Kiểm soát biến dạng hàn

Biến dạng hàn không phải là lỗi tay nghề — đó là vật lý chưa được thiết kế loại bỏ. Kim loại mối hàn co ngót khoảng 1 phần trăm khi nguội, tấm nguội xung quanh ràng buộc sự co ngót đó, và chi tiết hấp thụ phần chênh lệch bằng cách dịch chuyển. Trang này trình bày nguyên nhân, cách thiết kế để loại bỏ nó, cách kiểm soát nó trong đồ gá, và cách đo phần còn lại.

Vì sao co ngót hàn làm chi tiết biến dạng

Một mối hàn trải qua một chu trình nhiệt đầy đủ trong một phần nhỏ của giây: nóng chảy gần 1500°C rồi nguội trở lại nhiệt độ môi trường. Khi nguội, kim loại được đắp vào co lại. Mối hàn kết cấu thường co khoảng 1 phần trăm chiều dài của chúng theo hướng mối hàn.

Vấn đề là tấm nền không co theo. Nó đã nguội và cứng. Mối hàn bị gắn với các vùng lân cận, nên lực co phải được giải tỏa ở đâu đó — và chi tiết dịch chuyển. Vật liệu xung quanh càng cứng và càng dày thì chi tiết biến dạng càng ít và ứng suất dư càng cao. Biến dạng và ứng suất là hai đầu của cùng một sự đánh đổi.

Yếu tố	Ít biến dạng hơn khi	Vì sao
Nhiệt đầu vào	Thấp hơn	Ít kim loại bị nung nóng, làm nguội và co ngót hơn
Chiều dài mối hàn	Ngắn hơn, hoặc chia thành các đoạn đối xứng	Tổng lượng co ngót phải hấp thụ ít hơn
Độ cứng của chi tiết	Cao hơn — thêm cánh, gân hoặc tấm kẹp giữa	Độ cứng mang co ngót dưới dạng ứng suất thay vì thay đổi hình dạng
Vị trí mối hàn	Đối xứng qua tâm chi tiết	Các lực co ngót triệt tiêu thay vì cộng dồn
Ràng buộc	Đều và đàn hồi trong khi hàn	Ngăn biến dạng cục bộ mà vẫn giải phóng được về sau

Bốn kiểu biến dạng

Kiểu	Trông như thế nào	Nguyên nhân thường gặp
Biến dạng góc	Chi tiết xoay quanh đường hàn; một mép bị nhấc lên	Co ngót hàn kéo dọc theo một đường đơn lẻ mà không có gì đối xứng để cản
Võng (bowing)	Chi tiết cong ra xa đường hàn	Một mối hàn dọc theo một mép của tấm mỏng; tấm không có chỗ nào để đặt co ngót
Cong ngang (camber)	Một đường cong ngang qua trục mối hàn	Mối hàn ngắn hơn tấm mà nó nằm trên, để lại co ngót không cân bằng
Xoắn (twisting)	Các góc không còn đồng phẳng; hai đường chéo không bằng nhau	Co ngót không đối xứng, thường do trình tự hàn không cân bằng

Xoắn là kiểu hay bị bỏ sót nhất, vì ở bất kỳ hình chiếu đơn lẻ nào chi tiết vẫn trông phẳng. Hãy đo hai đường chéo: nếu chúng khác nhau thì chi tiết bị xoắn.

Phòng ngừa bằng thiết kế

Phần lớn biến dạng bạn tránh được là được quyết định trên bản vẽ, trước khi có ai cầm mỏ hàn lên.

Đòn bẩy thiết kế	Hiệu quả	Tác động chi phí
Dùng hàn laser thay vì TIG	Nhiệt đầu vào thấp hơn đáng kể và mối hàn hẹp hơn	Trung bình — quá trình khác, có thể cần chi tiết đường bao khớp hơn
Hàn liên tục thay vì hàn điểm ngắt quãng	Co ngót đều, chuyển vị góc ít hơn nhiều	Thấp — thường không thay đổi gì, hàn điểm vốn đã là một cách làm tắt
Thêm cánh gập gần mối hàn	Tăng độ cứng cục bộ để co ngót trở thành ứng suất	Thấp — thêm một mối uốn
Hàn vào một cánh thay vì vào mép phẳng	Cánh cản xoay, nên biến dạng góc giảm mạnh	Thấp — thay đổi chi tiết, không thay đổi quá trình
Làm tiết diện đối xứng	Các lực co ngót triệt tiêu thay vì cộng dồn	Thấp — một quyết định trên bản vẽ
Làm dày cục bộ tấm quanh mối hàn	Tăng độ cứng đúng chỗ cần thiết	Trung bình — thêm vật liệu
Tách thành hai chi tiết hàn thay vì một	Mỗi chi tiết biến dạng ít hơn một chi tiết phức tạp	Thêm một mối nối — thường không đáng

Trình tự hàn hạn chế dịch chuyển

1. Đính trước, theo kiểu đối xứng. Đặt các mối đính ở vị trí tương ứng trên cả hai phía của chi tiết, không đặt thành một hàng dọc giữa.
2. Kiểm tra đường chéo. Đo cả hai đường chéo của tấm phẳng và ghi các con số lại trước khi tiếp tục.
3. Hàn từ giữa ra ngoài. Chia mối hàn thành các đoạn và làm việc hướng ra ngoài. Điều này để co ngót chạy về các đầu tự do thay vì kéo phần giữa.
4. Đổi phía luân phiên với các mối hàn cân bằng. Mỗi phía nhường đi một lượng như nhau, nên chuyển vị tổng vẫn gần bằng không.
5. Đo lại giữa các đoạn. Nếu một đường chéo đã tăng quá mục tiêu độ phẳng của bạn, hãy dừng lại, để nguội và sửa trước khi thêm nhiệt.
6. Hàn các mối ngắn sau cùng. Một góc hàn ngắn ở cuối thêm ít chuyển vị hơn một đường hàn dài, nên đó là chỗ đúng để hấp thụ phần dư.

Đồ gá: ràng buộc mà không khóa ứng suất vào chi tiết

Đồ gá giữ chi tiết trong khi hàn. Ràng buộc quá ít thì chi tiết dịch chuyển; quá nhiều thì ứng suất dư bị khóa vào, và nó bung ra sau này khi tháo kẹp. Mục tiêu là ràng buộc đều và đàn hồi trong khi hàn.

Kỹ thuật	Cách nó giúp	Khi nào dùng
Kẹp ngay trên đường hàn	Giữ tấm gần nơi co ngót đang xảy ra	Tấm mỏng, nơi chuyển vị nặng nhất
Kẹp ở các mép tự do	Đẩy chuyển vị ra ngoài, xa mặt tới hạn	Khi một mặt làm kín phải giữ phẳng
Đồ gá bậc hoặc chia đoạn	Cho phép chuyển vị có kiểm soát, đàn hồi thay vì khóa cứng	Đường hàn dài trên chiều dày trung bình
Đối trọng hoặc quả nặng	Tạo ràng buộc đều mà không để lại vết kẹp cứng	Chi tiết mỏng đã đánh bóng, nơi vết kẹp là vấn đề
Đính với dòng điện mạnh	Đặt chi tiết vào vị trí với ít nhiệt thêm vào nhất	Cụm lắp cần định vị chính xác

So sánh quá trình theo mức biến dạng

Quá trình	Nhiệt đầu vào	Rủi ro biến dạng	Ứng dụng điển hình
Hàn laser	Rất thấp	Thấp nhất	Tấm mỏng, khay pin, cụm lắp chính xác
Plasma / hồ quang (TIG)	Trung bình đến cao	Trung bình đến cao	Thép không gỉ và nhôm nơi cần mối hàn đẹp về ngoại quan
MIG	Cao	Cao	Chế tạo thép kết cấu, tiết diện dày
Điểm / điện trở	Cục bộ	Rất thấp	Tấm phẳng, thiết bị gia dụng, mặt sau tủ

Trong nhà xưởng chúng tôi chạy hàn TIG và hàn laser; hàn điểm và hàn điện trở được bố trí qua một xưởng đối tác. Khi một chi tiết tới hạn về biến dạng và cần ngoại quan, hãy báo cho chúng tôi ngay ở bước RFQ — thường rẻ hơn là thay đổi quá trình so với vật lộn với biến dạng về sau.

Khi biến dạng đã xảy ra

Tình huống	Lựa chọn thực tế	Tác động chi phí
Chi tiết mỏng, võng nhẹ	Làm phẳng cơ học trong máy ép hoặc bằng tay áp lên một mặt chuẩn	Thấp
Chi tiết phải giữ phẳng và là bề mặt làm kín	Gia công mặt làm kín sau khi hàn	Trung bình — thêm cả một nguyên công gá đặt và gia công
Biến dạng vừa trên chi tiết kết cấu	Hàn lại dưới ràng buộc, hoặc chấp nhận và công bố trên bản vẽ	Cao
Ứng suất dư đe dọa nguyên công gia công sau đó	Ủ giảm ứng suất trước khi hoàn thiện	Trung bình — thêm thời gian chu kỳ

Cách sửa tốt nhất là phòng ngừa. Nếu một bản vẽ đến với yêu cầu độ phẳng chặt trên một tấm mỏng đã hàn, câu trả lời trung thực là quá trình có thể phải thay đổi — hàn laser, thêm cánh tăng cứng, hoặc gia công mặt đó — và người mua nên biết điều đó trước khi báo giá chứ không phải sau chi tiết đầu tiên.

Những lỗi thường gặp

#	Lỗi	Hậu quả	Cách làm đúng
1	Hàn một đường hàn dài trong một lượt	Co ngót tối đa theo một hướng; võng mạnh	Chia mối hàn thành đoạn, làm từ giữa ra ngoài, đổi phía luân phiên.
2	Kẹp cứng một tấm mỏng	Ứng suất dư bị khóa vào; chi tiết bung ra khi tháo kẹp	Ràng buộc đều và đàn hồi; kẹp gần mối hàn, không kẹp ở mặt tới hạn.
3	Kiểm tra độ phẳng bằng mắt	Xoắn và võng vẫn qua được kiểm tra thị giác	Đo cả hai đường chéo và khoảng cách tới một thước thẳng.
4	Ghi độ phẳng mà không có điều kiện đo	Nhà cung cấp và người mua đo những thứ khác nhau; tranh cãi không hồi kết	Ghi rõ các mặt, chiều dài và điều kiện đỡ.
5	Dùng hàn điểm để tiết kiệm nhiệt trên tấm cứng	Biến dạng góc ở mọi mối đính	Hàn liên tục trên tấm cứng; chỉ hàn điểm ở chỗ cần độ mềm dẻo.
6	Chọn TIG khi ngoại quan là thứ yếu	Biến dạng và chi phí thêm mà không có lợi ích chức năng	Dùng hàn laser cho tấm mỏng, tới hạn về biến dạng.
7	Hàn mặt làm kín sau cùng trên một tấm không được đỡ	Vênh phá hỏng bề mặt duy nhất quan trọng	Sắp trình tự hàn mặt làm kín sớm và giữ nó được kẹp phẳng.
8	Chấp nhận biến dạng mà không báo cho người mua	Chi tiết hỏng ở khâu lắp ráp; nhà cung cấp phải chịu trách nhiệm	Công bố mức biến dạng đã đo trên báo cáo kiểm tra.

Các trang kim loại tấm liên quan

• Thiết kế cho kim loại tấm — khả năng tiếp cận khi hàn, tai giữ và các đặc tính nối
• Dung sai và hoàn thiện bề mặt — công bố biến dạng và độ phẳng đúng cách
• Chọn vật liệu — đàn hồi ngược và khả năng hàn theo hợp kim
• Dịch vụ gia công kim loại tấm — hàn TIG và hàn laser tại xưởng