Mọi mối hàn đều co lại khi nguội, nên biến dạng hàn không tránh được hoàn toàn; việc của xưởng là dự đoán nó, khống chế nó trong dung sai và chỉ nắn khi thật cần. Một cây dầm cụp cánh, một khung bị vặn, một tấm sàn lượn sóng thường là kết quả của trình tự hàn tuỳ hứng và lượng kim loại đắp thừa, hơn là do thép kém.
Bài này giải thích cơ chế co ngót, các kiểu biến dạng hay gặp ở xưởng kết cấu, các biện pháp khống chế từ khâu thiết kế mối hàn đến gá kẹp và trình tự, cách nắn và giới hạn của việc nắn. Phần cuối có cách dùng chatbot để soạn trình tự hàn nháp cho một cấu kiện, kèm các bước kiểm mà người có kinh nghiệm phải làm.
Vì sao kim loại co khi hàn
Khi hàn, một dải kim loại hẹp bị nung tới nóng chảy trong khi phần xung quanh vẫn tương đối nguội. Dải nóng muốn giãn ra nhưng bị phần nguội xung quanh giữ lại, nên nó bị nén và biến dạng dẻo ngay lúc nóng. Khi nguội, dải này co lại theo kích thước nhỏ hơn ban đầu, và phần kim loại xung quanh bị kéo theo. Kết quả là chi tiết ngắn lại, cong, xoay hoặc vặn, đồng thời bên trong còn lại ứng suất dư.
Lượng co phụ thuộc chủ yếu vào lượng nhiệt đưa vào và lượng kim loại đắp. Mối hàn to, nhiều lớp, hàn chậm thì co nhiều. Vị trí mối hàn so với trục trung hoà của tiết diện quyết định chi tiết sẽ cong về phía nào: mối hàn nằm lệch về một phía thì chi tiết cong về phía đó khi nguội.
Độ cứng vững của kết cấu cũng có vai trò. Chi tiết được gông giữ chặt thì biến dạng ít hơn nhưng ứng suất dư lớn hơn, và nếu quá mức có thể gây nứt. Vì vậy khống chế biến dạng luôn là chuyện cân bằng, không phải cứ kẹp thật chặt là xong.
Hiểu cơ chế này giúp bạn đọc được nguyên nhân từ hình dạng biến dạng. Dầm cong lên trên nghĩa là phía trên co nhiều hơn phía dưới; tấm mỏng lượn sóng nghĩa là co dọc mối hàn làm vùng giữa tấm mất ổn định.
Các kiểu biến dạng hay gặp ở xưởng kết cấu
Mỗi kiểu biến dạng có dấu hiệu và nguyên nhân chính riêng. Bảng dưới giúp nhận diện nhanh khi kiểm cấu kiện sau hàn.
| Kiểu biến dạng | Dấu hiệu | Nguyên nhân chính |
|---|---|---|
| Co ngang | Hai tấm giáp mối bị kéo sát lại, tổng chiều rộng hụt | Kim loại đắp co theo phương vuông góc đường hàn |
| Co dọc | Cấu kiện ngắn hơn bản vẽ | Co theo chiều dài mối hàn, rõ ở mối dài |
| Biến dạng góc | Tấm giáp mối gập thành chữ V nông, cánh dầm chữ I bị cụp | Kim loại đắp phía trên rãnh nhiều hơn phía dưới |
| Cong dọc | Dầm, cột võng hoặc vồng theo chiều dài | Mối hàn lệch so với trục trung hoà của tiết diện |
| Lượn sóng, phồng tấm | Tấm mỏng gợn sóng giữa các gân | Co dọc làm tấm mỏng mất ổn định |
| Xoắn | Khung, hộp bị vặn, bốn góc không cùng mặt phẳng | Trình tự hàn không đối xứng, gá không đủ cứng |
Trên một cấu kiện thật, các kiểu này thường xuất hiện cùng lúc. Một dầm chữ I tổ hợp có thể vừa cụp cánh, vừa cong dọc nhẹ, vừa ngắn đi so với bản vẽ. Kiểm theo từng kiểu giúp tìm đúng biện pháp cho lần sau.
Khống chế từ khâu thiết kế mối hàn
Không hàn thừa. Mối hàn góc to hơn yêu cầu bản vẽ một chút đã làm lượng kim loại đắp tăng rõ, kéo theo co ngót tăng. Thợ hay hàn to cho chắc, nhưng to hơn không có nghĩa là bền hơn mà chỉ vênh hơn.
Chọn kiểu mép hợp lý. Mép vát chữ X hàn luân phiên hai phía cân bằng biến dạng góc tốt hơn chữ V một phía với cùng chiều dày. Đổi kiểu mép phải được người thiết kế đồng ý.
Ít lớp hàn hơn khi có thể. Ít lớp với năng suất đắp hợp lý thường cho biến dạng góc nhỏ hơn nhiều lớp mỏng, tuỳ phương pháp và chiều dày; điều này cần thử để biết với xưởng mình.
Đặt mối hàn cân đối quanh trục trung hoà. Mối hàn bố trí đối xứng hai phía tiết diện thì lực co triệt tiêu nhau. Đây là việc của người thiết kế cấu kiện; xưởng có thể góp ý nếu thấy bố trí bất lợi cho gia công.
Hàn gián đoạn nếu bản vẽ cho phép. Mối hàn góc gián đoạn đưa ít nhiệt hơn mối liên tục. Chỉ dùng khi bản vẽ ghi rõ, vì mối gián đoạn có giới hạn về chịu lực và chống ăn mòn ở khe hở.
Khống chế khi gá và hàn: trình tự thực hành
Phần lớn biến dạng được quyết định ở xưởng, trong tay tổ gá và thợ hàn. Trình tự dưới đây áp dụng cho nhiều loại cấu kiện; với cấu kiện cụ thể, thử trên một chiếc đầu tiên rồi chỉnh.
- Gá đúng và đủ cứng. Dùng bàn gá, kẹp, thanh giằng tạm để giữ hình học, nhất là với khung và hộp.
- Đặt biến dạng ngược. Khi đã biết chi tiết sẽ cụp hay cong bao nhiêu, gá lệch trước một lượng ngược chiều để sau hàn nó tự về gần đúng. Lượng ngược lấy từ kinh nghiệm đo trên cấu kiện trước, không đoán.
- Hàn đối xứng. Hai mối hàn đối xứng quanh trục thì hàn luân phiên, hoặc hai thợ hàn cùng lúc hai bên với cùng chế độ.
- Hàn từ giữa ra. Với mối dài, bắt đầu từ giữa và đi ra hai đầu để co ngót không dồn về một đầu.
- Hàn bước lùi hoặc nhảy cóc. Chia đường hàn thành đoạn ngắn, mỗi đoạn hàn ngược với hướng tiến chung, hoặc hàn cách đoạn rồi quay lại lấp.
- Lật cấu kiện hàn hai phía luân phiên. Với mép chữ X hay dầm tổ hợp, hàn một ít mặt này, lật, hàn mặt kia, thay vì hàn xong hẳn một mặt.
- Đo sau mỗi giai đoạn. Căng dây, dùng thước và ni-vô đo cong, cụp, xoắn sau từng nhóm mối hàn để kịp đổi trình tự.
Giữ cấu kiện trong đồ gá tới khi nguội hẳn cũng giúp giảm biến dạng, nhưng sau khi tháo gá chi tiết vẫn có thể bật lại một phần. Ghi lượng bật lại vào sổ để lần sau tính biến dạng ngược chính xác hơn.
Nắn sau hàn: cơ học, nhiệt và giới hạn
Khi biến dạng vượt dung sai, xưởng phải nắn. Nắn cơ học dùng máy ép, kích, máy nắn cánh dầm chuyên dụng để uốn ngược phần bị cong. Cách này nhanh nếu có thiết bị, nhưng với chi tiết dày cần lực lớn và có thể để lại vết trên bề mặt. Nắn bằng búa trên chi tiết lớn vừa kém hiệu quả vừa dễ gây vết lõm và rạn bề mặt.
Nắn nhiệt dùng ngọn lửa nung cục bộ những vùng chọn trước, thường theo hình nêm hoặc dải, để khi nguội vùng đó co lại kéo chi tiết về hình dạng mong muốn. Nó lợi dụng chính cơ chế gây biến dạng hàn, nên làm đúng thì rất hiệu quả, làm sai thì làm chi tiết vênh thêm. Đây là kỹ năng của thợ có kinh nghiệm, cần biết vị trí nung, kích thước vùng nung và nhiệt độ giới hạn với từng loại thép.
Giới hạn nhiệt độ khi nắn nhiệt rất quan trọng với thép cường độ cao, thép đã qua nhiệt luyện hoặc thép chế tạo bằng phương pháp cán có kiểm soát, vì quá nhiệt có thể làm giảm cơ tính. Nhiệt độ cho phép phải lấy theo tiêu chuẩn dự án, chứng chỉ vật liệu hoặc khuyến nghị nhà sản xuất thép, đo bằng bút chỉ thị nhiệt hoặc nhiệt kế, không đoán theo màu đỏ của thép.
Không dội nước làm nguội nhanh sau nắn nhiệt nếu quy trình không cho phép. Và nhớ rằng mỗi lần nắn là thêm tiền, thêm thời gian; một xưởng nắn nhiều là dấu hiệu cần xem lại trình tự hàn và biến dạng ngược.
Đo và ghi biến dạng để lần sau làm đúng hơn
Xưởng làm tốt chuyện biến dạng thường không có bí quyết gì đặc biệt, họ chỉ đo và ghi đều đặn. Một bảng ghi đơn giản như dưới đây, điền cho mỗi cấu kiện cùng loại, sau vài lần sẽ cho bạn lượng biến dạng ngược và trình tự đáng tin hơn mọi công thức. Số trong bảng là ví dụ giả định để thấy cách ghi.
| Hạng mục đo | Trước hàn | Sau hàn, còn trong gá | Sau tháo gá | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|
| Cụp cánh trên, đo ở mép | Đặt ngược 3 mm | Còn ngược 1 mm | Gần phẳng | Giữ lượng ngược này cho lần sau |
| Cong dọc theo chiều dài | 0 | Vồng 4 mm | Vồng 6 mm | Bật lại sau tháo gá, xem lại thứ tự hàn hai bên |
| Chiều dài tổng | Đúng bản vẽ cộng phần bù | Ngắn 2 mm | Ngắn 2 mm | Phần bù co dọc vừa đủ |
| Xoắn, đo bốn góc | 0 | 0 | 2 mm | Kiểm lại độ phẳng bàn gá |
Ghi kèm tên thợ, phương pháp hàn, số lớp, thời tiết hôm đó nếu xưởng hở. Khi có đủ vài chục dòng, bạn có thể đưa bảng đã bỏ thông tin dự án vào chatbot và nhờ nó tìm quy luật: biến dạng tăng khi nào, thợ nào hay để vồng hơn. Đây là kiểu việc AI làm tốt, vì dữ liệu là của chính bạn, không phải thứ nó tự nghĩ ra.
Dùng chatbot soạn trình tự hàn nháp cho một cấu kiện
Chatbot có thể giúp soạn trình tự hàn nháp nếu bạn mô tả cấu kiện bằng lời rõ ràng. Câu lệnh mẫu: "Cấu kiện là dầm chữ I hàn tổ hợp từ ba tấm thép, hai bản cánh và một bản bụng, dài khoảng mười mét, mối hàn góc liên tục hai bên bản bụng. Hãy đề xuất trình tự gá và hàn để giảm cụp cánh và cong dọc, giải thích lý do từng bước, không đưa thông số dòng hàn và kích thước mối hàn."
Câu trả lời thường đúng hướng ở mức nguyên lý: hàn đối xứng, luân phiên hai bên, từ giữa ra, đặt biến dạng ngược cho bản cánh. Việc của bạn là đối chiếu với điều kiện xưởng: có lật được dầm không, có mấy thợ, có máy nắn cánh không. AI không biết những điều đó nếu bạn không nói, và nó cũng không đo được dầm thật.
Đừng hỏi AI lượng biến dạng ngược cụ thể bao nhiêu mi-li-mét rồi dùng luôn. Có công thức kinh nghiệm để ước lượng co ngót trong tài liệu kỹ thuật, nhưng con số đáng tin nhất là số bạn đo trên chính cấu kiện đầu tiên của xưởng mình. Hãy nhờ AI lập bảng ghi số đo trước và sau hàn cho từng cấu kiện, rồi tự rút ra lượng ngược cần đặt.
Bản vẽ cấu kiện của khách thường có tên dự án và thông tin kỹ thuật thuộc quyền khách. Mô tả lại bằng lời hoặc bỏ khung tên trước khi đưa vào bất kỳ chatbot nào, và không dán hồ sơ dự án có điều khoản bảo mật.
Câu hỏi thường gặp
Có cách nào hàn mà không bị biến dạng không?
Không. Mọi mối hàn đều co khi nguội, chỉ có thể giảm và đưa biến dạng về trong dung sai. Các biện pháp chính là không hàn thừa, gá cứng, đặt biến dạng ngược, hàn đối xứng và theo trình tự hợp lý, rồi đo để điều chỉnh.
Kẹp thật chặt có hết vênh không?
Kẹp chặt giảm biến dạng nhưng làm tăng ứng suất dư. Khi tháo gá chi tiết vẫn có thể bật lại một phần, và với thép dày, mối hàn bị gông quá cứng có nguy cơ nứt. Cần cân bằng giữa gá cứng và trình tự hàn.
Nắn nhiệt bằng ngọn lửa có làm yếu thép không?
Với thép các-bon thông thường, nắn nhiệt đúng cách trong giới hạn nhiệt độ cho phép thường được chấp nhận. Với thép cường độ cao hoặc đã nhiệt luyện, quá nhiệt có thể giảm cơ tính. Nhiệt độ giới hạn theo tiêu chuẩn dự án và tài liệu vật liệu, do thợ có kinh nghiệm thực hiện.
Vì sao dầm chữ I tổ hợp hay bị cụp cánh?
Mối hàn góc giữa bản bụng và bản cánh nằm ở một phía của bản cánh, khi nguội nó kéo hai mép cánh gập về phía mối hàn. Đặt biến dạng ngược cho bản cánh, hàn đối xứng hai bên bụng và dùng máy nắn cánh là cách xử lý phổ biến.
Chatbot có tính được độ co ngót cho cấu kiện của mình không?
Chatbot có thể nêu công thức ước lượng trong tài liệu, nhưng kết quả phụ thuộc nhiều yếu tố mà nó không biết như trình tự thực tế, độ cứng gá, thợ. Dùng để hình dung, còn lượng biến dạng ngược thì lấy từ số đo trên cấu kiện thật của xưởng.
Tấm sàn thép mỏng bị lượn sóng sau khi hàn gân có sửa được không?
Có thể nắn bằng nhiệt điểm hoặc cơ học bởi thợ có kinh nghiệm, nhưng khó và tốn công. Lần sau nên giảm kích thước và chiều dài mối hàn theo bản vẽ cho phép, hàn nhảy đoạn, gá tấm phẳng chắc và dùng khối tản nhiệt.