Lượt xem: 0 Tác giả: Site Editor Thời gian xuất bản: 2026-09-07 Nguồn gốc: Địa điểm
Một sự hoàn chỉnh xe ben có thể nặng vài trăm tấn, mômen quay lật vượt quá vài nghìn tấn. Mỗi chu trình làm việc khiến cấu trúc phải chịu các tải trọng xen kẽ, ứng suất va đập và chu kỳ mỏi. Cấu trúc thép của nó đóng vai trò là bộ xương cơ học và bất kỳ khiếm khuyết nào trong mối hàn đều có thể dẫn đến hỏng cấu trúc sau hàng chục nghìn chu kỳ làm việc. Bài viết này trình bày chi tiết các điểm kỹ thuật chính của hàn kết cấu thép cho xe ben từ ba khía cạnh: kết cấu, quy trình và chất lượng.
Các bộ phận chịu lực cốt lõi của kết cấu thép xe ben bao gồm:
Dầm chính thường sử dụng dầm tiết diện hộp có chiều dày tấm từ 20 mm đến 60 mm, được làm bằng thép Q345B/Q345C, chịu được mômen uốn và lực cắt khi lật.
Dầm cuối nối các đầu của dầm chính. Mối hàn giáp mép giữa dầm cuối và dầm chính là mối hàn cấp I xuyên thấu hoàn toàn, yêu cầu chấp nhận 100% UT.
Bàn xoay (bệ lật) trực tiếp chịu trọng lượng của toa xe lửa. Kết cấu của nó chủ yếu là kết cấu dầm hộp tròn hoặc kết cấu liên hợp kiểu giàn. Các khu vực kết nối với hệ thống truyền động có nồng độ ứng suất cao, với thiết kế mối hàn được xếp loại I, yêu cầu kiểm soát ứng suất dư sau hàn.
Giá đỡ con lăn chịu tổng trọng lượng chết và tải trọng động. Độ dày tấm đế dao động từ 80 mm đến 120 mm, rơi vào hàn tấm siêu dày, đòi hỏi phải gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT).
Các bộ phận như tay nắm và tấm đỡ chịu được tác động động từ các toa tàu trong mỗi lần lật. Chúng thường liên quan đến việc hàn thép khác nhau giữa thép cường độ cao và thép chịu mài mòn (ví dụ Q345 + NM400). Sự phù hợp của vật liệu hàn và chất lượng quy trình hàn phải được kiểm tra riêng biệt.
Các điểm đỡ bản lề của hệ thống truyền động thủy lực là khu vực tập trung ứng suất cao điển hình. Các mối hàn phải đáp ứng các yêu cầu về thiết kế độ bền mỏi, thường được đánh giá theo tiêu chuẩn thiết kế mỏi BS 7608 hoặc IIW (Viện hàn quốc tế), tương ứng với cấp F2 hoặc G trong đường cong SN.
Đối với mỗi loại cấu hình mối nối, các bài kiểm tra chất lượng quy trình hàn (PQR) phải được hoàn thành trước khi hàn sản xuất để xác minh rằng các tính chất cơ học của kim loại mối hàn đáp ứng các yêu cầu thiết kế. Các chỉ số đánh giá cốt lõi bao gồm:
Mục kiểm tra |
Yêu cầu điển hình (Q345B/C) |
Độ bền kéo |
≥ 490 MPa |
Sức mạnh năng suất |
≥ 345 MPa |
Độ giãn dài sau gãy xương |
≥ 21% |
Năng lượng tác động (KV₂) ở -20oC/-40oC |
≥ 34J / ≥ 27J (tùy theo độ dày và nhiệt độ thiết kế) |
Kiểm tra uốn cong |
Uốn mặt / uốn cong gốc 180°, không có vết nứt |
Đối với các tấm dày ( ≥40 mm) và thép được sử dụng trong điều kiện nhiệt độ thấp, cần phải thử nghiệm độ bền kéo theo hướng Z bổ sung để đánh giá độ nhạy rách của lớp kim loại cơ bản. Cần phải giảm diện tích theo phương Z ψz ≥ 35% đối với các cấu kiện chịu tải tới hạn.
Đặc tính cơ học kim loại cơ bản (Dòng GB/T 1591 Q345)
Tài sản |
Q345B |
Q345C |
Q345D |
Năng suất ReL (MPa) |
≥ 345 |
≥ 345 |
≥ 345 |
Độ bền kéo Rm (MPa) |
470–630 |
470–630 |
470–630 |
Độ giãn dài A (%) |
≥ 21 |
≥ 22 |
≥ 22 |
Kiểm tra tác động Nhiệt độ (°C) |
+20 |
0 |
-20 |
Năng lượng tác động KV₂ (J) |
≥ 34 |
≥ 34 |
≥ 34 |
CEV tương đương carbon (điển hình) |
0,40–0,44 |
0,38–0,42 |
0,36–0,40 |
Các thông số phù hợp với vật liệu hàn
Kim loại cơ bản |
Phương pháp hàn |
Dây/Điện cực |
Thông lượng/Khí |
Tiêu chuẩn áp dụng |
Q345B/C |
CÁI CƯA |
H08MnA / H10Mn2 |
SJ101 |
GB/T 5293 |
Q345B/C |
FCAW |
E71T-1 / E71T-11 |
80%Ar+20%CO₂ |
AWS A5.20 |
Q345B/C |
GMAW |
ER70S-6 |
80%Ar+20%CO₂ |
AWS A5.18 |
Q345B/C |
SMAW |
E5015 / E5016 |
— |
GB/T 5117 |
Q345+NM400 |
FCAW |
E110T1-K3 |
80%Ar+20%CO₂ |
AWS A5.29 |
Ma trận ứng dụng phương pháp hàn
Phương pháp hàn |
Viết tắt |
Mối hàn áp dụng |
Phạm vi độ dày (mm) |
Vị trí |
Nhiệt lượng đầu vào (kJ/cm) |
Hiệu quả |
Hàn hồ quang chìm |
CÁI CƯA |
Các đường nối dọc dầm chính, các đường nối chu vi |
20–60 |
PA/PB |
25–40 |
Cao |
Hàn khí bảo vệ |
GMAW/FCAW |
Đường may ngắn, mối hàn phi lê |
12–40 |
Tất cả các vị trí |
12–28 |
Trung bình |
Hàn hồ quang kim loại được bảo vệ |
SMAW |
Hàn đính, hàn sửa chữa |
6–40 |
Tất cả các vị trí |
8–30 |
Thấp |
Việc hàn kết cấu thép của xe xúc lật áp dụng sự kết hợp của nhiều phương pháp hàn:
Hàn hồ quang chìm (SAW) : Được sử dụng cho các đường nối thẳng dài như các đường nối dọc và chu vi của dầm chính, với dây H08MnA/H10Mn2 và chất trợ dung thiêu kết SJ101. Dòng hàn 600 A–1000 A, điện áp hồ quang 30 V–38 V.
Hàn khí bảo vệ (GMAW/FCAW) : Được sử dụng cho các đường nối ngắn, mối hàn góc và mối hàn lắp đặt tại hiện trường. Dây lõi thuốc E71T-1 hoặc E71T-11, hàn ở mọi vị trí, ít bắn tóe và loại bỏ xỉ dễ dàng.
Hàn hồ quang kim loại được che chắn (SMAW) : Được sử dụng để hàn đính, hàn sửa chữa và hàn trong không gian hạn chế. Điện cực ít hydro E5015/E5016, được nung ở nhiệt độ 350oC–400oC trong 2 giờ trước khi sử dụng.
Chìa khóa của hàn tấm dày nằm ở việc kiểm soát chu trình nhiệt, đòi hỏi hệ thống quản lý bao gồm gia nhiệt trước, nhiệt độ giữa các lớp và xử lý nhiệt sau hàn:
Làm nóng sơ bộ
Khi độ dày tấm ≥ 25 mm hoặc CEV tương đương carbon ≥ 0,45%, nhiệt độ gia nhiệt trước ≥ 100oC.
Khi độ dày tấm ≥ 40 mm, nhiệt độ gia nhiệt trước là 120oC–150oC.
Khi độ dày tấm ≥ 60 mm hoặc đối với các mối nối chữ T có độ bền cao, nhiệt độ gia nhiệt trước là 150oC–200oC.
Vùng gia nhiệt trước: ít nhất ≥ 75 mm ở cả hai phía của mối hàn. Sử dụng miếng đệm sưởi điện hoặc sưởi bằng ngọn lửa, có giám sát thời gian thực bằng nhiệt kế hồng ngoại.
Loại khớp |
Độ dày (mm) |
Dây Dia. (mm) |
Dòng hàn (A) |
Điện áp hồ quang (V) |
Tốc độ hàn (cm/phút) |
Nhiệt lượng đầu vào (kJ/cm) |
Lớp/Lượt |
Góc rãnh |
Khoảng cách (mm) |
Mông (dầm chính dài. Đường may) |
20–30 |
φ4.0 |
550–650 |
30–34 |
40–50 |
20–30 |
2 lớp, 2 lượt |
60° |
0–2 |
Mông (dầm chính dài. Đường may) |
30–40 |
φ4.0 |
600–750 |
32–36 |
35–45 |
28–38 |
3 lớp, 4 lượt |
60° |
0–2 |
Mông (mông cuối dầm) |
40–60 |
φ5,0 |
700–900 |
34–38 |
30–40 |
35–50 |
4 lớp, 6 lượt |
50° |
0–3 |
Khớp chữ T (mặt bích) |
20–30 |
φ4.0 |
500–600 |
28–32 |
45–55 |
16–24 |
1 lớp, 1 lượt |
— |
— |
Khớp chữ T (mặt bích) |
30–40 |
φ4.0 |
600–700 |
30–34 |
35–45 |
24–36 |
2 lớp, 2 lượt |
— |
— |
Kiểm soát nhiệt độ Interpass
Trong quá trình hàn nhiều lớp và nhiều lớp, nhiệt độ giữa các lớp phải được kiểm soát chặt chẽ giữa nhiệt độ gia nhiệt trước và 250oC.
Chỉ định nhân viên giám sát nhiệt độ chuyên dụng, có ít nhất 3 bản ghi nhiệt độ giữa các lần hàn cho mỗi lần hàn.
Trong trường hợp nhiệt độ quá cao, dừng hàn và để nguội để tránh hạt bị cứng lại ở vùng chịu ảnh hưởng nhiệt.
Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT)
Đối với các mối hàn chịu lực quan trọng có độ dày tấm ≥ 40 mm, thực hiện xử lý nhiệt giảm ứng suất ở 580oC–620oC sau khi hàn.
Thời gian giữ được tính là 2,5 phút/mm, tối thiểu là 2 giờ.
Tốc độ gia nhiệt 200oC/h, tốc độ làm mát 260oC/h; không khí mát mẻ dưới 300oC.
Đối với các bộ phận lớn không thể xử lý toàn bộ bằng lò, hãy sử dụng phương pháp xử lý nhiệt cục bộ hoặc giảm ứng suất rung (VSR) làm giải pháp thay thế.
Dầm chính của xe ben có chiều dài trên 20m, việc kiểm soát biến dạng hàn ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của lắp ráp. Các chiến lược kiểm soát biến dạng như sau:
Khía cạnh thiết kế : Các mối hàn phải được bố trí đối xứng qua trục trung hòa của mặt cắt để giảm độ co ngót lệch tâm.
Khía cạnh quy trình : Trình tự hàn (hàn đối xứng, hàn bước sau, hàn bỏ qua), đầu vào nhiệt SAW 25 kJ/cm–40 kJ/cm.
Khía cạnh cố định : Sử dụng đồ gá hàn chuyên dụng và dụng cụ chống biến dạng; đặt trước độ khum hướng lên 3 mm/10 m–5 mm/10 m cho dầm chính.
Các ma trận tham số sau đây dựa trên các loại mối nối phổ biến và phạm vi độ dày được sử dụng trong kết cấu thép của xe xúc lật, được xác minh bằng trình độ chuyên môn và có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho việc chuẩn bị WPS.
Cấp dây: H08MnA / H10Mn2; Thông lượng: SJ101 (loại thiêu kết), nung ở 350oC × 2h; Phân cực: Phân cực ngược DC (DCEP).
Loại khớp |
Độ dày (mm) |
Dây Dia. (mm) |
Hiện tại (A) |
Điện áp (V) |
Tốc độ (cm/phút) |
Lưu lượng khí (L/phút) |
Nhiệt lượng đầu vào (kJ/cm) |
Dính ra (mm) |
Mông (tất cả các vị trí) |
12–20 |
φ1,2 |
220–280 |
24–28 |
25–35 |
15–20 |
12–20 |
15–20 |
Mông (phẳng) |
20–40 |
φ1,6 |
280–360 |
26–32 |
20–30 |
18–25 |
18–28 |
18–25 |
Phi lê (đường may ngắn) |
10–20 |
φ1,2 |
200–260 |
22–26 |
30–40 |
15–20 |
8–16 |
15–20 |
Fillet (mối hàn hiện trường) |
20–30 |
φ1,6 |
260–320 |
26–30 |
20–30 |
18–25 |
16–24 |
18–22 |
Cấp dây FCAW: E71T-1 (tất cả các vị trí) / E71T-11 (dọc xuống); Khí bảo vệ: 80%Ar + 20%CO₂; Phân cực: DCEP.
Điện cực Dia. (mm) |
Độ dày (mm) |
Hiện tại (A) |
Điện áp (V) |
Tốc độ (cm/phút) |
Nhiệt lượng đầu vào (kJ/cm) |
Ứng dụng điển hình |
φ3,2 |
6–12 |
100–130 |
22–26 |
12–18 |
8–14 |
Hàn đính, xuyên rễ |
φ4.0 |
10–20 |
150–180 |
24–28 |
10–16 |
14–22 |
Điền, che pass |
φ5,0 |
16–40 |
200–250 |
26–30 |
10–14 |
20–30 |
Đổ đầy tấm dày |
Cấp điện cực: E5015 (J507) / E5016 (J506), loại ít hydro; nướng ở nhiệt độ 350oC–400oC trong 2h trước khi sử dụng, giữ nguyên trong lò để sử dụng theo nhu cầu.
tham số |
GMAW khoảng cách hẹp |
Cưa khe hẹp |
Rãnh chữ V thông thường (để so sánh) |
góc rãnh |
10°–15° |
8°–12° |
60° |
Độ sâu rãnh |
60–100 mm |
60–100 mm |
60–100 mm |
Khoảng cách gốc |
2–4 mm |
2–4 mm |
0–3 mm |
Đi qua mỗi lớp |
1–2 |
1–2 |
3–5 |
Tổng khối lượng lấp đầy |
giảm 40%–60% |
giảm 45%–65% |
thẩm quyền giải quyết |
Đầu vào nhiệt hàn |
15–25 kJ/cm |
25–40 kJ/cm |
35–60 kJ/cm |
Nhiệt độ giữa |
200oC |
250oC |
250oC |
Biến dạng sau hàn |
giảm 30%–50% |
giảm 35%–55% |
thẩm quyền giải quyết |
Xử lý nhiệt: Ưu tiên xử lý bằng lò cho toàn bộ bộ phận; nếu không khả thi, hãy sử dụng các miếng đệm sưởi điện bằng gốm linh hoạt để sưởi ấm cục bộ, bao phủ một khu vực có độ dày tấm ít nhất 3× ở cả hai mặt của mối hàn và không nhỏ hơn 300 mm, với khoảng cách cặp nhiệt điện ≤ 300 mm và chênh lệch nhiệt độ được kiểm soát trong phạm vi ±20oC.
Dựa vào công thức IIW: CEV = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
Giá trị CEV |
Độ dày < 25mm |
Độ dày 25–40 mm |
Độ dày 40–60 mm |
Độ dày > 60 mm |
< 0,40 |
Không làm nóng trước |
Không làm nóng trước |
≥ 75oC |
≥ 100oC |
0,40–0,45 |
Không làm nóng trước |
≥ 75oC |
≥ 100oC |
≥ 125oC |
0,45–0,50 |
≥ 50oC |
≥ 100oC |
≥ 125oC |
≥ 150oC |
> 0,50 |
≥ 75oC |
≥ 125oC |
≥ 150oC |
≥ 175oC |
CEV điển hình cho Q345B: ≈ 0,40–0,44; đối với Q345C: ≈ 0,38–0,42.
Khi nhiệt độ môi trường ≤ 5oC, thêm 25oC vào tất cả nhiệt độ làm nóng trước.
Hệ thống kiểm tra chất lượng mối hàn kết cấu thép xe ben bao gồm các công đoạn sau:
Tất cả các mối hàn phải được kiểm tra bằng mắt 100%. Tiêu chí chấp nhận:
Bề ngoài mối hàn đồng đều, cốt thép 0–3 mm, độ lệch chiều rộng 2 mm.
Không có vết cắt, thiếu sự hợp nhất, độ xốp bề mặt, vết nứt miệng núi lửa hoặc các khuyết tật bề mặt khác.
Quá trình chuyển tiếp chân mối hàn trơn tru mà không có vết khía sắc nhọn (đặc biệt quan trọng ở những khu vực dễ bị mỏi).
Lớp hàn |
Kiểm tra siêu âm UT |
Hạt từ MT |
Kiểm tra chụp ảnh phóng xạ RT |
Lớp I |
100% (có thể chấp nhận GB/T cấp II) |
100% |
Kiểm tra tại chỗ 10%–20% |
Loại II |
20% (có thể chấp nhận GB/T cấp III) |
100% trên các lĩnh vực quan trọng |
— |
Loại III |
— |
Kiểm tra tại chỗ |
— |
Đối với các mối hàn xuyên thấu hoàn toàn có độ dày ≥ 40 mm, hãy bổ sung TOFD (Nhiễu xạ thời gian bay) hoặc Kiểm tra siêu âm mảng pha (PAUT) để cải thiện tỷ lệ phát hiện khuyết tật và độ chính xác định lượng.
Các tấm kiểm tra mối hàn của sản phẩm phải được hàn với cùng mẻ lò và quy trình giống như sản phẩm và được xử lý nhiệt cùng với sản phẩm.
Các mẫu từ các tấm thử nghiệm phải trải qua các thử nghiệm kéo, uốn và va đập (bộ đầy đủ các tính chất cơ học).
Nhiệt độ thử va đập phải được xác định bằng nhiệt độ sử dụng thiết kế tối thiểu (thường là -20oC hoặc -40oC).
Độ cong/quét dầm chính: Đo bằng máy toàn đạc hoặc máy theo dõi laser; độ lệch được kiểm soát trong phạm vi L/1000.
Độ phẳng của các bề mặt lắp đặt quan trọng: ≤ 1 mm/m.
Độ đồng trục của lỗ bản lề: φ0,5 mm.
Cấp độ làm sạch bằng phun mài mòn: Sa2,5 (mỗi GB/T 8923).
Hệ thống sơn: Sơn lót epoxy giàu kẽm (75 μm) + epoxy trung gian sắt mica (100 μm) + lớp phủ ngoài polyurethane (50 μm); tổng độ dày màng khô ≥ 225 μm.
Kiểm tra độ bám dính: Phương pháp cắt ngang, chấp nhận được cấp độ 0–1.
Hệ thống quản lý hàn (WMS) cho phép:
Thu thập và lưu trữ thời gian thực các thông số hàn (dòng điện, điện áp, tốc độ, đầu vào nhiệt).
Nhận dạng thợ hàn và truy xuất nguồn gốc trình độ chuyên môn.
Truy xuất nguồn gốc hàng loạt tiêu thụ và hồ sơ nướng.
Báo cáo NDT tương ứng với các vị trí hàn, hỗ trợ phân phối kỹ thuật số.
Đối với các mối nối phức tạp và hàn tấm siêu dày, các kỹ thuật mô phỏng hàn phần tử hữu hạn (ví dụ: Giao diện hàn Sysweld / Abaqus) được sử dụng để:
Mô phỏng các trường nhiệt độ và tối ưu hóa sơ đồ làm nóng trước.
Dự đoán ứng suất dư và hướng dẫn các thông số PWHT.
Dự đoán biến dạng và tối ưu hóa trình tự hàn cũng như lượng chống biến dạng.
Hàn khe hở hẹp : Đối với các mối hàn xuyên thấu hoàn toàn có độ dày ≥ 60 mm, sử dụng GMAW hoặc SAW khe hở hẹp với góc rãnh 10°–15°, giảm thể tích lấp đầy từ 40%–60%.
Máy hàn robot : Robot hàn 6 trục có bộ định vị, độ chính xác định vị lặp lại ± 0,1 mm.
Công nghệ hàn hiện trường : Để hàn lắp đặt tại chỗ các bộ phận lớn, được trang bị mái che hàn di động chịu được thời tiết và thiết bị xử lý nhiệt di động.
Việc hàn kết cấu thép xe ben phải tuân theo các tiêu chuẩn sau:
GB/T 12469 – Đảm bảo chất lượng hàn – Phân loại và phân loại các khuyết tật đối với mối hàn nóng chảy trong thép
GB 50661 – Mã hàn kết cấu thép
NB/T 47014 – Chứng nhận quy trình hàn cho thiết bị chịu áp lực (tham khảo)
AWS D1.1 – Mã hàn kết cấu – Thép (dành cho dự án xuất khẩu)
EN 1090-2 – Thi công kết cấu thép và kết cấu nhôm (đối với các dự án được đánh dấu CE, cấp độ EXC3/EXC4)
ISO 3834-2 – Yêu cầu chất lượng khi hàn – Yêu cầu chất lượng toàn diện (chứng nhận hệ thống)
Trình độ chuyên môn của thợ hàn: Tất cả các thợ hàn phải có chứng chỉ chuyên môn cho các phương pháp hàn tương ứng (theo GB/T 5185 hoặc ISO 9606) thông qua chứng nhận ISO 3834-2 và phải trải qua đào tạo lại và đánh giá lại kỹ năng thường xuyên.
Xe ben được sử dụng rộng rãi trong việc dỡ hàng rời tại các bến cảng, nhà máy nhiệt điện, các ngành công nghiệp luyện thép và luyện kim, thực hiện hàng trăm lượt quay mỗi ngày với sản lượng hàng năm tính bằng hàng chục triệu tấn.
Từ kiểm tra vật tư tiêu hao đầu vào đến phân phối mối hàn, từ mô phỏng quy trình đến thử nghiệm không phá hủy, bài viết này trình bày một cách có hệ thống hệ thống kỹ thuật hàn kết cấu thép máy xúc ô tô để ngành công nghiệp tham khảo.
Để biết thêm chi tiết về Quy trình hàn kết cấu thép của xe ben hoặc tư vấn kỹ thuật, vui lòng liên hệ với chúng tôi.
