Nghiên Cứu Công Nghệ Xử Lý Nhiệt Khi Hàn Dầm Chữ I Kích Thước Lớn

• Tác giả: Đỗ Vinh Quang
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thúc Hà
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hàn
• Đề tài: Nghiên Cứu Công Nghệ Xử Lý Nhiệt Khi Hàn Dầm Chữ I Kích Thước Lớn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 0.1. TỔNG QUAN VỀ DẦM
• 0.2. Đặc điểm và phân loại
• 0.3. Sơ lược về dầm hàn và ứng dụng của dầm hàn trong kết cấu thép
• 0.4. Cấu tạo của dầm chữ I
• 0.5. Quy trình chế tạo dầm hàn chữ I
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DẦM
• 1.1. Khái niệm
• 1.2. Đặc điểm và phân loại
• 1.3. Sơ lược về dầm hàn và ứng dụng của dầm hàn trong kết cấu thép
• 1.4. Cấu tạo của dầm chữ I
• 1.5. Quy trình chế tạo dầm hàn chữ I
• 2. CHƯƠNG II: KHẢO SÁT VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO DẦM CHÍNH NHẬT TÂN
• 2.1. Giới thiệu chung về cầu Nhật Tân
• 2.2. Cấu tạo dầm cầu Nhật Tân
• 2.2.1. Thành phần hóa học của các loại thép trong dầm GB3WS
• 2.2.2. Cơ tính của các loại thép trong dầm GB3WS
• 2.2.3. Các mác thép tương đương
• 2.2.4. Quy trình hàn
• 2.3. Vật liệu hàn dầm
• 2.4. Công nghệ chế tạo dầm chính cầu Nhật Tân
• 2.4.1. Thiết kế đồ gá hàn
• 2.4.2. Thiết bị hàn
• 2.4.3. Nghiên cứu công nghệ hàn dầm chính cầu Nhật Tân
• 3. CHƯƠNG III: ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG CỦA DẦM CHÍNH CẦU NHẬT TÂN VÀ CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ
• 3.1. Ứng suất và biến dạng của dầm chính cầu Nhật Tân
• 3.1.1. Ứng suất và biến dạng do co ngang gây ra
• 3.1.2. Xác định tiết diện vùng ứng suất tác động của bản cánh trên do cặp mối hàn góc gây ra
• 3.1.3. Xác định tiết diện vùng ứng suất tác động của bản cánh dưới do 1 mối hàn góc gây ra
• 3.1.4. Ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra
• 3.1.5. Tính toán độ võng dư của các phương án hàn nối cánh với bụng
• 3.1.6. Các biện pháp hạn chế ứng suất và biến dạng hàn cho dầm chính cầu Nhật Tân
• 3.1.7. Biện pháp kết cấu
• 3.1.8. Biện pháp công nghệ
• 3.1.9. Biện pháp công nghệ sau khi hàn
• 4. CHƯƠNG IV: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NHIỆT KHI HÀN DẦM CHÍNH CẦU NHẬT TÂN
• 4.1. Công nghệ xử lý nhiệt trước khi hàn
• 4.1.1. Phương pháp
• 4.1.2. Xác định nhiệt độ nung nóng sơ bộ
• 4.1.3. Công nghệ xử lý nhiệt trước khi hàn
• 4.2. Công nghệ xử lý nhiệt trong khi hàn
• 4.2.1. Xác định nhiệt độ lớn nhất giữa các lớp hàn (maximum interpass Temperature)
• 4.2.2. Kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn
• 4.3. Xử lý nhiệt sau khi hàn
• 4.3.1. Nghiên cứu công nghệ nắn nhiệt
• 4.3.2. Xử lý biến dạng dư giữa bụng và bản cánh sau khi hàn
• 4.3.3. Quy trình xử lý nhiệt cho dầm chính cầu Nhật Tân
• 4.3.3.1. Kiến thức cơ bản về hỏa công
• 4.3.3.2. Kỹ thuật nắn dầm GB3WS
• 4.3.3.3. Kiểm tra kích thước sau hỏa công dầm GB3WS
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: Bản vẽ dầm GB3WS
• PHỤ LỤC 2: Bản vẽ đồ gá hàn
• PHỤ LỤC 3: Quy trình chế tạo
• PHỤ LỤC 4: Quy trình hàn
• PHỤ LỤC 5: Mỏ hỏa công HD310C

I. Tổng Quan Về Dầm Chữ I Khái Niệm Phân Loại Ứng Dụng

Dầm là cấu kiện chịu lực quan trọng trong nhiều công trình, từ cầu đường đến nhà xưởng. Dầm chữ I, với mặt cắt hình chữ I hoặc H, đặc biệt hiệu quả trong việc chịu uốn và tải trọng kéo. Có hai loại chính: dầm I cán (tạo hình bằng cán nóng hoặc nguội) và dầm I hàn (ghép từ các tấm thép). Dầm I thường làm từ thép kết cấu, nhôm hoặc vật liệu khác. Ưu điểm của dầm I là khả năng chịu lực tốt theo phương đứng, nhưng lại kém khi chịu xoắn. Ứng dụng của dầm I rất rộng rãi, từ kết cấu công nghiệp đến dầm cầu, cột nhà. Dầm chữ I giúp tối ưu hóa vật liệu, tập trung vật liệu ở những vùng chịu ứng suất cao nhất. Theo tài liệu gốc, dầm thép được dùng cho các nhịp nhỏ và vừa (<30m).

1.1. Ưu điểm và Nhược điểm của Dầm Thép Chữ I trong Xây Dựng

Dầm thép chữ I mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như thi công nhanh chóng, trọng lượng nhẹ, dễ dàng lắp đặt qua các địa hình phức tạp, giảm chi phí xây dựng, và thích hợp với nền đất yếu. Tuy nhiên, cần quan tâm đến vấn đề gỉ sét, đòi hỏi bảo trì thường xuyên và tốn kém. Việc sơn lại cũng ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường. Thép chống gỉ có thể giảm chi phí bảo trì, nhưng vẫn có nguy cơ rỉ sét và mất mỹ quan. Do đó, việc lựa chọn vật liệu và biện pháp bảo vệ phù hợp là rất quan trọng. Cần cân nhắc kỹ lưỡng giữa ưu và nhược điểm để đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật lâu dài.

1.2. Phân loại Dầm Chữ I Dầm Cán Nóng và Dầm Tổ Hợp Hàn

Dầm chữ I được phân loại dựa trên phương pháp chế tạo. Dầm cán nóng được tạo hình liền khối, thường sử dụng cho các công trình có tải trọng vừa phải. Dầm tổ hợp hàn được ghép từ nhiều tấm thép, cho phép tùy chỉnh kích thước và hình dạng theo yêu cầu thiết kế, phù hợp với các công trình có khẩu độ lớn và tải trọng cao. So với dầm cán nóng, dầm tổ hợp hàn có thể giảm thiểu lượng vật liệu sử dụng và tối ưu hóa khả năng chịu lực. Tuy nhiên, quá trình chế tạo dầm tổ hợp hàn phức tạp hơn, đòi hỏi kỹ thuật hàn cao và kiểm soát chất lượng chặt chẽ để đảm bảo độ bền và an toàn của công trình.

II. Vấn Đề Thách Thức Biến Dạng Hàn Dầm I Kích Thước Lớn

Quá trình hàn dầm chữ I kích thước lớn luôn đi kèm với nguy cơ phát sinh ứng suất dư và biến dạng hàn. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm: nhiệt độ hàn, tốc độ hàn, thứ tự hàn, và vật liệu hàn. Ứng suất dư có thể làm giảm khả năng chịu tải của dầm, thậm chí gây ra nứt gãy. Biến dạng hàn làm sai lệch hình dạng ban đầu của dầm, ảnh hưởng đến khả năng lắp ráp và thẩm mỹ của công trình. Theo luận văn, ứng suất và biến dạng ảnh hưởng lớn đến chất lượng dầm hàn. Việc kiểm soát và giảm thiểu ứng suất dư và biến dạng hàn là một thách thức lớn trong công nghệ hàn dầm chữ I.

2.1. Nguyên Nhân Gây Ra Ứng Suất Dư và Biến Dạng Khi Hàn Dầm I

Nhiệt độ không đồng đều trong quá trình hàn là nguyên nhân chính gây ra ứng suất dư và biến dạng. Vùng kim loại gần mối hàn bị nung nóng và giãn nở, sau đó co ngót khi nguội, tạo ra sự chênh lệch ứng suất trong vật liệu. Thứ tự hàn không hợp lý cũng có thể làm tăng ứng suất dư và biến dạng. Vật liệu hàn có hệ số giãn nở nhiệt khác với vật liệu nền cũng góp phần vào vấn đề này. Ngoài ra, kỹ thuật hàn không đúng cách, chẳng hạn như tốc độ hàn quá nhanh hoặc quá chậm, cũng có thể gây ra các khuyết tật và tăng nguy cơ biến dạng.

2.2. Ảnh Hưởng Của Ứng Suất Dư Đến Cơ Tính và Độ Bền Dầm I

Ứng suất dư có thể làm giảm đáng kể khả năng chịu tải của dầm I, đặc biệt là đối với các dầm chịu tải trọng động hoặc tải trọng lặp. Nó cũng làm tăng nguy cơ nứt gãy, đặc biệt là ở các vùng tập trung ứng suất như mối hàn và góc dầm. Ứng suất dư còn ảnh hưởng đến độ bền mỏi của dầm, làm giảm tuổi thọ của công trình. Do đó, việc kiểm soát và giảm thiểu ứng suất dư là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của các công trình sử dụng dầm I hàn.

III. Phương Pháp Xử Lý Nhiệt Sau Hàn Dầm I Giảm Ứng Suất Dư

Để giảm ứng suất dư sau hàn dầm I, các phương pháp xử lý nhiệt thường được áp dụng. Phương pháp phổ biến nhất là xử lý nhiệt toàn bộ, trong đó dầm được nung nóng đến nhiệt độ nhất định rồi làm nguội chậm để giải phóng ứng suất. Một phương pháp khác là xử lý nhiệt cục bộ, chỉ nung nóng vùng xung quanh mối hàn. Nghiên cứu cho thấy xử lý nhiệt sau hàn có thể cải thiện đáng kể cơ tính và độ bền của dầm. Ngoài ra, phương pháp nắn nhiệt cũng được sử dụng để hiệu chỉnh biến dạng.

3.1. Quy Trình Xử Lý Nhiệt Toàn Bộ Cho Dầm I Nhiệt Độ và Thời Gian

Quy trình xử lý nhiệt toàn bộ bao gồm ba giai đoạn chính: nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội. Nhiệt độ nung nóng và thời gian giữ nhiệt phụ thuộc vào loại thép, kích thước dầm, và mức độ ứng suất dư cần giảm. Thông thường, nhiệt độ nung nóng dao động từ 550°C đến 650°C, và thời gian giữ nhiệt là khoảng 1 giờ cho mỗi 25mm chiều dày. Quá trình làm nguội phải được thực hiện từ từ để tránh phát sinh ứng suất nhiệt mới. Việc tuân thủ đúng quy trình là rất quan trọng để đạt được hiệu quả xử lý nhiệt tối ưu.

3.2. Ưu Điểm và Hạn Chế của Xử Lý Nhiệt Cục Bộ Ứng Dụng Thực Tế

Xử lý nhiệt cục bộ có ưu điểm là tiết kiệm năng lượng và thời gian so với xử lý nhiệt toàn bộ. Nó thường được áp dụng cho các dầm có kích thước lớn hoặc khi chỉ cần giảm ứng suất ở một vài vị trí nhất định. Tuy nhiên, hiệu quả của xử lý nhiệt cục bộ thường thấp hơn so với xử lý nhiệt toàn bộ, và có thể tạo ra sự phân bố ứng suất không đồng đều. Do đó, cần phải lựa chọn phương pháp xử lý nhiệt phù hợp dựa trên yêu cầu kỹ thuật và điều kiện thực tế của công trình.

IV. Công Nghệ Nắn Nhiệt Dầm Chữ I Kỹ Thuật và Kiểm Tra Sau Nắn

Nắn nhiệt là phương pháp sử dụng nhiệt cục bộ để điều chỉnh hình dạng dầm bị biến dạng. Kỹ thuật nắn nhiệt đòi hỏi kinh nghiệm và sự khéo léo của người thợ. Vị trí và nhiệt độ nung nóng phải được tính toán cẩn thận để tránh làm hỏng vật liệu. Sau khi nắn, cần kiểm tra kích thước và độ thẳng của dầm để đảm bảo đạt yêu cầu kỹ thuật. Nghiên cứu chỉ ra nắn nhiệt có thể hiệu quả để phục hồi hình dạng dầm sau hàn.

4.1. Các Phương Pháp Nắn Nhiệt Phổ Biến Ngọn Lửa và Inductor

Có hai phương pháp nắn nhiệt phổ biến: sử dụng ngọn lửa và sử dụng inductor. Nắn bằng ngọn lửa sử dụng khí oxy-acetylen để tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ cao, cho phép nung nóng cục bộ vùng cần nắn. Nắn bằng inductor sử dụng dòng điện cảm ứng để tạo ra nhiệt trong vật liệu. So với ngọn lửa, inductor cho phép kiểm soát nhiệt độ chính xác hơn và giảm nguy cơ cháy nổ. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho thiết bị inductor thường cao hơn.

4.2. Kiểm Tra Kích Thước và Độ Thẳng Sau Khi Nắn Nhiệt Dung Sai Cho Phép

Sau khi nắn nhiệt, cần kiểm tra kích thước và độ thẳng của dầm để đảm bảo đạt yêu cầu kỹ thuật. Các thông số cần kiểm tra bao gồm chiều dài, chiều cao, độ võng, và độ lệch. Dung sai cho phép cho mỗi thông số được quy định trong tiêu chuẩn kỹ thuật của công trình. Việc sử dụng các thiết bị đo chính xác như máy kinh vĩ, thước đo laser, và đồng hồ so là rất quan trọng để đảm bảo kết quả kiểm tra chính xác. Nếu kích thước và độ thẳng không đạt yêu cầu, cần phải thực hiện nắn lại cho đến khi đạt tiêu chuẩn.

V. Ứng Dụng Xử Lý Nhiệt Chế Tạo Dầm Cầu Nhật Tân Kích Thước Lớn

Luận văn nghiên cứu ứng dụng các phương pháp xử lý nhiệt trong quá trình chế tạo dầm chính và dầm ngang cầu Nhật Tân. Việc kiểm soát biến dạng hàn là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng dầm. Các biện pháp xử lý nhiệt được áp dụng bao gồm: nung nóng sơ bộ, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, và xử lý nhiệt sau hàn. Kết quả cho thấy các biện pháp này giúp giảm đáng kể biến dạng và đạt yêu cầu kỹ thuật.

5.1. Quy Trình Hàn Dầm Cầu Nhật Tân Thứ Tự Hàn và Vật Liệu Hàn

Quy trình hàn dầm cầu Nhật Tân được thiết kế cẩn thận để giảm thiểu ứng suất dư và biến dạng. Thứ tự hàn được xác định dựa trên phân tích ứng suất và mô phỏng nhiệt. Vật liệu hàn được lựa chọn phù hợp với vật liệu nền và đáp ứng các yêu cầu về độ bền và độ dẻo. Việc sử dụng các thiết bị hàn hiện đại như máy hàn tự động và đầu hàn Handy Carriage I-D giúp tăng năng suất và đảm bảo chất lượng mối hàn. Theo tài liệu, quy trình sản xuất hiện đại vẫn tồn tại ứng suất dư và biến dạng hàn.

5.2. Kết Quả Nghiên Cứu và Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Nhiệt Dầm Nhật Tân

Nghiên cứu cho thấy việc áp dụng các biện pháp xử lý nhiệt đã giúp giảm đáng kể biến dạng hàn trong quá trình chế tạo dầm cầu Nhật Tân. Các thông số kỹ thuật như độ võng, độ lệch, và ứng suất dư đều đạt yêu cầu. Kết quả này đã góp phần vào việc đảm bảo chất lượng và độ bền của cầu Nhật Tân. Các kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc áp dụng công nghệ hàn và xử lý nhiệt cho các công trình kết cấu thép khác ở Việt Nam.

VI. Kết Luận Tương Lai Phát Triển Công Nghệ Xử Lý Nhiệt Hàn

Nghiên cứu đã thành công trong việc áp dụng các công nghệ xử lý nhiệt để giảm biến dạng hàn dầm chữ I kích thước lớn, đặc biệt trong dự án cầu Nhật Tân. Việc nghiên cứu quy trình xử lý nhiệt có ý nghĩa quan trọng đối với các công ty sản xuất kết cấu thép. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ xử lý nhiệt tiên tiến hơn, chẳng hạn như sử dụng mô phỏng số để tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí.

6.1. Các Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Mô Phỏng và Tối Ưu Hóa Quy Trình

Trong tương lai, cần tập trung vào việc phát triển các mô hình mô phỏng số chính xác để dự đoán ứng suất dư và biến dạng trong quá trình hàn. Các mô hình này có thể được sử dụng để tối ưu hóa quy trình hàn và xử lý nhiệt, giảm thiểu sai sót và chi phí. Ngoài ra, cần nghiên cứu các phương pháp xử lý nhiệt mới như sử dụng laser hoặc tia điện tử để tăng hiệu quả và độ chính xác.

6.2. Đề Xuất và Kiến Nghị để Áp Dụng Rộng Rãi Công Nghệ Này

Để áp dụng rộng rãi công nghệ xử lý nhiệt hàn trong các công trình kết cấu thép, cần tăng cường đào tạo nguồn nhân lực có trình độ chuyên môn cao. Cần xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình kiểm soát chất lượng chặt chẽ. Đồng thời, cần khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư vào các thiết bị và công nghệ tiên tiến để nâng cao năng lực cạnh tranh. Việc hợp tác giữa các trường đại học, viện nghiên cứu, và doanh nghiệp là rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của công nghệ xử lý nhiệt hàn.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa tại Việt Nam, việc phát triển cơ sở hạ tầng giao thông đóng vai trò then chốt. Cầu Nhật Tân, một trong những công trình trọng điểm của thủ đô Hà Nội, được khởi công năm 2009 với tổng mức đầu tư khoảng 7.500 - 8.000 tỷ đồng, có chiều dài tổng thể 3,9 km, trong đó phần cầu chính dài 1,5 km. Cầu Nhật Tân sử dụng kết cấu dây văng hiện đại với các dầm chữ I kích thước lớn làm phần chủ lực chịu lực. Dầm chính có chiều cao 3m, chiều dài 12m, được chế tạo từ thép JIS G3106 SM570 với các bản cánh và bản bụng có kích thước lớn, đòi hỏi công nghệ hàn và xử lý nhiệt tiên tiến để đảm bảo chất lượng và độ bền kết cấu.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào công nghệ xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I kích thước lớn nhằm giảm thiểu ứng suất dư và biến dạng hàn, vốn là nguyên nhân chính gây ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của kết cấu thép cầu. Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, tính toán và xây dựng quy trình hàn, đồ gá hàn, đồng thời phát triển các biện pháp xử lý nhiệt trước, trong và sau khi hàn dầm chữ I kích thước lớn, áp dụng thực tiễn cho dầm chính và dầm ngang cầu Nhật Tân. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công nghệ xử lý nhiệt cho dầm chính và dầm ngang cầu Nhật Tân, với dữ liệu thu thập từ quá trình sản xuất tại công ty TNHH Kết Cấu Thép Mitsui Thăng Long.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm biến dạng và ứng suất dư, từ đó tăng tuổi thọ và độ an toàn của kết cấu cầu. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi cho các công trình cầu thép hiện đại tại Việt Nam, góp phần thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp chế tạo kết cấu thép trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về cơ học kết cấu, truyền nhiệt và ứng suất biến dạng trong quá trình hàn. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết ứng suất và biến dạng trong kết cấu hàn: Phân tích ứng suất dư và biến dạng do co ngót không đều trong quá trình hàn, đặc biệt là biến dạng dọc, ngang, góc và xoắn. Công thức tính biến dạng góc của bản cánh và xác định vùng ứng suất tác động dựa trên lý thuyết truyền nhiệt và phát triển ứng suất nén trong kim loại.

2. Mô hình truyền nhiệt và xử lý nhiệt trong hàn: Xác định nhiệt độ nung nóng sơ bộ, nhiệt độ giữa các lớp hàn (interpass temperature), và các biện pháp xử lý nhiệt trước, trong và sau khi hàn nhằm kiểm soát nhiệt độ, giảm ứng suất dư và biến dạng. Mô hình này dựa trên các thông số nhiệt lượng đường hàn, mật độ dòng điện, tốc độ hàn và hệ số hữu ích của hồ quang.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: dầm chữ I kích thước lớn, ứng suất dư, biến dạng hàn, nhiệt độ nung nóng sơ bộ, nhiệt lượng đường hàn, mối hàn góc, và quy trình hàn FCAW (Flux Core Arc Welding).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

• Dữ liệu kỹ thuật và vật liệu từ quá trình chế tạo dầm chính và dầm ngang cầu Nhật Tân tại công ty TNHH Kết Cấu Thép Mitsui Thăng Long.
• Thông số kỹ thuật của vật liệu thép JIS G3106 SM570 và các loại thép liên quan.
• Thông số quy trình hàn FCAW, thiết bị hàn OTC XD500 và đầu hàn Handy Carriage I-D.
• Số liệu đo đạc ứng suất, biến dạng và nhiệt độ trong quá trình hàn thực tế.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Tính toán ứng suất và biến dạng dựa trên công thức lý thuyết về biến dạng góc, vùng ứng suất tác động và nhiệt lượng đường hàn.
• Thiết kế và sử dụng đồ gá hàn chuyên dụng để kiểm soát biến dạng trong quá trình hàn.
• Kiểm soát nhiệt độ nung nóng sơ bộ, nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn bằng phương pháp hỏa công và nắn nhiệt.
• Thời gian nghiên cứu kéo dài song song với quá trình chế tạo dầm cầu Nhật Tân, từ năm 2011 đến 2014.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ dầm chính và dầm ngang kích thước lớn được sản xuất cho cầu Nhật Tân, với các phép thử cơ tính và kiểm tra chất lượng mối hàn được thực hiện theo tiêu chuẩn AWS D1.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ứng suất và biến dạng do co ngang: Biến dạng góc của bản cánh trên và dưới sau khi hàn được tính lần lượt là khoảng 0,075 rad và 0,15 rad, tương ứng với chuyển vị mép bản cánh trên là 5,7 mm và bản cánh dưới là 9,1 mm. Điều này cho thấy ứng suất kéo ngang gây ra biến dạng đáng kể, ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước của dầm.

2. Vùng ứng suất tác động do mối hàn góc: Tiết diện vùng ứng suất tác động của bản cánh trên và bản bụng lần lượt là 13 mm và 14 mm, xác định bằng phương pháp tuần tự xấp xỉ dựa trên năng lượng đường hàn 3.635 calo/cm. Khi hàn đồng thời hai mối hàn góc, năng lượng đường tăng lên khoảng 4.362 calo/cm, làm tăng ứng suất dư và biến dạng.

3. Hiệu quả của quy trình xử lý nhiệt: Việc áp dụng nhiệt độ nung nóng sơ bộ khoảng 150-200°C, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn không vượt quá 250°C và xử lý nhiệt sau hàn bằng hỏa công nắn nhiệt đã giảm biến dạng mép bản cánh xuống dưới 3 mm, đạt yêu cầu kỹ thuật của chủ đầu tư.

4. Ảnh hưởng của thiết bị và quy trình hàn: Sử dụng máy hàn OTC XD500 và đầu hàn tự động Handy Carriage I-D với chế độ hàn FCAW cho phép kiểm soát tốt dòng điện (240-270A), tốc độ hàn (30-35 cm/phút) và điện áp (33V), giúp giảm nhiệt lượng đường và hạn chế biến dạng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây ra ứng suất dư và biến dạng là do sự co ngót không đều trong quá trình hàn mối hàn góc giữa bản cánh và bản bụng, đặc biệt khi hàn nhiều lớp với năng lượng đường lớn. Việc tính toán chính xác vùng ứng suất tác động và biến dạng góc giúp thiết kế đồ gá hàn phù hợp, giảm thiểu biến dạng cơ học.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả cho thấy quy trình xử lý nhiệt được đề xuất có hiệu quả tương đương hoặc vượt trội so với các công nghệ hàn dầm kích thước lớn khác, đặc biệt trong việc kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn. Việc sử dụng thiết bị hàn tự động cũng góp phần nâng cao chất lượng mối hàn và giảm thời gian thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến dạng mép bản cánh trước và sau xử lý nhiệt, bảng so sánh nhiệt lượng đường hàn và ứng suất dư theo từng phương án hàn, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các biện pháp công nghệ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình xử lý nhiệt chuẩn hóa: Thực hiện nung nóng sơ bộ ở nhiệt độ 150-200°C trước khi hàn, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn không vượt quá 250°C, và xử lý nhiệt sau hàn bằng hỏa công nắn nhiệt để giảm biến dạng và ứng suất dư. Thời gian áp dụng: trong toàn bộ quá trình chế tạo dầm.

2. Sử dụng đồ gá hàn chuyên dụng: Thiết kế và sử dụng hệ thống đồ gá gá lắp và đồ gá hàn với hệ thống kích thủy lực để ép chặt bản cánh và bản bụng, hạn chế biến dạng cơ học trong quá trình hàn. Chủ thể thực hiện: nhà máy chế tạo kết cấu thép.

3. Tăng cường kiểm soát quy trình hàn: Sử dụng máy hàn OTC XD500 và đầu hàn tự động Handy Carriage I-D với chế độ hàn FCAW, kiểm soát chặt chẽ dòng điện, tốc độ và điện áp hàn nhằm giảm nhiệt lượng đường và hạn chế biến dạng. Thời gian áp dụng: trong suốt quá trình hàn.

4. Đào tạo và nâng cao tay nghề thợ hàn: Đảm bảo thợ hàn có chứng chỉ phù hợp theo tiêu chuẩn AWS D1, thực hiện đúng quy trình hàn đính và hàn chính, đặc biệt chú ý đến trình tự hàn và loại bỏ xỉ hàn để đảm bảo chất lượng mối hàn.

5. Theo dõi và đánh giá chất lượng sau hàn: Thực hiện kiểm tra kích thước, biến dạng và ứng suất dư sau hàn bằng các phương pháp đo lường chính xác, điều chỉnh quy trình kịp thời để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các công ty sản xuất kết cấu thép: Nghiên cứu giúp cải tiến quy trình hàn và xử lý nhiệt, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sửa chữa và tăng tuổi thọ kết cấu.

2. Nhà thầu xây dựng cầu và công trình giao thông: Áp dụng các biện pháp công nghệ hàn và xử lý nhiệt để đảm bảo an toàn, độ bền và mỹ quan công trình cầu thép hiện đại.

3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành cơ khí, công nghệ hàn: Tham khảo để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo, đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư có chuyên môn cao trong lĩnh vực hàn kết cấu thép.

4. Cơ quan quản lý chất lượng và tiêu chuẩn kỹ thuật: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng hoặc cập nhật các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật liên quan đến hàn và xử lý nhiệt trong chế tạo kết cấu thép.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I kích thước lớn?
   Xử lý nhiệt giúp giảm ứng suất dư và biến dạng do co ngót không đều trong quá trình hàn, từ đó nâng cao chất lượng và tuổi thọ kết cấu thép. Ví dụ, nung nóng sơ bộ và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn giúp hạn chế nứt và biến dạng mép bản cánh.

2. Quy trình hàn FCAW có ưu điểm gì trong chế tạo dầm cầu?
   FCAW cho phép hàn tự động với tốc độ cao, kiểm soát tốt dòng điện và nhiệt lượng đường, giảm biến dạng và tăng năng suất. Thiết bị hàn OTC XD500 và đầu hàn Handy Carriage I-D hỗ trợ hiệu quả quy trình này.

3. Làm thế nào để kiểm soát biến dạng trong quá trình hàn?
   Sử dụng đồ gá hàn chuyên dụng, thực hiện hàn theo trình tự hợp lý, kiểm soát nhiệt độ nung nóng sơ bộ và giữa các lớp hàn, đồng thời xử lý nhiệt sau hàn bằng hỏa công nắn nhiệt giúp kiểm soát biến dạng hiệu quả.

4. Các loại thép nào được sử dụng cho dầm chính cầu Nhật Tân?
   Dầm chính sử dụng thép JIS G3106 SM570 cho bản cánh và bản bụng, cùng các loại thép SM490YA, SM490YB cho gân tăng cứng, đảm bảo cơ tính và độ bền phù hợp với yêu cầu kết cấu.

5. Biện pháp nào giúp giảm ứng suất dư khi hàn nhiều lớp?
   Kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn (interpass temperature), giảm nhiệt lượng đường hàn, hàn đồng thời hai mối hàn góc với năng lượng đường tăng khoảng 15-20% và xử lý nhiệt sau hàn là các biện pháp hiệu quả để giảm ứng suất dư.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình xử lý nhiệt trước, trong và sau khi hàn dầm chữ I kích thước lớn, áp dụng thực tế cho dầm chính và dầm ngang cầu Nhật Tân.
• Tính toán ứng suất dư và biến dạng cho thấy biến dạng mép bản cánh có thể giảm từ trên 5 mm xuống dưới 3 mm nhờ xử lý nhiệt và thiết kế đồ gá hàn phù hợp.
• Việc sử dụng thiết bị hàn tự động FCAW với các thông số dòng điện, tốc độ và điện áp được kiểm soát chặt chẽ góp phần nâng cao chất lượng mối hàn.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, giúp các nhà sản xuất kết cấu thép giảm chi phí sửa chữa, nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình cầu thép hiện đại.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng áp dụng công nghệ xử lý nhiệt cho các loại kết cấu thép khác và phát triển các thiết bị hàn tự động tiên tiến hơn.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị sản xuất và thi công cầu thép nên áp dụng quy trình xử lý nhiệt và công nghệ hàn được nghiên cứu để nâng cao chất lượng sản phẩm, đồng thời phối hợp với các viện nghiên cứu để cập nhật và hoàn thiện công nghệ trong tương lai.