến hydro, tốc độ nguội, ứng suất, nhiệt nung trước, nhiệt lớp và vật liệu hàn được sử dụng.

Vì vậy, quá trình hàn cần được kiểm soát từ trước khi mồi hồ quang cho tới khi mối hàn đã hoàn thành. Mỗi nhóm vật liệu có yêu cầu riêng về quy trình hàn, nên phiếu kỹ thuật của thép chống mài mòn và thép kết cấu cường độ cao không được sử dụng thay cho nhau.

1. Một số thuật ngữ kỹ thuật trong bài viết

Các thuật ngữ dưới đây xuất hiện xuyên suốt trong quy trình hàn, tài liệu kỹ thuật và quá trình kiểm tra tại xưởng.

Thuật ngữ kỹ thuật	Ý nghĩa
Nung trước	Gia nhiệt thép trước khi hàn để kiểm soát tốc độ nguội
Nhiệt lớp	Nhiệt độ của vật liệu giữa các lượt hàn
Nứt nguội	Nứt xuất hiện sau khi mối hàn đã nguội
Kim loại đắp	Kim loại từ vật liệu hàn được đưa vào mối hàn
Xử lý nhiệt sau hàn	Gia nhiệt lại chi tiết sau khi hàn

Trong bài này, nung trước là thao tác gia nhiệt trước khi hàn. Khái niệm này cần phân biệt với sấy trước trong Phần 1, được sử dụng cho công đoạn cắt nhiệt.

Vùng cạnh mối hàn cũng là vị trí cần đặc biệt chú ý vì khu vực này chịu tác động của chu trình nhiệt trong quá trình hàn.

2. Nứt nguội hình thành khi ba điều kiện cùng xuất hiện

Nứt nguội cần đồng thời ba điều kiện gồm hydro, tổ chức cứng và ứng suất.

Điều kiện	Cơ chế	Biện pháp tác động
Hydro	Hydro thâm nhập vào vùng hàn	Sấy vật liệu hàn, làm sạch bề mặt, che gió và mưa
Tổ chức cứng	Vùng cạnh mối nguội nhanh thành tổ chức cứng, giòn	Nung trước để kiểm soát tốc độ nguội
Ứng suất	Ứng suất kéo tập trung tại vùng hàn	Xem xét thiết kế mối, trình tự hàn và mức độ kìm giữ

Ba điều kiện này đều có những điểm có thể kiểm soát trong quá trình chuẩn bị và thực hiện.

Nung trước tác động trực tiếp vào tốc độ nguội của vùng hàn. Quá trình này đồng thời tạo thêm thời gian để hydro thoát khỏi vùng hàn trước khi thép nguội hoàn toàn.

Vì vậy, nung trước không đơn thuần là làm nóng tấm thép trước khi hàn mà là một phần của quá trình kiểm soát nguy cơ nứt nguội.

Nhiệt nung trước cũng không phải một giá trị cố định. Ngưỡng áp dụng phụ thuộc ít nhất vào:

chiều dày vật liệu
thành phần thép, trong đó có hàm lượng cacbon tương đương
lượng hydro liên quan đến vật liệu hàn và độ ẩm

Do đó, giá trị nung trước cần được xác định theo đúng mác, chiều dày và vật liệu hàn đang sử dụng.

3. Giảm hydro trước khi bắt đầu hàn

Một số thao tác chuẩn bị có ảnh hưởng trực tiếp đến lượng hydro có thể đi vào vùng hàn.

Công việc	Mục đích
Sấy vật liệu hàn theo hướng dẫn áp dụng	Hạn chế hydro từ vật liệu hàn bị ẩm
Làm sạch gỉ, dầu, sơn và ẩm trên bề mặt	Hạn chế tạp chất và nguồn hydro tại vùng liên kết
Mài lớp màng sau cắt nhiệt, dày khoảng 0,2 mm	Loại bỏ lớp oxit và nitrit trên mép chuẩn bị hàn
Che gió và mưa khi hàn tại hiện trường	Hạn chế độ ẩm tác động vào vùng hàn

Lớp màng sau cắt nhiệt dễ bị bỏ qua vì mép vừa cắt có thể nhìn vẫn sạch. Tuy nhiên, lớp màng này nằm ngay trên bề mặt chuẩn bị được liên kết.

Với sơn lót, cách xử lý phụ thuộc vào loại sơn và hướng dẫn kỹ thuật áp dụng. Có loại sơn lót hàm lượng kẽm thấp có thể hàn theo điều kiện được nhà sản xuất cho phép, trong khi loại khác cần được xử lý trước.

Biên bản hàn vì vậy cần ghi rõ:

loại sơn lót đang có trên bề mặt
trạng thái xử lý mép trước khi hàn

4. Nung trước và nhiệt độ trong quá trình hàn cần được theo dõi

Nhiệt không chỉ cần được kiểm tra trước khi mồi hồ quang. Trong quá trình hàn, nhiệt độ của vật liệu tiếp tục thay đổi và cần được theo dõi.

Nội dung cần kiểm soát	Yêu cầu
Dụng cụ	Nhiệt kế tiếp xúc, không chỉ dựa vào phấn nhiệt
Thời điểm đo	Trước khi mồi hồ quang và trong quá trình hàn
Ngưỡng áp dụng	Theo bảng của đúng mác vật liệu
Trạng thái phù hợp	Nhiệt tại các vị trí cần đo đạt yêu cầu trong quá trình thực hiện
Sau thời gian gián đoạn	Nếu nhiệt giảm dưới ngưỡng, gia nhiệt lại trước khi tiếp tục

Nếu nhiệt độ đã giảm xuống dưới mức yêu cầu sau một khoảng dừng, vật liệu cần được đưa trở lại điều kiện phù hợp trước khi tiếp tục hàn.

Điểm quan trọng là quá trình kiểm soát nhiệt diễn ra xuyên suốt công việc, thay vì chỉ đo một lần trước khi bắt đầu.

5. Bảng nung trước chỉ có giá trị trong đúng điều kiện áp dụng

Một bảng nung trước không chỉ có các con số nhiệt độ. Các giá trị trong bảng luôn đi cùng điều kiện áp dụng.

Hai điều kiện cần chú ý trong tài liệu đang sử dụng gồm:

Điều kiện	Ngưỡng trong tài liệu	Khi điều kiện thay đổi
Hàm lượng hydro của vật liệu hàn	Tối đa 5 ml/100 g	Ngưỡng nung trước trong bảng có thể không còn phù hợp
Nhiệt lượng đầu vào	Tối thiểu 1,7 kJ/mm	Tốc độ nguội có thể khác với điều kiện mà bảng được xây dựng

Điều này giải thích vì sao hai xưởng cùng sử dụng một bảng và cùng nung tới một mức nhiệt vẫn có thể cho kết quả khác nhau.

Nếu vật liệu hàn có hàm lượng hydro khác hoặc nhiệt lượng đầu vào nằm ngoài điều kiện của bảng, quá trình hàn thực tế đã không còn tương ứng với điều kiện được dùng để xác định giá trị nung trước.

Biên bản hàn vì vậy cần giữ được ít nhất:

mác thép và chiều dày
nhiệt nung trước thực tế
loại vật liệu hàn
hàm lượng hydro của vật liệu hàn theo tài liệu áp dụng

6. Nhiệt lớp có giới hạn tối đa

Nung trước có mức tối thiểu theo điều kiện áp dụng. Nhiệt lớp giữa các lượt hàn còn có giới hạn tối đa cần được kiểm soát.

Nhóm	Trần nhiệt lớp được nêu trong tài liệu
Dòng chống mài mòn thông dụng	Khoảng 225 °C
Dòng dai, sử dụng cho tấm dày	Khoảng 300 °C
Dòng cứng nhất, hàn bằng vật liệu không gỉ	Có thể xuống tới 100 °C

Các giá trị trên là những mức được nêu trong tài liệu đang sử dụng, không phải một bảng áp dụng chung cho mọi mác.

Khi hàn thực tế, nhiệt lớp vẫn phải được tra theo đúng vật liệu và chiều dày.

Nếu nhiệt lớp vượt giới hạn, vật liệu có thể tiếp tục bị ram trong quá trình hàn và làm thay đổi độ cứng đã được tạo ra trước đó.

Vì vậy, hàn liên tục nhiều đường mà không theo dõi nhiệt không mặc nhiên tốt hơn việc tổ chức khoảng nghỉ phù hợp.

Với một số dòng cứng, phạm vi nhiệt còn hẹp hơn: vật liệu vừa phải đạt nhiệt nung trước cần thiết, vừa không được vượt giới hạn nhiệt lớp. Nhiệt độ khi đó phải được theo dõi trong suốt quá trình hàn.

7. Điểm bắt đầu và kết thúc đường hàn cần được bố trí phù hợp

Điểm bắt đầu và điểm kết thúc là hai vị trí cần được chú ý khi thiết kế đường hàn.

Đường hàn nên bắt đầu và kết thúc cách vùng chịu ứng suất cao một khoảng phù hợp. Khoảng cách cụ thể cần được xác định theo chi tiết và tài liệu của vật liệu đang sử dụng.

Hai đầu đường hàn không nên được bố trí tùy ý ngay tại vùng chịu ứng suất cao.

Các vị trí này cũng cần được chú ý riêng khi kiểm tra chất lượng sau hàn.

8. Lựa chọn kim loại đắp cần phù hợp với vai trò của mối hàn

Với thép chống mài mòn, vật liệu hàn có cường độ càng cao chưa chắc càng phù hợp.

Trong nhiều trường hợp, kim loại đắp có cường độ thấp hơn thép nền được lựa chọn có chủ ý. Khả năng biến dạng của mối hàn giúp phân bố ứng suất thay vì tập trung toàn bộ ứng suất sang vùng cạnh mối.

Nguyên tắc này không được áp dụng trực tiếp cho thép kết cấu cường độ cao.

Với thép kết cấu chịu lực, mối hàn tham gia chịu tải và yêu cầu lựa chọn cấp vật liệu hàn khác. Vì vậy, quy tắc của hai nhóm thép không được dùng thay cho nhau.

Nhóm vật liệu hàn thường dùng	Phạm vi được đề cập
Que và dây thép cacbon tiêu chuẩn, cường độ vừa	Nhiều trường hợp hàn thép chống mài mòn trong phạm vi tài liệu
Vật liệu hàn không gỉ	Một số mác cứng và mác có giới hạn nhiệt lớp thấp

Số hiệu vật liệu hàn theo tiêu chuẩn tương ứng cần được tra theo đúng mác thép đang hàn.

Vật liệu hàn cũng nên được xác định cùng thời điểm với vật liệu nền thay vì đợi thép về xưởng mới lựa chọn. Yêu cầu khác nhau giữa các mác có thể ảnh hưởng trực tiếp đến mua sắm và tiến độ gia công.

9. Hai thao tác không được tự thực hiện sau khi hàn

Thao tác	Rủi ro cần chú ý
Xử lý nhiệt sau hàn đối với phần lớn thép chống mài mòn	Có thể tiếp tục ram vật liệu và làm thay đổi độ cứng
Gia nhiệt toàn bộ chi tiết đã hàn	Có thể làm thay đổi cơ tính của vật liệu

Một số dòng vật liệu có ngoại lệ riêng, nhưng ngoại lệ phải được tra theo đúng tài liệu của mác.

Vì vậy, xử lý nhiệt sau hàn không được tự thực hiện khi chưa có căn cứ kỹ thuật áp dụng cho chính vật liệu đang sử dụng.

10. Hồ sơ thợ hàn là một phần của kiểm soát chất lượng

Kiểm soát chất lượng hàn không bắt đầu sau khi đường hàn đã hoàn thành.

Trước khi giao việc, năng lực và tư cách của thợ hàn cần được kiểm tra kỹ lưỡng về tính hiệu lực.

Việc xác nhận này phải dựa trên hồ sơ chứng chỉ phù hợp với hạng mục công việc thực tế, thay vì chỉ dựa vào kinh nghiệm được kể lại hay chờ đến khi xảy ra sự cố mới đem ra rà soát.

11. Hình thức mối hàn chưa đủ để kết luận chất lượng liên kết

Với thép độ cứng cao, vùng cần chú ý không chỉ nằm trên chính đường hàn.

Vùng ngay cạnh mối hàn chịu tác động của chu trình nhiệt. Tốc độ nung nóng, tốc độ nguội và nhiệt lượng đầu vào đều ảnh hưởng đến trạng thái của khu vực này.

Do đó, một đường hàn nhìn đều và đẹp chưa đủ để kết luận toàn bộ liên kết đã phù hợp.

Khi kiểm tra, cần chú ý ba vùng:

chân mối tại khu vực chịu tải động
vị trí giao nhau giữa hai đường hàn
điểm bắt đầu và kết thúc của từng đường hàn

Dấu hiệu đặc biệt cần chú ý là vết nứt xuất hiện dọc cạnh mối hàn.

Nếu xuất hiện vết nứt, cần giữ nguyên dấu vết để đánh giá điều kiện nhiệt, vật liệu hàn và quy trình đã thực hiện. Mài xóa vết nứt trước khi đánh giá đồng nghĩa với loại bỏ một phần dữ liệu dùng để truy nguyên.

Ba dấu hiệu cần báo lại thay vì tự xử lý tại chỗ gồm:

Dấu hiệu	Nội dung cần xem lại
Nứt dọc cạnh mối hàn	Điều kiện nguội và quá trình kiểm soát nhiệt
Rỗ khí phân bố theo đường hàn	Nguồn hydro và công tác chuẩn bị bề mặt
Nứt tại điểm kết thúc đường hàn	Vị trí bố trí đầu cuối đường hàn

Nứt cạnh mối hàn vì vậy không nên được quy ngay cho tay nghề của thợ chỉ từ hình thức quan sát được.

12. Ba dấu hiệu cho thấy một lô gia công chưa nên chuyển sang khâu tiếp theo

Ngoài tình trạng của bản thân mối hàn, hồ sơ của lô gia công cũng cần đủ để tiếp tục truy xuất.

Một lô chưa nên chuyển sang bước tiếp theo khi:

Chưa có biên bản kiểm tra đạt hoặc không đạt cho các bước cần kiểm soát.
Chưa có hình ảnh mép cắt và mối hàn theo yêu cầu kiểm tra.
Chưa ghi số nhận dạng vật liệu đã sử dụng vào hồ sơ.

Số nhận dạng vật liệu đặc biệt quan trọng vì đây là liên kết giữa chi tiết sau gia công với vật liệu đầu vào.

Khi liên kết này bị mất, việc truy ngược mác vật liệu, tài liệu áp dụng và điều kiện gia công sẽ trở nên khó khăn hơn.

13. Phân công bộ phận trong quá trình hàn

Mỗi công đoạn cần xác định rõ bộ phận phụ trách để các quyết định kỹ thuật không được thực hiện tùy ý tại vị trí thao tác.

Công việc	Bộ phận thực hiện/phụ trách
Sấy vật liệu hàn, làm sạch bề mặt, che gió và mưa	Thợ hàn
Đo nhiệt nung trước và nhiệt lớp	Thợ hàn, ghi lại kết quả theo yêu cầu
Lựa chọn loại và cấp vật liệu hàn	Bộ phận kỹ thuật
Xác định vị trí bắt đầu và kết thúc đường hàn	Kỹ sư thiết kế mối
Kiểm tra hồ sơ tư cách thợ hàn	Quản đốc xưởng
Xác định phương án xử lý khi phát hiện nứt cạnh mối	Bộ phận kỹ thuật

Việc phân công này giúp tránh trường hợp những quyết định như lựa chọn vật liệu hàn hoặc xử lý vết nứt được thực hiện ngay tại xưởng khi chưa có đủ căn cứ kỹ thuật.

Đặc biệt, người trực tiếp thao tác không nên tự mài xóa vết nứt trước khi bộ phận kỹ thuật đánh giá nguyên nhân.

14. Phạm vi áp dụng và nguồn tham chiếu

Phần này có bốn lưu ý mà bạn cần đọc kỹ:

Một, ngưỡng nung trước, khoảng cách bố trí đường hàn và giới hạn của kim loại đắp thay đổi theo từng mác. Các giá trị cụ thể phải được tra trong tài liệu kỹ thuật áp dụng cho vật liệu đang hàn.

Hai, dữ liệu hiện có chưa đủ để xác định hoặc xếp hạng ba lỗi hàn phổ biến nhất ngoài hiện trường. Vì vậy, các dấu hiệu trong bài được sử dụng để định hướng kiểm tra, không phải bảng xếp hạng lỗi thường gặp.

Ba, ngoại lệ cho phép xử lý nhiệt sau hàn phải được tra theo đúng mác. Ngoại lệ của một dòng vật liệu không được sử dụng như quy tắc chung cho nhóm khác.

Bốn, nội dung này không thay thế quy trình hàn đã được phê duyệt.

EN 1011-2 được sử dụng cho nội dung kiểm soát nung trước và nhiệt lớp. EN ISO 3834-2 được sử dụng cho yêu cầu chất lượng hàn.

Các điều kiện áp dụng của bảng nung trước, giới hạn hydro, nhiệt lượng đầu vào và khuyến nghị lựa chọn vật liệu hàn được lấy từ tài liệu gia công thép Hardox của SSAB.

Mô hình ba điều kiện của nứt nguội thuộc nguyên lý luyện kim hàn. Các thao tác giảm hydro, cách tập trung kiểm tra tại các vùng của mối hàn và cách tổ chức trách nhiệm tại xưởng được sử dụng từ kinh nghiệm thực tế trong quá trình gia công.