Kiểm soát biến dạng và nghiệm thu chỉnh thẳng đối với các thanh tiết diện chữ H hàn trong kho thép

Giới thiệu

1. Biến dạng hàn không phải là vấn đề về hình thức, mà là vấn đề về độ chính xác của bề mặt tiếp xúc

Trong quá trình chế tạo nhà kho bằng thép, các cột tiết diện chữ H được hàn, dầm cầu trục và các vì kèo khung cổng thuôn dần tạo thành các bề mặt tiếp xúc liên tục với các bản mã đầu, các nhóm lỗ bu-lông cường độ cao, các thanh chống xà gồ, các bản chân đế, các gối đỡ dầm cầu trục và các cấu kiện bao che thứ cấp. Một vài milimét độ cong vênh có thể không dễ nhận thấy khi kiểm tra từng cấu kiện riêng lẻ, nhưng sau khi tích lũy qua nhiều nhịp, hiện tượng này có thể biểu hiện dưới dạng sai lệch lưới cột, đường nóc không đều hoặc lỗ xà gồ không thẳng hàng. Đối với các nhà kho được trang bị cầu trục, độ võng, xoắn và sai số cao độ đầu mút của dầm cầu trục cũng có thể làm giảm phạm vi điều chỉnh sẵn có cho việc căn chỉnh ray.

Do đó, mục tiêu của việc kiểm soát biến dạng không phải là làm cho mọi cấu kiện trở nên "hoàn toàn thẳng", mà là thiết lập các giới hạn rõ ràng giữa dung sai gia công, độ cong được quy định và khả năng điều chỉnh khi lắp dựng. ISO 13920:2023 cung cấp một khung dung sai chung cho các kích thước tuyến tính, góc, hình dạng và vị trí trong các kết cấu hàn, đồng thời nhấn mạnh rằng lớp dung sai cần được lựa chọn dựa trên chức năng của cấu kiện; các kích thước được ghi cụ thể riêng lẻ trên bản vẽ có ưu tiên cao hơn. ^[2]ANSI/AISC 303-22, từ góc nhìn về thực hành tiêu chuẩn đối với nhà thép và cầu thép, xác định các giới hạn độ chính xác chấp nhận được chung cho công tác thi công, gia công và lắp dựng. ^[6]Các tài liệu này phục vụ những mục đích khác nhau: một tài liệu hỗ trợ xác định dung sai gia công hàn, trong khi tài liệu còn lại giúp các bên thiết lập kỳ vọng hợp đồng và kỳ vọng về giao diện lắp dựng. Hai tài liệu này không thể thay thế lẫn nhau.

2. Xác định chế độ biến dạng trước khi tập trung vào biến số quy trình thực tế

Các kiểu biến dạng điển hình trong các tiết diện chữ H hàn bao gồm co dọc, co ngang, biến dạng góc bản cánh, cong vênh tổng thể hoặc xoắn, và nhăn cục bộ trên các bản bụng mỏng. Co dọc gây ra những thay đổi tích lũy về chiều dài thanh, khoảng cách giữa các bản đầu, và các chuẩn nhóm lỗ; co ngang chủ yếu ảnh hưởng đến kích thước bề rộng bản cánh và vị trí bản bụng; biến dạng góc phát sinh do gradient nhiệt độ theo chiều dày tại vùng hàn; cong hoặc xoắn tổng thể thường cho thấy sự bất đối xứng trong lượng nhiệt đưa vào, thời điểm hàn, hoặc điều kiện gối đỡ ở hai phía của thanh.

Ngay cả cùng một hiện tượng — ‘quét’ — cũng có thể bắt nguồn từ những nguyên nhân rất khác nhau. Nếu chi tiết bị lệch ngay sau khi hàn dài ở mặt đầu tiên hoàn tất và chỉ phục hồi một phần sau khi lật ngược và hàn mặt đối diện, nguyên nhân chủ yếu thường là trình tự hàn không cân bằng. Nếu kích thước đạt yêu cầu khi kết thúc quá trình hàn nhưng độ cong đáng kể chỉ xuất hiện sau khi tháo các kẹp nặng, điều đó cho thấy lực kẹp đã tạm thời cố định biến dạng co ngót và ứng suất dư được phân bố lại sau khi tháo kẹp. Nếu hiện tượng gợn sóng trên bản bụng chỉ xảy ra giữa các sườn gia cường, cần kiểm tra độ dày bản bụng, trình tự hàn sườn gia cường và lượng nhiệt cục bộ đưa vào quá mức — thay vì đơn giản tăng độ vồng ngược cho toàn bộ chi tiết.

Các hồ sơ gia công cần lưu giữ không chỉ độ lệch số học mà còn cả hướng của độ lệch, thao tác sau khi độ lệch xuất hiện, nhiệt độ đo và trạng thái đồ gá. Chỉ với thông tin này, lô sản xuất tiếp theo mới có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh trình tự hàn hoặc giá trị cài đặt trước, thay vì liên tục phụ thuộc vào việc nắn thẳng thủ công.

3. Bước đầu tiên trong kiểm soát trước hàn là thiết lập các chuẩn đo ổn định

Việc kiểm soát biến dạng bắt đầu từ công tác lắp ráp, chứ không phải từ việc đánh hồ quang. Đường tâm của bản bụng, các mép bản cánh, các mặt chuẩn của bản nối đầu và tâm của từng nhóm lỗ đều phải được liên hệ với một hệ thống chuẩn chế tạo chung. Nếu giá lắp ráp không cân bằng, chiều cao các điểm đỡ không đồng nhất hoặc vị trí các điểm đỡ thay đổi sau khi cấu kiện được lật, thì độ cong dọc và xoắn đo được sẽ bao gồm sai số do điểm đỡ gây ra. Đối với các cấu kiện dài, cần xác định ba hệ thống chuẩn: các chuẩn ở hai đầu để xác định chiều dài và vị trí lỗ; đường tâm bản bụng và các mép bản cánh để đảm bảo độ vuông góc của tiết diện; cũng như các điểm đỡ đã quy định cộng thêm một đường dây căng hoặc đường chuẩn laser để kiểm soát độ thẳng tổng thể.

Trong quá trình lắp ráp, đồng thời xác nhận tiếp xúc giữa bản bụng và bản cánh, khe hở ở phần đáy mối hàn, vị trí các mối hàn tạm và trình tự lắp đặt các tấm gia cường. Sự chênh lệch lớn về khe hở dọc theo chiều dài làm thay đổi thể tích kim loại hàn thực tế được lắng đọng và cuối cùng gây ra hiện tượng co ngót không đều. Các mối hàn tạm không chỉ đơn thuần là những điểm “giữ tạm thời”; chiều dài, khoảng cách và chất lượng của chúng phải đảm bảo độ chính xác khi lắp ráp và không để lại vết nứt, thiếu liên kết hay bề mặt bất thường sẽ bị che phủ bởi mối hàn sản xuất. Tiêu chuẩn AWS D1.1/D1.1M:2025-AMD1 quy định các yêu cầu cơ bản đối với việc chế tạo kết cấu thép bằng hàn, kiểm định quy trình hàn và kiểm tra, đồng thời có thể làm cơ sở chủ yếu cho tài liệu kiểm soát hàn của dự án. ^[1]

Đối với các thành viên sản xuất lặp lại, có thể thiết lập giá trị đặt trước nhỏ về độ cong ngược hoặc dung sai chiều dài dựa trên dữ liệu từ mẫu đầu tiên; tuy nhiên, giá trị này phải được suy ra từ xu hướng đo được đối với cùng một phần, cấu hình mối hàn và dụng cụ. Việc áp dụng trực tiếp một giá trị kinh nghiệm từ một dự án này sang các độ dày tấm khác nhau, chi tiết rãnh khác nhau hoặc thiết bị hàn khác nhau thường dẫn đến hiệu chỉnh quá mức. Mục đích của việc đặt trước là bù trừ sự co ngót có thể dự đoán được, chứ không nhằm tạo ra chủ ý một điều kiện lệch tiêu chuẩn khác ngay từ đầu.

4. Giá trị của trình tự hàn nằm ở việc phân bố lại nhiệt lượng, chứ không phải thêm các thao tác

Sự phân bố nhiệt nhập vào ở cả hai phía của mặt cắt ngang và dọc theo chiều dài thanh quyết định liệu hiện tượng co ngót có thể tự cân bằng hay không. Đối với các mối hàn góc hai mặt giữa bản bụng và bản cánh, các phương pháp phổ biến bao gồm: hàn đối xứng trái-phải, hàn luân phiên trên-dưới, hàn nhảy từng đoạn hoặc hàn tiến từ các vùng cứng hơn về phía các đầu tự do. Trình tự cụ thể phải được ghi rõ trong quy trình hàn hoặc hướng dẫn thi công và phải phù hợp với vị trí hàn, số lượng thiết bị cũng như phương pháp lật chi tiết; chỉ ghi chung chung “hàn đối xứng” trong kế hoạch kiểm tra là chưa đủ.

Đối với hàn dài, hàn liên tục từ đầu này đến đầu kia dễ dàng tổ chức, nhưng nó gây ra nhiệt dọc và co lại tích lũy dần dần. hàn bước lùi hoặc bỏ qua có thể thay đổi đường tích tụ, tuy nhiên chiều dài phân đoạn, chồng chéo và xử lý bắt đầu cung / dừng cung vẫn phải đảm bảo chất lượng hàn; giảm biến dạng không nên tạo ra thiếu nồng độ, hố hoặc gián đoạn. ISO 5817:2023 xác định các cấp chất lượng B, C và D cho các khiếm khuyết trong các khớp hàn hợp kim sáp, với B là nghiêm ngặt nhất; nó đánh giá khiếm khuyết hàn, không phải dung nạp hình học thành phần. ^[3]Sự phân biệt này là rất cần thiết: một hàn có thể đáp ứng mức chất lượng bất toàn trong khi các thành phần vẫn còn hình học ngoài dung lượng; ngược lại, một thành phần thẳng đến hình dạng chấp nhận được không tự động có chất lượng hàn bên trong chấp nhận được.

Việc kiểm soát lượng nhiệt đưa vào cũng đòi hỏi tính nhất quán, chứ không đơn thuần là giá trị thấp nhất có thể. Lượng nhiệt đưa vào quá mức sẽ làm mở rộng vùng kim loại bị nung nóng và làm tăng độ co ngót; trong khi lượng nhiệt đưa vào không đủ có thể gây ra hiện tượng hàn không đầy đủ hoặc ngắt hồ quang thường xuyên. Việc kiểm soát sản xuất cần duy trì trong giới hạn của Quy trình hàn được phê duyệt (WPS) và quản lý dòng điện, điện áp, tốc độ di chuyển, nhiệt độ giữa các lớp hàn và kích thước đường hàn. Các nhật ký thông số thiết bị hoặc kiểm tra tại hiện trường nên được sử dụng để phát hiện sự chênh lệch về lượng nhiệt đưa vào giữa hai phía.

5. Cả việc cố định chi tiết và việc đặt trước đều có hiệu quả, nhưng sử dụng quá mức có thể che giấu nguyên nhân gốc rễ

Các đồ gá, dầm ép và chốt chặn ngang có thể ngăn ngừa tình trạng mất ổn định hoặc chuyển động rõ rệt trong quá trình hàn, nhưng việc cố định co ngót hoàn toàn không loại bỏ được biến dạng. Việc kẹp chặt quá mức làm tăng ứng suất do kẹp chặt trong mối hàn và kim loại cơ bản, và hiện tượng đàn hồi ngược vẫn có thể xảy ra sau khi tháo các đồ gá. Với tấm dày, thép cường độ cao hoặc các mối nối bị kẹp chặt mạnh, cần đặc biệt lưu ý đến nứt lạnh và rách lớp. Mức kẹp chặt phù hợp nên cho phép co ngót dọc được kiểm soát, đồng thời ngăn ngừa hiện tượng lật mặt cắt, mất ổn định bản bụng và dịch chuyển không thể phục hồi trong quá trình hàn.

Việc thiết lập độ cong ngược phù hợp với các thành viên có hướng biến dạng ổn định và mô hình lô hàng rõ ràng. Ví dụ, nếu các dầm chữ H cùng tiết diện luôn cong về phía bên được hàn trước, có thể áp dụng một độ cong ngược nhỏ trong quá trình lắp ráp để sau khi hàn xong cả hai bên, thành viên sẽ tiến gần đến đường mục tiêu. Giá trị thiết lập cần được điều chỉnh dần dần dựa trên sản phẩm đầu tiên và một vài thành viên tiếp theo trong lô, đồng thời cần xác lập giới hạn trên. Nếu hướng biến dạng thay đổi ngẫu nhiên trong cùng một lô, nguyên nhân nhiều khả năng là do các điểm đỡ không nhất quán, khe hở lắp ghép, thao tác của thợ hàn hoặc thời điểm lật chi tiết; việc tăng giá trị thiết lập chỉ làm gia tăng mức độ sai lệch.

Đối với các dầm mái dạng cổng thuôn, không được chỉ đánh giá tại đường tâm của cấu kiện. Việc thay đổi chiều cao tiết diện làm thay đổi độ cứng và khả năng tản nhiệt dọc theo chiều dài; cùng một thông số hàn có thể gây biến dạng góc rõ rệt hơn ở đầu có tiết diện nhỏ và gây lực cản co dọc lớn hơn ở đầu có tiết diện lớn. Một phương pháp hiệu quả hơn là xác định trình tự hàn và bố trí hệ thống chống đỡ theo từng vùng tiết diện thay vì áp dụng một chu kỳ cố định dọc toàn bộ cấu kiện.

6. Ưu tiên dùng phương pháp nắn cơ học; việc nắn bằng ngọn lửa phải tuân theo quy trình đã được phê duyệt

Việc nắn thẳng chỉ nên được xem xét khi chi tiết vẫn nằm ngoài bản vẽ hoặc dung sai áp dụng sau khi làm nguội và tháo các thiết bị cố định tạm thời. Việc nắn thẳng cơ học sử dụng máy ép, máy nắn mép hoặc thiết bị chuyên dụng để tạo ra biến dạng ngược có kiểm soát. Do phương pháp này gây ra ít ảnh hưởng nhiệt hơn và dễ lặp lại hơn, nên thông thường đây là lựa chọn ưu tiên. Các điểm đặt tải và điểm tựa phải được kiểm soát cẩn thận nhằm tránh tạo ra hiện tượng mất ổn định cục bộ mới hoặc vết lõm trên bề mặt tại các nhóm lỗ, các vị trí cắt, chân mối hàn hoặc những chỗ thay đổi tiết diện đột ngột.

Uốn thẳng bằng ngọn lửa thay đổi hình học của chi tiết thông qua gia nhiệt cục bộ và co lại do làm nguội sau đó; các kiểu gia nhiệt phổ biến gồm gia nhiệt theo đường thẳng, theo tam giác và tại điểm cụ thể. Đây không phải là phương pháp tùy tiện ‘đun nóng thép đến đỏ rồi làm nguội nhanh’, mà là một quy trình kiểm soát chặt chẽ, đòi hỏi xác định loại vật liệu, thiết kế vùng gia nhiệt, giám sát nhiệt độ và phản hồi từ đo lường. Các giới hạn nhiệt độ, phương pháp làm nguội được phép và số lần gia nhiệt lặp lại phải được xác định dựa trên mác thép, trạng thái cung cấp, yêu cầu thiết kế và tiêu chuẩn áp dụng. Kinh nghiệm với thép cacbon thông thường không được áp dụng một cách thiếu chọn lọc cho thép tôi và ram, thép cán nhiệt cơ, hoặc các vật liệu nhạy cảm khác về tính chất. Việc ước lượng nhiệt độ bằng mắt dựa vào màu sắc không được thay thế cho đo nhiệt độ thực tế, và việc làm nguội nhanh chỉ được thực hiện khi có sự chấp thuận.

AWS D1.1 bao gồm các yêu cầu về uốn thẳng và xử lý nhiệt trong chế tạo kết cấu thép, ^[1]trong khi tiêu chuẩn ISO 3834-2:2021 yêu cầu các nhà sản xuất phải duy trì kiểm soát chất lượng toàn diện đối với nhân sự hàn, tài liệu quy trình, thiết bị, kiểm tra và xử lý các trường hợp không phù hợp. ^[4]Tối thiểu, quy trình nắn thẳng bằng ngọn lửa nội bộ phải xác định rõ mô hình gia nhiệt, hướng di chuyển, vị trí đo nhiệt độ, thiết bị gia nhiệt, phương pháp làm nguội, mức hiệu chỉnh cho phép trên mỗi chu kỳ và các tiêu chí dừng. Nếu xuất hiện vết nứt, rách lớp (lamellar tearing), dấu hiệu tôi cứng bất thường hoặc hư hại vùng chân mối hàn trong khu vực đã nắn thẳng, công việc phải ngừng ngay lập tức và được chuyển để kỹ sư xem xét.

7. Việc nghiệm thu cuối cùng phải được thực hiện trong điều kiện “lạnh, không bị ràng buộc, được nâng đỡ đồng đều”

Các thành viên nóng có thể biểu hiện biến dạng tạm thời do chênh lệch nhiệt độ, trong khi kẹp cưỡng bức có thể che giấu độ đàn hồi thực tế. Do đó, việc kiểm tra hình học cuối cùng phải được thực hiện sau khi thành viên đã nguội hoàn toàn, các ràng buộc tạm thời đã được tháo bỏ và thành viên đã được đặt lên các điểm đỡ được quy định. Vị trí và số lượng điểm đỡ đối với các thành viên dài phải được cố định; nếu không, độ võng do trọng lượng bản thân có thể bị nhầm lẫn là độ cong do hàn gây ra. Đối với các thành viên trong cùng một lô, người kiểm tra cần sử dụng cùng một bố trí dây căng, tia laser, thước lá, thước thẳng hoặc trạm toàn bộ, đồng thời ghi lại nhiệt độ môi trường và trạng thái của thành viên.

Ba giai đoạn đo lường được khuyến nghị: ghi lại đường chuẩn ban đầu sau khi lắp ráp; ghi lại độ biến dạng sau hàn khi các mối hàn chính đã hoàn tất và cấu kiện đã nguội; và ghi lại kích thước cuối cùng sau khi nắn thẳng và tháo khỏi đồ gá. Ba bộ dữ liệu này cho thấy độ sai lệch bắt nguồn từ quá trình lắp ráp, hàn hay nắn thẳng. Nếu chỉ lưu giữ các giá trị cuối cùng đạt yêu cầu, nhân viên sản xuất sẽ không thể xác định được bên nào cần giảm lượng nhiệt đưa vào trong lô tiếp theo hoặc không thể nhận diện được máy nắn thẳng có đang quá tải hệ thống đối với các cấu kiện hay không.

Việc kiểm tra cuối cùng cần bao quát, tối thiểu, chiều dài tổng thể, các điểm chuẩn ở đầu, vị trí tương đối của nhóm lỗ, độ sâu và chiều rộng mặt cắt, độ vuông góc giữa mép và bụng, độ phẳng cục bộ của bụng, độ cong dọc hoặc độ vênh tổng thể, độ xoắn và các bề mặt ghép nối của các tấm liên kết. Việc kiểm tra bề mặt mối hàn có thể được thực hiện theo tiêu chuẩn ISO 17637:2016, tiêu chuẩn này quy định các phương pháp kiểm tra bằng mắt thường đối với các mối hàn nóng chảy và cũng có thể áp dụng cho việc kiểm tra mối nối trước khi hàn. ^[5]Các kích thước hình học và chất lượng mối hàn cần được ghi chép và chấp nhận riêng biệt; cụm từ mơ hồ “ngoại hình chấp nhận được” không được sử dụng như một sự thay thế.

Kết luận

Chìa khóa để kiểm soát biến dạng trong các tiết diện hình H hàn không nằm ở tải trọng của thiết bị nắn thẳng sẵn có ở cuối dây chuyền, mà ở khả năng dự đoán hướng co ngót và thiết lập một tổ hợp ổn định gồm lượng nhiệt đưa vào, trình tự hàn, hệ thống gá đỡ và việc đặt trước (presetting). Mô hình biến dạng là một ‘dấu vân tay kết quả’ do quá trình để lại: nếu biến dạng luôn hướng theo cùng một chiều thì cần hiệu chỉnh các thông số hệ thống; nếu biến dạng hướng ngẫu nhiên thì cần điều tra sự thay đổi trong khâu lắp ráp (fit-up) và thực hiện hàn; còn nếu các sai lệch chỉ xuất hiện sau khi tháo rời chi tiết khỏi đồ gá thì chứng tỏ phương pháp cố định (restraint) cần được điều chỉnh.

Kiểm soát gia công chuyên nghiệp cần đạt được ba mục tiêu: (i) sử dụng chuẩn chung và thiết lập mục tiêu cho mẫu đầu tiên trước khi hàn; (ii) áp dụng các quy tắc về lượng nhiệt đưa vào và trình tự hàn có thể thực thi được trong quá trình hàn; và (iii) cung cấp bằng chứng hình học rõ ràng, không chịu ứng suất nhiệt, không bị ràng buộc cơ học và được chống đỡ đồng đều sau khi hàn. Việc nắn thẳng bằng cơ khí hoặc bằng ngọn lửa chỉ có thể được dùng như công cụ hiệu chỉnh có kiểm soát; chúng không thể thay thế cho việc thiết kế quy trình ở giai đoạn đầu. Với cách tiếp cận này, các tiết diện chữ H hàn sẵn có thể vận chuyển đến hiện trường kho không chỉ với các mối hàn đạt yêu cầu mà còn có kích thước ổn định để lắp dựng.

Các tiêu chuẩn và ghi chú tham chiếu