MỸ – Thiết kế mối hàn là yếu tố quyết định kiểu hàn cần thực hiện. Hiện nay, có nhiều kiểu hàn khác nhau, và mỗi loại sẽ phù hợp cho một ứng dụng cụ thể. Trong bài viết này, các chuyên gia đến từ tập đoàn ESAB sẽ phân tích năm loại liên kết hàn cơ bản, và chia sẻ một số bí quyết để mối hàn đạt chất lượng cao.
Thiết kế mối hàn Một mối hàn được hình thành khi hai hoặc nhiều vật liệu được kết nối lại với nhau bằng quy trình hàn, có hoặc không sử dụng thêm vật liệu hàn (que hàn/ dây hàn). Người thợ có thể tạo ra mối hàn từ các kim loại đồng chất hoặc khác chất.
Có rất nhiều yếu tố cộng hưởng để tạo ra một mối hàn chất lượng tốt. Trong đó, việc hiểu kết cấu của mối nối là điều quan trọng để tạo một đường hàn chất lượng cao. Thiết kế mối hàn sẽ định hình kiểu hàn cần thực hiện nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng của từng ứng dụng thực tế.
Dưới đây là một số ví dụ điển hình về thiết kế mối hàn và kiểu hàn tương ứng: – Liên kết giáp mép: hàn rãnh – Liên kết chữ T: hàn góc trong – Liên kết góc: hàn rãnh, hay hàn góc
Năm loại liên kết hàn cơ bản Hiệp hội hàn Mỹ (AWS – American welding society) phân loại năm loại liên kết hàn cơ bản sau đây: – Liên kết giáp mép (butt joint) – Liên kết chồng (lap joint) – Liên kết mép (edge joint) – Liên kết chữ T (tee joint) – Liên kết góc (corner joint)
Liên kết giáp mép Liên kết giáp mép được hình thành khi hai phôi gia công được đặt trên cùng một mặt phẳng và phần cạnh của mỗi phôi được gắn kết với nhau bằng mối hàn. Đây là kiểu mối hàn phổ biến nhất, được ứng dụng rộng rãi trong quy trình chế tạo đường ống và các kết cấu chịu lực. Các liên kết giáp mép rất dễ chuẩn bị trước khi hàn. Kiểu liên kết này có nhiều biến thể khác nhau, và mỗi biến thể lại phục vụ cho một mục đích riêng biệt.
Một số ví dụ điển hình về biến thể của liên kết giáp mép bao gồm: – Rãnh chữ U đơn (single U) – Rãnh chữ U kép (double U) – Rãnh chữ V đơn (single V) – Rãnh chữ V kép (double V) – Vát một mặt (single bevel) – Vát kép (double bevel) – Cạnh thẳng/ không vát (square)
Trong quá trình hàn, vùng bề mặt kim loại bị nóng chảy được gọi là bề mặt tiếp giáp. Trước khi tiến hành hàn, bề mặt tiếp giáp này sẽ được định hình để tăng cường độ bền cho mối hàn, quy trình này được gọi là chuẩn bị cạnh hàn. Cả hai phía của liên kết giáp mép được chuẩn bị cạnh giống nhau, hoặc mỗi phía được gia công theo một kiểu khác nhau tùy theo yêu cầu.
Việc chuẩn bị cạnh hàn (hoặc định hình bề mặt tiếp giáp) được thực hiện nhằm mục đích giúp mối hàn ngấu sâu hơn, tăng cường khả năng chịu lực và tạo bề mặt thẩm mỹ, nhẵn mịn. Công đoạn này cũng đảm bảo mối hàn tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật. Quá trình chuẩn bị mối hàn giáp mép chuẩn xác phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, bao gồm hình dạng rãnh khía, độ rộng của khe hở và kỹ thuật hàn bù nhiều lớp (layering). Rãnh hàn càng rộng thì càng cần nhiều lượt đi dây/ que hàn để hoàn thiện mối nối. Đối với các tấm vật liệu mỏng, thợ hàn có thể đạt được mối hàn ngấu hoàn toàn (full penetration) với kiểu liên kết giáp mép cạnh thẳng. Tuy nhiên, đối với các tấm vật liệu dày hơn, việc hàn ngấu hoàn toàn chỉ khả thi khi có sự hỗ trợ của việc vát rãnh. Với các kim loại dày, thiết kế mối nối đóng vai trò quan trọng nhằm đảm bảo một đường hàn chắc chắn, không bị lỗi.
Độ dày của vật liệu và ứng dụng thực tế sẽ quyết định các cạnh của liên kết giáp mép nên được vát góc hay để thẳng. Mặc dù các cạnh vát tạo ra mối hàn chắc chắn hơn, nhưng chúng lại cần lượng vật liệu tiêu hao nhiều hơn và thời gian thi công dài hơn.
Một số lỗi kỹ thuật phổ biến xảy ra ở các liên kết giáp mép bao gồm rỗ khí (porosity), chảy thủng (burn through), không thấu/ ngấu không hoàn toàn (incomplete penetration) và nứt cốt hàn (cracking). Tuy nhiên, những lỗi này hoàn toàn có thể phòng tránh được bằng cách điều chỉnh các thông số hàn và kỹ thuật thao tác.
Liên kết chồng Trong một liên kết chồng, bề mặt của hai phôi gia công được đặt gối lên nhau. Mối hàn sẽ được hình thành tại vị trí giao nhau giữa các bề mặt này. Độ dày của phôi gia công sẽ quyết định diện tích của vùng chồng lên nhau. Phôi càng dày thì yêu cầu diện tích chồng (độ gối bề mặt) càng lớn.
Các liên kết chồng có đặc tính cơ học tốt. Khi thực hiện hàn liên kết chồng, điều quan trọng là cần đảm bảo không có khe hở giữa hai phôi gia công. Đối với việc hàn các vật liệu mỏng hơn như kim loại tấm (tôn tấm), hãy cân nhắc việc giảm cường độ dòng điện và tăng tốc độ di chuyển mỏ hàn/ que hàn để tránh hiện tượng biến dạng nhiệt và chảy thủng.
Sẽ có những lúc cần lựa chọn giữa liên kết giáp mép và liên kết chồng. Liên kết chồng đảm bảo khả năng chịu lực tốt hơn tại các vùng có ứng suất cao (*). Tuy nhiên, kiểu liên kết này không tạo ra được một bề mặt phẳng mịn, khiến mối hàn lộ rõ và dễ nhìn thấy hơn so với mối hàn giáp mép. (*) Ứng suất: là đại lượng mô tả mức độ lực tác động bên trong vật liệu chịu tải. Khi kéo, nén, uốn hoặc xoắn một vật thể, bên trong vật thể sẽ xuất hiện lực “chống lại” sự biến dạng đó. Lực nội tại này được biểu diễn bằng ứng suất.
Liên kết mép Liên kết mép được sử dụng khi hai tấm kim loại được đặt cạnh nhau và tiến hành hàn dọc theo mép tiếp xúc. Kiểu liên kết này thường được ứng dụng tại những vị trí mà phôi gia công không chịu ứng suất hay lực tác động lớn. Có nhiều loại liên kết mép khác nhau dựa trên cách chuẩn bị mép phôi trước khi hàn. Một số kiểu chuẩn bị cho liên kết mép bao gồm: – Rãnh chữ J (J-groove) – Rãnh chữ U (U-groove) – Rãnh chữ V (V-groove) – Rãnh vát một mặt (bevel-groove) – Rãnh góc (corner-groove) – Rãnh thẳng/ không vát (square-groove)
Liên kết góc Liên kết góc được hình thành khi hai phôi gia công được hàn với nhau một góc 90° để tạo thành hình chữ L. Kiểu liên kết này rất dễ lắp ráp và cần ít công đoạn chuẩn bị mép hàn, đôi khi không cần thiết. Có hai loại liên kết góc chính, liên kết góc hở (open corner joint) và liên kết góc kín (closed corner joint). Trong một liên kết góc kín, mép của phôi này sẽ nằm sát với mép của phôi kia. Ngược lại, trong một liên kết góc hở, hai mép của phôi chỉ chạm nhau ở phần rìa góc ngoài, để lộ ra một khoảng trống có thể nhìn thấy rõ độ dày của từng phôi. Liên kết góc phần lớn được ứng dụng trong các dự án yêu cầu kết cấu khung vuông.
Có thể lựa chọn giữa liên kết góc hở và liên kết góc kín tùy thuộc vào độ dày của vật liệu cũng như yêu cầu chịu lực của ứng dụng thực tế. Khi thực hiện hàn liên kết góc hở trên các vật liệu mỏng, hãy cân nhắc tăng tốc độ di chuyển mỏ hàn/ que hàn để tránh hiện tượng chảy thủng. Bản chất của các liên kết góc hở sẽ tạo ra một rãnh dạng chữ V. Tùy thuộc vào độ dày của vật liệu, kiểu liên kết này sẽ cần lượng vật liệu tiêu hao nhiều hơn. Trong khi đó, hàn liên kết góc kín cần mài phẳng bề mặt mối hàn. Công đoạn này giúp tạo ra sự chuyển tiếp ổn định, liền mạch từ vị trí mối hàn sang vật liệu cơ bản.
Khi tạo một liên kết góc, hãy đảm bảo các phôi gia công được sắp xếp và gia công thật chuẩn xác. Tùy thuộc vào cách chuẩn bị mối nối, nguy cơ xảy ra biến dạng (cong vênh) sau khi hàn là rất lớn. Để ngăn chặn tình trạng này, hãy thiết kế hoặc sử dụng đồ gá chuyên dụng để giữ chặt phôi gia công tại vị trí mong muốn.
Liên kết chữ T Liên kết chữ T được hình thành khi hai phôi gia nối với nhau ở một góc 90°. Trong kiểu liên kết này, cạnh của một phôi sẽ được hàn trực tiếp vào chính giữa bề mặt phẳng của phôi còn lại để tạo thành hình chữ T đặc trưng. Một ống tròn hoặc hộp được hàn vào tấm đế (base plate) cũng thuộc loại liên kết chữ T. Kiểu liên kết này có độ bền cơ học cao, đặc biệt là khi được hàn kín từ cả hai phía. Liên kết chữ T được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực chế tạo bao gồm hệ thống đường ống, thép kết cấu và các thiết bị công nghiệp.
Khi áp dụng đúng các thông số hàn và kỹ thuật chuẩn xác, liên kết chữ T rất dễ thao tác và yêu cầu ít công đoạn chuẩn bị mối nối hơn. Trong quá trình chuẩn bị liên kết chữ T, điều quan trọng là ưu tiên hàn ở phía của mối nối sẽ chịu lực tác động. Phần chân/ đáy mối hàn cần đạt độ thấu/ ngấu hiệu quả. Tất cả tải trọng hoặc lực va đập từ phía đối diện của mối nối đều có thể dẫn đến nguy cơ phá hủy (nứt gãy) mối hàn. Có thể phòng tránh điều này bằng cách hàn đều ở cả hai mặt để đạt được độ bền tối đa. Ngoài ra, liên kết chữ T cũng rất linh hoạt và dễ hàn ở nhiều vị trí như nằm ngang, phẳng, thẳng đứng và trên cao.
Khi hàn liên kết chữ T góc 90°, hãy chia đôi góc này và duy trì góc của mỏ hàn/ que hàn ở mức 45° để đảm bảo độ ngấu sâu đồng đều trên cả hai phôi gia công. Trong trường hợp hàn hai vật liệu có độ dày khác nhau, cần tập trung nhiệt lượng và đường hàn vào bên phía vật liệu dày hơn. Nứt tách thớ (lamellar tearing) (*), hiện tượng xảy ra do sự kìm hãm ứng suất bên trong mối nối, là một trong những lỗi phổ biến nhất được ghi nhận ở các liên kết chữ T. Để ngăn ngừa mọi sự biến dạng của liên kết, các thợ hàn thường đặt thêm các miếng chặn hoặc thanh chống. (*) Lamellar tearing: là hiện tượng nứt dạng lớp xảy ra trong thép, thường xuất hiện ở vùng liên kết hàn khi vật liệu chịu ứng suất kéo theo chiều dày của tấm thép. Các vết nứt này phát triển song song với bề mặt thép cán, tạo thành từng lớp giống như vật liệu bị “xé tách” theo mặt phẳng bên trong.
Kết luận Tóm lại, có năm loại liên kết hàn cơ bản. Việc lựa chọn kiểu mối hàn cụ thể nào sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào ứng dụng thực tế và yêu cầu về độ bền chịu lực. Do đó, việc thấu hiểu sự khác biệt giữa các loại mối nối là điều quan trọng khi lựa chọn thiết kế liên kết tối ưu nhất cho một dự án gia công. Thông tin này sẽ là nền tảng vững chắc giúp đảm bảo việc áp dụng đúng kiểu liên kết và kỹ thuật hàn chuẩn xác cho mọi công trình.
Để xem các tin bài khác về “Liên kết hàn”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Shop Metalworking Technology
