nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu

Các yếu tố cơ bản có thể ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt CHƯƠNG 2: Nghiên cứu lý thuyết sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt và góc vát mép đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu.. Hàm lượ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG



BÙI VĂN NGHIỆP

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

ĐẾN BIẾN DẠNG NHIỆT KHI HÀN

TẤM TÔN BAO VỎ TÀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nha Trang – 2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

BÙI VĂN NGHIỆP

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

ĐẾN BIẾN DẠNG NHIỆT KHI HÀN

TẤM TÔN BAO VỎ TÀU

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT TÀU THỦY

MÃ SỐ : 60.52.32

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Ba

Nha Trang – 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Bùi Văn Nghiệp, học viên lớp Cao học 2006, ngành Kỹ thuật Tàu thủy, xin cam đoan:

Mọi tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là trung thực, hợp lệ, chính xác và không vi phạm pháp luật

Nội dung luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Ba

Nha Trang, ngày tháng năm 2010

Bùi Văn Nghiệp

Xin chân thành cảm ơn tất cả giúp tôi hoàn thành luận văn này

Trang Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

1.3 Tầm quan trọng của quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung

1.4 Các yếu tố cơ bản có thể ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt

CHƯƠNG 2: Nghiên cứu lý thuyết sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt

và góc vát mép đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu 24

2.3 Nghiên cứu sự phân bố trường nhiệt độ khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu 28

2.3.2 Nghiên cứu trường nhiệt độ với những phương trình cơ bản 30 2.3.3 Nghiên cứu lựa chọn điều kiện ban đầu và điều kiện biên

2.4.2 Nghiên cứu sự phát triển và hình thành trường ứng suất dư

2.5 Nghiên cứu sự phát triển biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu 45 2.5.1 Sự hình thành co ngang của mối hàn giáp mối tôn bao vỏ tàu 45 2.5.2 Xác định độ co ngang và co dọc của mối hàn giáp mối tấm 46

2.5.4 Sự hình thành và phát triển biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu 49 Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn

và góc vát mép đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu 53 3.1 Giới thiệu chung về phân đoạn nghiên cứu và quy trình hàn áp dụng 53

3.6.2 Hàn thí nghiệm sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt đến biến dạng góc 63 3.6.3 Hàn thí nghiệm sự ảnh hưởng của góc vát mép đến biến dạng góc 78

Trang

Bảng 2.2 Hàm lượng cacbon tương đương đối với thép được sản xuất

Bảng 2.4: Hiệu suất hồ quang đối với các quá trình hàn khác nhau 29

Bảng 3.15 : Tổng hợp kết quả ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn

Bảng 3.17: Tổng hợp kết quả ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn đến

Bảng 3.18 : Tổng hợp kết quả ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn

đến biến dạng góc khi hàn tấm theo Tiến sĩ Artem Pilipenko 80

Trang

H.1.2 Ứng suất trên boong tàu dầu 225.000DWT trong quá trình

H.1.13 Biến dạng cục bộ khi hàn cụm chi tiết kết cấu thanh dầm 16

H.2.2 Chu trình nhiệt hàn vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn nóng chảy 28

H.2.6 Biểu đồ mô tả sự thay đổi nhiệt độ và ứng suất trong quá trình hàn 36 H.2.7 Biểu đồ chu trình ứng suất biến dạng cục bộ trong

H.2.14 Sự phân bố ứng suất dư ngang dưới dạng 3D 44

H.2.21 Độ co góc Δβ phụ thuộc vào lượng nhiệt trên

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế đất nước, trong những năm qua nhu cầu sử dụng tàu thuyền để đánh bắt và khai thác thủy hải sản cũng như làm phương tiện vận tải ngày càng nhiều Chính vì thế Đảng và Nhà nước rất quan tâm đến việc phát triển nền kinh tế thủy sản, giao thông đường thủy và ngành công nghiệp hàng hải, trong đó có ngành đóng tàu

Khi tiến hành đóng tàu, biến dạng hàn là một trong những vấn đề vô cùng quan trọng và phức tạp Biến dạng gây ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn, chất lượng kết cấu và có thể gây hư hỏng kết cấu sau khi hàn hoặc trong quá trình khai thác, sử dụng Nhưng vấn đề này thực tế vẫn đang tồn tại tại các nhà máy đóng tàu Sau khi hàn, nhà máy phải tốn một khoảng chi phí khá lớn để khắc phục biến dạng

Trong lịch sử nghiên cứu, cũng đã có rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu vấn đề ứng suất và biến dạng nhiệt do hàn Tuy nhiên, những nghiên cứu này chỉ được thực hiện trên mẫu hoặc kết cấu cơ khí thông thường, kết quả khác xa so với biến dạng thực tế hàn vỏ tàu Vì kết cấu thân tàu thủy có những đặc điểm khác biệt so với những kết cấu cơ khí thông dụng khác

Với mong muốn nghiên cứu sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn và góc vát mép đến biến dạng khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu Đồng thời đánh giá độ chính xác của công thức tính biến dạng của Okerblom và sự mô phỏng biến dạng của Artem Pilipenko trong điều kiện thực tế hàn vỏ tàu thủy khi áp dụng phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung Nhằm cảnh báo nguy cơ xảy ra ứng suất và biến dạng khi hàn nối các tấm tôn bao vỏ tàu trong điều kiện thực tế, đồng thời xác định chính xác giá trị của một số thông số cơ bản trong quy trình hàn, góp phần nâng cao chất nâng cao chất

lượng sản phẩm Vì vậy lựa chọn đề tài “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu”, là vô cùng thực tế và cần thiết

Với ý nghĩa to lớn như vậy, luận văn tập trung nghiên cứu hai yếu tố chính ảnh hưởng đến biến dạng tấm tôn bao vỏ tàu trong phân đoạn phẳng do quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung, mối hàn giáp mối, thẳng và tư thế hàn bằng gây ra Hai yếu tố chính đó là: nguồn nhiệt hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung và hình dạng của mối ghép đến biến dạng tấm tôn bao vỏ tàu

Trong đó đi nghiên cứu thực nghiệm kết quả biến dạng trên cơ sở các thông số trong quy trình hàn Sau đó so sánh với kết quả của Okerblom và Artem Pilipenko Và nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn và góc vát mép đến biến dạng khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu, từ đó có những khuyến cáo về nguy cơ xảy ra ứng suất, biến dạng Đồng thời đánh giá độ chính xác của công thức tính biến dạng của Okerblom và sự mô phỏng biến dạng của Artem Pilipenko trong điều kiện thực tế hàn vỏ tàu thủy Và đề xuất chế độ hàn phù hợp với tấm tôn bao vỏ tàu khi áp dụng phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung

Nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS Nguyễn Văn Ba, sự giúp đỡ của Quý Thầy cô khoa Kỹ thuật tàu thủy Trường Đại học Nha trang và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Qua đây, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những ai quan tâm đến lĩnh vực này để vấn đề nghiên cứu được hoàn thiện hơn

Nha trang, tháng 04 năm 2010 Người thực hiện

Bùi Văn Nghiệp

Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Đặt vấn đề

Biến dạng hàn là một trong những vấn đề vô cùng quan trọng và phức tạp trong công tác hàn kết cấu thân tàu thủy Biến dạng gây ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn, chất lượng kết cấu hàn và có thể gây hư hỏng kết cấu sau khi hàn hoặc trong quá trình khai thác, sử dụng Nhưng vấn đề này thực tế vẫn đang tồn tại tại các nhà máy đóng tàu

Theo quy định của các cơ quan đăng kiểm, nhà máy đóng tàu phải tiến hành hàn kết cấu thân tàu theo quy trình hàn được duyệt Tuy nhiên, các thông số chế độ hàn và góc vát mép liên kết trong quy trình hàn lại nằm trong một khoảng giá trị Như vậy khi tiến hành hàn, giá trị nào được sử dụng lại còn phải phụ thuộc vào kinh nghiệm thợ hàn

Sau khi hàn, nhà máy phải tốn một khoảng chi phí khá lớn để khắc phục biến dạng Biện pháp chủ yếu để khắc phục hiện nay là áp dụng phương pháp nhiệt, nghĩa

là gia nhiệt làm cho kết cấu hàn biến dạng theo chiều ngược lại Phương pháp này có chi phí lớn, bao gồm chi phí cho nhân công thực hiện, nguyên vật liệu, và vật tư tiêu hao,… Đó là chưa kể đến vấn đề gia nhiệt sẽ làm thay đổi cơ lý tính của vật liệu cơ bản, làm giảm chất lượng kết cấu cũng như làm giảm độ bền chung của tàu Bên cạnh

đó phương pháp gia nhiệt được tiến hành thủ công gây độc hại cho con người và tốn nhiều thời gian làm giảm tiến độ đóng tàu

Trong lịch sử nghiên cứu, cũng đã có rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu vấn đề ứng suất và biến dạng nhiệt do hàn Có thể kể đến người đầu tiên phát hiện

và cảnh báo nguy cơ của ứng suất hàn là Slavianov từ năm 1892 Sau đó là các nghiên cứu của Rosenthal Daniel từ những năm 1940 Đến năm 1955, Okerblom đã đưa ra công thức tính biến dạng góc khi hàn giáp mối dựa trên cơ sở của nguồn nhiệt và độ dày tấm mà không tính đến phương pháp hàn nào và các yếu tố khác Tiếp đến là Giáo

sư Ola Westby, Ông là người đầu tiên áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào ngành hàn Và mới nhất là năm 2001, Artem Pilipenko đã mô phỏng biến dạng hàn trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng phần mềm ABAQUS Tuy

nhiên, những nghiên cứu này chỉ được thực hiện trên mẫu hoặc kết cấu cơ khí thông thường, kết quả khác xa so với biến dạng thực tế hàn vỏ tàu Vì kết cấu thân tàu thủy

có những đặc điểm khác biệt so với những kết cấu cơ khí thông dụng khác

Bên cạnh đó, chìa khóa thành công của các nhà máy đóng tàu hiện đại là sự kết hợp giữa quy trình công nghệ và phương pháp hàn Hai yếu tố này gắn kết với nhau, chúng quyết định trực tiếp đến tiến độ đóng tàu, chất lượng sản phẩm, giảm chi phí, hạ giá thành và mang lại lợi nhuận cao Chính vì vậy mà các nhà máy áp dụng phương pháp đóng tàu theo phân tổng đoạn nhằm mục đích: tiến hành chế tạo tất cả các chi tiết thân tàu cùng một lúc và chuyển tất cả các mối hàn về vị trí hàn bằng Đặc biệt trong

đó có áp dụng phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung hàn nối các tấm tôn bao và các chi tiết liên kết giáp mối khác Phương pháp hàn này cho chất lượng kim loại mối hàn cao, mối hàn đẹp, năng suất cao gấp 10 lần so với hàn hồ quang tay và giảm thiểu độc hại cho con người Nhưng đồng thời phương pháp hàn này cũng gây ra biến dạng khá lớn

Tóm lại, vấn đề biến dạng hàn kết cấu thân tàu vẫn đang tồn tại và chưa có nghiên cứu nào giải quyết cụ thể Với mong muốn nghiên cứu sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn và góc vát mép đến biến dạng khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu Đồng thời đánh giá độ chính xác của công thức tính biến dạng của Okerblom và sự mô phỏng biến dạng của Artem Pilipenko trong điều kiện thực tế hàn vỏ tàu thủy khi áp dụng phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung Nhằm cảnh báo nguy cơ xảy ra ứng suất và biến dạng khi hàn nối các tấm tôn bao vỏ tàu trong điều kiện thực tế, đồng thời xác định chính xác giá trị của một số thông số cơ bản trong quy trình hàn, góp

phần nâng cao chất lượng sản phẩm Vì vậy lựa chọn đề tài “Nghiên cứu một số yếu

tố ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu”, là vô cùng thực tế và

cần thiết

1.2 Tổng quan đề tài nghiên cứu

1.2.1 Nguyên nhân gây ra ứng suất và biến dạng hàn

Trong quá trình hàn, chúng ta tiến hành nung nóng cục bộ tại vị trí cần hàn, chỉ trong một thời gian rất ngắn vị trí này đạt đến nhiệt độ rất cao Theo phương dọc, do nguồn nhiệt hàn luôn di động lên phía trước nên những khối kim loại mới được nung nóng còn những phần kim loại đằng sau dần dần đồng đều về nhiệt độ Còn sự phân bố

nhiệt độ theo phương vuông góc với hướng hàn rất khác nhau, do đó sự thay đổi thể tích ở các vùng lân cận mối hàn cũng khác nhau, dẫn đến sự tạo thành nội lực và ứng suất trong vật hàn

Mô tả cách khác, khi hàn giáp mối, nhiệt độ kim loại cơ bản đạt giá trị cao nhất tại vùng hồ quang (mỏ hàn), kim loại cơ bản vùng này giãn nở nhiều nhất so với những vùng khác ở xa mỏ hàn hơn Trong suốt quá trình đốt nóng, vùng nóng chảy có

xu hướng giản nở nhưng bị cản trở bởi kim loại xung quanh có nhiệt độ thấp hơn, vì vậy ứng suất vùng này là ứng suất nén làm cho tấm biến dạng Khi mối hàn kết thúc, vật liệu tấm bắt đầu nguội dần và co lại làm cho tấm biến dạng theo chiều ngược lại Nếu tấm hàn biến dạng đàn hồi hoàn toàn trong suốt thời gian gia nhiệt và thời gian nguội thì tấm sẽ hoàn toàn trở lại với hình dáng ban đầu và không có biến dạng dư

H.1.1 Biến dạng của thép tấm trong và sau quá trình hàn Nhưng thực tế thì không phải vậy, đối với kim loại đặc biệt là thép biến dạng sẽ xảy ra Vì trong quá trình nguội, hình dạng của tấm được trả về nhưng không dừng lại

ở vị trí hình dạng ban đầu mà nó tiếp tục co lại, vượt qua hình dạng ban đầu và gây ra biến dạng dư Quá trình diễn ra biến dạng hàn này được thể hiện trên hình 1.1 [10]

Khi hàn giáp mối, vùng gần tâm mối hàn bị nung nóng nhiều nhất nên có xu hướng giãn nở lớn gây ra bị nén, còn các phần khác nung nóng ít hơn và nguội thì bị kéo Sau khi hàn, nhiệt độ theo tiết diện ngang của tấm dần dần cân bằng, khi nguội các phần của tấm sẽ co lại Biến dạng dọc co rút ở phần giữa phải lớn hơn vì ở đó nhiệt

độ cao hơn Vì vậy, phần giữa của tấm khi nung nóng thì bị nén dọc, sau khi nguội nó

hoàn toàn trở nên bị kéo, những phần tiếp đó không có sự co như phần giữa thì lại bị nén Trạng thái ứng suất đó gọi là ứng suất dư trong vật hàn

Ứng suất dư trong kết cấu hàn kết hợp với ứng suất sinh ra do ngoại lực tác dụng trong quá trình làm việc, tổng ứng suất 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 các kết cấu, do đó sau khi hàn phải tiến hành khắc phục các biến dạng này

Theo như sự nghiên cứu của Gell [14], được trình bày trong luận án tiến sĩ của ông thì ứng suất đo được trên boong tàu 255.000DWT trong suốt quá trình chế tạo và trong chuyến hải hành đầu tiên: ứng suất do hàn gây ra chiếm đến 63%, còn lại là các ứng suất khác Các số liệu này có thể tham khảo trên hình H.1.2

Như vậy, rõ ràng là trong quá trình đóng tàu thì vấn đề ứng suất và biến dạng

do hàn gây ra là vô cùng quan trọng, vấn đề này cần phải được quan tâm và giải quyết đúng mức nhằm đảm bảo chất lượng tốt nhất cho con tàu

1.2.2 Các dạng ứng suất và biến dạng hàn vỏ tàu

Đối với kết cấu thân tàu, công việc hàn được quy định rất chặc chẽ và kiểm tra rất khắc khe, điều này được thể hiện qua các tiêu chuẩn và quy trình hàn Quy trình hàn được xây dựng trên cơ sở tính toán thiết kế và thường phải trải qua rất nhiều lần thử nghiệm trước khi được phê chuẩn

Quá trình hàn kết cấu thân tàu được Đăng kiểm kiểm tra, giám sát bao gồm các giai đoạn: Kiểm tra trước khi hàn, kiểm tra trong khi hàn và kiểm tra sau khi hàn

H.1.2 Ứng suất trên boong tàu dầu 225.000DWT trong quá trình đóng mới và chuyến hải hành đầu tiên

Chất lượng mối hàn nói chung phụ thuộc rất nhiều vào trình độ tay nghề của người công nhân Nhưng bắt đầu vào những năm cuối của Thế kỷ 20, các phương pháp hàn cơ giới hóa và robot hàn được ứng dụng trong ngành đóng tàu Nhờ sự phát triển công nghệ hiện đại này đã nâng cao được đáng kể chất lượng mối hàn, giảm chi phí sản xuất, nâng cao hiệu quả kinh tế và đặc biệt là giảm độc hại cho con người

Tuy nhiên, khi lắp ghép các thành phần chi tiết kết cấu thân tàu với nhau, cho dù

là ứng dụng phương pháp hàn nào đi chăng nữa thì cũng không thể tránh khỏi được ứng suất dư và biến dạng dư

Theo Koichi và Masubuchi [19], biến dạng hàn có thể phân thành các dạng sau:

1 Biến dạng xảy ra trong mặt phẳng tấm, có 3 dạng:

(a) Biến dạng do co ngang

a, Biến dạng do co ngang; b, Biến dạng do co dọc; c, Biến dạng xoay

d, Biến dạng góc; e, Biến dạng dọc; f, Biến dạng xoắn; g, Biến dạng cục bộ

1.2.3 Lịch sử nghiên cứu ứng suất và biến dạng hàn vỏ tàu

Hàng ngàn năm trước, con người đã biết sử dụng tàu thuyền để làm một trong những phương tiện chính cho việc đi lại Như vậy, ngành đóng tàu qua đó cũng phát triển theo thời gian Đầu tiên chỉ là bè lau sậy, dần dần là những chiếc tàu gỗ và bây giờ là những con tàu hiện đại có thể dài đến hàng ngàn mét được làm bằng thép chịu lực cao

Phương pháp chế tạo tàu và liên kết chi tiết kết cấu thân tàu cũng thay đổi theo thời gian Trong suốt thế kỷ 20, thời gian đóng mỗi chiếc tàu đã được rút ngắn dần từ 4 năm xuống còn 8 tuần mà thôi Để có được sự phát triển vượt bật như vậy là nhờ vào rất nhiều sự nghiên cứu, phát minh và sự đổi mới quy trình công nghệ Tầm quan trọng của những vấn đề này đã, đang và sẽ còn được thể hiện trong các nhà máy đóng tàu góp phần mang lại hiệu quả kinh tế cao cho ngành công nghiệp này

Phương pháp hàn hồ quang điện được Sir Humphrey Davy sáng chế năm 1801 [6] Tuy nhiên, nó chưa được ứng dụng ngay vào thực tế Trải qua khá nhiều các nghiên cứu quan trọng, cho đến những năm 1930 của thế kỷ 20 thì hàn mới được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng tàu Đầu tiên chỉ là phương pháp hàn hồ quang tay và từ đó phương pháp hàn đã thay thế cho phương pháp tán ri vê

Năm 1939 Viện sĩ Paton, người Nga, ứng dụng thành công công nghệ hàn dưới lớp thuốc [6] Và đây là một bước đột phá mới trong ngành hàn nói chung và cho hàn tàu nói riêng Phương pháp hàn này cho năng suất hàn rất cao và còn giảm thiểu được độc hại cho con người

Từ những ngày đầu ứng dụng kỹ thuật mới, vật liệu thép và phương pháp hàn, ngành công nghiệp đóng tàu trở nên phát triển hơn bao giờ hết Loạt tàu “Tự do – Liberty” là loạt tàu đầu tiên được ứng dụng phương pháp hàn để liên kết các chi tiết kết cấu, được đóng vào những năm 40 của thế kỷ 20 ở Mỹ

Nhưng không may thay, những chiếc tàu mang tên Tự do này không chỉ nổi tiếng

vì thời gian chế tạo ra nó ngắn và được ứng dụng phương pháp hàn mà rất nhiều trong

số đó đã bị gãy đôi trong khi vận hành, nhấn chìm toàn bộ hàng hóa và thủy thủ đoàn dưới lòng biển sâu Nguyên nhân chính của thảm họa này là do sự tập trung ứng suất hàn và các lỗi kỹ thuật trong chế tạo, lắp ráp và hàn các chi tiết kết cấu với nhau Sau

thảm họa này đã khiến các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nhiều hơn và có nhiều công trình đầu tư nghiên cứu về vấn đề ứng suất và biến dạng hàn

Cũng cần làm rõ hơn, người đầu tiên phát hiện, cảnh báo nguy cơ và những ảnh hưởng xấu của ứng suất hàn là Slavianov vào năm 1892, tức là sau hơn 90 năm phương pháp hàn hồ quang điện được sáng chế và hơn 50 năm trước khi loạt tàu tự do

bị vùi dưới biển sâu

Theo dòng thời gian của lịch sử, rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu và tìm ra những phương pháp giải quyết vấn đề ứng suất và biến dạng hàn trên cơ sở giải quyết vấn đề phân phát nhiệt độ Những phương pháp kỹ thuật chính để nghiên cứu giải quyết cho đến nay là: Phương pháp phân tích mẫu, phương pháp này đi giải quyết từ đơn giản nhất ở dạng 1D đến 3D sau đó áp dụng cho sự phân bố nguồn nhiệt 3D và lượng nhiệt mất đi từ bề mặt mẫu; Phương pháp phân tích sai phân và Phương pháp phần tử hữu hạn

Những phương pháp giải quyết vấn đề truyền nhiệt này cũng được phát triển theo thời gian và nhờ vào sự lớn mạnh của công nghệ thông tin

Phương pháp phân tích mẫu đã được đưa ra cách đây khoảng 70 năm [27,28] Trong đó, đặc biệt nhất là Rosenthal Daniel đã có nhiều công trình nghiên cứu vĩ đại

về lý thuyết sự phân phát nhiệt trong quá trình hàn cắt kim loại và Lý thuyết di chuyển nguồn nhiệt ứng dụng giải quyết các vấn đề kim loại hàn Ông đã đưa ra phương trình truyền nhiệt mà cho đến nay vẫn còn nguyên giá trị trong ứng dụng tính toán nhiệt Sau đó đến năm 1955, Giáo sư Okerblom đã đưa ra công thức tính biến dạng và ngày nay chúng ta vẫn đang áp dụng [29]

Cách đây khoảng 40 năm, người ta được biết đến phương pháp số trong đó có phương pháp sai phân và phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết vấn đề truyền nhiệt [39] Phương pháp sai phân được đưa ra và áp dụng cho ngành hàn vào đầu những năm 60 của thế kỷ 20, phương pháp phần tử hữu hạn ra đời và áp dụng vào ngành hàn khoảng 10 năm sau đó [37], người áp dụng đầu tiên phương pháp phần tử hữu hạn vào ngành hàn là Giáo sư Ola Westby cho một phần luận án tiến sĩ của mình

Đó chỉ là bước khởi đầu, phương pháp phần tử hữu hạn đạt được những khả năng còn to lớn hơn nhiều vào những năm cuối thế kỷ 20 Năm 2001, Tiến sĩ Artem

Pilipenko đã nghiên cứu mô phỏng biến dạng hàn trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng phần mềm ABAQUS

Tuy nhiên, các kết quả báo cáo trong các tài liệu khoa học của các nhà nghiên cứu thường khác xa so với nhau và cũng khác xa so với thực tế hàn kết cấu vỏ tàu thủy

Như vậy, chúng ta có thể thấy được rằng, sau Rosenthal Daniel cũng có khá nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến vấn đề ứng suất, biến dạng hàn và cũng đã đưa ra nhiều phương pháp tính toán giải quyết, nhiều công thức, nhiều phương trình và những hằng số bổ sung trong quá trính tính toán ứng suất và biến dạng nhiệt Nhưng hầu hết chỉ là những nghiên cứu trên cơ sở phương trình truyền nhiệt của Rosenthal Daniel và chỉ nghiên cứu trên mẫu hoặc kết cấu cơ khí thông thường Trong khi đó, vỏ thân tàu thủy có những đặc điểm khác biệt so với những kết cấu cơ khí thông dụng khác Nói chung, vấn đề ứng suất và biến dạng hàn kết cấu thân tàu vẫn đang tồn tại và chưa có những nghiên cứu cụ thể để giải quyết vấn đề này

1.2.4 Đặc điểm hàn kết cấu thân tàu thủy

1.2.4.1 Đặc điểm hàn kết cấu thân tàu thủy

Theo như tính toán của các chuyên gia hàn, cũng như công việc thực tế tại các nhà máy đóng tàu thì khối lượng công việc hàn chiếm khoảng 60% tổng khối lượng công việc chế tạo phần vỏ tàu thủy Khối lượng công việc này bao gồm:

- Các công việc chuẩn bị trước khi hàn, bao gồm: chuẩn bị thợ hàn, quy trình hàn, vật liệu cơ bản, vật liệu hàn, mép hàn, rãnh hàn, hàn đính…

- Các công việc trong khi hàn, bao gồm những công việc chính: Điều chỉnh máy móc, thiết bị và thực hiện hàn

- Các công việc sau khi hàn: làm sạch đường hàn, kiểm tra khắc phục các khuyết tật và nghiệm thu

Ngành công nghiệp đóng tàu là nơi có rất nhiều phương pháp hàn được áp dụng

và cũng là nơi thể hiện được tất cả các tư thế hàn trong không gian: hàn bằng, hàn ngang, hàn leo, hàn trần, hàn góc, hàn ống, hàn trong hầm kín, hàn trong khu vực chật hẹp, hàn trên cao và kể cả hàn dưới nước, …

1.2.4.2 Cỏc quỏ trỡnh hàn được ứng dụng trong ngành cụng nghiệp đúng tàu

Hiện nay trong ngành cụng nghiệp chế tạo tàu thủy, phương phỏp hàn hồ quang được ỏp dụng rộng rói Nguyờn lý của phương phỏp hàn này như sau [6]:

Hàn hồ quang mà trong đú bao gồm một quỏ trỡnh điện cực tự phỏt ra hồ quang

và bị núng chảy, sau đú đụng đặc tạo thành kim loại mối hàn, được gọi là Hàn hồ quang điện cực núng chảy

Quỏ trỡnh hàn hồ quang mà trong đú điện cực chỉ tạo ra hồ quang, và dõy hoặc thanh kim loại điền đầy được đưa vào để tạo kim loại mối hàn Được gọi là Hàn hồ quang điện cực khụng núng chảy

H 1.4 Nguyờn lý hàn hồ quang

1.2.4.2.1 Quỏ trỡnh hàn hồ quang kim loại với que hàn cú thuốc bọc bảo vệ

Ký hiệu: SMAW (Shielded Metal Arc Welding): Quỏ trỡnh hàn hồ quang kim loại với que hàn cú thuốc bọc bảo vệ thường được gọi là hàn hồ quang tay

Nguyờn lý: Nhiệt của hồ quang được tạo ra giữa que hàn và vật được hàn làm núng chảy kim loại cơ bản, lừi que hàn và hạt kim loại cú trong thuốc bọc que hàn để hỡnh thành nờn mối hàn Trong đú tất cả cỏc thao tỏc gõy hồ quang, dịch chuyển que hàn, thay que hàn đều do thợ hàn thực hiện bằng tay

hàn

Mạch sơ cấp

Hồ quang

Kim loại

mối hàn Bể hàn

Kim loại cơ bản

Dây cáp mát

Dây cáp hàn

Mạch thứ cấp

Kìm hàn Que hàn vỏ bọc

Kim loại cơ bản (A) Kiểu điện cực nóng chảy

E Năng lượng nguồn

Hồ quang

Điện cực

Kim loại mối hàn

Kim loại cơ bản (B) Kiểu điện cực không nóng chảy

Thanh

điền đầy

H.1.5 Hàn hồ quang kim loại với que hàn

cú thuốc bọc bảo vệ

Phương pháp này ra đời sớm nhất, có khả năng hàn tất cả các vị trí trong không gian và có tính cơ động cao Trong ngành đóng tàu, hàn hồ quang tay chỉ được ứng dụng nhiều trong các nhà máy đóng tàu vừa và nhỏ Đối với các nhà máy đóng tàu hiện đại, phương pháp này chỉ được ứng dụng để hàn đính và hàn phụ trợ những chi tiết nhỏ lẽ, không đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao, chỉ cần tính cơ động cao

1.2.4.2.2 Quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung

Ký hiệu: SAW (Submerged Arc Welding): Hay là hàn hồ quang chìm

Nguyên lý: Đầu dây hàn và hồ quang chìm trong thuốc trợ dung được cung cấp

trước, dòng hàn chuyển qua hồ quang và nhiệt của hồ quang làm nóng chảy dây hàn, thuốc trợ dung và một phần của kim loại cơ bản để hình thành nên vũng hàn Với chiều dày lớp thuốc phù hợp trong khi hàn, sẽ bảo vệ cột hồ quang và vũng hàn khỏi

sự tác động của môi trường không khí

H.1.6 Nguyên lý hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung

Quá trình hàn này không phát sinh khói, hồ quang kín, giảm thiểu nhu cầu đối với trang phục bảo hộ cho thợ hàn, không đòi hỏi kỹ năng cao của thợ hàn, điều kiện lao động thuận lợi

Chất lượng kim loại mối hàn cao, mối hàn trơn và đều, không bắn tóe kim loại Tiết kiệm kim loại do sử dụng dây hàn liên tục Tốc độ đắp và tốc độ hàn cao, năng suất cao hơn 10 lần so với hàn hồ quang tay

Tuy nhiên khi áp dụng quá trình hàn này, không thể quan sát được vũng hàn, chỉ hàn được ở tư thế hàn sấp, với các đường hàn thẳng và tròn quay như: hàn giáp mối tôn vỏ, vách ngăn và nối các chi tiết kết cấu khác ở tư thế hàn bằng

1.2.4.2.3 Quá trình hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy vonfram trong

môi trường khí trơ

Ký hiệu: TIG (Tungsten Inert Gas) hoặc GTAW (Gas Tungsten Ars Welding) Nguyên lý: Hồ quang được tạo ra giữa điện cực vonfram và kim loại cơ bản trong môi trường khí trơ bảo vệ (Argon hoặc Hêli) làm nóng chảy vật hàn Điện cực vonfram, hồ quang và vũng hàn được bảo vệ bởi khí trơ hoặc sự pha trộn của khí trơ Dây hàn có thể được bổ xung nếu cần thiết, bằng việc cấp vào trong vũng hàn bằng phương pháp thủ công hoặc tự động

1.2.4.2.4 Quá trình hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí

bảo vệ: (GMAW: Gas Metal Arc Welding)

1 Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ

Ký hiệu: MIG (Metal Inert Gas) Phương pháp này được thực hiện theo Nguyên lý: Dây hàn được cấp liên tục qua đầu của mỏ hàn trong môi trường khí trơ để bảo vệ

N¾p chôp

D©y kim

lo¹i ®iÒn ®Çy

Kim lo¹i mèi

C¸p hµn

D©y khÝ C¸p ®iÒu khiÓn

kim loại núng chảy khụng bị tỏc dụng với mụi trường khụng khớ Nhiệt của hồ quang được tạo ra giữa đầu dõy hàn và kim loại cơ bản làm núng chảy vật liệu cơ bản, dõy hàn tạo nờn vũng hàn và đụng đặc thành mối hàn

H.1.8 Nguyờn lý hàn MIG/MAG

2 Hàn hồ quang bằng điện cực núng chảy trong mụi trường khớ CO 2

Ký hiệu: MAG (Metal Active Gas)

Thực chất nguyờn lý của phương phỏp hàn này là hàn MIG, tuy nhiờn thay vỡ dựng khớ trơ để bảo vệ mối hàn thỡ phương phỏp này thay bằng khớ CO2 Mục đớch của việc thay đổi này là do hiệu quả kinh tế, khi sử dụng CO2 làm khớ bảo vệ sẽ rẻ hơn nhiều so với khớ trơ Vỡ vậy nờn người ta thường gọi chung cho hai phương phỏp hàn này với tờn gọi là hàn MIG/MAG

3 Quỏ trỡnh hàn hồ quang bằng dõy hàn cú lừi thuốc trong mụi trường khớ bảo vệ CO 2 : (FCAW - Flux Cored Arc Welding)

Nguyờn lý của phương phỏp này tương tự như hàn MAG nhưng thay dõy hàn trần bằng dõy hàn cú lừi thuốc, và biến đổi này đụi khi được gọi là hàn hồ quang dõy hàn lừi thuốc

Dây hàn

Hồ quang

Kim loại cơ bản

Cuộn dây Cáp điều

khiển dòng điện Đường khí vào

ống phun khí Bép hàn Dây hàn có lõi thuốc Bột thuốc

Khí bảo vệ

Các giọt cầu kim loại được bảo vệ bằng lớp xỉ mỏng

Bể hàn nóng chảy Kim loại mối hàn

đông đặc và xỉ

Lõi thuốc

Mối ghép dây

Các loại dây lõi thuốc

H.1.9 Nguyờn lý hàn hồ quang

dõy hàn lừi thuốc

1.2.5 Thực trạng vấn đề biến dạng kết cấu thân tàu và biện pháp khắc phục 1.2.5.1 Thực trạng vấn đề biến dạng hàn kết cấu thân tàu

Như đã đề cập, biến dạng hàn kết cấu thân tàu là một trong những vấn đề cực

kỳ quan trọng trong công tác hàn tàu Biến dạng gây ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn, gây hư hỏng kết cấu,… Nhưng thực tế tại các nhà máy đóng tàu vấn đề biến dạng vẫn tồn tại và sau khi hàn phải tốn một khoảng chi phí khá lớn để khắc phục

Bất kỳ một chi tiết kết cấu thân tàu nào sau khi hàn đều xảy ra biến dạng dù nhiều hay ít Tuy nhiên, những dạng chi tiết, cụm chi tiết điển hình dễ xảy ra biến dạng

và phải tốn công khắc phục nhiều nhất đó là:

1 Thực trạng hàn các cụm chi tiết kết cấu thanh dầm

Cụm chi tiết kết cấu thanh dầm chiếm số lượng khá lớn trong thân tàu thủy Chúng thường có dạng chử T, L2 và L3 như: đà ngang đáy, sườn khỏe, xà ngang boong khỏe, xà dọc mạn, sống dọc đáy, sống dọc boong, nẹp vách,… Chúng được chế tạo bằng phương pháp hàn ghép 2 chi tiết bản thành và bản mép với nhau

Khi hàn các chi tiết lại cụm thanh dầm với nhau sẽ xảy ra các dạng biến dạng:

- Biến dạng dọc: là biến dạng dọc theo trục của cụm chi tiết chử T, điều này làm cho cụm chi tiết bị cong, thiếu chính xác, không thể lắp ráp và cũng không đảm bảo chất lượng về mặt độ bền

H.1.10 Một vài ví dụ về cụm chi tiết thanh dầm

a, Cụm chi tiết dạng L2 thẳng; b, Cụm chi tiết dạng L2 cong; c, Cụm chi tiết dạng chử T công xôn; d, Cụm chi tiết dạng chử T mã 2 đầu; e, Cụm chi tiết ống có bích nối; f, Cụm chi tiết chử T khu vực bệ máy

- Biến dạng góc

- Biến dạng cục bộ: Khi hàn cụm chi tiết kết cấu thanh dầm thường xảy ra hiện tượng cong vênh và biến dạng cục bộ như trên hình 1.13

2 Thực trạng khi hàn các phân đoạn

Trong phân đoạn có các loại mối hàn như: mối hàn nối tôn vỏ với tôn vỏ, mối hàn nối kết cấu với tôn vỏ và mối hàn kết cấu với kết cấu Các dạng mối hàn này cũng xảy ra các dạng biến dạng: Biến dạng dọc, biến dạng ngang, biến dạng góc và biến dạng cục bộ

- Hàn nối các tấm tôn với nhau: Khi nối các tấm tôn với nhau sẽ xảy ra các dạng biến dạng do co ngang, co dọc, biến dạng góc và biến dạng cục bộ nhưng 2 dạng biến dạng co ngang và co dọc ít được nhìn thấy bằng mắt thường mà chủ yếu nhìn thấy biến dạng góc và biến dạng cục bộ Biến dạng do co ngang và co dọc cũng là một trong những lý do buộc khi chế tạo phân tổng đoạn phải cộng thêm lượng dư lắp ráp

H.1.11 Biến dạng dọc khi hàn cụm chi tiết kết cấu thanh dầm

H.1.12 Biến dạng góc khi hàn cụm chi tiết kết cấu thanh dầm

H.1.13 Biến dạng cục bộ khi hàn cụm chi tiết kết cấu thanh dầm

- Biến dạng khi hàn kết cấu với tôn vỏ: sau khi hàn kết cấu với tôn vỏ thường xảy ra biến dạng góc và hiện tượng cong vênh tấm vỏ tại vị trí giữa 2 kết cấu

Trên đây là một vài ví dụ về thực tế biến dạng hàn đang tồn tại tại các nhà máy đóng tàu trong nước và trên thế giới, ngoài ra còn rất nhiều vị trí khác trên thân tàu cũng xảy ra biến dạng hàn Nói chung tất cả các vị trí được liên kết bằng hàn đều xảy

ra biến dạng

Tùy theo mức độ biến dạng mà cần thiết phải sửa chữa hay không, nếu độ lớn biến dạng xảy ra trong phạm vi cho phép của tiêu chuẩn thì vẫn được chấp nhận, nếu vượt quá yêu cầu thì bắt buộc phải sửa chữa Nhưng đôi khi do các biện pháp khống chế biến dạng nên biến dạng xảy ra trong giới hạn cho phép nhưng ứng suất dư lại tồn tại quá lớn trong kết cấu Vì vậy khắc phục ứng suất và biến dạng là vô cùng cần thiết

1.2.5.2 Biện pháp khắc phục biến dạng hàn

Hiện nay, tại các nhà máy đóng tàu cũng đã áp dụng các biện pháp phòng chống biến dạng nhưng thực tế biến dạng hàn kết cấu thân tàu vẫn xảy ra rất lớn Như

H.1.14 Biến dạng góc khi hàn nối tấm tại HVS

H.1.14 Biến dạng cục bộ khi hàn nối kết cấu với tấm tại HVS

Vị trí biến dạng

Vị trí biến dạng Máy hàn tự động SAW

đã giới thiệu ở trên, nếu kết cấu xảy ra biến dạng vượt quá mức cho phép thì phải tiến hành sửa chữa

Giải pháp chủ yếu để khắc phục biến dạng hàn mà các nhà máy đóng tàu lựa chọn hiện nay là phương pháp nhiệt Phương pháp này được áp dụng bằng cách gia nhiệt làm cho kết cấu biến dạng theo chiều ngược lại

Nhược điểm của phương pháp gia nhiệt: khi tiến hành gia nhiệt để khắc phục biến dạng hàn là chúng ta đã trải qua thêm một quá trình nung nóng và nguội của kết cấu, làm cho kim loại cơ bản và kim loại mối hàn thay đổi cơ tính và cấu trúc tế vi thêm một lần nữa Điều này có thể là nguy cơ làm giảm cơ tính và độ bền của kết cấu thân tàu

Mặt khác phương pháp gia nhiệt rất tốn kém, tốn nhiều thời gian, công sức và vật tư tiêu hao,… Làm giảm hiệu quả kinh tế và ảnh hưởng đến tiến độ đóng tàu

1.3 Tầm quan trọng của quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung

(SAW) trong ngành công nghiệp đóng tàu

Hàn và quy trình công nghệ (hay phương pháp đóng tàu) là chìa khóa thành công trong mỗi nhà máy đóng tàu, 2 yếu tố này có mối quan hệ chặc chẽ, gắn bó với nhau, chúng có vai trò quan trọng và có mối quan hệ trực tiếp đến tiến độ, chất lượng cũng như giá thành sản phẩm

Vì vậy, muốn có lợi nhuận cao, các nhà máy đóng tàu hiện đại cố gắng tìm ra quy trình chế tạo, lắp ráp và phương pháp hàn hiệu quả nhất Trong những năm gần đây, các nhà máy đóng tàu đều đóng tàu theo phương pháp phân tổng đoạn Theo phương pháp này, thân tàu được chia ra thành từng cụm chi tiết nhỏ nhất có thể, sau đó

H.1.16 Khắc phục biến dạng bằng phương pháp nhiệt tại HVS

Đường gia nhiệt

lắp ráp thành những cụm lớn hơn, từ những cụm này lắp ráp thành cụm lớn hơn nữa và

cứ như thế để có được những phân đoạn lớn, tổng đoạn và lắp ráp thành tàu Nhằm mục đích rút ngắn thời gian chế tạo và cố gắng đưa tất cả các đường hàn về vị trí hàn bằng để áp dụng quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung

Quá trình hàn này cho chất lượng kim loại mối hàn cao Bề mặt mối hàn trơn và đều, không có bắn tóe kim loại Chất lượng mối hàn cao hơn so với hàn hồ quang tay

về mặt cơ lý tính cũng như hình dạng và bề mặt mối hàn

Đặc biệt năng suất của quá trình hàn này có thể cao gấp 10 lần so với hàn hồ quang tay và không phát sinh khói, hồ quang kín, ít độc hại, do đó làm giảm thiểu nhu cầu đối với trang phục bảo hộ của thợ hàn, không đòi hỏi kỹ năng cao của thợ hàn và điều kiện lao động thuận lợi

1.4 Các yếu tố cơ bản có thể ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn

1.4.1 Nhóm các yếu tố kết cấu

Các yếu tố kết cấu ảnh hưởng đến vấn đề biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu, chúng ta có thể kể đến là:

- Loại vật liệu cơ bản (loại thép đóng tàu)

- Chiều dày vật liệu cơ bản

- Vật liệu hàn (dây hàn, que hàn, thuốc hàn, khí bảo vệ,…)

- Kiểu vát mép: kiểu chữ V, X, Y K,…

- Số lượng và kích thước mã răng lược

- Phương pháp cố định tấm xuống bệ lắp ráp

1.4.3 Nhóm các yếu tố do nguồn nhiệt hàn

Nguồn nhiệt đầu vào là yếu tố rất cơ bản gây nên biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu, các yếu tố này tập trung vào loại quá trình hàn và chế độ hàn Đồng thời nó kết hợp với các yếu tố kết cấu và các yếu tố công nghệ gây nên biến dạng nhiệt Các yếu tố nhiệt đầu vào có thể kể đến:

- Loại quá trình hàn: Quá trình hàn hồ quang tay, quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc trợ dung, quá trình hàn bán tự động MIG/MAG,…

- Công suất nguồn hàn

- Loại nguồn hàn: nguồn một chiều, nguồn xoay chiều

1.4.4 Nhóm các yếu tố do con người tác động

Nhân tố con người cũng góp phần khá quan trọng trong việc ảnh hưởng đến vấn

đề biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu Những yếu tố do con người gây ra có thể kể đến là:

1 Do người hàn trực tiếp gây ra

Người trực tiếp hàn chính là tác nhân trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn và chất lượng kết cấu hàn Vì vậy, việc thợ hàn hoặc thợ vận hành máy hàn có khả

năng là nguyên nhân gây ra biến dạng nhiệt cũng không có gì lạ Những yếu tố của người trực tiếp hàn gây ra có thể là do:

- Kiểm tra trước khi hàn

- Kiểm tra trong khi hàn

- Kiểm tra sau khi hàn

1.5 Mục tiêu, phạm vi và giới hạn nội dung nghiên cứu

Qua những nội dung đã đề cập, chúng ta thấy rằng biến dạng hàn vỏ tàu thủy là một vấn đề thực, đang tồn tại tại các nhà máy đóng tàu Nó làm giảm chất lượng sản phẩm và phải tốn rất nhiều thời gian, công sức cũng như tiền bạc để khắc phục Đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan nhưng chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu kết cấu cơ khí, trên mẫu đơn giản Vì vậy nghiên cứu về vấn đề biến dạng hàn kết cấu thân tàu thủy là

vô cùng thực tế và cần thiết

Đáp ứng yêu cầu của một luận văn cao học, cũng như mục tiêu nghiên cứu, tôi xin giới hạn nội dung đề tài như sau:

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

Luận văn chỉ tập trung nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng tấm tôn bao vỏ tàu trong phân đoạn phẳng do quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung, mối hàn giáp mối, thẳng và tư thế hàn bằng gây ra

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu

Khi ứng dụng quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung để hàn nối các tấm tôn bao vỏ tàu chắc chắn sẽ xảy ra biến dạng Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xảy ra biến dạng nhiệt này Luận văn chỉ tập trung nghiên cứu hai yếu tố cơ bản sau:

- Sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung đến biến dạng khi hàn nối các tấm tôn bao vỏ tàu

- Sự ảnh hưởng của hình dạng mối ghép đến biến dạng tấm tôn bao vỏ tàu Trong đó đi nghiên cứu thực nghiệm kết quả biến dạng trên cơ sở các thông số trong quy trình hàn Sau đó so sánh với kết quả của Okerblom và Artem Pilipenko

1.5.3 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn và góc vát mép đến biến dạng khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu, từ đó có những khuyến cáo về nguy cơ xảy

ra ứng suất, biến dạng Đồng thời đánh giá độ chính xác của công thức tính biến dạng của Okerblom và sự mô phỏng biến dạng của Artem Pilipenko trong điều kiện thực tế hàn vỏ tàu thủy Và đề xuất chế độ hàn phù hợp với tấm tôn bao vỏ tàu khi áp dụng phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung

1.5.4 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở đặc điểm của kết cấu tàu thủy và quy trình hàn được áp dụng, phương pháp nghiên cứu của đề tài được kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với thí nghiệm hàn thực tế

1.5.5 Giới hạn nội dung đề tài

Trên cơ sở mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, tôi xin giới hạn nội dung đề tài, cụ thể như sau:

1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

2 Nghiên cứu lý thuyết sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt và góc vát mép đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu bằng phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung

3 Khảo sát ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn và góc vát mép đến biến dạng khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu

4 Hàn thí nghiệm sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt đến và của góc vát mép đến biến dạng khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu

5 So sánh, thảo luận kết quả và đề xuất chế độ hàn tấm tôn bao vỏ tàu

6 Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN NHIỆT VÀ GÓC VÁT MÉP

ĐẾN BIẾN DẠNG NHIỆT KHI HÀN TẤM TÔN BAO VỎ TÀU

2.6 Quy trình chế tạo vỏ tàu và đối tượng nghiên cứu

Hiện nay, các nhà máy đóng tàu hiện đại đều đóng tàu theo phương pháp phân tổng đoạn Theo phương pháp này, thân tàu được chia thành càng nhiều phân đoạn phẳng và phân đoạn khối càng tốt Từ những phân đoạn phẳng và phân đoạn khối này tiếp tục được chia thành các cụm chi tiết lớn Tiếp tục chia các cụm chi tiết lớn thành các cụm chi tiết nhỏ hơn và cuối cùng là chi tiết không thể phân chia

Mục đích của việc phân chia này nhằm tiến hành chế tạo tất cả các chi tiết kết cấu thân tàu cùng một lúc, rút ngắn thời gian chế tạo tàu Đồng thời cố gắng đưa tất cả các chi tiết kết cấu chuẩn và các mối hàn về vị trí hàn bằng, dễ thực hiện, tận dụng phương pháp hàn tự động

Quá trình lắp ráp tàu thì ngược lại của quá trình phân chia Bắt đầu từ những chi tiết được lắp ráp thành cụm chi tiết Từ cụm chi tiết lắp ráp thành các cụm chi tiết lớn hơn Từ những cụm chi tiết lớn lắp ráp thành phân đoạn Từ những phân đoạn lắp ráp thành các tổng đoạn và cuối cùng là lắp ráp các tổng đoạn thành tàu Quy trình chế tạo phân đoạn khối mà luận văn quan tâm có thể xem hình 2.1

H.2.1 Quy trình chế tạo phân đoạn khối

a) Chế tạo chi tiết b) Chế tạo cụm chi tiết c) Chế tạo phân đoạn phẳng d) Chế tạo phân đoạn khối

Lắp ráp thành tàu

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Theo sơ đồ lắp ráp được phân tích trên hình 2.1, nội dung của luận văn chỉ dừng lại nghiên cứu giai đoạn chế tạo hai cụm chi tiết tôn bao (Đối tượng nghiên cứu trên hình 2.1, là cụm chi tiết tôn bao đáy trong và cụm chi tiết tôn bao đáy ngoài) Hai cụm chi tiết tôn bao này được lắp ghép từ nhiều tấm tôn với nhau và hàn nối bằng phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc trợ dung

2.7 Các loại thép dùng trong đóng tàu và vật liệu nghiên cứu

2.7.1 Các loại thép dùng trong đóng tàu

Theo [5], thép đóng tàu hiện nay có chiều dày giới hạn không quá 50mm Trong những trường hợp đặc biệt, nếu chiều dày lớn hơn 50mm thì phải phù hợp các yêu cầu riêng và các yêu cầu bổ sung của Đăng kiểm

Nhưng trong thực tế, chiều dày tôn bao vỏ tàu hiếm khi đạt đến độ dày 50mm mà thường chỉ nằm trong khoảng:

- Đối với tàu cỡ nhỏ, chiều dày tôn vỏ thường nằm trong khoảng (6÷16)mm

- Đối với tàu cỡ trung, chiều dày tôn vỏ thường nằm trong khoảng (12÷22)mm

- Đối với tàu cỡ lớn, chiều dày tôn vỏ thường nằm trong khoảng (20÷30)mm

Cũng theo tiêu chuẩn này, thép đóng tàu được phân thành 16 cấp, bảng 2.1

Bảng 2.1 Khử Oxy và thành phần hóa học của thép đóng tàu [2]

Để xác định tính năng chống nứt của thép đóng tàu, quy phạm có quy định các chỉ tiêu

đánh giá tính chất của từng loại thép như sau:

Bảng 2.2 Hàm lượng cacbon tương đương đối với thép được sản xuất theo phương

pháp cán có kiểm soát cơ nhiệt (TMCB) [5]

Hệ số cac bon tương đương cho thép thường

Hệ số cacbon tương đương C eq là hệ số dùng để đánh giá tính hàn của thép

2.7.2 Vật liệu nghiên cứu

Theo quy trình hàn tấm tôn bao vỏ tàu (sẽ giới thiệu kỹ hơn trong phần 3.1), vật

liệu cơ bản được nghiên cứu là thép ASTMA131, cấp AH36 và có chiều dày là 20mm

Như vậy, vật liệu nghiên cứu hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu của Đăng kiểm Việt

Nam

Bảng 2.3 thành phần hóa học của thép ASTMA131

2.7.3 Tính hàn của thép ASTMA131

Theo định nghĩa của Hiệp hội hàn Mỹ (AWS), tính hàn là khả năng hàn được của vật liệu cơ bản trong điều kiện chế tạo đã quy định trước nhằm tạo ra kết cấu thích hợp với thiết kế cụ thể và có tính năng thích hợp với mục đích sử dụng

Về mặt thực tiễn, tính hàn được thể hiện thông qua 3 nhóm chỉ tiêu:

- Các chỉ tiêu tính toán: liên quan đến chế độ nhiệt

- Các chỉ tiêu về độ lành lặn: chủ yếu liên quan đến khả năng hình thành nứt

- Các chỉ tiêu về mặt tính chất

Trong phần này chỉ tập trung nghiên cứu thời gian lưu kim loại, sự thay đổi cấu trúc và kích thước hạt của loại thép ASTMA131 khi gia nhiệt hàn Vì thời gian lưu kim loại khác nhau sẽ dẫn đến sự thay đổi kích thước hạt khác nhau và sẽ làm thay đổi thể tích, dẫn đến thay đổi ứng suất và biến dạng kết cấu hàn

Đối với thép ASTMA131, có thành phần 0.18%C, khi nung trong một thời gian dài bằng nguồn nhiệt hàn ở nhiệt độ cao hơn 9000C (nhiệt độ Ac3 ), có thể dẫn đến hiện tượng tăng kích thước hạt austenit Tốc độ nguội cao khi hàn trong khoảng nhiệt

độ phân hủy dưới tới hạn của austenit có thể dẫn đến hình thành các tổ chức tôi có độ cứng cao (mactexit cứng)

Austenit có vai trò quyết định đến biến dạng nóng và nhiệt luyện của kim loại Khi tăng kích thước hạt Austenit cộng với tính dẻo vốn có của nó, đồng nghĩa với tăng biến dạng nóng của vật liệu

Theo [6], chu trình nhiệt hàn của một điểm nhất định trong vùng ảnh hưởng nhiệt

khi hàn nóng chảy bằng các quá trình khác nhau thì khác nhau, trong đó t n là thời gian lưu kim loại của điểm đang xét ở các nhiệt độ cao hơn Ac3

1

Như vậy, chúng ta có thể thấy thời gian lưu kim loại ở nhiệt độ cao hơn Ac3 đối với hàn dưới lớp thuốc trợ dung (đối tượng nghiên cứu) là tương đối lớn, từ (30÷100) giây Với đa số các loại quá trình hàn, nhiệt độ tăng gần như tuyến tính với thời gian, trong khi đó sự giảm nhiệt độ theo thời gian lại có đặc trưng hàm số mũ Với hầu hết các loại thép, quá trình phân hủy austenit xảy ra ngay dưới nhiệt độ Ac3 và phân hủy hoàn toàn austenit xảy ra dưới nhiệt độ Ac1

2.8 Nghiên cứu sự phân bố trường nhiệt độ khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu

Hầu hết các quá trình hàn đều dựa trên nguyên lý cơ bản của quá trình nung nóng cục bộ kim loại cơ bản đến nhiệt độ nóng chảy và sau đó nguội dần Nhiệt độ phân bố rất không đồng đều cả trong không gian và theo thời gian, vì vậy đã gây ra biến dạng kết cấu chế tạo

Việc cơ bản và quan trọng nhất khi giải quyết vấn đề ứng suất và biến dạng hàn

là phải đi giải quyết vấn đề phân bố nhiệt độ của mối hàn Vì vậy, chúng ta cần quan tâm đến nguồn nhiệt hàn, trường nhiệt độ và các vấn đề lý thuyết liên quan đến sự truyền nhiệt và phân bố nhiệt

H.2.2 Chu trình nhiệt hàn vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn nóng chảy 1) Hàn hồ quang tay 2) Hàn dưới lớp thuốc 3) Hàn điện xỉ

2.8.1 Sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn

Nguồn nhiệt hàn là yếu tố cơ bản nhất gây nên biến dạng nhiệt khi hàn nối các tấm tôn bao vỏ tàu Do đó nghiên cứu sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn đến quá trình biến dạng là mục tiêu chính của luận văn nhằm xác định được lượng nhiệt đưa vào mối hàn, trường nhiệt độ trên tấm, trường ứng suất quá độ, trường ứng suất dư và cuối cùng là tìm ra biến dạng

Như chúng ta đã biết, tất cả năng lượng điện của hồ quang hàn đều biến đổi thành năng lượng nhiệt, nhưng không phải tất cả chúng được dùng cho việc nung chảy kim loại cơ bản và điện cực mà một phần của số năng lượng này bị mất đi vào môi trường xung quanh Vì vậy, năng lượng hữu ích của hồ quang hàn có thể được tính theo công thức:

UI

Q (2.3)

Trong đó: Q: là năng lượng hữu ích của hồ quang hàn, [W]

η: là hệ số hiệu suất của hồ quang,

U: là điện áp hàn, [V]

I: là cường độ dòng điện, [A]

Giá trị của hệ số hiệu suất hồ quang hàn phụ thuộc vào loại quá trình hàn, và được thể hiện ở bảng 2.4, [15]

Bảng 2.4: Hiệu suất hồ quang đối với các quá trình hàn khác nhau

Quá trình

hàn

SAW Steel

SMAW Steel

GMAW

CO2-Steel

GMAW Ar-Steel

GTAW Ar-Steel

GTAW He-Al

GTAW Ar-Al

Hiệu suất: η 0,91÷0,99 0,66÷0,85 0,75÷0,93 0,66÷0,70 0,25÷0,75 0,55÷0,80 0,22÷0,46

Như vậy, với nội dung nghiên cứu của đề tài là quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung SAW, thì hiệu suất hồ quang là η = (0,91÷0,99)

Bên cạnh hiệu suất hồ quang, mật độ năng lượng nguồn nhiệt cũng là một thông

số rất quan trọng của các quá trình hàn Vì chúng thể hiện sự tập trung của năng lượng nguồn nhiệt giúp chúng ta có các phân tích, lựa chọn đúng đắn cho quá trình tính toán

.

.





Trong đó: q : là mật độ nguồn nhiệt [W.s-2]

η : hiệu suất truyền nhiệt

2.8.2 Nghiên cứu trường nhiệt độ với những phương trình cơ bản

2.8.2.1 Định luật Fourier về độ dẫn nhiệt

Một trong những phương trình cơ bản nhất để phân tích sự truyền nhiệt là định

luật Fourie về độ dẫn nhiệt Theo định luật này, đại diện cho mật độ dòng nhiệt là q 2

[J.m-2.s-1] của dòng năng lượng từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp hơn theo

các đường phụ thuộc vào gradient nhiệt độ

Trong đó: λ là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu [J.m-1.s-1.K-1] Hệ số này phụ thuộc vào thành phần hóa học, trạng thái cấu trúc tế vi và nhiệt độ của vật liệu cơ bản

2.8.2.2 Phương trình trường độ dẫn nhiệt

Phương trình thứ hai cần quan tâm đến đó là phương trình trường độ dẫn nhiệt Phương trình này kết hợp không gian, thời gian và phụ thuộc vào sự phân bố nhiệt

3

q z

T z

y

T y

x

T x

ρ: là khối lượng riêng của vật liệu, [kg.m-3]

q 3: là mật độ thể tích của nguồn nhiệt, [W.m-3]

Phương trình (2.6) có thể có được từ định luật Fourier về độ dẫn nhiệt và định

luật bảo toàn năng lượng Vì trong trường hợp chung, đặc tính của cρ, λ x , λ y và λ z phụ thuộc vào nhiệt độ và bản thân phương trình (2.5) là không tuyến tính

Phương pháp giải tích bắt buộc chúng ta phải bỏ qua sự phụ thuộc nhiệt độ của các nhân tố kể trên Vì các vấn đề về dòng nhiệt được ứng dụng cho hàn có thể giải quyết được bằng cách tuyến tính hóa và đơn giản hóa mà không mất đi ý nghĩa về độ chính xác Điều này cho phép chúng ta chuyển sang dạng tuyến tính đơn giản hơn của phương trình trường độ dẫn nhiệt:

q z

T y

T x

T c t

2 2 2 2 2

2.8.3 Nghiên cứu lựa chọn điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho bài toán

truyền nhiệt hàn tôn bao vỏ tàu

2.8.3.1 Lựa chọn điều kiện ban đầu

Khi nghiên cứu giải quyết vấn đề độ dẫn nhiệt cho vật thể rắn, chúng ta cần phải đưa ra được điều kiện ban đầu và điều kiện biên của nó