nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: HOÀNG VĂN TRÁNG Lớp: 50DT – 2 Ngành: Kỹ thuật tàu thủy Chuyên ngành: Đóng tàu thủy Tên đề tài: Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục b

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: HOÀNG VĂN TRÁNG Lớp: 50DT – 2 Ngành: Kỹ thuật tàu thủy Chuyên ngành: Đóng tàu thủy Tên đề tài: Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn

tấm tôn bao vỏ tàu

Số trang: 50 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 07

Hiện vật: - 2 bộ thuyết minh và 2 đĩa CD

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Kết luận:

Nha Trang, ngày……tháng.… năm 2012

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

THS BÙI VĂN NGHIỆP

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DATN

Họ và tên Sinh viên: HOÀNG VĂN TRÁNG Lớp: 50DT – 2

Ngành: Kỹ thuật tàu thủy Chuyên ngành: Đóng tàu thủy

Tên đề tài: Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi

hàn tấm tôn bao vỏ tàu

Số trang: 50 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 07

Hiện vật: - 2 bộ thuyết minh và 2 đĩa CD

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Điểm phản biện:

Nha Trang, ngày……tháng……năm 2012 CÁN BỘ PHẢN BIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nha Trang, ngày……tháng……năm 2012

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký và ghi rõ họ tên)

ĐIỂM CHUNG

Bằng số Bằng chữ

LỜI CẢM ƠN

Sau hơn 03 tháng tích cực nghiên cứu và xây dựng đồ án tốt nghiệp:

“Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu” với bao vất vả, khó khăn và những trở ngại gặp phải trong quá

trình thực hiện đồ án, đến nay, tôi đã hoàn thành tốt các nội dung đồ án tốt nghiệp của mình Đồ án không chỉ là sự cố gắng, nỗ lực của bản thân mà còn được sự giúp đỡ, động viên rất lớn của quý thầy cô, gia đình, bạn bè

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban Chủ Nhiệm Khoa Kỹ Thuật Giao Thông – Trường Đại Học Nha Trang, quý Thầy Cô trong Bộ Môn Đóng tàu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện tốt đồ án

Chân thành cảm ơn Thầy ThS Bùi Văn Nghiệp – người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ án

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của gia đình, bạn bè, anh em đồng nghiệp đã động viên, tạo mọi điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu trong suốt khóa học và trong quá trình thực hiện đồ án

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.1 Lý do lựa chọn đề tài 2

1.2 Tổng quan vấn đề biến dạng hàn tàu thủy 3

1.3 Mục tiêu, phương pháp và giới hạn nội dung nghiên cứu 6

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 6

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 6

1.3.3 Giới hạn nội dung nghiên cứu 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Vấn đề biến dạng góc 8

2.2 Phương pháp tính biến dạng góc 11

2.2.1 Phương pháp đo biến dạng góc 14

2.2.2 Công thức tính biến dạng góc của Giáo sư Okerblom 16

2.2.3 Kết quả mô phỏng của tiến sĩ Artem Pilipenko 16

2.2.4 Công thức tính biến dạng góc theo đề xuất của Watanabe and Satoh 17

2.3 Các phương pháp khắc phục biến dạng góc 18

2.3.1 Biện pháp kết cấu 18

2.3.2 Biện pháp công nghệ khi hàn 19

2.3.3 Biện pháp công nghệ sau khi hàn 21

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 23

3.1 Nghiên cứu biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu với phương pháp hàn hồ quang tay và thép dày 8 mm 23

3.1.1 Quy trình hàn nghiên cứu 23

3.1.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 24

3.1.3 Mô tả thí nghiệm 24

3.1.4 Phương pháp đo biến dạng góc 25

3.1.5 Kết quả nghiên cứu 27

3.1.5.1 Kết quả hàn thí nghiệm trên phôi mẫu 27

3.1.5.2 So sánh kết quả nghiên cứu 30

3.1.5.3 Kết luận sơ bộ 35

3.2 Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu với phương pháp hàn hồ quang tay và thép dày 8 mm 35

3.2.1 Cơ sở đề xuất giải pháp 35

3.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 36

3.2.3 Mô tả thí nghiệm 37

3.2.4 Phương pháp đo biến dạng góc 38

3.2.5 Kết quả nghiên cứu 40

3.2.5.1 Kết quả khắc phục biến dạng hàn trên mẫu 40

CHƯƠNG 4 THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT 42

4.1 Kết luận 42

4.2 Thảo luận kết quả 42

4.3 Kiến nghị 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 49

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 Danh mục các bảng

Trang

Bảng 3.1 Kết quả biến dạng góc hàn thí nghiệm trên mẫu 28

Bảng 3.2 Kết quả biến dạng góc hàn trên mẫu theo nghiên cứu của Ths Bùi Văn Nghiệp 32

Bảng 3.3 Các biến số và cấp độ của quá trình hàn 33

Bảng 3.4 Kết quả nghiên cứu biến dạng góc của một số nhà khoa học 33

Bảng 3.5 Kết quả khắc phục biến dạng góc hàn thí nghiệm trên mẫu 40

2 Danh mục các chữ viết tắt

VR: Vietnam Register – Cục Đăng kiểm Việt Nam

DNV: Det Norske Veritas – Cục Đăng kiểm Nauy

SAW: Submerged Arc Welding – Hàn hồ quang dưới lớp thuốc

GMAW: Gas Metal Arc Welding – Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy

trong môi trường khí bảo vệ

SMAW: Shielded Metal Arc Welding – Hàn hồ quang tay

MỞ ĐẦU

Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi đặc biệt, hoạt động trong môi trường rất khắc nghiệt, chịu tác động của rất nhiều yếu tố như: sóng, gió, khí tượng, thủy văn… Vì vậy, ngoài việc thiết kế tàu để đảm bảo các thông số hình dáng ra thì việc chế tạo, hàn lắp ghép tấm tôn vỏ với nhau và liên kết tấm tôn vỏ các kết cấu khung giàn để đảm bảo độ kín khít, bền chung của con tàu cũng là vấn đề vô cùng quan trọng

Trong quá trình hàn nối các tấm tôn bao vỏ tàu với nhau, có rất nhiều biến dạng xảy ra đặc biệt là biến dạng góc Biến dạng góc ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của mối hàn, chất lượng sản phẩm… Do đó, nghiên cứu về biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu là rất quan trọng và cần thiết

Với mong muốn nghiên cứu biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu cũng như đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu để nâng cao chất lượng của mối hàn, chất lượng của sản phẩm Nên tôi đã

thực hiện đề tài với nội dung: “Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu”

Do thời gian có hạn, kiến thức còn hạn chế, chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế Nên trong quá trình thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiết sót Đề tài rất mong được sự góp ý của quý Thầy, các bạn đồng nghiệp

Nha Trang, ngày 25 tháng 06 năm 2012

Sinh viên thực hiện:

Hoàng Văn Tráng

Tuy nhiên, trong quá trình hàn tàu dù có áp dụng phương pháp nào đi nữa thì cũng không thể tránh khỏi được ứng suất dư và biến dạng dư, thực tế

đã chứng minh điều đó

Trong quá trình hàn các tấm tôn bao vỏ tàu lại với nhau, có rất nhiều biến dạng xảy ra nhưng biến dạng thể hiện rõ nhất là biến dạng góc Biến dạng góc làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mối hàn, chất lượng sản phẩm Nếu góc biến dạng quá lớn thì làm hỏng chi tiết kết cấu Do đó, việc nghiên cứu về biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu là rất quan trọng và cần thiết

Trong lịch sử nghiên cứu cũng đã có rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu

về ứng suất và biến dạng hàn tàu thủy như: Koichi, Masubuchi, Giáo sư

Okerblom, Artem Pilipenko, Sivakumar, Gunaraj, Sorensen… Tuy nhiên

những kết quả nghiên cứu này không khái quát hết các vấn đề phức tạp của biến dạng hàn tàu thủy, ví dụ như từ kết quả nghiên cứu của Ths Bùi Văn Nghiệp kết quả nghiên cứu với phương pháp hàn SAW, thép dày 20 mm, I (1700÷2000) A thì biến dạng góc nằm trong khoảng (3.53÷5.080), kết quả này cao hơn rất nhiều so với kết quả nghiên cứu của GS Okerblom (2.03÷2.380)

Từ vấn đề thực tế trên, với mong muốn nghiên cứu rộng hơn về chiều dày thép khác nhau, phương pháp hàn khác nhau xem thử kết quả biến dạng góc như thế nào, đồng thời cũng đề xuất phương án khắc phục biến dạng góc khi hàn nối hai tấm tôn bao vỏ tàu cho một chiều dày tấm nhất định

Với những lý do hết sức thực tiễn nêu trên nên việc lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu” là thật sự ý nghĩa và cần thiết

1.2 Tổng quan vấn đề biến dạng hàn tàu thủy

Lịch sử phát triển của ngành công nghiệp đóng tàu gắn liền với lịch sử phát triển của công nghệ hàn Năm 1802, nhà bác học Nga Pê-tơ-rốp đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện và chỉ rõ khả năng sử dụng nhiệt năng của nó để làm nóng chảy kim loại, mở ra thời kỳ hàn hồ quang tay trong ngành công nghiệp đóng tàu

Vào năm 1887, nhà khoa học người Nga Nikolai Bernados đã phát minh ra phương pháp sử dụng hồ quang của điện cực các bon để hàn các chi tiết bằng công nghệ hàn tay và phương pháp này được áp dụng rộng rãi ở Châu Âu và Châu Mỹ với phạm vi sáng chế do sử dụng điện áp và cường độ dòng điện quá cao (100 – 300V và 600 – 1000A) Vào thời điểm này ngành công nghiệp đóng tàu vỏ thép phát triển ở các nước Anh, Mỹ, Nga, Nauy,… cũng bắt đầu phát triển theo và ứng dụng hàn hồ quang điện cực các bon

Đến năm 1907, Oscar kjellberg (Người Thụy Điển) đã đưa ra ý tưởng hàn hồ quang tay bằng que hàn có vỏ bọc Và cũng từ đây công nghệ hàn được sử dụng rất rộng rãi để hàn vỏ tàu thép của các nước trên thế giới

Trong những năm 1910 – 1920, nhằm phục vụ cho thế chiến thứ nhất

mà công nghệ đóng tàu trên thế giới đã được đầu tư và phát triển mạnh mẽ, kết cấu hàn được áp dụng hầu hết các tàu trên thế giới nhưng thời điểm đó chỉ

là tàu cỡ nhỏ và các tàu phục vụ cho thế chiến thứ nhất

Thời kỳ phát triển cao của công nghệ hàn trong ngành công nghiệp đóng tàu được mở ra khi viện sĩ Paton (Người Nga) ứng dụng thành công công nghệ hàn dưới lớp thuốc vào năm 1939

Năm 1919 Roberts và Van Nuys thử nghiệm dùng khí bảo vệ hồ quang hàn nhưng mãi đến năm 1940 phương pháp hàn sử dụng khí trơ để bảo vệ hồ quang mới thành công Những năm 1940 thế giới đã sản xuất hàng loạt các loại tàu lớn áp dụng hàn kết cấu, dùng chở hàng và các két chứa… Từ những ứng dụng kỹ thuật mới, ngành công nghiệp đóng tàu đã trở lên phát triển hơn

bao giờ hết Loạt tàu “Tự do – Liberty” nổi tiếng, được đóng thành công đã

chứng minh điều này

Nhưng không may, những chiếc tàu mang tên “Tự do” này không chỉ

nổi tiếng vì thời gian chế tạo ra ngắn, ứng dụng nhiều phương pháp hàn mà rất nhiều trong số đó đã bị gẫy làm đôi trong khi vận hành, nhấn chìm toàn bộ hàng hóa và thủy thủ Nguyên nhân chính là do sự tập trung ứng suất và lỗi kỹ thuật trong quá trình chế tạo, lắp ráp và hàn các chi tiết kết cấu lại với nhau

Từ sau thảm họa này, các nhà khoa học trên thế giới đã quan tâm hơn rất nhiều và có những công trình nghiên cứu về vấn đề ứng suất và biến dạng hàn Những ảnh hưởng của ứng suất và biến dạng cũng như đưa ra rất nhiều các biện pháp để giảm thiểu ứng suất và biến dạng đến mức thấp nhất

Hiện nay, công nghệ hàn càng ngày càng phát triển, rất nhiều các phương pháp hàn tàu được áp dụng, chất lượng mối hàn ngày càng được nâng

cao, giảm chi phí sản xuất, nâng cao hiệu quả kinh tế… Tuy nhiên, trong quá trình đóng tàu mặc dù đã có rất nhiều các phương pháp hàn được ứng dụng nhưng không thể tránh khỏi được ứng suất dư và biến dạng dư

Ứng suất dư trong kết cấu hàn kết hợp với ứng suất sinh ra do ngoại lực tác dụng trong quá trình làm việc, ứng suất tổng hợp này là nguy cơ làm giảm khả năng làm việc của kết cấu và tạo khả năng xuất hiện những vết nứt, gãy trong chúng

Biến dạng hàn thường làm sai lệch hình dáng và kích thước của kết cấu, gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mối hàn, gây hư hỏng kết cấu

Theo Koichi và Masubuchi, biến dạng hàn được chia ra:

v Biến dạng trong mặt phẳng tấm (In-plane Distortion) gồm:

1) Biến dạng do co ngang (Transverse Shrinkage)

2) Biến dạng do co dọc (Longitudinal Shrinkage)

3) Biến dạng do xoay (Rotational Distortion)

v Biến dạng ngoài mặt phẳng tấm (Out-of-Plane Distortion) gồm:

1) Biến dạng góc (Angular Distortion)

2) Biến dạng xoắn (Buckling Distortion)

3) Biến dạng dọc (Longitudinal Bending Distortion)

4) Biến dạng cục bộ (Features of Buckling Distortion)

Hình 1.1 Các kiểu biến dạng hàn

Đi đôi với biến dạng hàn là các biện pháp khắc phục biến dạng hàn Hiện nay, người ta đã có rất nhiều biện pháp như: các biện pháp kết cấu, các biện pháp công nghệ khi hàn và sau khi hàn để làm giảm ứng suất và biến dạng hàn đến mức tối thiểu, nâng cao chất lượng của mối hàn, chất lượng của sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế

1.3 Mục tiêu, phương pháp và giới hạn nội dung nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu với phương pháp

hàn hồ quang tay, thép tấm dày 8 mm đồng thời cũng đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng trong trường hợp này

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở lý thuyết về vấn đề ứng suất biến dạng hàn và kết hợp với thực nghiệm trên phôi mẫu

1.3.3 Giới hạn nội dung nghiên cứu

Từ ý nghĩa thực tiễn của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đề tài thực hiện trong phạm vi như sau:

1 Nghiên cứu biến dạng góc khi hàn nối tấm tôn bao vỏ tàu với phương pháp hàn hồ quang tay, thép dày 8 mm

2 Đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu với phương pháp hàn hồ quang tay, thép dày 8 mm

3 Thảo luận kết quả và đề xuất ý kiến

Nguyên nhân xuất hiện biến dạng góc là do độ co ngót của kim loại không đều theo tiết diện mối hàn khi hàn các mối hàn giáp mối vát mép chữ

V và khi hàn mối hàn góc

Hình 2.1 Biến dạng góc

Trong quá trình hàn, ngoài biến dạng góc còn có ứng suất dư Ứng suất

và biến dạng hoàn toàn đối lập nhau Nếu chúng ta cố gắng giảm biến dạng góc bằng cách hạn chế sẽ dẫn tới làm cho ứng suất dư tăng lên Mà ứng suất ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của kết cấu, là nguyên nhân gây nứt,

gãy trong chúng Tuy nhiên, biến dạng góc có thể được giảm bằng cách cung cấp góc biến dạng ban đầu theo hướng ngược lại nếu độ lớn của góc biến dạng là dự đoán được Nếu biết được chính xác độ lớn góc biến dạng thì sau khi hàn kết quả sẽ không có biến dạng xảy ra Tuy nhiên, dự đoán được góc biến dạng là điều không dễ dàng Vì vậy, để biết được góc biến dạng là bao nhiêu thì cần có quá trình nghiên cứu những ảnh hưởng của các thông số biến dạng góc để đưa ra các con số thống kê về biến dạng góc

Hình 2.2 Các dạng biến dạng góc

a Liên kết giáp mối b Liên kết chữ T

Để dễ dàng hình dung sự hình thành biến dạng góc khi hàn giáp mối, chúng ta có thể xem hình 2.3 dưới dạng định tính Trên hình này thể hiện các đường đẳng nhiệt với nhiệt độ kim loại mềm trên bề mặt tấm T*0 (đường liền đậm) và dưới đáy tấm T*h (đường nét đứt) Dùng một mặt cắt ngang dx, chúng ta thấy mặt cắt ngang này có ba vùng đặc tính

Vùng 1: là vùng kim loại mềm nằm bên trong đường đẳng nhiệt T*

Vùng 2: là vùng gữa T* và T0 đây là vùng nhiệt độ nguội dần từ nhiệt

độ mềm xuống nhiệt độ ban đầu T0

Vùng 3: là vùng nguội, không có sự thay đổi nhiệt độ rõ ràng, vùng này bao quanh vùng ảnh hưởng nhiệt và không cho phép vùng ảnh hưởng nhiệt giãn nở

Hình 2.3 Sự phát triển của biến dạng góc

Giai đoạn 1 – ngay sau khi nguồn hàn đi qua;

Giai đoạn 2 – sau khi giảm gradient nhiệt độ trên chiều dày tấm;

Giai đoạn 3 – nguội hoàn toàn

Mặt cắt ngang dx đi qua cả ba vùng, hình 2.3 Vùng nguội (vùng 3) bao quanh những vùng khác, nó không cho phép mặt cắt ngang giãn nở Vì vậy, kim loại bị đốt nóng ở vùng 1 và vùng 2 có xu hướng giãn nở về phía gần tâm mối hàn hơn Đây là nguyên nhân gây ra nén ở vùng 1 kể cả sự biến dạng dẻo

dư

Vì kim loại liền kề trên bề mặt tấm bị đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn nên những điểm thuộc vùng này có xu hướng dịch chuyển về gần tâm mối hàn hơn những điểm thuộc bề mặt đáy của tấm Trên hình 2.3 bên phải, thể

hiện các giai đoạn hình thành biến dạng góc, mặt cắt ngang được chia thành các hình chữ nhật nhỏ

Trong giai đoạn 1, thể hiện sự dịch chuyển không đồng nhất trên cả hai hướng: hướng chiều dày và hướng chiều ngang Những điểm liền kề bề mặt trên của tấm bị dịch chuyển nhiều hơn về phía tâm mối hàn so với những điểm trên bề mặt đáy của tấm, đây là nguyên nhân làm thay đổi hình chữ nhật ban đầu thành hình thang

Trong giai đoạn 2, các hình thang này một lần nữa quay trở lại thành hình chữ nhật nhưng với độ rộng khác nhau (trừ vị trí gần tâm mối hàn) Khi điều này xảy ra, các mặt của tấm bị uốn cong tại vị trí nối với nhau, hình

thành nên một góc β

Giai đoạn 3 là giai đoạn nhiệt độ cân bằng nhau theo phương ngang, khi đó cũng theo phương ngang toàn bộ tấm đồng nhất co lại một đoạn Δtr Lúc này các hình chữ nhật đã trở lại đúng hình dạng ban đầu của nó ngoại trừ vùng bị biến dạng dẻo cũng là vùng kim loại mềm

2.2 Phương pháp tính biến dạng góc

Các ứng xử của biến dạng góc trong suốt quá trình hoàn thành mối hàn

giáp mối được thể hiện trên hình 2.4, đồng thời cũng chứng minh rằng góc β

thay đổi như thế nào theo thời gian

Trong giai đoạn đầu của quá trình đốt nóng, một phần của tấm gần nguồn nhiệt có xu hướng giãn nở mạnh hơn các vùng khác Điều này dẫn đến hiện tượng các mép ngoài của tấm bị võng xuống Nhưng vùng giãn nở không thể giãn nở tự do mãi, các vùng còn lại của tấm khống chế nó, đây là nguyên nhân biến dạng dẻo của vùng bị đốt nóng

v Mức độ biến dạng góc phụ thuộc vào:

1 Mối quan hệ giữa chiều rộng (B) và độ sâu (H) của mối hàn với

chiều dày (h) của tấm (The width and depth of the fusion zone relative to plate thickness)

2 Kiểu hàn (Type of joint)

3 Quy trình hàn (The weld sequence)

4 Đặc tính của vật liệu (Material properties)

5 Biến số điều khiển quá trình hàn (The welding process control variables)

Hình 2.4 Các ứng xử của biến dạng góc khi hàn giáp mối

H là độ sâu mối hàn, B là chiều rộng mối hàn

Hình dạng của mối hàn trong quá trình thay đổi phụ thuộc vào sự tập trung những đặc tính khác của nguồn hàn

Để xác định biến dạng góc trong mối hàn giáp mối, A.S Kuzminov đã nghiên cứu theo phương án xấp xỉ, kết quả thí nghiệm được thể hiện trên biểu

đồ (hình 2.5)

Hình 2.5 Độ co góc Δβ phụ thuộc vào lượng nhiệt trên một

đơn vị chiều dài hàn qw/h2Theo biểu đồ hình 2.5, khi bắt đầu nếu tăng thông số qw/h2 thì góc β

tăng theo và đạt đến giá trị cực đại khi qw/h2 ≈ 10 J.mm-3, sau khi đạt được giá trị cực đại, biến dạng góc sẽ giảm

Giá trị góc β nhỏ ở phần bên trái của biểu đồ có thể giải thích rằng nguồn nhiệt thấp không đủ làm mềm kim loại cả chiều dày tấm Lúc này tấm

còn nguội nên đủ cứng để chống lại lực gây uốn cong Sự giảm góc β bên

phần phải của biểu đồ là do sự biến mất gradient nhiệt độ thông qua hướng chiều dày tấm Trong trường hợp này, các lớp vật liệu của tấm có thể giãn nở theo chiều ngang y, có ít sự ngăn cản và kết quả là giảm biến dạng góc

Đối với mối hàn giáp mối vát mép chữ V, biến dạng góc chắc chắn sẽ xảy ra do sự co lại của vật liệu điền đầy Và chúng ta cũng thừa nhận rằng hình dạng mối hàn trùng với hình dạng góc vát chữ V

Điều này có thể đưa ra công thức đơn giản để tính góc β

2.2.1 Phương pháp đo biến dạng góc

Khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu với nhau có rất nhiều biến dạng xảy ra như: biến dạng do co ngang, biến dạng do co dọc, biến dạng do xoay, biến dạng dọc, biến dạng xoắn và biến dạng cục bộ nhưng những biến dạng này rất khó xác định vì kích thước xảy ra rất nhỏ Trong khi đó, sai số do quá trình chế tạo kết cấu thân tàu cũng tương đối lớn Hơn nữa, phương pháp đo và dụng cụ

đo cũng hạn chế nên nội dung thí nghiệm chỉ dừng lại ở việc đo biến dạng góc

Phương pháp đo độ lớn biến dạng góc có thể được tiến hành theo hai cách như sau:

Cách thứ nhất: Tiến hành đo độ lớn biến dạng góc theo đề xuất của

Ths Bùi Văn Nghiệp như sau:

Ø Dùng thước thẳng đặt ngang qua bề mặt mẫu, dùng thước đo khe hở

đặt vào giữa bề mặt mẫu và bề mặt thước, cho ta kích thước độ hở e (Vì tại vị

trí tâm mối hàn cao hơn vị trí khác một khoảng bằng chiều cao mối hàn, nên thước đo khe hở được đặt bên cạnh mối hàn và thêm một bước tính toán hình

học ta được kích thước e)

Ø Dùng kích thước e này đi tính góc biến dạng β

Hình 2.6 Phương pháp đo khe hở biến dạng e

Sau khi có khe hở biến dạng e, tính góc biến dạng β theo công thức 2.2

Ø Đặt mẫu thử lên bề mặt chuẩn, sau đó dùng thước đo độ tiến hành

đo Trước khi đo, điều chỉnh thước đo độ sao cho tâm của mối hàn trùng với tâm của thước (vạch 00) và tiến hành đo Góc giữa bề mặt chuẩn và mẫu hàn

đo được trên thước đo độ cho ta góc biến dạng cần tìm

Hình 2.8 Phương pháp đo biến dạng góc

Kết quả nghiên cứu được so sánh với kết quả tính toán biến dạng theo công thức của Giáo sư Okerblom

2.2.2 Công thức tính biến dạng góc của Giáo sư Okerblom

Giáo sư Okerblom đề nghị công thức tính biến dạng góc (2.3) như sau:

2.2.3 Kết quả mô phỏng của tiến sĩ Artem Pilipenko

Tiến sĩ Artem Pilipenko đã mô phỏng biến dạng nhiệt do hàn tấm gây

ra dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng phần mềm ABAQUS

Mô hình tính của Artem Pilipenko là mô hình 3D có các thông số kích thước là 500x500x20mm

Hình 2.9 Mô hình mô phỏng biến dạng của Artem Pilipenko dưới dạng 3D

Tiến sĩ Artem Pilipenko đã so sánh kết quả nghiên cứu của mình với giáo sư Okerblom và Ông kết luận, kết quả mô phỏng của ông nghiên cứu có

độ biến dạng góc thấp hơn của giáo sư Okerblom là 8%

2.2.4 Công thức tính biến dạng góc theo đề xuất của Watanabe and Satoh

2.3 Các phương pháp khắc phục biến dạng góc

Khi hàn các tấm tôn bao vỏ tàu lại với nhau, biến dạng góc thể hiện rõ rệt hơn nhất so với các biến dạng khác vì khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu dùng mối hàn chủ yếu là mối hàn giáp mối vát mép kiểu chữ V và khi hàn mối hàn góc

Biến dạng góc làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm, gây sai lệch hình dáng, kích thước của chi tiết kết cấu Để đảm bảo chất lượng của sản phầm, vấn đề đưa ra là phải đưa ra biện pháp khắc phục biến dạng góc, giảm biến dạng góc tới mức tối thiểu Muốn vậy buộc chúng ta phải tiến hành các biện pháp để giảm ứng suất và biến dạng trước, trong và sau khi hàn

2.3.1 Biện pháp kết cấu

Một trong những vấn đề cơ bản của các biện pháp kết cấu là việc lựa chọn kim loại cơ bản và cực điện khi thiết kế Kim loại cơ bản cần tránh không có khuynh hướng dễ bị tôi khi nguội ở ngoài không khí Còn điện cực thì phải có tính dẻo không nhỏ hơn kim loại cơ bản

- Hàn cân đối làm giảm mức độ biến dạng góc (Hình 2.10)

Hình 2.10 Hàn cân đối Hình 2.11 Giảm khối lượng kim loại mối

hàn

- Giảm khối lượng kim loại mối hàn, hàn một lượt (Hình 2.11)

- Khi hàn các mối hàn giáp mối nếu chiều dày của hai tấm không bằng nhau cần phải vát mép tấm có chiều dày hơn Và điều này quy định kích thước vát mép của Đăng kiểm rất rõ ràng

Hình 2.12 Vát mép hai tấm có độ dày chênh lệch lớn hơn 3mm

2.3.2 Biện pháp công nghệ khi hàn

Dựa vào đặc tính của mối hàn, dạng kết cấu, phương pháp hàn, chế độ hàn, cơ tính và hóa tính của kim loại, người ta thường dùng những biện pháp công nghệ sau để giảm biến dạng góc

- Khi hàn các tấm dày, các loại thép dễ bị tôi thì phải gia nhiệt trước khi hàn

- Khi hàn các chi tiết bị kẹp chặt, dễ sinh ứng suất lớn, trình tự hàn trước sau phải đảm bảo cho vật hàn luôn ở trạng thái tự do, nhất là đối với mối hàn giáp mối Khi hàn phải hàn một chiều, không hàn từ hai đầu vào

- Các đồ gá kẹp phải đặt cách xa và không đặt trên mặt cắt ngang mối hàn

Hình 2.13 Trình tự hàn các mối hàn kết cấu tấm

a) Đúng, b) Sai, 1,2,3,4,5,6 thứ tự hàn, AB: vị trí ứng suất lớn nhất

- Hàn theo phương pháp phân đoạn nghịch sẽ giảm được biến dạng vì nội lực sinh ra chỉ ở từng khu vực nhỏ và nó hướng về vùng lân cận đối diện

Hình 2.14 Hàn theo phương pháp phân đoạn nghịch

- Uốn sơ bộ với các tấm đáy cứng và nêm để điều tiết biến dạng góc tấm mỏng

Hình 2.15 Uốn sơ bộ với các tấm đáy cứng và nêm

- Tạo các gân dọc ngăn uốn cong trong các liên kết tấm mỏng giáp mối

Hình 2.16 Tạo các gân dọc

- Tạo trước các biến dạng ngược để chúng có vị trí đúng sau khi hàn

Hình 2.17 Tạo biến dạng ngược

2.3.3 Biện pháp công nghệ sau khi hàn

Sau khi hàn, chi tiết kết cấu hoặc kết cấu hàn bị biến dạng quá mức cho phép thì phải có biện pháp sử lý

a) Nắn cơ khí: Được tiến hành trên các loại máy ép, máy búa, trục

cán, ở trạng thái nguội hoặc nóng Hiện nay, đã có máy nắn phẳng thép hình với kết cấu và lực cán rất lớn có thể khắc phục được biến dạng góc khi thép góc Tuy nhiên, ở Việt Nam chưa được phổ biến, mới chỉ có ở những nước phát triển

b) Nắn nhiệt: Dựa trên nguyên tắc cân bằng biến dạng nhiệt Đây là

phương pháp được áp dụng rộng rãi vì nó đơn giản và kinh tế nhất Tuy nhiên, vấn đề này theo lý thuyết thì rất dễ nhưng thực tế để làm được điều này thì đòi hỏi người thực hiện phải có rất nhiều kinh nghiệm

Hình 2.18 Nung cục bộ để nắn biến

dạng

Hình 2.19 Nung theo hình nêm để

nắn phẳng tấm