Tổng quan nghiên cứu

Trong các dự án hạ tầng giao thông quy mô lớn, dầm thép chữ I kích thước lớn chịu trách nhiệm chịu tải trọng uốn và xoắn chủ lực, với chiều cao thân dầm vượt trên 2,5 m, chiều dài vượt nhịp từ 15 m đến 35 m và chiều dày bản cánh lên tới 50 mm. Điển hình như tại dự án cầu dây văng Nhật Tân, dầm chính GB3WS đòi hỏi độ chính xác hình học nghiêm ngặt với dung sai độ võng không vượt quá 2,0 mm trên toàn bộ chiều dài cấu kiện. Vấn đề nghiên cứu cốt lõi nảy sinh từ quá trình hàn nóng chảy liên kết bản bụng và bản cánh, khi nhiệt lượng tập trung cao gây ra trường nhiệt độ không đồng đều, làm xuất hiện ứng suất kéo dư vượt quá giới hạn chảy 355 MPa của vật liệu và gây ra biến dạng co ngang, co dọc, cong vênh nghiêm trọng.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là khảo sát toàn diện trường ứng suất và biến dạng dầm chữ I, từ đó xây dựng và chuẩn hóa quy trình công nghệ xử lý nhiệt gồm nung nóng sơ bộ trước khi hàn, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và công nghệ nắn nhiệt hỏa công sau hàn. Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Viện Cơ khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội phối hợp cùng nhà máy chế tạo của Công ty TNHH Kết Cấu Thép Mitsui Thăng Long trong giai đoạn năm 2011 đến năm 2014 trên đối tượng dầm chính GB3WS. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm 62% độ võng dư của dầm sau hàn, đưa 100% kích thước hình học dầm về đúng chuẩn dung sai kỹ thuật của dự án và rút ngắn 25% thời gian gia công xử lý biến dạng tại nhà xưởng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết truyền nhiệt trong hàn của Rosenthal và mô hình ứng suất - biến dạng nhiệt đàn dẻo của Okerblom và Vinokurov. Các mô hình này cho phép mô tả chính xác sự phân bố gradien nhiệt độ tức thời và vùng biến dạng dẻo sinh ra xung quanh mối hàn khi hồ quang di chuyển. Bên cạnh đó, lý thuyết đương lượng Carbon toàn phần theo công thức IIW được áp dụng nhằm đánh giá độ nhạy cảm nứt nguội của thép hợp kim thấp độ bền cao.

Khung lý thuyết tập trung vào 5 khái niệm chuyên ngành then chốt:

  1. Đương lượng Carbon ($C_{eq}$ và $P_{cm}$): Đại lượng phản ánh khả năng tôi cứng và tính hàn của mác thép kết cấu dầm chính.
  2. Năng lượng đường hàn ($q/v$ tính bằng Cal/cm hoặc kJ/cm): Mức năng lượng nhiệt cung cấp cho một đơn vị chiều dài đường hàn hồ quang.
  3. Nhiệt độ nung nóng sơ bộ ($T_0$): Nhiệt độ gia nhiệt ban đầu giúp giảm tốc độ nguội của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt.
  4. Nhiệt độ giữa các lớp hàn ($T_{interpass}$): Ngưỡng nhiệt độ giới hạn cần duy trì giữa các lượt hàn đắp nhiều lớp.
  5. Vùng tác động ứng suất co ngót ($b_k$): Tiết diện kim loại chịu biến dạng dẻo gây ra mô men uốn và độ võng dư cho dầm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ quy trình hàn thực tế chế tạo dầm chính GB3WS cầu Nhật Tân với dây hàn lõi thuốc FCAW, nguồn hàn bán tự động OTC XD500 và hệ thống rùa hàn tự hành Handy Carriage I-D. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 12 phân đoạn dầm chữ I kích thước lớn với 48 cụm liên kết hàn góc chữ T chịu lực cao. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích đại diện cho các vị trí dầm chịu mô men quán tính lớn nhất và có chiều dày thép bản cánh biến thiên từ 25 mm đến 50 mm.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích giải tích kết hợp đo đạc thực nghiệm là nhằm đối chứng trực tiếp giữa lý thuyết tính toán ứng suất co ngót với giá trị đo biến dạng thực tế trên hiện trường. Thiết bị phân tích bao gồm súng đo nhiệt bức xạ quang học Chino HR-HL để kiểm soát nhiệt độ nung sơ bộ và thiết bị nắn nhiệt hỏa công Victor Professional HD310C kết hợp đầu gia nhiệt cảm ứng Terac Inductor. Quá trình thu thập và phân tích dữ liệu diễn ra liên tục theo tiến độ chế tạo dầm từ tháng 6 năm 2011 đến tháng 3 năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và tính toán cơ học đã chỉ ra 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, việc xác định chính xác nhiệt độ nung nóng sơ bộ ở mức 100°C đến 150°C cho các tấm thép bản cánh dày từ 25 mm trở lên giúp giảm 45% tốc độ nguội tới hạn qua vùng nhiệt độ chuyển biến 800°C xuống 500°C. Điều này triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ hình thành tổ chức Martensite giòn, ngăn chặn 100% hiện tượng nứt nguội do tích tụ khí Hydro trong liên kết hàn.

Thứ hai, việc khống chế nhiệt độ giữa các lớp hàn không vượt quá 230°C thông qua thiết bị đo quang nhiệt Chino HR-HL giúp cơ tính kim loại mối hàn đạt độ đồng đều cao. Thử nghiệm cơ lý cho thấy giới hạn bền kéo của mối hàn đạt trên 570 MPa, giới hạn chảy đạt trên 460 MPa và độ giãn dài tương đối duy trì ổn định ở mức 22% đến 25%.

Thứ ba, phương án sử dụng đầu hàn tự hành Handy Carriage I-D hàn đồng thời hai đường hàn góc đối xứng quanh trục trung hòa giúp triệt tiêu mô men uốn phát sinh. So với phương pháp hàn thủ công lần lượt từng đường đơn lẻ làm độ võng dầm lên tới 18,2 mm, phương pháp hàn đồng thời đã giảm độ võng dư ban đầu xuống chỉ còn 6,8 mm (tương đương mức giảm 62,6%).

Thứ tư, công nghệ nắn nhiệt hỏa công với mỏ đốt khí oxy-gas Victor Professional HD310C ở dải nhiệt độ cục bộ 600°C đến 650°C đã điều chỉnh thành công chuyển vị mép bản cánh trên và dưới. Sau khi hỏa công tại các điểm đo kiểm, độ biến dạng dư của mép bản cánh giảm từ 8,5 mm xuống dưới 1,2 mm, đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn dung sai chế tạo dầm cầu Nhật Tân.

Thảo luận kết quả

Biến dạng dư và ứng suất dư phát sinh chủ yếu do gradien nhiệt độ lớn giữa vùng kim loại nóng chảy và khối kim loại cơ bản xung quanh. Khi mối hàn nguội đi, sự co ngót bị cản trở bởi độ cứng vững của cấu kiện chữ I gây ra ứng suất kéo dư lớn ở tim mối hàn và ứng suất nén dư ở các vùng lân cận. Việc nung sơ bộ 120°C làm đồng đều trường nhiệt, từ đó giảm đáng kể diện tích vùng biến dạng dẻo $b_k$.

Khi so sánh giữa phương pháp nắn bằng ngọn lửa hỏa công truyền thống và thiết bị gia nhiệt cảm ứng cao tần Terac Inductor, kết quả cho thấy ngọn lửa khí oxy-gas đem lại độ sâu xuyên nhiệt linh hoạt hơn đối với các chi tiết kết cấu thép dày trên 30 mm, đồng thời có chi phí vận hành thấp hơn 40% trong điều kiện nhà xưởng gia công kết cấu tại Việt Nam.

Dữ liệu thực nghiệm chuyển vị mép bản cánh trước và sau hỏa công được trực quan hóa qua biểu đồ phân bố độ võng tại 3 điểm đo (đầu dầm, giữa dầm và cuối dầm). Trên biểu đồ, đường cong chuyển vị sau khi xử lý nhiệt hạ xuống rõ rệt và nằm trọn vẹn bên dưới đường giới hạn dung sai cho phép ±2,0 mm theo tiêu chuẩn kỹ thuật của tư vấn giám sát Nhật Bản.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt dầm chính cầu Nhật Tân, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao chất lượng gia công kết cấu thép lớn:

  1. Chuẩn hóa quy trình nung nóng sơ bộ và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn: Các doanh nghiệp sản xuất kết cấu thép cần áp dụng bắt buộc dải nhiệt độ nung sơ bộ 100°C - 150°C cho thép dày trên 25 mm và nhiệt độ interpass dưới 230°C, sử dụng súng đo hồng ngoại chuyên dụng để giảm tỷ lệ khuyết tật mối hàn xuống dưới 0,5% ngay trong quý 1 năm 2026.
  2. Tự động hóa quá trình hàn bằng hệ thống xe hàn đối xứng: Đơn vị chế tạo cần trang bị đồng bộ thiết bị rùa hàn Handy Carriage I-D và nguồn hàn OTC XD500, áp dụng trình tự hàn đồng thời hai phía trục trung hòa nhằm giảm trên 60% độ võng dư của cấu kiện dầm chữ I.
  3. Ban hành quy chuẩn định lượng quy trình nắn hỏa công: Bộ phận kỹ thuật tại các nhà máy cơ khí cần xây dựng bảng thông số chuẩn về kích cỡ béc hỏa công HD310C, tốc độ di chuyển ngọn lửa và nhiệt độ nung nắn trong khoảng 600°C - 650°C, đảm bảo 100% sản phẩm dầm đạt dung sai kích thước sau nắn trong vòng 6 tháng tới.
  4. Tăng cường chuyển giao công nghệ và đào tạo tay nghề: Viện Cơ khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội phối hợp cùng các hiệp hội kết cấu thép tổ chức các khóa tập huấn chuyên sâu 40 giờ về kiểm soát ứng suất - biến dạng nhiệt cho ít nhất 200 kỹ sư và thợ hàn bậc cao tại các nhà máy kết cấu thép trên toàn quốc trước tháng 12 năm 2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Kỹ sư công nghệ hàn và Kỹ sư giám sát (IWE/IWS): Vận dụng trực tiếp các công thức tính toán năng lượng đường, bảng tra nhiệt độ nung sơ bộ và thông số hàn FCAW để xây dựng quy trình hàn (WPS/PQR) cho các dự án cầu thép, dầm nhà xưởng siêu khẩu độ.
  2. Ban lãnh đạo và Quản đốc nhà máy kết cấu thép: Sử dụng giải pháp công nghệ hàn tự hành và quy trình hỏa công tối ưu nhằm giảm 20% chi phí nhân công sửa chữa biến dạng và tăng 30% tốc độ bàn giao cấu kiện dầm.
  3. Giảng viên, Học viên cao học và Nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Cơ khí: Khai thác phương pháp kết hợp giữa mô hình hóa giải tích nhiệt học và kiểm chứng thực nghiệm hiện trường làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về cơ học vật liệu và công nghệ kim loại.
  4. Đơn vị Tư vấn giám sát và Chủ đầu tư hạ tầng giao thông: Tham khảo hệ thống tiêu chí kiểm soát nhiệt độ và quy trình nghiệm thu chuyển vị hình học để xây dựng hồ sơ mời thầu và giám sát chất lượng các gói thầu kết cấu thép lớn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao phải nung nóng sơ bộ khi hàn dầm chữ I kích thước lớn bằng thép hợp kim? Nung nóng sơ bộ từ 100°C đến 150°C giúp làm chậm tốc độ nguội của vùng ảnh hưởng nhiệt, ngăn ngừa sự hình thành tổ chức Martensite cứng giòn. Thực nghiệm cho thấy biện pháp này giảm 45% ứng suất nhiệt cục bộ và loại bỏ hoàn toàn nguy cơ nứt nguội do khí Hydro thoát chậm.

Nhiệt độ giữa các lớp hàn cần được kiểm soát trong giới hạn nào và đo bằng cách nào? Nhiệt độ giữa các lớp hàn (Interpass Temperature) đối với dầm GB3WS cần được duy trì nghiêm ngặt trong khoảng 150°C đến 230°C. Kỹ sư sử dụng súng đo nhiệt độ bức xạ quang học Chino HR-HL để đo trực tiếp tại vị trí cách mép mối hàn 50 mm trước khi tiến hành đường hàn tiếp theo.

Phương pháp gá đặt và trình tự hàn nào giúp giảm độ võng dư tốt nhất cho dầm chữ I? Phương pháp hiệu quả nhất là gá tạo góc nghiêng ngược ban đầu cho bản cánh kết hợp sử dụng xe hàn tự hành Handy Carriage I-D hàn đồng thời hai đường hàn góc đối xứng qua trục trung hòa. Kỹ thuật này giúp giảm 62,6% độ võng dư so với phương pháp hàn thủ công tuần tự.

Khi nắn thẳng dầm bằng ngọn lửa hỏa công, nhiệt độ tối đa cho phép là bao nhiêu? Nhiệt độ nung nóng khi hỏa công nắn thẳng dầm GB3WS được khống chế tối đa trong khoảng 600°C đến 650°C. Nếu vượt quá ngưỡng 650°C, tổ chức kim loại hạt thô sẽ xuất hiện làm suy giảm đáng kể giới hạn chảy và độ dai va đập của kết cấu thép.

Thiết bị mỏ hỏa công nào được khuyến nghị để nắn phẳng bản cánh dầm kích thước lớn? Nghiên cứu khuyến nghị sử dụng mỏ hỏa công chuyên dụng Victor Professional model HD310C dùng nhiên liệu khí oxy-gas. Mỏ đốt này cung cấp ngọn lửa phân bố hình tam giác hoặc hình dải đồng đều, giúp hạ chuyển vị mép cánh từ 8,5 mm xuống dưới 1,2 mm một cách an toàn và chính xác.

Kết luận

  • Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán kiểm soát ứng suất dư và biến dạng nhiệt trong quá trình chế tạo dầm chữ I kích thước lớn phục vụ siêu dự án cầu Nhật Tân.
  • Xác lập dải thông số công nghệ nhiệt tối ưu gồm nhiệt độ nung sơ bộ 100°C - 150°C và nhiệt độ giữa các lớp hàn dưới 230°C cho mác thép kết cấu cường độ cao.
  • Khẳng định tính ưu việt của phương pháp hàn tự hành song song Handy Carriage I-D kết hợp nguồn hàn OTC XD500, giúp cắt giảm 62,6% độ võng dư ban đầu.
  • Hoàn thiện quy trình nắn nhiệt hỏa công định lượng với mỏ đốt Victor HD310C ở dải nhiệt 600°C - 650°C, đưa sai số kích thước dầm về dưới dung sai tiêu chuẩn 1,5 mm.
  • Mở ra hướng nghiên cứu mở rộng ứng dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) để dự báo trường nhiệt 3D cho các liên kết hàn không gian phức tạp trong giai đoạn 2026-2030.

Hãy áp dụng ngay quy trình xử lý nhiệt tiên tiến này vào dây chuyền sản xuất kết cấu thép của doanh nghiệp để nâng cao chất lượng công trình và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế!