Kiểm tra độ sâu hàn

Kiểm tra độ sâu hàn – Khái niệm và bản chất kỹ thuật

Trong lĩnh vực kiểm định chất lượng công trình xây dựng, đặc biệt đối với các kết cấu thép chịu lực, kiểm tra độ sâu hàn (hay còn gọi là kiểm tra độ ngấu của mối hàn – weld penetration depth) là một trong những chỉ tiêu kỹ thuật then chốt, quyết định trực tiếp đến khả năng chịu tải, độ bền mỏi và tuổi thọ làm việc của liên kết. Hiểu một cách chính xác, độ sâu hàn là khoảng cách tính từ bề mặt kim loại nền ban đầu đến điểm sâu nhất mà kim loại mối hàn đã nóng chảy và hòa tan vào kim loại nền trong quá trình hàn.

Độ sâu hàn không đơn thuần là một thông số hình học. Nó phản ánh mức độ liên kết luyện kim giữa kim loại đắp và kim loại nền, đồng thời là thước đo gián tiếp của chất lượng công nghệ hàn, chế độ hàn và tay nghề thợ hàn. Một mối hàn có độ sâu ngấu đạt yêu cầu sẽ đảm bảo tiết diện làm việc thực tế của liên kết đúng như thiết kế, từ đó truyền lực một cách liên tục và đồng đều qua vùng mối hàn.

Ngược lại, khi độ sâu hàn không đạt – hay còn gọi là hiện tượng thiếu ngấu (lack of penetration) – mối hàn sẽ tồn tại một khe hở hoặc vùng không liên kết tại chân mối hàn. Đây chính là điểm tập trung ứng suất nghiêm trọng, là nơi khởi phát vết nứt mỏi dưới tác động của tải trọng động, rung động hoặc thay đổi nhiệt độ. Trong nhiều vụ sự cố sập kết cấu thép nhà công nghiệp, giàn không gian, cầu trục hay dầm cầu, nguyên nhân sâu xa thường được các chuyên gia của chúng tôi truy về chính là sự thiếu hụt độ sâu hàn tại các nút liên kết trọng yếu.

Độ sâu hàn là thông số "ẩn" – không thể quan sát trực tiếp bằng mắt thường sau khi hoàn thiện mối hàn, do đó bắt buộc phải sử dụng các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) hoặc phá hủy mẫu đại diện để xác định chính xác.

Cơ sở pháp lý và hệ thống tiêu chuẩn áp dụng tại Việt Nam

Hoạt động kiểm tra độ sâu hàn tại Việt Nam được điều chỉnh bởi một hệ thống văn bản quy phạm pháp luật và tiêu chuẩn kỹ thuật khá đồng bộ, bao gồm các Luật, Nghị định, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN) và Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN). Khi thực hiện kiểm định, chúng tôi luôn căn cứ vào thứ tự ưu tiên: hợp đồng – thiết kế – tiêu chuẩn dẫn chiếu trong thiết kế – TCVN/QCVN hiện hành.

Các tiêu chuẩn nền tảng về mối hàn và kiểm tra không phá hủy

• TCVN 1548:1987 – Mối hàn kim loại. Phương pháp kiểm tra phá hủy (macro-etch) để xác định hình dạng, kích thước và độ sâu ngấu của mối hàn.
• TCVN 6111:2009 (ISO 5817:2003) – Hàn. Các mối hàn nóng chảy ở thép, niken, titan và hợp kim của chúng. Mức chất lượng đối với khuyết tật. Tiêu chuẩn này phân loại mức B (khắt khe), C (trung bình), D (thông thường), trong đó quy định rõ giới hạn cho phép của khuyết tật thiếu ngấu.
• TCVN 6735:2000 – Mối hàn kim loại. Phương pháp kiểm tra không phá hủy bằng siêu âm.
• TCVN 5408:2007 (ISO 17640) – Kiểm tra không phá hủy mối hàn. Kiểm tra siêu âm – Kỹ thuật, phương pháp và mức đánh giá.
• TCVN 6521:1999 (ISO 10675) – Kiểm tra không phá hủy mối hàn bằng phương pháp chụp phim tia X và tia gamma.
• TCVN 8985:2011 (ISO 17637:2003) – Kiểm tra không phá hủy mối hàn. Kiểm tra bằng mắt thường.

Tiêu chuẩn thiết kế và thi công kết cấu thép

• TCVN 5575:2012 – Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế. Quy định về tính toán liên kết hàn, trong đó tiết diện tính toán của đường hàn phụ thuộc trực tiếp vào độ sâu ngấu thực tế.
• TCXDVN 338:2005 – Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế (bản cũ nhưng vẫn được dẫn chiếu trong nhiều hồ sơ).
• TCVN 12366:2018 – Kết cấu thép – Thi công và nghiệm thu.
• AWS D1.1/D1.1M – Structural Welding Code – Steel: tiêu chuẩn Mỹ được áp dụng rộng rãi cho các dự án FDI, nhà xưởng công nghiệp tại Việt Nam, quy định rất chi tiết về độ sâu ngấu tối thiểu cho từng loại mối hàn (CJP, PJP).
• AS/NZS 1554, EN 1090-2 – các tiêu chuẩn Úc, châu Âu thường được chỉ định trong dự án có vốn nước ngoài.

Yêu cầu pháp lý về năng lực kiểm định

Theo Nghị định 06/2021/NĐ-CP và Nghị định 62/2016/NĐ-CP về điều kiện kinh doanh dịch vụ đánh giá sự phù hợp, hoạt động kiểm tra độ sâu hàn bằng phương pháp NDT phải được thực hiện bởi tổ chức có đăng ký lĩnh vực kiểm tra không phá hủy, với nhân sự có chứng chỉ bậc 2 trở lên theo TCVN ISO 9712 hoặc tương đương (PCN, ASNT). Thiết bị siêu âm, máy chụp phim phải được hiệu chuẩn định kỳ tại đơn vị được chỉ định. Đây là yêu cầu bắt buộc để kết quả kiểm tra có giá trị pháp lý khi nghiệm thu hoặc khi xảy ra tranh chấp.

Phân loại mối hàn và yêu cầu độ sâu ngấu tương ứng

Không phải mọi mối hàn đều yêu cầu độ sâu ngấu như nhau. Tùy thuộc vào loại liên kết, vị trí chịu lực và cấp độ thực thi (execution class) theo thiết kế, yêu cầu về độ sâu hàn sẽ khác biệt đáng kể. Hiểu rõ phân loại này giúp kỹ sư kiểm định đưa ra phương án kiểm tra phù hợp, tránh lãng phí hoặc bỏ sót.

Đối với mối hàn CJP, bất kỳ sự thiếu ngấu nào tại chân mối hàn đều bị coi là khuyết tật nghiêm trọng và phải sửa chữa. Đối với mối hàn PJP, độ sâu ngấu tối thiểu được ghi rõ trên bản vẽ chế tạo (shop drawing), và kỹ sư kiểm định phải đối chiếu với giá trị này để đánh giá đạt/không đạt. Đây cũng là lý do vì sao tại Kiểm Định Xây Dựng Miền Nam, trước khi tiến hành kiểm tra hiện trường, chúng tôi luôn yêu cầu chủ đầu tư cung cấp đầy đủ hồ sơ thiết kế, quy trình hàn (WPS) và chứng chỉ tay nghề thợ hàn (WPQ).

Các phương pháp kiểm tra độ sâu hàn trong thực tế kiểm định

Việc lựa chọn phương pháp kiểm tra phụ thuộc vào loại mối hàn, khả năng tiếp cận, yêu cầu của thiết kế và ngân sách dự án. Dưới đây là các phương pháp được áp dụng phổ biến, sắp xếp theo mức độ từ không phá hủy đến phá hủy.

Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic Testing – UT)

Đây là phương pháp chủ lực để xác định độ sâu hàn của các mối hàn đối đầu và mối hàn góc có chiều dày lớn. Nguyên lý: sóng siêu âm tần số cao (thường 2–5 MHz) được phát vào mối hàn qua đầu dò góc (thường 45°, 60°, 70°). Khi gặp bề mặt phản xạ (chân mối hàn, khuyết tật), sóng sẽ dội lại và hiển thị trên màn hình thiết bị dưới dạng xung A-scan. Dựa vào thời gian truyền và biên độ xung, kỹ thuật viên xác định được vị trí, kích thước và độ sâu ngấu của mối hàn.

Ưu điểm của UT là có thể kiểm tra bên trong mà không làm hỏng kết cấu, phát hiện được khuyết tật thiếu ngấu, rỗ khí, nứt, ngậm xỉ. Hạn chế là đòi hỏi kỹ thuật viên có kinh nghiệm, khó áp dụng với mối hàn có chiều dày dưới 8 mm hoặc vật liệu hạt thô (thép đúc, thép không gỉ austenit).

Hiện nay, kỹ thuật siêu âm mảng pha (Phased Array Ultrasonic Testing – PAUT) và siêu âm TOFD (Time of Flight Diffraction) đang được áp dụng ngày càng nhiều nhờ khả năng quét toàn bộ tiết diện mối hàn trong một lần, cho hình ảnh trực quan và độ chính xác cao hơn UT truyền thống.

Chụp phim tia X (Radiographic Testing – RT)

Phương pháp này sử dụng tia X hoặc tia gamma (Ir-192, Se-75) chiếu xuyên qua mối hàn lên phim hoặc detector số. Vùng thiếu ngấu sẽ hấp thụ ít tia hơn, tạo ra vệt sáng trên phim. RT cho kết quả trực quan, lưu trữ được dưới dạng phim, rất có giá trị làm bằng chứng pháp lý. Tuy nhiên, RT có nhược điểm lớn về an toàn bức xạ, chi phí cao, thời gian thực hiện lâu và khó phát hiện khuyết tật dạng mặt phẳng (như nứt, thiếu ngấu dọc) nếu hướng tia không vuông góc với mặt phẳng khuyết tật.

Kiểm tra bằng dòng điện xoáy (Eddy Current Testing – ET)

ET thường được dùng để kiểm tra độ sâu ngấu của mối hàn điểm (spot weld) trong kết cấu thép mỏng, kết cấu ô tô, hoặc để đo chiều dày lớp phủ. Đối với mối hàn hồ quang thông thường trong xây dựng, ET ít được sử dụng do hạn chế về độ sâu xuyên thấu.

Kiểm tra phá hủy – Mẫu vĩ mô (Macro-etch Test)

Đây là phương pháp trực tiếp và chính xác nhất để xác định độ sâu hàn. Một mẫu đại diện được cắt ra từ mối hàn (hoặc từ mẫu hàn thử cùng chế độ), mài nhẵn, tẩm thực bằng dung dịch axit (thường là Nital 2–5% đối với thép cacbon) để làm nổi rõ ranh giới giữa kim loại mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và kim loại nền. Sau đó đo trực tiếp độ sâu ngấu bằng thước kẹp hoặc kính hiển vi.

Macro-etch thường được áp dụng trong các trường hợp: (1) thẩm tra quy trình hàn (WPS qualification); (2) kiểm tra định kỳ tay nghề thợ hàn; (3) điều tra sự cố khi có nghi ngờ về chất lượng mối hàn; (4) làm cơ sở đối chứng cho kết quả UT/RT. Tại Kiểm Định Xây Dựng Miền Nam, chúng tôi thường kết hợp macro-etch với UT để hiệu chuẩn và nâng cao độ tin cậy của kết quả kiểm tra hiện trường.

Kiểm tra bằng mắt thường và thước đo mối hàn

Mặc dù không thể đo trực tiếp độ sâu ngấu, kiểm tra bằng mắt thường (VT) với sự hỗ trợ của thước đo mối hàn (weld gauge) giúp phát hiện các dấu hiệu gián tiếp của thiếu ngấu: mép hàn không đều, chân hàn bị lõm, rãnh hàn quá hẹp, chiều cao mối hàn bất thường. VT là bước bắt buộc trước khi tiến hành UT/RT theo quy định của TCVN 8985.

Quy trình kiểm tra độ sâu hàn theo thực tế hiện trường

Một quy trình kiểm tra chuẩn mực không chỉ đảm bảo độ chính xác kỹ thuật mà còn tạo ra hồ sơ pháp lý vững chắc cho công trình. Dưới đây là quy trình 7 bước mà chúng tôi áp dụng cho hầu hết các dự án kiểm định kết cấu thép:

Bước 1: Tiếp nhận hồ sơ và khảo sát sơ bộ

Thu thập bản vẽ thiết kế, bản vẽ chế tạo, quy trình hàn (WPS), chứng chỉ vật liệu, chứng chỉ thợ hàn, biên bản nghiệm thu công việc xây dựng. Xác định danh mục mối hàn cần kiểm tra, tỷ lệ kiểm tra (thường 10%, 20%, 100% tùy cấp độ thực thi theo TCVN 12366 hoặc AWS D1.1).

Bước 2: Lập kế hoạch kiểm tra (Inspection and Test Plan – ITP)

Xác định phương pháp NDT, vị trí kiểm tra, tiêu chuẩn chấp nhận, nhân sự thực hiện, thiết bị sử dụng. ITP phải được chủ đầu tư và tư vấn giám sát phê duyệt trước khi triển khai.

Bước 3: Chuẩn bị bề mặt mối hàn

Loại bỏ xỉ hàn, bắn tóe, sơn, dầu mỡ trên bề mặt mối hàn và vùng lân cận (ít nhất 25 mm hai bên). Đối với UT, bề mặt phải nhẵn, độ nhám Ra ≤ 12,5 µm. Đây là bước thường bị bỏ qua nhưng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng kết quả siêu âm.

Bước 4: Hiệu chuẩn thiết bị

Hiệu chuẩn máy siêu âm trên khối chuẩn IIW V1 hoặc V2, xác định điểm ra sóng, góc khúc xạ, khoảng cách bước sóng. Lập đường cong DAC (Distance Amplitude Correction) hoặc DGS theo yêu cầu của TCVN 5408.

Bước 5: Thực hiện kiểm tra và ghi nhận dữ liệu

Tiến hành quét đầu dò theo kỹ thuật đã quy định (quét dọc, quét ngang, quét zíc-zắc). Ghi nhận vị trí, biên độ, độ sâu của các chỉ thị bất thường. Đối với mối hàn CJP, chú trọng kiểm tra vùng chân mối hàn và vùng giữa mối hàn – nơi thường xảy ra thiếu ngấu.

Bước 6: Đánh giá và phân loại kết quả

So sánh kết quả với tiêu chuẩn chấp nhận. Theo TCVN 6111, khuyết tật thiếu ngấu ở mức B là không được phép; ở mức C và D có giới hạn chiều dài cho phép tùy theo chiều dày. Lập biên bản kiểm tra, bản đồ khuyết tật.

Bước 7: Báo cáo và kiến nghị xử lý

Báo cáo phải bao gồm: thông tin công trình, tiêu chuẩn áp dụng, danh mục mối hàn kiểm tra, kết quả chi tiết, kết luận đạt/không đạt, kiến nghị sửa chữa (nếu có). Các mối hàn không đạt phải được đánh dấu, lập quy trình sửa chữa (repair procedure), kiểm tra lại sau khi sửa.

Các dạng khuyết tật liên quan đến độ sâu hàn và cách nhận biết

Hiểu rõ các dạng khuyết tật giúp kỹ sư kiểm định phân biệt chính xác giữa thiếu ngấu và các chỉ thị giả, tránh đánh giá sai dẫn đến sửa chữa không cần thiết hoặc bỏ sót khuyết tật nguy hiểm.

• Thiếu ngấu chân (Root lack of penetration): Xảy ra tại chân mối hàn, thường do dòng hàn thấp, tốc độ hàn cao, khe hở chân quá nhỏ, góc vát không đủ. Trên UT, chỉ thị xuất hiện ở độ sâu bằng chiều dày chi tiết, biên độ cao, đối xứng hai phía.
• Thiếu ngấu cạnh (Sidewall lack of fusion): Kim loại hàn không nóng chảy vào thành rãnh hàn. Trên UT, chỉ thị xuất hiện ở độ sâu trung gian, biên độ thay đổi theo góc quét.
• Thiếu ngấu giữa các lớp (Inter-run lack of fusion): Xảy ra khi hàn nhiều lớp, lớp sau không nóng chảy hoàn toàn vào lớp trước. Khó phát hiện bằng UT thông thường, thường cần PAUT hoặc RT.
• Ngậm xỉ (Slag inclusion): Thường đi kèm với thiếu ngấu, do xỉ hàn không nổi lên được. Trên RT có dạng vệt đen không đều, trên UT có biên độ thấp hơn thiếu ngấu.
• Nứt chân mối hàn (Root crack): Khuyết tật nguy hiểm nhất, thường khởi phát từ vùng thiếu ngấu. Trên UT có biên độ rất cao, trên RT có dạng đường đen mảnh, sắc nét.

Việc phân biệt các dạng khuyết tật này đòi hỏi kỹ thuật viên phải có kinh nghiệm thực tế và được đào tạo bài bản. Một chỉ thị trên màn hình siêu âm có thể là thiếu ngấu, cũng có thể là hình dạng hình học bình thường của chân mối hàn (geometric indication). Chỉ có kỹ thuật viên bậc 2 trở lên mới được phép đưa ra kết luận cuối cùng.

Lưu ý chuyên môn và kinh nghiệm thực tiễn từ chuyên gia

Qua hàng nghìn công trình kiểm định, chúng tôi đúc kết được một số lưu ý quan trọng mà kỹ sư kiểm định cũng như chủ đầu tư cần ghi nhớ khi triển khai kiểm tra độ sâu hàn:

Về mặt kỹ thuật

• Luôn kiểm tra VT trước khi UT/RT. Nhiều khuyết tật bề mặt (nứt chân, rỗ mép) có thể phát hiện bằng VT mà không cần đến NDT đắt tiền.
• Đối với mối hàn góc, UT thường không đo được chính xác độ sâu ngấu chân. Trong trường hợp này, cần kết hợp với macro-etch trên mẫu đại diện hoặc sử dụng PAUT với đầu dò đặc biệt.
• Chiều dày chi tiết dưới 8 mm rất khó UT chính xác. Nên ưu tiên RT hoặc macro-etch.
• Nhiệt độ môi trường và nhiệt độ bề mặt chi tiết ảnh hưởng đến vận tốc truyền sóng siêu âm. Khi kiểm tra ngoài trời nắng nóng hoặc trong môi trường lạnh, cần hiệu chuẩn lại thiết bị.
• Chất tiếp âm (couplant) phải phù hợp với bề mặt và nhiệt độ. Không dùng dầu máy thay cho gel chuyên dụng vì sẽ làm sai lệch kết quả.

Về mặt quản lý chất lượng

• Yêu cầu nhà thầu cung cấp WPS đã được thẩm tra (PQR) trước khi hàn sản xuất. Đây là biện pháp phòng ngừa thiếu ngấu hiệu quả nhất.
• Kiểm tra vật liệu hàn (que hàn, dây hàn, thuốc hàn) phải đúng chủng loại, có chứng chỉ CO/CQ, bảo quản đúng quy định (sấy que hàn trước khi sử dụng).
• Lập "mối hàn mẫu" (mock-up) tại công trường để kiểm tra macro-etch trước khi hàn hàng loạt, đặc biệt với các liên kết quan trọng.
• Tỷ lệ kiểm tra NDT phải tuân thủ thiết kế. Tự ý giảm tỷ lệ kiểm tra để tiết kiệm chi phí là rủi ro pháp lý lớn cho chủ đầu tư.
• Hồ sơ kiểm tra phải được lưu trữ đầy đủ trong suốt vòng đời công trình, phục vụ cho công tác bảo trì, kiểm định định kỳ và điều tra sự cố (nếu có).

Về mặt pháp lý và hợp đồng

• Trong hợp đồng thi công cần quy định rõ: tiêu chuẩn chấp nhận, phương pháp kiểm tra, tỷ lệ kiểm tra, đơn vị kiểm định độc lập, trách nhiệm chi phí kiểm tra lại khi không đạt.
• Kết quả kiểm tra của đơn vị kiểm định độc lập có giá trị pháp lý cao hơn kết quả tự kiểm tra của nhà thầu. Đây là nguyên tắc cơ bản của kiểm định chất lượng công trình.
• Khi có tranh chấp về chất lượng mối hàn, kết quả macro-etch trên mẫu cắt thực tế được coi là bằng chứng có giá trị cao nhất, cao hơn cả UT và RT.

Những sai lầm thường gặp

Trong quá trình kiểm định, chúng tôi thường gặp một số sai lầm phổ biến từ phía nhà thầu và đôi khi cả từ phía tư vấn giám sát: nhầm lẫn giữa chiều cao mối hàn (reinforcement) và độ sâu ngấu; chấp nhận mối hàn chỉ dựa vào kích thước bên ngoài mà không kiểm tra bên trong; sử dụng kỹ thuật viên UT không có chứng chỉ hoặc chứng chỉ hết hạn; bỏ qua việc kiểm tra lại sau khi sửa chữa mối hàn. Những sai lầm này có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt với các kết cấu chịu tải trọng động như dầm cầu trục, giàn mái nhịp lớn, tháp anten.

Kiểm tra độ sâu hàn không chỉ là một thao tác kỹ thuật đơn thuần mà là một phần không thể tách rời của hệ thống quản lý chất lượng công trình. Một mối hàn có độ sâu ngấu đạt yêu cầu là nền tảng cho sự an toàn, bền vững của toàn bộ kết cấu. Với tư cách là đơn vị kiểm định chuyên nghiệp, chúng tôi luôn khuyến nghị chủ đầu tư và nhà thầu dành sự quan tâm đúng mức cho công tác này, ngay từ giai đoạn lập hồ sơ thiết kế và lựa chọn nhà thầu, thay vì chỉ kiểm tra khi công trình đã hoàn thiện. Sự chủ động trong kiểm soát chất lượng mối hàn chính là cách hiệu quả nhất để bảo vệ uy tín, tài sản và trên hết là tính mạng con người.