ứng dụng công nghệ hàn một phía trong chế tạo vỏ tàu thủy

1.1.1. Sơ lƣợc về tình hình phát triển công nghệ đóng tàu Hiện nay, trung tâm đóng tàu của thế giới đang ở Đông Á với ba nước Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc chiếm đến 85% tổng sản lượng, EU chỉ có 11%. Các nước còn lại chiếm hơn 4%. Tuy nhiên, xét về giá trị, EU lại là khu vực chiếm một tỷ lệ doanh thu lớn nhất (gần 30%) do họ tập trung vào những loại tàu cao cấp như: tàu chở khí lỏng và tàu chở khách. Trong khi đó, Hàn Quốc chiếm lĩnh các loại tàu chở container, tàu chở dầu. Nhật Bản tập trung vào tàu chở hàng khô, tàu chở khí lỏng. Còn Trung Quốc đang cố gắng chiếm lĩnh tất cả những gì có thể. Đến năm 2015, mục tiêu của Hàn Quốc là dẫn đầu hành trình thiên niên kỷ, chiếm 40% thị phần. Còn mục tiêu của Trung Quốc dẫn đầu thế giới, với 35% thị phần. Nhật Bản thì tập trung vào các loại tàu có công nghệ cao, siêu trọng. EU dẫn đầu ở những phân đoạn thị trường cao cấp với doanh thu 40 tỷ USD, gấp 3 lần hiện nay. Nếu đúng theo các mục tiêu này thì khi đó, năng lực sản xuất toàn cầu sẽ lớn hơn nhu cầu ít nhất từ 10% 20%. 1.1.2. Công nghiệp tàu thủy ở Việt Nam Với tình hình thực tế ở Việt Nam hiện nay, cách hiệu quả hơn cả là Việt Nam nên đầu tư tập trung vào các cụm công nghiệp đóng tàu có sẵn lợi thế, đồng thời lựa chọn ngành công nghiệp phụ trợ phù hợp để xây dựng và phát triển như: ngành thép, tự động hoá, hàn,... Hơn nữa, ngoài việc thành lập các liên doanh, cũng cần mở cửa cho nước ngoài (nhất là Hàn Quốc và Nhật Bản) thành lập các doanh nghiệp 100% vốn của họ và khuyến khích khu vực kinh tế tư nhân tham gia vào ngành công nghiệp đóng tàu. Mặc dù trải qua nhiều khó khăn, nhưng cho đến nay ngành đóng tàu Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh, nhiều nhà máy đóng tàu đã bước đầu áp dụng công nghệ đóng tàu tiên tiên như công nghệ đóng tàu theo tổng đoạn (Modules) đóng thành công các tầu có tải trọng nhỏ và trung bình. 1.1.3. Công nghiệp tàu thủy ở nƣớc ngoài Chương trình nghiên cứu NSRP, MANTECH đã tiến hành nghiên cứu về mức độ công nghệ đóng tàu hiện đang được sử dụng tại các nhà máy đóng tàu cạnh tranh nhất ở châu Á và phân ra 5 mức công nghệ. Các nhà máy đóng tàu hiện đại nhất ở mức 5 (là mức công nghệ hiện đại nhất) được thể hiện qua một số nét như: Có mức độ tự động hóa và người máy hóa trong tất cả các công đoạn; có khả năng làm việc hiệu quả và áp dụng hệ thống điều hành sản xuất suất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CADCAMCIM (Computer Integrated Manufacturing). Thiết kế và chế tạo vỏ tàu theo modules; khả năng quản lý vật tư hiệu quả nhờ máy tính và có hệ thống đảm bảo chất lượng hoàn căn chỉnh hiệu quả,... 1.1.4. Công nghệ đóng tàu theo phƣơng pháp tổng đoạn Phương pháp đóng tàu theo tổng đoạn (Modules) là phương pháp phân chia thân tàu thành những tổng đoạn hợp lý dọc theo thân tàu để thuận lợi cho công đoạn chế tạo và lắp đặt sẵn các trang thiết bị ở mức tối đa tại các phân xưởng chuyên dụng trước khi đấu đà. 4 1.2. Tình hình ứng dụng công nghệ hàn một phía trong chế tạo vỏ tàu thủy Công nghệ hàn một phía được thực hiện bằng nhiều phương pháp hàn khác nhau phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể; hàn hồ quang tay (MAW), hàn tự đông dưới lớp thuốc (SAW), hàn tự động và bán tự động trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), hàn điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vê (GTAW), hàn hồ quang với dây lõi thuốc (FCAW), hàn điện khí (EGW),v.v...Hình 1.1 minh họa mức độ ứng dụng của các quá trình hàn trong đóng tàu cũng như trong các lĩnh vực công nghiệp khác.

MỞ ĐẦU Mục đích của luận án

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn chính Auto-FCAW đến hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu

Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng, kích thước và khả năng hình thành mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW

Nghiên cứu khảo sát ứng suất, biến dạng và tổ chức tế vi kim loại liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu

Thiết lập bộ thông số công nghệ hàn phù hợp với liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu:

Luận án tập trung nghiên cứu liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu (gọi tắt

là liên kết hàn tổng đoạn)

Phạm vi nghiên cứu:

Liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn thân tàu tải trọng trung bình Sử dụng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc (Auto-FCAW) Vật liệu cơ bản là thép chế tạo vỏ tàu cấp A, mác A36, phạm vi chiều dày từ 10 đến 25 mm Quy mô nghiên cứu của luận án được xác định trong phạm vi phòng thí nghiệm

Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện được mục đích nghiên cứu của luận án, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Thu thập, phân tích và tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài nghiên cứu về công nghệ hàn giáp mối một phía bằng phương pháp hàn FCAW; các văn bản nghị quyết, quyết định của Đảng và Nhà nước về chiến lược phát triển công nghiệp đóng tàu Việt Nam; các tài liệu về công nghệ đóng tàu; Từ đó xác định rõ những gì đã được công bố và tìm ra những nội dung mới mà luận án cần phải giải quyết

- Phân tích và hệ thống hóa các kiến thức lý thuyết về công nghệ đóng tàu theo tổng đoạn; các quá trình công nghệ hàn ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu; đặc điểm công nghệ hàn giáp mối một phía; thiết bị, vật liệu, các thông số công nghệ, phương thức dịch chuyển kim loại trong quá trình hàn hồ quang dây lõi thuốc (FCAW) làm cơ sở lý thuyết cho đề tài

- Khảo sát hiện trường tại các cơ sở đóng tàu trong nước, trong đó sử dụng các kỹ thuật quan sát trực tiếp, ghi chép, hỏi ý kiến chuyên gia, chụp ảnh để tìm hiểu về công nghệ đóng tàu, lắp ráp phân đoạn, tổng đoạn (Block); công nghệ hàn nối phân đoạn và tổng đoạn vỏ tàu

Từ đó làm sáng tỏ các thông tin về đối tượng nghiên cứu, làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình thực nghiệm

- Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng mối quan hệ giữa các thông

số chế độ hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc và vị trí hàn với hình dạng và kích thước mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu Bao gồm việc phân tích, lựa chọn và xác định các yếu tố ảnh hưởng chính; lập kế hoạch, tiến hành thực nghiệm và thu nhận thông tin Xây dựng

và kiểm định mô hình bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất và phân tích hồi quy, phân tích phương sai để xác định giá trị của các hệ số trong mô hình hồi qui đa thức Kiểm tra mô hình theo độ tương thích và khả năng làm việc

- Sử dụng kỹ thuật tính toán trường nhiệt độ hàn; khảo sát quá trình truyền nhiệt; phân tích phân bố ứng suất, biến dạng và tổ chức kim loại, của liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu trên phần mềm chuyên dụng SYSWELD

- Sử dụng các trang thiết bị sẵn có phù hợp với điều kiện thực nghiệm để chế tạo liên kết hàn nối tổng đoạn vỏ tàu; tiến hành đo biến dạng thực, kiểm tra cơ tính và phân tích tổ chức tế

vi của kim loại liên kết hàn tổng đoạn trong phạm vi phòng thí nghiệm

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiến của luận án

Ý nghĩa khoa học của luận án:

Đã phân tích và hệ thống hóa kiến thức công nghệ, thiết bị, vật liệu hàn, các thông số công nghệ, phương thức dịch chuyển kim loại, đặc điểm hình thành mối hàn ở các vị trí hàn khác nhau trong không gian với quá trình hàn hồ quang dây lõi thuốc FCAW làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng mô hình thực nghiệm hàn giáp mối một phía

Bằng quy hoạch thực nghiệm đã thiết lập mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn FCAW (cường độ dòng điện hàn Ih, tốc độ hàn Vh, tần số dao động đầu hàn fh, thời gian dừng dao động đầu hàn ở ¼ và ¾ chu kỳ td) với hình dạng và kích thước đường hàn đáy của mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A36 Đã xựng các đồ thị và đánh giá mức độ ảnh hưởng độc lập và đồng thời của các thông số chế độ hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn Từ đó xác định được bộ thông số chế độ hàn phù hợp với phạm vi kích thước của đường hàn đáy liên kết hàn giáp mối một phía thép cấp A ở vị trí hàn đứng

Auto-Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã thiết lập mối quan hệ toán học và đánh giá mức độ ảnh hưởng của vị trí hàn (góc nghiêng trục đường hàn thay đổi theo góc 

từ 0  2.09 radian) đến hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối một phía thép vỏ tàu cấp A36 bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc Auto-FCAW

Kết hợp phương pháp mô phỏng số với thực nghiệm nhằm nâng cao hiệu quả nghiên cứu ứng suất, biến dạng và biến đổi tổ chức kim loại của liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A36 bằng quá trình hàn FCAW Kết quả nghiên cứu này cũng có thể được áp dụng vào nghiên cứu ứng suất, biến dạng và biến đổi tổ chức kim loại liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu với các cấp thép khác

Ý nghĩa thực tiễn của luận án:

Kết quả nghiên cứu của đề tài đã xác định được bộ thông số công nghệ hàn và quy trình hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc Kết quả và phương pháp nghiên cứu của đề tài có thể vận dụng vào thực tiễn chế tạo và lắp ghép phân đoạn, tổng đoạn nhằm nâng cao năng suất và chất lượng vỏ tàu tại Việt Nam Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu này có thể ứng dụng trong hàn giáp mối các kết cấu cỡ lớn khác như: kho nổi, giàn khoan, bồn bể, v.v

Các đóng góp mới của luận án

Thông qua quá trình nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số theo các nhiệm vụ nghiên cứu đã đề ra, luận án này có những đóng góp mới sau đây:

1 Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm hai mức 4 yếu tố độc lập trong miền khảo sát, đã thiết lập được mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn (Ih,

Vh, fd, td) với kích thước của đường hàn (hd, bd, bd1) trong liên kết hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép A36 Từ đó xác định được bộ thông số chế độ hàn theo kích thước cho trước của đường hàn đáy

2 Bằng thực nghiệm đã thiết lập được mối quan hệ giữa vị trí hàn trong không gian với hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A bằng quá trình hàn Auto-FCAW

3 Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: Khi hàn đường hàn đáy ở vị trí hàn trần bằng quá trình hàn Auto-FCAW thì không cần phải lót đáy mối hàn bằng gốm Bộ thông số công nghệ hàn đã xác định không thích hợp để hàn đường hàn đáy ở vị trí trần Vì vậy cần thiết phải sử dụng quá trình hàn SMAW hoặc GMAW để hàn đường hàn đáy, các lớp hàn tiếp theo được hàn bằng quá trình hàn FCAW

4- Đã phân tích và lựa chọn được mô hình nguồn nhiệt “Double ellipsoid” phù hợp với quá trình hàn FCAW để hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A Đồng thời cũng đã xây dựng

được 1 module mã lệnh mô tả dao động mỏ hàn kiểu răng cưa nhúng vào phần mềm Sysweld

để thực hiện bài toán mô phỏng quá trình hàn Auto-FCAW

5- Đã tính toán mô phỏng và xác định được trường nhiệt hàn, chu trình nhiệt, quá trình biến đổi tổ chức kim loại mối hàn, ứng suất dư và biến dạng của liên kết hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu Kiểm chứng các kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình và các điều kiện tính toán mô phỏng số là phù hợp với mô hình thực nghiệm

6 Dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm, luận án đã xác định được bộ thông số công nghệ hàn hợp lý để hàn nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc Auto-FCAW

Cấu trúc của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, 5 phần nội dung, các kết luận ở cuối mỗi phần nội dung và kết luận chung, danh mục các công trình đã công bố, danh mục tài liệu tham khảo và phần phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ đóng tàu

1.1.1 Sơ lược về tình hình phát triển công nghệ đóng tàu

Hiện nay, trung tâm đóng tàu của thế giới đang ở Đông Á với ba nước Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc chiếm đến 85% tổng sản lượng, EU chỉ có 11% Các nước còn lại chiếm hơn 4% Tuy nhiên, xét về giá trị, EU lại là khu vực chiếm một tỷ lệ doanh thu lớn nhất (gần 30%) do họ tập trung vào những loại tàu cao cấp như: tàu chở khí lỏng và tàu chở khách Trong khi đó, Hàn Quốc chiếm lĩnh các loại tàu chở container, tàu chở dầu Nhật Bản tập trung vào tàu chở hàng khô, tàu chở khí lỏng Còn Trung Quốc đang cố gắng chiếm lĩnh tất cả những

gì có thể Đến năm 2015, mục tiêu của Hàn Quốc là dẫn đầu hành trình thiên niên kỷ, chiếm 40% thị phần Còn mục tiêu của Trung Quốc dẫn đầu thế giới, với 35% thị phần Nhật Bản thì tập trung vào các loại tàu có công nghệ cao, siêu trọng EU dẫn đầu ở những phân đoạn thị trường cao cấp với doanh thu 40 tỷ USD, gấp 3 lần hiện nay Nếu đúng theo các mục tiêu này thì khi đó, năng lực sản xuất toàn cầu sẽ lớn hơn nhu cầu ít nhất từ 10% - 20%

1.1.2 Công nghiệp tàu thủy ở Việt Nam

Với tình hình thực tế ở Việt Nam hiện nay, cách hiệu quả hơn cả là Việt Nam nên đầu tư tập trung vào các cụm công nghiệp đóng tàu có sẵn lợi thế, đồng thời lựa chọn ngành công nghiệp phụ trợ phù hợp để xây dựng và phát triển như: ngành thép, tự động hoá, hàn, Hơn nữa, ngoài việc thành lập các liên doanh, cũng cần mở cửa cho nước ngoài (nhất là Hàn Quốc

và Nhật Bản) thành lập các doanh nghiệp 100% vốn của họ và khuyến khích khu vực kinh tế tư nhân tham gia vào ngành công nghiệp đóng tàu Mặc dù trải qua nhiều khó khăn, nhưng cho đến nay ngành đóng tàu Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh, nhiều nhà máy đóng tàu

đã bước đầu áp dụng công nghệ đóng tàu tiên tiên như công nghệ đóng tàu theo tổng đoạn (Modules) đóng thành công các tầu có tải trọng nhỏ và trung bình

1.1.3 Công nghiệp tàu thủy ở nước ngoài

Chương trình nghiên cứu NSRP, MANTECH đã tiến hành nghiên cứu về mức độ công nghệ đóng tàu hiện đang được sử dụng tại các nhà máy đóng tàu cạnh tranh nhất ở châu Á và phân ra 5 mức công nghệ Các nhà máy đóng tàu hiện đại nhất ở mức 5 (là mức công nghệ hiện đại nhất) được thể hiện qua một số nét như: Có mức độ tự động hóa và người máy hóa trong tất cả các công đoạn; có khả năng làm việc hiệu quả và áp dụng hệ thống điều hành sản xuất suất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CAD/CAM/CIM (Computer Integrated Manufacturing) Thiết kế và chế tạo vỏ tàu theo modules; khả năng quản lý vật tư hiệu quả nhờ máy tính và có hệ thống đảm bảo chất lượng hoàn căn chỉnh hiệu quả,

1.1.4 Công nghệ đóng tàu theo phương pháp tổng đoạn

Phương pháp đóng tàu theo tổng đoạn (Modules) là phương pháp phân chia thân tàu thành những tổng đoạn hợp lý dọc theo thân tàu để thuận lợi cho công đoạn chế tạo và lắp đặt sẵn các trang thiết bị ở mức tối đa tại các phân xưởng chuyên dụng trước khi đấu đà

1.2 Tình hình ứng dụng công nghệ hàn một phía trong chế tạo vỏ tàu thủy

Công nghệ hàn một phía được thực hiện bằng nhiều phương pháp hàn khác nhau phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể; hàn hồ quang tay (MAW), hàn tự đông dưới lớp thuốc (SAW), hàn tự động và bán tự động trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), hàn điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vê (GTAW), hàn hồ quang với dây lõi thuốc (FCAW), hàn điện khí (EGW),v.v Hình 1.1 minh họa mức độ ứng dụng của các quá trình hàn trong đóng tàu cũng như trong các lĩnh vực công nghiệp khác

Hình 1 1 Mức độ tiêu thụ vật liệu hàn trong công nghiệp chế tạo

1.2.1 Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu trong nước

Nói chung các đề tài nghiên cứu trong nước đã đạt được nhiều kết quả tốt trong việc đưa ra các giải pháp công nghệ và thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động ứng dụng vào quá trình hàn nối phân đoạn, tổng đoạn vỏ tàu ở Việt Nam Tuy nhiên các đề tài này chưa tập trung nghiên cứu đầy đủ về công nghệ hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW

1.2.2 Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu ở nước ngoài

Ở nước ngoài đã nghiên cứu phát triển và áp dụng nhiều công nghệ hàn tiên tiến vào đóng tàu: Công nghệ hàn tự động với các quá trình hàn GMAW, FCAW; hàn điện khí EGW; gần đây là công nghệ hàn lai ghép Hybird Laser-MIG; Tuy nhiên các thông tin về công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thủy bằng quá trình hàn Auto-FCAW không đầy đủ và khó áp dụng vào điều kiện đóng tàu ở Việt Nam

Kết luận chương 1

1 Ngành công nghiệp đóng tàu đóng một vai trò then chốt trong chiến lược phát triển kinh

tế xã hội và an ninh quốc phòng của đất nước Chiến lược phát triển ngành công nghiệp đóng tàu Việt Nam lớn mạnh trong khu vực và trên thế giới là rất cấp bách

2 Việc nghiên cứu phát triển và áp dụng công nghệ đóng tàu hiện đại, tiên tiến được triển khai mạnh mẽ ở Việt Nam nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và hạ giá thành chế tạo thân tàu góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội

3 Trong lĩnh vực đóng tàu, công nghệ hàn đóng vai trò chủ đạo và chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng khối lượng công việc chế tạo vỏ tàu; đặc biệt là công nghệ hàn một phía trong chế tạo và lắp ráp phân đoạn, tổng đoạn của thân tàu; chất lượng liên kết hàn nối tổng đoạn thân tàu khi đấu đà là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng của thân tàu

4 Các nghiên cứu trong nước cho đến nay đã đưa ra các giải pháp công nghệ hàn tự động; thiết kế và chế tạo các hệ thống hàn tự động ứng dụng trong đóng tàu Tuy nhiên các đề tài này chưa nghiên cứu cụ thể về công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW

5 Ở nước ngoài đã nghiên cứu và ứng dụng mạnh quá trình hàn Auto-FCAW vào hàn vỏ tàu Tuy nhiên cho đến nay, các thông tin về công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thủy bằng quá trình hàn Auto-FCAW không đầy đủ và khó áp dụng vào điều kiện đóng tàu ở Việt Nam

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ HÀN MỘT PHÍA TRONG ĐÓNG TÀU

2.1 Đặc điểm công nghệ hàn giáp mối một phía trong đóng tàu

Công nghệ hàn giáp mối một phía là quá trình hàn chỉ tiếp cận hàn từ một phía, dùng trong hàn nối ống thép có đường kính trung bình và nhỏ, bồn bể chứa chựu áp lực, các kết cấu lớn hạn chế xoay lật, đặc biệt là hàn nối các phân đoạn và tổng đoạn vỏ tàu, Công nghệ hàn một phía được thể hiện ở một số đặc điểm: điều kiện thực hiện; điều kiện công nghệ; kỹ năng người thợ; vị trí hàn, quá trình hàn, liên kết hàn và đặc điểm ứng dụng của các quá trình hàn một phía trong đóng tàu,

2.2 Thép chế tạo vỏ tàu

Theo tiêu chuẩn Việt Nam, thép dùng để chế tạo vỏ tàu là thép hợp kim thấp độ bền cao được chia làm các cấp sau đây: A32, D32, E 32, A 36, D36, E 36, A 40, D 40, E 40, F32, F36, F40 Giới hạn bề chảy nhỏ nhất tương đương với thép cấp A32 là 315 MPa và giới hạn bề nhỏ nhất là 450 MPa

2.3 Công nghệ hàn FCAW trong đóng tàu

Hàn FCAW được chia thành hai phương pháp: Phương pháp hàn dây lõi thuốc có khí bảo

vệ (FCAW-G) và phương pháp hàn dây lõi thuốc tự bảo vệ (FCAW-S) Hàn FCAW kết hợp được những ưu điểm tốt và khắc phục được những nhược điểm của quá trình hàn SMAW và hàn GMAW

2.3.1 Vật liệu hàn FCAW ứng dụng trong đóng tàu

Các loại dây thông dụng nhất, thường chứa khoảng 75 - 85% thép trong tổng khối lượng và khoảng 75% tiết diện ngang của dây Thành phần lõi thuốc có vai trò tạo lớp xỉ mỏng bảo vệ kim loại lõng trong vũng hàn và sinh ra khí bảo vệ vùng hồ quang hàn; cung cấp các chất khử

Ô xi và ngăn chặn các phản ứng có hại trong vũng hàn; cung cấp các nguyên tố cần thiết cho quá trình luyện kim và nâng cao cơ tính kim loại mối hàn; ổn định hồ quang hàn,

2.3.2 Thiết bị hàn FCAW

Về cơ bản thiết bị hàn FCAW giống như thiết bị hàn GMAW Hầu hết các hãng chế tạo thiết bị hàn đều thiết kế hệ thống thiết bị hàn GMAW có thể dùng cho cả quá trình hàn FCAW

2.3.3 Các thông số công nghệ hàn FCAW

Các thông số cơ bản của quá trình hàn FCAW như: Dòng điện hàn, điện áp hàn, tốc độ cấp dây hàn, tốc độ hàn, tấm với điện cực, lưu lượng khí bảo vệ, góc độ mỏ hàn,

2.3.4 Các phương thức dịch chuyển kim loại trong hàn FCAW

Quá trình hàn FCAW có phương thức dịch chuyển chủ yếu là dịch chuyển giọt lớn (cầu), còn dịch chuyển tia (phun) chỉ tạo ra được khi hàn với khí trộn và dòng điện xung tần số cao

2.3.5 Đặc điểm hình thành mối hàn ở các vị trí hàn khác nhau

Đặc điểm dịch chuyển kim loại lỏng từ đầu dây điện cực vào vũng hàn phụ thuộc vào các lực tác dụng lên giọt kim loại lỏng ở đầu mút dây điện cực (trọng lực, sức căng bề mặt, lực điện trường, lực điện tĩnh, lực tác dụng của các hơi, ) và vị trí hàn trong không gian Khi hàn

ở các vị trí hàn khác nhau, hướng dịch chuyển giọt kim loại lỏng cùng chiều hoặc ngược chiều với các lực tác dụng lên nó, cũng như các lực tác dụng lên kim loại lỏng trong vũng hàn mà điều kiện hình thành mối hàn sẽ thuận lợi hoặc khó khăn

Kết luận chương 2

Phần này đã phân tích đặc điểm công nghệ hàn giáp mối một phía; đặc điểm công nghệ hàn

hồ quang dây lõi thuốc FCAW, các thông số công nghệ cơ bản của quá trình, các yếu tố ảnh hưởng đến phương thức và cơ chế dịch chuyển kim lỏng trong quá trình hàn, cũng như đặc

điểm hình thành mối hàn ở các vị trí hàn trong không gian khác nhau với quá trình hàn FCAW,

Đây là những cơ sở lý thuyết quan trọng để xác định các thông số công nghệ hàn FCAW

và xây dựng mô hình thực nghiệm nghiên cứu công nghệ hàn giáp mối một phía ứng dụng trong chế tạo tàu thủy, nhằm xác định bộ các thông số chế độ hàn và xây dựng quy trình công nghệ hàn nối tổng đoạn vỏ tàu ở vị trí hàn đứng như theo phạm vi nghiên cứu của đề tài

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN HÌNH

DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN TỔNG ĐOẠN Mục đích

Chương này tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng các thông số chế độ hàn chính (Cường độ dòng điện hàn Ih, vận tốc hàn Vh (tốc độ di chuyển mỏ hàn), tấn số dao động đầu hàn fhz và thời gian dừng ở mép liên kết hàn td) của quá trình hàn Auto-FCAW đến hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu

3.1 Mô hình thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn

3.1.1 Các thông số công nghệ của mô hình thực nghiệm

Các thông số đặc trưng cho hình dạng và kích thước của đường hàn đáy gồm bề rộng mặt trên bd, bề rộng mặt đáy bđ1, chiều cao đường hàn hd như Hình 3.1 và kích thước mối ghép như Hình 3.2

Hình 3 1 Kích thước đường hàn đáy Hình 3 2 Mối ghép TN

3.1.2 Các thông số cơ bản của hệ thống thực nghiệm

Bao gồm các thông số kỹ thuật cơ bản như: kim loại cơ bản, vật liệu hàn, bộ gá hàn MAC PS-1F, liên kết hàn, lót đáy mối hàn, góc độ mỏ hàn, thiết bị hàn thực nghiệm,

3.2 Quy hoạch thực nghiệm xác định mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn với hình dạng và kích thước của mối hàn

3.2.1 Xây dựng mối quan hệ toán học

Các thông số chế độ hàn chính được lựa chọn cho nghiên cứu gồm: Ih [A], Vh [cm/phút], tần số dao động đầu hàn fd [Hz], thời gian dừng ở hai mép hàn td [s] là các thông số đầu vào Các thông số đặc trưng cho hình dạng và kích thước của đường hàn đáy (hd, bd, bd1) là các thông số đầu ra của bài toán quy hoạch thực nghiệm

- Quy ước ký hiệu các thông số chế độ hàn chính (đầu vào) như sau::

x1 - cường độ dòng điện hàn Ih [A]

- Quy ước ký hiệu các thông số đầu ra đặc trưng cho hình dạng và kích thước của đường hàn đáy như sau:

y1 - là chiều cao của đường hàn đáy (hd) [mm]

y2 - bề rộng mặt trên của đường hàn đáy (bd) [mm]

y3- bề rộng mặt đáy của đường hàn đáy (bd1) [mm]

Theo kết quả của một số nghiên cứu được công bố và các tài liệu liên quan, sự tiên nghiệm bằng kinh nghiệm, kết hợp thực nghiệm sơ bộ cho thấy các thông số kích thước của đường hàn phụ thuộc tuyến tính và qua lại vào các thông số chế độ hàn, hàm số tương ứng là:

Mô hình có dạng tuyến tính nên ta bố trí số điểm thực nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm toàn phần 2k 24 16

N , với k là số biến cần khảo sát Để tăng tính chính xác của mô hình

ta chọn thêm 1 thực nghiệm tại tâm, như vậy số thực nghiệm n = 17 Thiết lập bảng ma trận kế hoạch thực nghiệm Để thu được kết quả tin cậy và chính xác thì tại mỗi điểm thực nghiệm ta

sẽ tiến hành hàn thực nghiệm 3 lần Như vậy sẽ thực hiện 3 lô thực nghiệm, mỗi lô gồm 17 liên kết hàn, tổng số liên kết hàn tối thiểu cần chuẩn bị là 51

Vh[Cm/ph]

fh[Hz]

Vh[Cm/ph]

fh[Hz]

̅̅̅ Giá trị trung bình ở m lần đo) 9,4 11,8 9,8

Từ những kết quả thực nghiệm thu được trong Bảng 3- 2, sử dụng phần mềm xử lý số liệu thực nghiệm tìm được các hệ số của phương trình hồi quy Kiểm định sự có nghĩa các hệ số của phương trình hồi quy, loại các hệ số không có nghĩa ta thiết lập được các phương trình hồi quy biểu diễn sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ Ih (x1), Vh (x2), fh (x3), td (x4) đến thông số kích thước của mối hàn hd (y1), bd (y2), bd1 (y3):

4 3 4

3 2

243 , 0 262 ,

4 2 4

3 2

250 , 0 835 ,

2 1 4

3 2

1

Kiểm định độ lệch chuẩn R và tính tương thích của các phương trình hồi quy Q nhận được

R > [R = 0,95] và Q > [Q = 0,7] Như vậy các phương trình hồi quy trên tương thích với thực nghiêm Từ phương trình hồi quy trên tiến hành dựng đồ thi xác nhận kết quả thực nghiệm

3.4.2 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy

Hình 3 3 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến kích thước của đường hàn đáy

3.4.3 Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy

Hình 3 4 Ảnh hưởng của vận tốc hàn đến kích thước của đường hàn đáy

3.4.4 Ảnh hưởng của tần số dao động đầu hàn đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy

Hình 3 5 Ảnh hưởng của f h đến kích thước của đường hàn đáy

3.4.5 Ảnh hưởng của thời gian dừng dao động đầu hàn đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy

Hình 3.6 Ảnh hưởng của t d đến kích thước của đường hàn đáy

3.4.6 Ảnh hưởng đồng thời giữa I h và V h đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy

Hình 3 7 Ảnh hưởng đồng thời của I h và V h đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy

3.4.7 Ảnh hưởng đồng thời giữa V h và t d đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy

Hình 3.8 Ảnh hưởng đồng thời giữa V h và t d đến đến hình dạng và kích thước của đường hàn

3.5 Xác định bộ thông số chế độ hàn theo kích thước mong muốn của đường hàn đáy

Theo tiêu chuẩn GL (2008) Part 3, Section 1 Welding of Hull Structures, Page 1–14 hướng dẫn về việc kiểm tra Macro và đánh giá kết quả kiểm tra: Các mẫu thực nghiệm và các mẫu kiểm tra Macro được đánh giá theo tiêu chuẩn ISO 5817, ở mức “B” xác định các thông số kích thước mong muốn của đường hàn đáy

Bảng 3- 4 Phạm vi kích thước mong muốn của đường hàn đáy

Chiều cao đường hàn hd (mm) Bề rộng mặt trên bd (mm) Bề rộng mặt đáy bd1 (mm)

2 Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm hai mức 4 yếu tố độc lập trong miền khảo sát, đã thiết lập được mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn (Ih,

Vh, fd, td) với kích thước của đường hàn (hd, bd, bd1) Nhờ công cụ “Optimizer” của phần mềm Modde 5.0 xác định được bộ thông số chế độ hàn theo kích thước cho trước của đường hàn đáy

3 Đã xây dựng được các đồ thị biểu diễn mối quan hệ và đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn (Ih, Vh, fd, td) đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy (hd,

bd, bd1) trong mối hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ HÀN ĐẾN HÌNH DẠNG

VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN TỔNG ĐOẠN Mục đích

Để có cơ sở dữ liệu xây dựng quy trình hàn nối tổng đoạn vỏ tàu bằng công nghệ hàn Auto–FCAW phần này của luận án sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng, kích thước và khả năng hình thành mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu

4.1 Mô hình và chế độ thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm phải

đảm bảo được các yêu cầu: Độ

tương thích theo thực tế, thu thập

được kết quả nghiên cứu chính

xác và tin cậy, tính khả thi, dễ

thực hiện theo điều kiện trang

thiết bị hiện có, Robot hàn phải

có khả năng thực hiện hàn được

tất cả các liên kết hàn ở mỗi cung

trên mô hình thực nghiệm, Bản vẽ

mối ghép hàn tương ứng với mỗi

cung trên mô hình thực nghiệm

Hình 4.1

Hình 4.1 Mô hình thực nghiệm vị trí hàn thay đổi

Hình 4 2 Các thông số kích thước mối

4.2.1 Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số

Xác định các thông số đầu vào và các thông số đầu ra của bài toán quy hoạch thực nghiệm

- Thông số đầu vào x: là đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi của vị trí hàn tương ứng với mỗi cung:

1: vị trí hàn trần (4G), tương ứng góc radian = 0

2: vị trí hàn ở cung 6h  5h, tương ứng góc radian = 0.523599

3: vị trí hàn ở cung 5h  4h, tương ứng góc radian = 1.047198

4: vị trí hàn ở cung 4h 3h, tương ứng góc radian = 1.570797

5: vị trí hàn đứng (3G), tương ứng góc radian = 2.094396

- Các thông số đầu ra đặc trưng cho kích thước của mối hàn như Hình 4 2

y1: là chiều cao mặt mối hàn (h),

y2: là chiều cao mặt đáy mối hàn (h1),

2 11 1

18 0 30

°

6h

5h

4h 3h

b