NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN GIÁP MỐI MỘT PHÍA ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU THỦY

Hiện nay trên Thế giới, khi hàn một phía, khối lượng hàn hồ quang tay SMAW ngày càng giảm, thay vào đó là các quá trình hàn tiên tiến được áp dụng vào công nghệ đóng tàu đưa lại hiệu quả

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Nguyễn Thúc Hà

2 PGS.TS Bùi Văn Hạnh

HÀ NỘI - 2014

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác!

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Người cam đoan

Vũ Văn Ba

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS Nguyễn Thúc Hà PGS TS Bùi Văn Hạnh

Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể cán bộ giảng viên Viện Khoa học và Công nghệ Vật liệu - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu

Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể cán bộ giảng viên Bộ môn Cơ khí hàn - Khoa Cơ khí

và Trung tâm Thực hành - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ trong suốt thời gian tác giả học tập và thực hiện nghiên cứu thực nghiệm

Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể cán bộ Tổng Công ty Đóng tàu Phà Rừng đã cung cấp các cơ sở dữ liệu về thông số kỹ thuật, vật tư, và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình nghiên cứu ứng dụng vào thực tế chế tạo vỏ tàu

Tác giả trân trọng cảm ơn ThS Vũ Đình Toại, Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại - Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn, giúp đỡ việc mô phỏng số quá trình hàn tổng đoạn vỏ tàu bằng phần mềm SYSWELD

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thành viên trong gia đình đã tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tác giả luận án

Vũ Văn Ba

iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

Mục đích của luận án 2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 2

Đối tượng nghiên cứu: 2

Phạm vi nghiên cứu: 2

Phương pháp nghiên cứu 2

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án 3

Ý nghĩa khoa học của luận án: 3

Ý nghĩa thực tiễn của luận án: 3

Các đóng góp mới của luận án 3

Kết cấu của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Công nghệ đóng tàu 5

1.1.1 Sơ lược về tình hình phát triển công nghệ đóng tàu 5

1.1.2 Công nghiệp tàu thủy ở Việt Nam 6

1.1.3 Công nghiệp tàu thủy ở nước ngoài 7

1.1.4 Công nghệ đóng tàu theo phương pháp tổng đoạn 9

1.2 Tình hình ứng dụng công nghệ hàn một phía trong chế tạo vỏ tàu thủy 11

1.2.1 Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu trong nước 13

1.2.2 Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu ở nước ngoài 14

Kết luận 1 15

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ HÀN GIÁP MỐI MỘT PHÍA TRONG ĐÓNG TÀU THỦY 17

2.1 Đặc điểm công nghệ hàn giáp mối một phía trong đóng tàu 17

2.2 Vật liệu chế tạo vỏ tàu 18

2.2.1 Thép có độ bền bình thường 19

2.2.2 Thép độ bền cao 20

2.3 Công nghệ hàn hồ quang dây lõi thuốc trong đóng tàu 21

2.3.1 Vật liệu hàn FCAW 23

2.3.2 Thiết bị hàn FCAW 26

2.3.3 Các thông số cơ bản của công nghệ hàn FCAW 27

iv

2.3.4 Các dạng dịch chuyển kim loại trong hàn FCAW 33

2.3.5 Đặc điểm hình thành mối hàn ở các vị trí hàn khác nhau 35

Kết luận 2 38

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN TỔNG ĐOẠN 39

Mục đích 39

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 39

3.1.1 Các thông số công nghệ của mô hình thực nghiệm 39

3.1.2 Các thông số cơ bản của hệ thống thực nghiệm 41

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 45

3.2.1 Xây dựng mối quan hệ toán học 45

3.2.2 Khoanh vùng các thông số chế độ hàn 46

3.3 Quy trình thực nghiệm 48

3.4 Kết quả thực nghiệm và thảo luận 48

3.4.1 Kết quả thực nghiệm 48

3.4.2 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy 55

3.4.3 Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy 55

3.4.4 Ảnh hưởng của tần số dao động đầu hàn đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy 56

3.4.5 Ảnh hưởng của thời gian dừng dao động đầu hàn đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy 56

3.4.6 Ảnh hưởng đồng thời giữa I h và V h đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy 57

3.4.7 Ảnh hưởng đồng thời giữa V h và t d đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy 57

3.5 Xác định bộ thông số chế độ hàn theo kích thước mong muốn của đường hàn đáy 58 Kết luận chương 3 59

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ HÀN ĐẾN HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN TỔNG ĐOẠN 60

Mục đích 60

4.1 Mô hình và chế độ thực nghiệm 60

4.2 Quy hoạch thực nghiệm xác định ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn 63

4.2.1 Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số 63

4.2.2 Quy trình thực nghiệm 64

v

4.3 Kết quả thực nghiệm và thảo luận 65

4.3.1 Kết quả thực nghiệm 65

4.3.2 Ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn tổng đoạn 68

Kết luận 4 71

CHƯƠNG 5 NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ TỔ CHỨC TẾ VI LIÊN KẾT HÀN TỔNG ĐOẠN VỎ TÀU 72

5.1 Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, biến đổi tổ chức kim loại, ứng suất và biến dạng hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn 72

5.1.1 Lý thuyết PTHH của bài toán nhiệt - đàn hồi - dẻo 72

5.1.2 Mô hình tính toán mô phỏng số quá trình hàn 76

5.1.3 Các điều kiện tính toán mô phỏng số 79

5.1.4 Phân bố trường nhiệt độ và chu trình nhiệt trong liên kết tổng đoạn 83

5.1.5 Biến đổi tổ chức kim loại trong liên kết hàn tổng đoạn 87

5.1.6 Ứng suất dư và biến dạng góc của liên kết hàn tổng đoạn 91

5.2 Thực nghiệm chế tạo liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu thủy 95

5.3 Đo biến dạng góc thực của liên kết hàn tổng đoạn 97

5.4 Kiểm tra cơ tính của liên kết hàn tổng đoạn 100

5.4.1 Độ bền kéo ngang của liên kết hàn tổng đoạn 100

5.4.2 Độ bền uốn của liên kết hàn tổng đoạn 101

5.5 Phân tích cấu trúc kim loại trong liên kết hàn tổng đoạn 102

5.5.1 Cấu trúc thô đại của liên kết hàn tổng đoạn 102

5.5.2 Cấu trúc tế vi của liên kết hàn tổng đoạn 103

5.6 Thiết lập bộ thông số công nghệ hàn Auto - FCAW phù hợp cho liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu 109

Kết luận 5 111

KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN 112

KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Quy hoạch thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình dạng và kích thước mối hàn tổng đoạn

Phụ lục 2: Quy hoạch thực nghiệm ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thước mối hàn tổng đoạn

Phụ lục 3: Chương trình con mô tả quỹ đạo đường hàn dạng dao động ngang răng cưa

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu/Viết

Tắt

ASME American Society of Mechanical

Engineers

Hiệp hội kỹ sư Cơ khí Mỹ

ASTM American Society for Testing

and Materials

Hiệp hội vật liệu và kiểm tra vật liệu

Mỹ SAW Submerged Arc Welding Hàn tự động dưới lớp thuốc

AWS American Welding Society Hiệp hội hàn Mỹ

CAD Computer Aided Design Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAM Computer Aided Manufactering Chế tạo với sự trợ giúp của máy tính

CIM Computer Integrated

Manufactering

Sản xuất tích hợp với sự trợ giúp của máy tính

DNV Det Norske Veritas Nhà cung cấp các dịch vụ quản l rủi ro

trên phạm vi toàn cầu EBW Electron Beam Welding Hàn bằng chùm tia điện tử

EHS Extra High Strength Steels Thép độ bền rất cao

ESW Electro Slag Welding Hàn điện xỉ

fd Wave welding Torch frequence Tần số dao động đầu hàn

FCAW Flux Core Arc Welding Hàn hồ quang dây lõi thuốc

FCAW-G Flux Core Arc Welding - Gas Hàn hồ quang dây lõi thuốc có khí bảo

vệ FCAW-S Flux Core Arc Welding - Self

shield

Hàn hồ quang dây lõi thuốc tự bảo vệ

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

GMAW Gas Metal Arc Welding Hàn hồ quang kim loại nóng chảy trong

môi trường khí bảo vệ GTAW Gas Tungsten Arc Welding Hàn hồ quang điện cực worfram trong

môi trường khí bảo vệ

HS High Strength Steels Thép độ bền cao

vii

ISO International Standardization/

Standards Organization:

Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế

MAG Metal Active Gas Hàn điện cực nóng chảy trong môi

trường khí hoạt tính

MIG Metal Inert Gas Hàn điện cực nóng chảy trong môi

trường khí trơ MRA Multiple Regression Analysis Hàm hồi quy phức

MTS Mismatched Thermal Strain Sưc căng nhiệt không đối xứng

NS Normal Strength Steels Thép độ bền trung bình

PSR Penetration Size Factor Hệ số độ ngấu

SMAW Shield Metal Arc Welding Hàn hồ quang que hàn thuốc bọc

TCS Transverse Contraction Strain Ứng suất co ngang

td Stop time at ¼ and ¾ cycle of

wave

Thời gian dừng ở 1/4 chu kỳ và 3/4 chu

kỳ dao động

TEU Twenty-foot Equivalent Units Đợn vị đo sức chứa Container của tàu

(1 TEU tương đương với một Container tiêu chuẩn khoảng 39 m3)

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1- 1 Phân chia thị phần đóng tàu thế giới 5

Bảng 1- 2 Thực trạng phát triển công nghiệp đóng tàu Việt Nam [10] 6

Bảng 1- 3 Thống kê chiều dài đường hàn trong thân tàu 11

Bảng 2- 1 Thành phần hóa học và cơ tính đối với thép đóng tàu, độ bền bình thường [42]19 Bảng 2- 2 Yêu cầu chung về cơ tính của 4 cấp thép theo TCVN 6259-7:2003 [42] 19

Bảng 2- 3 Thành phần hóa học thép độ bền cao [43] 20

Bảng 2- 4 Tính chất cơ học thép độ bền cao [43] 21

Bảng 2- 5 Hàm lượng các bon tương đương [43] 21

Bảng 2- 6 Cơ tính kim loại mối hàn và cấp tương đương theo QCVN 21:2010 24

Bảng 2- 7 Công dụng và tính năng các loại dây hàn lõi thuốc [46] 24

Bảng 2- 8 Phân loại khí bảo vệ theo thành phần khí [43] 26

Bảng 2- 9 Chế độ hàn đối với dây hàn E7XT-1 theo nguồn [46] 30

Bảng 2- 10 Chế độ hàn đối với dây hàn E7XT-1 theo nguồn [16] 31

Bảng 3- 1 Thành phần hóa học và quy cách khử ô xi của thép độ bền cao A36 41

Bảng 3- 2 Cơ tính của thép độ bền cao A36 41

Bảng 3- 3 Các tính chất của dây hàn lõi thuốc SF-71 (E 71T-1) 42

Bảng 3- 4 Giá trị và khoảng biến thiên của các thông số đầu vào 46

Bảng 3- 5 Ma trận kế hoạch thực nghiệm [55] 47

Bảng 3- 6 Kết quả thực nghiệm 53

Bảng 3- 7 Kết quả thực nghiệm ở tâm 53

Bảng 3- 8 Hệ số hồi quy thu được từ kết quả thực nghiệm chạy trên phần mềm Modde 5.0 54

Bảng 3- 9 Phạm vi kích thước mong muốn của đường hàn đáy 59

Bảng 3- 10 Bộ thông số chế độ hàn theo kích thước mong muốn của đường hàn đáy 59

Bảng 4- 1 Các thông số công nghệ cần thiết cho đường hàn đáy 61

Bảng 4- 2 Các thông số công nghệ cần thiết cho hàn lớp phủ 62

Bảng 4- 3 Ma trận đầu vào 63

Bảng 4- 4 Bảng ma trận đầu ra 64

Bảng 4- 5 Thông số kích thước của mối hàn tương ứng vị trí mối hàn ở mỗi cung 65

Bảng 4- 6 Giá trị đầu ra tính theo các hàm hồi quy 69

Bảng 5- 1 Giá trị thực nghiệm của nguồn nhiệt đường hàn đáy 81

Bảng 5- 2 Giá trị thực nghiệm của nguồn nhiệt hàn các lớp điền đầy 81

Bảng 5- 3 Ký hiệu quy ước của các tổ chức kim loại khi hàn [58] 81

Bảng 5- 4 Kết quả chuyển vị và độ co góc liên kết hàn tổng đoạn 99

Bảng 5- 5 Kết quả thử kéo ngang liên kết hàn tổng đoạn 100

ix

Bảng 5- 6 Kết quả đo độ cứng tế vi của liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu thủy 109 Bảng 5- 7 Bộ thông số công nghệ hàn đường hàn đáy 109 Bảng 5- 8 Bộ thông số công nghệ hàn các lớp điền đầy hoặc lớp phủ 110

x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Lắp ráp tổng đoạn thân tàu [ZALIV SHIPYARD] 9

Hình 1 2 Sơ đồ tổng quát chế tạo tổng đoạn vỏ tàu thủy [13] 10

Hình 1 3 Lắp ráp các block thân tàu [Phà Rừng] 10

Hình 1 4 Sơ đồ vị trí và các phương pháp hàn được sử dụng trong lắp ráp thân tàu [15] 12

Hình 1 5 Mức độ tiêu thụ vật liệu hàn trong công nghiệp chế tạo [17] 12

Hình 1 6 Thử nghiệm hàn giáp mối một phía ở vị trí đứng bằng Auto-FCAW 13

Hình 2 1 Năng suất đắp của quá trình hàn FCAW so với quá trình hàn GMAW và SMAW [18] 18 Hình 2 2 Sơ đồ nguyên lý hàn FCAW-G [46] 22

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý hàn FCAW-S [46] 22

Hình 2 4 Cấu tạo của dây lõi thuốc [46] 23

Hình 2 5 Sơ đồ trạm hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc [46] 27

Hình 2 6 Quan hệ giữa cường độ dòng điện hàn với vận tốc cấp dây điện cực [46] 28

Hình 2 7 Tốc độ cấp dây và cường độ dòng điện hàn FCAW 28

Hình 2 8 Hàn bằng dây lõi thuốc có khi bảo vệ (a) và tự bảo vệ (b) [46] 29

Hình 2 9 Quan hệ giữa tầm với điện cực với cường độ dòng điện và vận tốc cấp dây 29

Hình 2 10 Góc nghiêng mỏ hàn khi hàn giáp mối [46] 32

Hình 2 11 Dao động kiểu răng cưa 32

Hình 2 12 Dao động hình sin 32

Hình 2 13 Dao động vòng tròn lệch 32

Hình 2 14 Dịch chuyển giọt lớn [51] 33

Hình 2 15 Dịch chuyển tia [51] 34

Hình 2 16 Hình dạng và độ ngấu của đường hàn với mỗi loại khí bảo vệ [51] 34

Hình 2 17 Các lực tác dụng lên giọt kim loại ở đầu mút điện cực [54] 36

Hình 2 18 Hàn bằng 37

Hình 2 19 Hàn đứng từ dưới lên 37

Hình 2 20 Hàn đứng từ dưới lên 37

Hình 2 21 Hàn đứng từ trên xuống 37

Hình 2 22 Hàn ngang 37

Hình 2 23 Hàn góc 37

Hình 2 24 Hàn trần 38

Hình 3 1 Hình dạng và kích thước đường hàn đáy 40

Hình 3 2 Lắp ráp tổng đoạn 40

Hình 3 3 Mô hình mối ghép thực nghiệm theo AWS D1.1 40

Hình 3 4: Robot hàn hồ quang AX-V6 42

xi

Hình 3 5 Hộp cấp dây hàn 43

Hình 3 6 Robot hàn hồ quang AX-V6 43

Hình 3 7 Thông số mối ghép hàn 43

Hình 3 8 Gốm lót dùng trong hàn giáp mối một phía 44

Hình 3 9 Góc độ mỏ hàn 44

Hình 3 10 Dao động đầu hàn theo kiểu răng cưa 44

Hình 3 11 Chuẩn bị liên kết hàn thực nghiêm 48

Hình 3 12 Mẫu TN 1: 49

Hình 3 13 Mẫu TN 2: 49

Hình 3 14 Mẫu TN 3: 49

Hình 3 15 Mẫu TN 4: 50

Hình 3 16 Mẫu TN 5: 50

Hình 3 17 Mẫu TN 6: 50

Hình 3 18 Mẫu TN 7: 50

Hình 3 19 Mẫu TN 8: 50

Hình 3 20 Mẫu TN 9: 51

Hình 3 21 Mẫu TN 10: 51

Hình 3 22 Mẫu TN 11: 51

Hình 3 23 Mẫu TN 12: 51

Hình 3 24 Mẫu TN 13: 52

Hình 3 25 Mẫu TN 14: 52

Hình 3 26 Mẫu TN 15: 52

Hình 3 27 Mẫu TN 16: 52

Hình 3 28 Mẫu TN 17: 52

Hình 3 29 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến kích thước của đường hàn đáy 55

Hình 3 30 Ảnh hưởng của vận tốc hàn đến kích thước của đường hàn đáy 55

Hình 3 31 Ảnh hưởng của tần số dao động đầu hàn đến kích thước của đường hàn đáy 56

Hình 3 32 Ảnh hưởng của thời gian dừng dao động đầu hàn ở hai mép liên kết hàn 56

Hình 3 33 Ảnh hưởng đồng thời của Ih và Vh đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy 57 Hình 3 34 Ảnh hưởng đồng thời của Vh và td đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy 58 Hình 4 1 Ảnh tổng đoạn tàu [12] 60

Hình 4 2 Mô hình thực nghiệm hàn giáp mối một phía khi ghép nối tổng đoạn vỏ tàu 60

Hình 4 3 Các thông số kích thước mối hàn 61

Hình 4 4 Mối ghép hàn thực nghiệm 61

Hình 4 5 Liên kết hàn thực nghiệm 64

xii

Hình 4 6 Mô hình vị trí hàn tương ứng với mỗi cung 64

Hình 4 7 Hình dạng và kích thước mối hàn ở vị trí hàn trần 1 66

Hình 4 8 Hình dạng và kích thước mối hàn ở cung 2 66

Hình 4 9 Hình dạng và kích thước mối hàn ở cung 3 66

Hình 4 10 Hình dạng và kích thước mối hàn ở cung 4 67

Hình 4 11 Hình dạng và kích thước mối hàn ở vị trí đứng (5) 67

Hình 4 12 Ảnh hưởng của vị trí hàn đến kích thước mối hàn 69

Hình 4 13 Phạm vi góc quay trục đường hàn 70

Hình 5 1 Mô hình mối ghép hàn tổng đoạn vỏ tàu 77

Hình 5 2 Mô hình PTHH vùng mối hàn theo tiết diện ngang (2D) và vị trí của các nút khảo sát 77

Hình 5 3 Mô hình lưới các PTHH (3D) của toàn bộ liên kết hàn nghiên cứu 78

Hình 5 4 Quỹ đạo dao động ngang của đường hàn đáy (trái) và đường hàn phủ (phải) 78

Hình 5 5 Điều kiện biên trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh 79

Hình 5 6 Mô hình ngàm chặt hai đầu liên kết hàn tổng đoạn 79

Hình 5 7 Mô hình nguồn nhiệt rút gọn hàn MMA/TIG/GMAW/FCAW/SAW theo Goldak 80

Hình 5 8 Các tính chất cơ – lý – kim loại học của thép A36 [60] 82

Hình 5 9 Trường nhiệt độ tức thời khi hàn đường hàn đáy 83

Hình 5 10 Trường nhiệt độ tức thời khi hàn đường hàn phủ 83

Hình 5 11 Trường nhiệt độ tức thời phân bố trên liên kết hàn khi hàn đường hàn đáy 84

Hình 5 12 Trường nhiệt độ tức thời phân bố trên liên kết hàn khi hàn lớp phủ 84

Hình 5 13 Chu trình nhiệt độ tại nút 8636 85

Hình 5 14 Chu trình nhiệt độ tại nút 7727 86

Hình 5 15 Chu trình nhiệt độ tại nút 7323 86

Hình 5 16 Phân bố tổ chức kim loại trong liên kết hàn tại thời điểm 6500 [giây] 87

Hình 5 17 Chu trình nhiệt & đồ thị chuyển biến pha tại nút 8636 88

Hình 5 18 Đồ thị thay đổi nhiệt độ & chuyển biến pha tại nút 7727 89

Hình 5 19 Đồ thị thay đổi nhiệt độ & chuyển biến pha tại nút 7323 90

Hình 5 20 Ứng suất pháp theo phương ngang (x-x) sau khi hàn 91

Hình 5 21 Ứng suất pháp theo phương dọc (y-y) sau khi hàn 91

Hình 5 22 Phân bố ứng suất dư tổng (Seqv) trong liên kết hàn 92

Hình 5 23 Đồ thị thay đổi ứng suất dư tổng (Seqv) tại các nút 8636, 7727 và 7323 92

Hình 5 24 Đồ thị ứng suất pháp, ứng suất dư tổng (Seqv) tại mặt cắt ngang giữa mối hàn 93 Hình 5 25 Đồ thị biến dạng góc, ứng suất pháp, ứng suất dư tổng (Seqv) tại mặt cắt dọc giữa mối hàn 94

xiii

Hình 5 26 Biến dạng góc của liên kết hàn 95

Hình 5 27 Phay vát mép vật hàn 95

Hình 5 28 Liên kết hàn thực nghiệm 95

Hình 5 29 Hàn gân tăng cứng với tấm vỏ 95

Hình 5 30 Hàn đính tạo mối ghép tổng đoạn 96

Hình 5 31 Hàn nối tổng đoạn 96

Hình 5 32 Mặt đáy liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu 97

Hình 5 33 Mặt trên liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu 97

Hình 5 34 Đo biến dạng góc bằng đầu đo 3D trên máy phay CNC 5 trục 97

Hình 5 35 Vùng đo biến dạng góc 97

Hình 5 36 Vị trí và giá trị các điểm đo theo trục z liên kết hàn tổng đoạn 05 98

Hình 5 37 Vị trí và giá trị các điểm đo theo trục z liên kết hàn tổng đoạn 02 98

Hình 5 38 Vị trí và giá trị các điểm đo theo trục z liên kết hàn tổng đoạn 07 99

Hình 5 39 Mẫu thử kéo mối hàn tổng đoạn vỏ tàu 100

Hình 5 40 Máy kéo nén WEW-600D 100

Hình 5 41 Mẫu phá hủy sau khi thử kéo ngang 100

Hình 5 42 Biên bản thử kéo ngang mẫu 2-04 101

Hình 5 43 Kết quả uốn mặt mối hàn 102

Hình 5 44 Kết quả uốn chân mối hàn 102

Hình 5 45 Cấu trúc thô đại của liên kết hàn tổng đoạn 102

Hình 5 46Cấu trúc tế vi của đường hàn đáy 104

Hình 5 47 Cấu trúc tế vi của đường hàn đáy tại vị trí D2 (x500) 104

Hình 5 48 Cấu trúc tế vi của vùng gianh giới giữa 2 đường hàn 105

Hình 5 49 Cấu trúc tế vi của vùng gianh giới giữa 2 đường hàn tại vị trí G2 (x500) 106

Hình 5 50Cấu trúc tế vi của đường hàn phủ 107

Hình 5 51 Cấu trúc tế vi của đường hàn phủ tại vị trí T2 (x500) 108

Hình 5 52 Độ cứng tế vi của liên kết hàn 108

1

MỞ ĐẦU

Việt Nam là một quốc gia biển, có một nửa biên giới giáp với biển Đông từ phía Đông, Nam và Tây Nam bao gồm 3.260 km bờ biển, nằm ngay bên tuyến hàng hải Quốc tế nhộn nhịp thứ hai của thế giới; Với hơn 4.200 km2

biển nội thuỷ, vùng lãnh hải, vùng đặc quyền kinh tế và thềm lục địa cùng với hơn 4.000 hòn đảo và bãi đá ngầm lớn nhỏ Tính chung, biển Việt Nam có khoảng 1 triệu Km2, thuộc khu vực đang có tốc độ phát triển kinh

tế nhanh và năng động nhất Thế giới Đây là những tiềm năng to lớn cho chiến lược phát triển kinh tế biển

Hội nghị lần thứ tư Ban Chấp hành Trung ương Đảng (khoá X) đã ra Nghị quyết 09 - NQ/ TW ngày 9-2-2007 về chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020, đã nhấn mạnh: “Thế

kỷ XXI được Thế giới xem là thế kỷ của đại dương” Các quốc gia có biển đều rất quan tâm đến biển và coi trọng việc xây dựng chiến lược biển Khu vực biển Đông, trong đó có vùng biển Việt Nam, có vị trí địa kinh tế và địa chính trị hết sức quan trọng Mục tiêu tổng quát đến năm 2020 phấn đấu đưa nước ta trở thành quốc gia mạnh về biển, làm giàu từ biển, bảo đảm vững chắc chủ quyền, quyền chủ quyền Quốc gia trên biển, đảo, góp phần quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá, làm cho đất nước giàu mạnh [1] Xuất phát từ chủ trương đó, Chính phủ đã xác định ngành công nghiệp đóng tàu là một trong những ngành công nghiệp nền tảng và then chốt trong việc thực hiện chiến lược biển Việt Nam; Chính Phủ đã ra Quyết định số: 2290/QĐ-TTg, ngày 27 tháng 11 năm

2013 về quy hoạch tổng thể phát triển ngành công nghiệp tàu thủy Việt Nam đến năm

2020, định hướng đến năm 2030, nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế biển phù hợp với Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020 và phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội; góp phần củng cố quốc phòng, an ninh và bảo vệ chủ quyền quốc gia trên các vùng biển và hải đảo của Tổ quốc [2]

Để thực hiện thành công chiến lược phát triển kinh tế biển và đảm bảo an ninh quốc phòng, ngành công nghiệp tàu thủy đã và đang đầu tư xây dựng các nhà máy mới và nâng cấp một số nhà máy hiện có đồng bộ về trang thiết bị, hiện đại về công nghệ, tiến tới đạt chuẩn công nghiệp đóng tàu Thế giới; có đủ năng áp dụng các công nghệ đóng tàu tiên tiến như thiết kế và chế tạo thân tàu theo tổng đoạn (Module)

Công nghệ hàn chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng khối lượng công việc đóng tàu Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các quá trình hàn tiên tiến, năng suất cao, chất lượng tốt và ổn định bằng các hệ thống thiết bị hàn bán tự động, tự động và Robot hàn, vào quá trình chế tạo thân tàu là một vấn đề rất cấp thiết Trong quá trình chế tạo vỏ tàu, liên kết hàn giáp mối một phía chiếm khoảng từ 9 10 % khối lượng công việc hàn, đặc biệt là công đoạn chế tạo và lắp ráp các phân đoạn, tổng đoạn của thân tàu Hiện nay trên Thế giới, khi hàn một phía, khối lượng hàn hồ quang tay (SMAW) ngày càng giảm, thay vào đó là các quá trình hàn tiên tiến được áp dụng vào công nghệ đóng tàu đưa lại hiệu quả cao, như: công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc (SAW), hàn hồ quang kim loại nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), hàn hồ quang dây lõi thuốc (FCAW), hàn điện khí (EGW),… Hiện nay, các nhà máy đóng tàu Ở Việt Nam đã và đang ứng dụng ngày càng nhiều các quá trình hàn SAW, GMAW và FCAW để hàn giáp mối một phía nhưng chủ yếu

ở các vị trí hàn thuân lợi (hàn bằng, hàn ngang) Tuy nhiên với liên kết hàn tổng đoạn có biên dạng phức tạp và ở vị trí khó hàn nên thường sử dụng phương pháp hàn thủ công hoặc bán tự động cho năng suất thấp và chất lượng không ổn định

Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn thích hợp để hàn liên kết giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu là rất cần thiết và có nghĩa thực tiễn cao Trên cơ sở đó, tác giả đã đề xuất nghiên cứu áp dụng công nghệ hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc Auto-

2

FCAW vào hàn nối tổng đoạnvỏ tàu và triển khai nghiên cứu trong đề tài “Nghiên cứu

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

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 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

- 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 tiễn 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 Auto-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) với hình dạng và kích thước đường hàn đáy của mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A Đồng thời đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn chính đến hình dạng và kích thước của mối hàn Từ đó xác định được bộ thông số chế độ hàn theo kích thước cho trước của đường hàn đáy

Bằng thực nghiệm đã thiết lập mối quan hệ toán học và đánh giá mức độ ảnh hưởng của vị trí hàn trong không gian (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 nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A 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:

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

4

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 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 có thể xác định được bộ thông số công nghệ hàn hợp l để hàn nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc Auto-FCAW

Kết cấu của luận án

Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 05 phần nội dung chính và kết luận chung của luận án và kiến nghị:

Chương 1 Nghiên cứu tổng quan

Chương 2 Công nghệ hàn một phía trong đóng tàu

Chương 3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình dạng và kích thước mối hàn tổng đoạn

Chương 4 Nghiên cứu ánh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thước mối hàn tổng đoạn

Chương 5 Nghiên cứu ứng suất, biến dạng và tổ chức tế vi liên kết hàn tổng đoạn Kết luận chung của luận án và kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo

Danh mục tài liệu tham khảo

Danh mục các công trình đã công bố của luận án

Phụ lục luận án

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ đóng tàu

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

Ngành công nghiệp đóng tàu thế giới thể hiện qua một số giai đoạn: Giai đoạn trước

1956, Các nước Tây Âu (EU) được xem là cái nôi của ngành đóng tàu thế giới và họ đã giữ

vị trí quán quân trong nhiều thế kỷ Mãi đến năm 1956 họ mới bị Nhật Bản vượt lên, mặc

dù các nước EU vẫn luôn giữ được vị trí dẫn đầu về các loại tàu có công nghệ và giá trị gia tăng cao [3]

Đối với Nhật Bản, sau thế chiến thứ hai, nền kinh tế vật chất gần như kiệt quệ, nhưng trái lại họ có nguồn nhân lực rất dồi dào Nhờ đó mà chỉ 10 năm sau chiến tranh, bằng việc triển khai chương trình "Keikaku Zosen" (kế hoạch phát triển ngành đóng tàu), Nhật Bản

đã dẫn đầu thế giới, chỉ mất 10 năm để có được 20% thị phần và 20 năm để chiếm lĩnh gần 40% thị phần đóng tàu thế giới [4]

Ở Hàn Quốc, đóng tàu đã trở thành một trong những ngành trọng điểm trong “Kế hoạch phát triển các ngành công nghiệp nặng và hoá chất” vào những năm đầu thập niên

1970 Tuy nhiên, Hàn Quốc đã phải mất 10 năm (1974 – 1984) để thêm được 7% thị phần

và 20 năm để có được 21,5% thị phần và họ đã trở thành vị trí quán quân vào năm 2000 để thay thế vị trí số một của Nhật Bản [5]

Đối với Trung Quốc, trong suốt 10 năm (1984-1994), ngành đóng tàu chỉ tăng được khoảng 3% thị phần và mất 20 năm, mới đạt được 11,7% thị phần Khác với Nhật Bản và Hàn Quốc thì Trung Quốc có lợi thế rất lớn là thị trường nội địa khổng lồ Dự kiến trong thập kỷ tới, Trung Quốc sẽ vượt qua Hàn Quốc để giữ vị trí quán quân [7]

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 Một thị trường đóng tàu mạnh được kỳ vọng sẽ tiếp tục trong một tương lai thấy trước Với mức sản lượng 40 triệu tấn vào cuối năm 2004, dự báo đến năm 2015 sản lượng tàu toàn cầu sẽ vào khoảng 50 triệu tấn/năm [6] Sự phân chia thị phần đóng tàu thế giới được thể hiện trong Bảng 1- 1 dưới đây

Bảng 1- 1 Phân chia thị phần đóng tàu thế giới

6

* Nước khác chỉ là Hoa Kỳ, NA không có số liệu

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% [6] Hiện nay, Trung Quốc là nước có đầy đủ các yếu tố để phát triển ngành này Đối với những nước chỉ có lợi thế nhân công mà không có khả năng phát triển các ngành phụ trợ, không có thị trường nội địa lớn, rất khó để tạo được chỗ đứng trong ngành công nghiệp

này trong vòng 20 năm tới và dường như không thể cạnh tranh với Trung Quốc [6]

1.1.2 Công nghiệp tàu thủy ở Việt Nam

Đối với Việt Nam liệu có thể làm được như Nhật Bản cách đây hơn 50 năm về trước; theo Quy hoạch tổng thể phát triển mạng lưới công nghiệp tàu thuỷ Việt Nam đến năm

2010 (QĐ 1055/QĐ-TTg, ngày 11/11/2002), và Đề án điều chỉnh phát triển Tổng công ty Công nghiệp Tàu thuỷ Việt Nam (Vinashin) giai đoạn 2005 - 2010, định hướng đến 2015 (QĐ1106/QĐ-TTg, ngày 18/10/2005) [8] Với chiến lược phát triển đưa Việt Nam trở thành quốc gia đóng tàu mạnh trong khu vực và thế giới; tỷ lệ nội địa hoá 60% đối với các sản phẩm tàu biển đóng mới; có khả năng đóng mới tàu chở hàng 80.000 dwt, tàu chở dầu 300.000 dwt, tàu vận tải container 3.000 TEU, sửa chữa được tàu 400.000 dwt; có thể tự chế tạo được các loại tàu tải trọng đến 50.000 dwt; tổng sản lượng tàu đạt 3 triệu tấn/năm với tổng kim ngạch xuất khẩu đạt 1 tỷ USD (đến năm 2015 là 5 triệu tấn, chiếm khoảng 10% thị phần đóng tàu thế giới) [10]

Bảng 1- 2 Thực trạng phát triển công nghiệp đóng tàu Việt Nam [10]

Về kỹ thuật

- Không có khả năng thiết kế, chủ yếu phải mua thiết kế của nước ngoài

- Rất hạn chế trong nghiên cứu và phát triển (R&D)

- Chủ yếu đóng các loại tàu nhỏ

- Thiếu đội ngũ kỹ sư giỏi, được đào tạo chuyên sâu

Về vận hành

và thị trường

- Quá trình sản xuất thủ công là chủ yếu, dựa vào kỹ năng

- Năng suất lao động thấp

- Nguyên vật liệu chủ yếu là nhập khẩu

- Cơ sở hạ tầng nghèo nàn, khó phát triển các ngành phụ trợ

- Quản lý dây chuyền cung cấp kém hiệu quả

- Chi phí nhân công rẻ

- Thị trường nội địa nhỏ

- Có thể mời gọi các nhà đầu tư Hàn Quốc, Nhật Bản

Cơ hội Phát triển một ngành công nghiệp đóng tàu mạnh

Thách thức

- Khả năng không thể cạnh tranh sẽ tạo ra một sự lãng phí khổng lồ

- Giảm khả năng cạnh tranh do ngành khác không có cơ hội phát triển vì thiếu vốn đầu tư

7

Để đạt được mục tiêu đề ra, tổng vốn đầu tư giai đoạn 2005-2010 cho Vinashin khoảng 3 tỷ USD; ngày 04/11/2005, Chính phủ Việt Nam đã chuyển toàn bộ 750 triệu USD phát hành trái phiếu quốc tế lần đầu cho Vinashin để triển khai kế hoạch này Như vậy với mức đầu tư hạn chế và dàn trải hay nói cách khác là đầu tư manh mún thì khó có thể có được nhà máy đóng tàu đủ lớn, hiện đại, đồng bộ về khả năng công nghệ và đạt chuẩn công nghiêp đóng tàu thế giới để đóng được các loại tàu tải trọng lớn từ 100,000 tấn trở lên, bên cạnh đó với đa phần trang thiết bị cộng nghệ và vật liệu đều nhập ngoại nên chi phí sản suất lớn, công nghiệp phụ trợ kém phát triển dẫn đến tỷ lệ nội địa hóa thấp do đó khó có thể cạnh tranh được với các nước như Trung Quốc, Hàn Quốc,

Với tình hình thực tế ở Việt Nam hiện nay, việc xây dựng và phát triển các ngành công nghiệp phụ trợ, nhất là ngành thép, tự động hoá, chế tạo máy tàu là rất khó khăn Nhìn vào Bảng 1- 2 phân tích điểm mạnh, điểm yếu, cơ hội, thách thức dưới đây có thể thấy rõ thực trạng và công nghệ đóng tàu ở Việt Nam qua một số nét [10]

Cách hiệu quả hơn cả là Việt Nam nên đầu tư tập trung vào các cụm công nghiệp đóng tàu có sẵn lợi thế hơn là phân tán ở hầu hết các vùng miền; đồng thời chỉ chọn những công đoạn phù hợp hơn là xây dựng tất cả các ngành phụ trợ Hơn thế nữa, thay vì hạn chế chỉ cho thành lập các liên doanh và 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 này Làm như vậy sẽ phát huy được các lợi thế ở nước sở tại cộng với lợi thế nhân công rẻ ở Việt Nam Như vậy sẽ sớm xây dựng được một ngành đóng tàu mạnh có khả năng cạnh tranh cao [10]

1.1.3 Công nghiệp tàu thủy ở nước ngoài

Theo kết quả nghiên cứu của chương trình công nghệ chế tạo (Manufacturing Technology - MANTECH) của Cục nghiên cứu Hải quân Mỹ kết hợp với chương trình quốc gia nghiên cứu phát triển ngành đóng tàu Mỹ (NSRP) cùng tài trợ cho việc phát triển các công nghệ, các phương pháp sản xuất, các thực tiễn có thể làm cho việc thiết kế và đóng tàu hiệu quả hơn Chương trình NSRP, MANTECH đã tiến hành một nghiên cứu riêng về mức độ công nghệ đóng tàu hiện đang được sử dụng tại các nhà máy đóng tàu cạnh tranh nhất ở châu Á; mức độ công nghệ trong đóng tàu được phân thành 5 mức như sau [11]:

Mức 1: Phản ánh thực tế mức độ công nghệ của nhà máy trong những năm đầu thập

kỷ 60 Nhà máy có một vài cầu tàu, cần trục sức nâng thấp và mức độ cơ giới hóa rất thấp Lắp đặt thiết bị phần lớn thực hiện trên tàu sau khi hạ thủy Hệ thống tác nghiệp sơ đẳng và thủ công Tóm lại, nhà máy chỉ gồm những trang thiết bị tối thiểu, công nghệ đơn giản và cách làm việc lạc hậu [11]

Mức 2: Là công nghệ dùng trong các nhà máy được hiện đại hóa hoặc xây dựng mới cuối những năm 60 đầu 70 Sử dụng ít cầu tàu hơn, có thể có một ụ, cần trục có sức nâng lớn hơn và mức độ cơ giới hóa cao hơn Máy tính được dùng trong một số hệ thống tác nghiệp và dùng trong thiết kế Mức 2 cao hơn mức cơ bản nhưng vẫn thấp hơn đáng kể so với chuẩn công nghiệp thế giới hiện tại [11]

Mức 3: Là thực tiễn đóng tàu tiên tiến vào cuối những năm 70 Đó là mức của những nhà máy đóng tàu mới xây dựng hoặc nâng cấp toàn diện của Mỹ, châu Âu, Hàn quốc và Nhật Nhà máy có một ụ hoặc bãi lắp ráp có trang bị cần cẩu sức nâng lớn, mức độ cơ giới hóa rất cao trong gia công kết cấu thép và sử dụng máy tính trong tất cả các lĩnh vực chế tạo [11]

Mức 4: Là mức của các nhà máy tiếp tục phát triển công nghệ đóng tàu trong những năm 80 Các nhà máy đó nói chung có một ụ, bảo vệ môi trường tốt, thời gian đóng tàu

8

ngắn, năng suất cao, gia công phần trang thiết bị, máy móc sớm; kết hợp chế tạo vỏ với lắp ráp trang thiết bị; hệ thống điều hành sản xuất và hệ thống CAD/CAM hoàn căn chỉnh phát triển rất mạnh [11]

Mức 5: Mức công nghệ đóng tàu hiện đại của những năm 90 Phát triển lên từ mức 4 với việc tự động hóa và người máy hóa trong tất cả các công đoạn, có khả năng làm việc hiệu quả và tích hợp được hệ thống điều hành sản xuất như sản suất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CAD/CAM/CIM (Computer Integrated Manufacturing) Thiết kế và chế tạo

vỏ tàu theo module Mức công nghệ này cũng đặc trưng bởi khả năng quản lý vật tư hiệu quả nhờ máy tính và có hệ thống đảm bảo chất lượng hoàn căn chỉnh, hiệu quả Tóm lại mức này có công nghệ, hệ thống điều hành kinh doanh, trang thiết bị, các hệ thống tác nghiệp, quản lý và lực lượng nhân công hiện đại nhất [11]

Dưới đây là mức độ công nghệ đóng tàu ở Nhật Bản và Hàn Quốc [11], chế tạo thân tàu gồm 50 công đoạn và phân thành 7 nhóm chính như: (1) công việc về chế tạo vỏ; (2) chế tạo trang thiết bị và kho bãi; (3) chuẩn bị lắp ráp thân tàu (đấu đà); (4) đấu đà và lắp ráp trang thiết bị; (5) bố trí nhà máy và môi trường; (6) thiết kế, kỹ thuật và kỹ thuật sản xuất; (7) các hệ thống tổ chức và điều hành sản xuất Tuy nhiên phần dưới đây chỉ trình bày chi tiết về mức độ công nghệ của một số công đoạn chế tạo có liên quan đến công nghệ hàn theo hướng đề tài quan tâm:

- Công đoạn lắp ráp các cụm chi tiết phẳng (Flat Unit Assembly) [11], mức công nghệ

từ 4.0  5.0 Các nhà máy mẫu dùng hệ thống băng chuyền cơ giới hoá có các thiết bị hàn, định vị, làm trơn tự động Hai trong các nhà máy khảo sát dùng các người máy bán thông minh thay cho các máy hàn bán tự động, các nhà máy khảo sát dùng các đầu hàn lắp trên các tay máy nhiều trục gắn trên các cổng trục hoặc tay cần co rút có tính linh hoạt cao nên

có thể hàn được các mối hàn ở tất cả các vị trí không gian khác nhau Hai trong các nhà máy trên có dây chuyền hàn nẹp tự động dùng người máy bán thông minh

- Công đoạn lắp ráp các cụm chi tiết cong, khối (Curved and Three-Dimensional Unit Assembly) với mức công nghệ từ 3.5 – 4.5 [11] Các nhà máy khảo sát dùng bệ khuôn căn chỉnh tự động Hai nhà máy đặt bệ khuôn tự động trên sàn nghiêng để có thể hàn tự động tối đa, trong đó một nhà máy dùng hệ thống vận chuyển có giá chuyển hướng

- Công đoạn lắp ráp thượng tầng (Superstructure Unit Assembly) với mức công nghệ: 4.0 – 4.5 [11] Thường các nhà máy giao toàn bộ thượng tầng cho các nhà thầu phụ Cũng

có khi các nhà máy chỉ giao thầu các khối thượng tầng nhỏ còn khối lớn nhất nhà máy tự làm Khi đó, thượng tầng được chế tạo ngoài bãi lắp ráp không có mái che Dùng phổ biến quá trình hàn tự động và bán tự động

- Công đoạn lắp phân đoạn (Block Assembly) với mức công nghệ từ 4.0 – 5.0 [11] Việc lắp phân đoạn trong các nhà máy mẫu được thực hiện trong các phân xưởng dành riêng theo thứ tự phân chia phân tổng đoạn của tàu Hàn chủ yếu bằng kỹ thuật hàn một phía với các máy hàn tự động và bán tự động Các thiết bị được lắp sẵn vào phân đoạn ở mức tối đa có thể được Các thiết bị nâng người chuyên dụng lên vị trí làm việc cũng được

sử dụng ở mức cao (thay cho dàn giáo) Kích thước tổng đoạn là kích thước chính xác (không có lượng dư) Một nhà máy mẫu dùng một hệ thống vận chuyển chuyên dùng cho các phân đoạn, một nhà máy khác dùng hệ thống băng tải để chuyển các phân đoạn lớn

- Công đoạn lắp ráp thân tàu, mức công nghệ từ 4.0 – 4.5 [11] Tất cả các nhà máy mẫu đều đóng tàu trên các ụ và có các cần cẩu sức nâng lớn để lắp ráp phân, tổng đoạn Lưu lượng đóng tới 4 tàu cùng một lúc tại một khu vực Tại mỗi ụ có cần cẩu sức nâng tối thiểu là 400 tấn; nhà máy còn có các biện pháp bảo vệ môi trường từng phần hoặc toàn bộ

9

- Công đoạn lắp ráp và căn chỉnh (Erection and Fairing) với mức công nghệ từ 4.0 – 4.5 [11] Các nhà máy mẫu thực hiện toàn bộ việc lắp ráp tàu từ các phân đoạn lớn, không để lượng dư lắp ráp tại các mút phân đoạn Gióng căn chỉnh các phân đoạn bằng thiết bị ngắm quang học, kể cả thiết bị laser Không dùng nhiều các thiết bị căn chỉnh tự động chuyên dụng hoặc các thiết bị hỗ trợ khác Tuy nhiên độ chính xác của các phân đoạn cao nên việc lắp phân đoạn không mất nhiều công

- Công đoạn hàn (Welding) với mức công nghệ từ 4.0 – 5.0 [11] Trong các nhà máy mẫu, tất cả các mối hàn (ngay cả các mối hàn ngắn) cũng hàn bằng máy hàn tự động Sử dụng chủ yếu công nghệ hàn một phía bằng các máy hàn tự động cho mối hàn bằng, hàn bán tự động Các mối hàn đấu đà ở vị trí đứng được hàn bằng thiết bị hàn leo tự động như Auto-FCAW, hàn điện khí (EGW) Các rô bốt hàn hồ quang nhiều trục cũng được sử dụng một phần trong công đoạn này

1.1.4 Công nghệ đóng tàu theo phương pháp tổng đoạn

Kết cấu thân tàu thuỷ rất đa dạng, kích thước lớn, hình dạng phức tạp và khối lượng lớn, Việc phân chia thân tàu thành các phân đoạn, tổng đoạn sao cho khoa học, hợp lý, thuận lợi trong quá trình chế tạo và lắp ráp Công nghệ đóng tàu đã phát triển và trải qua các phương pháp chế tạo vỏ tàu bao gồm: phương pháp dựng sườn (chi tiết liên khớp); phương pháp phân đoạn (hình chóp, xây tầng, chữ kim, ); phương pháp tổng đoạn [12] Trong các phương pháp đóng tàu nêu trên, phương pháp dựng sườn và phương pháp phân đoạn là những phương pháp đóng tàu truyền thống có tính chuyên môn hóa và tự động hóa thấp (lạc hậu), chỉ phù hợp với đóng tàu tải trọng nhỏ; năng suất và chất lượng chế tạo vỏ tàu thấp Phương pháp đóng tàu theo tổng đoạn (Module) 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 ráp tổng đoạn ở các phân xưởng chuyên dụng trước khi đấu đà Hình 1 1

Hình 1 1 Lắp ráp tổng đoạn thân tàu [ZALIV SHIPYARD]

Việc lắp ráp thân tàu từ các tổng đoạn trên nó đã lắp đặt sẵn các trang thiết bị cố định đòi hỏi công đoạn chế tạo phân, tổng đoạn phải đảm bảo độ chính xác cao Nhà máy phải

có điều kiện cơ sở vật chất đạt đến một trình độ nhất định, đồng bộ giữa khâu thiết kế công nghệ và thi công; phải được trang bị công nghệ tự động hoá tối thiểu như triển khai tôn vỏ

Hình 1 2 Sơ đồ tổng quát chế tạo tổng đoạn vỏ tàu thủy [13]

Trình tự lắp ráp các tổng đoạn tuỳ thuộc vào hướng đưa các tổng đoạn lên triền đà Nếu đưa tổng đoạn lên từ hai phía, thì lắp đặt đầu tiên là tổng đoạn giữa và lần lượt ra dần hai phía; nếu tổng đoạn đưa từ một phía thì trình tự lắp đặt tuỳ thuộc vào cách hạ thuỷ và hướng vào đà như Hình 1 3

Hình 1 3 Lắp ráp các block thân tàu [Phà Rừng]

11

Phương pháp đóng tàu theo tổng đoạn (Module) là công nghệ đóng tàu hiện đại, có tính chuyên môn hóa và tự động hóa cao; có thể làm việc hiệu quả và ứng dụng được hệ thống điều hành sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính như sử dụng công nghệ CAD/CAM/CIM (Computer Inrtegated Manufacturing) [12]; thiết kế và chế tạo theo module; hệ thống quản l và đảm bảo chất lượng hoàn căn chỉnh hiệu quả; Việc lắp ráp tàu từ các phân đoạn và tổng đoạn lớn, không có lượng dư lắp ráp tại các mút phân đoạn Gióng căn chỉnh lắp ráp bằng thiết bị ngắm quang học và thiết bị Laser Do các phân đoạn, tổng đoạn được chế tạo có độ chính xác cao cho nên việc lắp ráp tàu nhanh; chủ yếu sử dụng công nghệ hàn một phía bằng các quá trình hàn tự động [13]

Hiện nay, ở Việt Nam công nghệ đóng tàu theo tổng đoạn đã được áp dụng ở một số nhà máy đóng tàu lớn ở nước ta như Bạch Đằng, Hạ Long, tuy nhiên mới ở mức độ sơ khai, các bước công nghệ chưa đồng bộ hiệu quả; chế tạo các phân đoạn và tổng đoạn còn

có lượng dư; sử dụng chủ yếu công nghệ hàn bán tự động vì vậy năng suất và chất lượng đóng tàu chưa đạt được như mong muốn [13]

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

Hàn là một trong những công việc quan trọng nhất, chiếm tới 60% khối lượng công việc chế tạo một con tàu Theo thống kê của Công ty Đóng tàu Phà Rừng, tổng chiều dài đường hàn trong một con tàu tương ứng như sau [25]:

Bảng 1- 3 Thống kê chiều dài đường hàn trong thân tàu

Các mối hàn này có chiều dài lớn và nằm ở các vị trí hàn góc nằm ngang, hàn giáp mối ngang và hàn giáp mối ở vị trí đứng thích hợp cho việc tự động hoá Qua bảng trên ta

có thể thấy tổng chiều dài đường hàn khi chế tạo tàu chở hàng có tải trọng 20.000 tấn là 27

km và tàu có tải trong 34.000 tấn là gần 37 km Điều này có nghĩa rất lớn về mặt năng suất và chất lượng nếu các mối hàn này được thực hiện tự động

12

Theo tài liệu [14] khi chế tạo tàu chở dầu 200.000 tấn, tổng chiều dài của các liên kết hàn là 340.000 m, trong đó liên kết hàn giáp mối chiếm 15% (51.000 m), trong đó có khoảng 22.000 m thích hợp cho hàn giáp mối một phía Như vậy khoảng 45% chiều dài liên kết hàn giáp mối có thể thực hiện bằng công nghệ hàn một phía Hiện nay mức độ ứng dụng công nghệ hàn một phía còn vượt hơn 70%; do công nghệ hàn một phía ngày càng hoàn thiện, mức độ tự động hóa quá trình hàn ngày càng cao, thiết bị hàn tự động bán thông minh và Robot hàn nhiều trục được sử dụng trong quá trình hàn một phía đặc biệt là liên kết hàn giáp mối nối tổng đoạn vỏ tàu khi đấu đà

Hình 1 4 Sơ đồ vị trí và các phương pháp hàn được sử dụng trong lắp ráp thân tàu [15]

Công nghệ hàn một phía được thực hiện bằng nhiều quá trình hàn khác nhau phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể; hàn hồ quang tay (MAW), hàn tự động 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 vệ (GTAW), hàn hồ quang với dây lõi thuốc (FCAW), hàn điện khí (EGW),v.v Hình 1 4 minh họa các vị trí và các phương pháp hàn được ứng dụng để hàn các liên kết hàn trong đóng tàu [15]

Hình 1 5 Mức độ tiêu thụ vật liệu hàn trong công nghiệp chế tạo [17]

13

Trong các quá trình hàn kể trên, thì FCAW là quá trình hàn chủ đạo, chiếm tỷ trọng lớn khối lượng công việc hàn trong chế tạo thân tàu; dây hàn lõi thuốc ngày càng được nghiên cứu và phát triển đa dạng về chủng loại phù hợp với các cấp thép khác nhau trong công nghiệp chế tạo kết cấu hàn; điều này được khẳng định qua thống kê mức độ tiêu thụ vật liệu hàn ở Nhật Bản năm 2005 như trong Hình 1 5

Hình 1 6 Thử nghiệm hàn giáp mối một phía ở vị trí đứng bằng Auto-FCAW (Phà Rừng)

Nhà máy đóng tàu Phà Rừng đã đầu tư một số máy hàn Auto-FCAW của hãng ESAB Thụy Điển, cho hàn thử nghiệm như trên Hình 1 6 Tuy nhiên cho đến nay thiết bị hàn Auto–FCAW này chưa được áp dụng một cách hiệu quả vào sản suất do chưa nghiên cứu một cách bài bản, đầy đủ để có thể xây dựng được quy trình hàn hợp lý khi hàn nối tổng đoạn vỏ tàu Xuất phát từ những khó khăn tồn tại và những thuận lợi đã được phân tích ở phần trên đề tài lựa chọn quá trình hàn Auto-FCAW để nghiên cứu, ứng dụng cụ thể vào mối hàn nối tổng đoạn vỏ tàu nhằm nâng cao năng suất và chất lượng

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

Cho đến nay ở Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu về việc tự động hóa các quá trình hàn ứng dụng trong đóng tàu nhằm nâng cao năng suất và chất lượng vỏ tàu; nổi bật là các đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước trong giai đoạn từ 2001 đến 2011 cụ thể như đề tài [19] “Nghiên cứu công nghệ hàn tự động trong không gian nhiều chiều có điều khiển theo chương trình số phục vụ cho việc hàn vỏ tàu và thiết bị hoá dầu” do TS Hoàng Văn Châu-Viện Nghiên cứu Cơ khí chủ trì Đề tài đã được nghiệm thu năm 2005 và

đã thu được một số kết quả thực nghiệm ban đầu về công nghệ hàn tự động trong không gian nhiều chiều có sử dụng đầu dò quỹ đạo đường hàn bằng Laser Tuy nhiên đối với liên kết hàn ở vị trí khó khăn như mối nối tổng đoạn vỏ tàu thì việc sử dụng công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc là rất hạn chế và hầu như không thể thực hiên được [20] Đề tài nghiên cứu “Một giải pháp nhằm nâng cao năng suất và chất lượng của công đoạn hàn vỏ

tàu với Robot tự hành trên đường ray” của các tác giả Ngạc Bảo Long và Lê Hoài Quốc sử

dụng phương pháp dò đường hàn bằng các cảm biến bám theo dải băng dính dán song song với đường hàn trên vỏ tàu, Robot được kéo lên bằng tời để thực hiện hết đường hàn Trong công trình này nhóm tác giả chủ yếu đi sâu nghiên cứu tìm biện pháp tự động hoá quá trình

hàn tàu thuỷ mà không nghiên cứu về công nghệ hàn một phía [21] Công trình “Nhận

dạng vết và điều khiển chuyển động của Robot hàn tự hành trên đường ray ứng dụng trong

14

ngành đóng tàu” của tác giả Nguyễn Xuân Quang và Lê Hoài Quốc sử dụng một cảm biến

siêu âm để dò tìm mép hàn Theo phương pháp này, tại một số mặt cắt ngang của đường hàn cho cảm biến siêu âm di chuyển hết chiều rộng mép hàn để tìm điểm có độ sâu lớn nhất và gán điểm đó làm điểm của trục đường hàn tại mặt cắt đó Tập hợp một số điểm lấy mẫu như vậy sẽ được quỹ đạo đường hàn Phương pháp này mất nhiều thời gian cho việc

dò tìm vết hàn vì phải thực hiện dò tìm càng nhiều mặt cắt thì càng chính xác, hơn nữa do trên thực tế khi ghép nối các tổng đoạn khe hở hàn đạt được là không đồng đều nên việc gán điểm có độ sâu lớn nhất làm tâm mép hàn là không thoả đáng Chính vì vậy phương án này cũng chỉ mới đưa vào thử nghiệm tại các nhà máy đóng tàu ở phía nam [22] Đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu các thiết bị và phương pháp công nghệ cơ bản phục vụ cho đóng tàu thuỷ cỡ lớn” Đề tài chỉ đưa ra kết quả ở dạng đầu tư công nghệ, trang thiết bị cần thiết phục vụ đóng tàu cỡ lớn [23] Dự án KC.06.DA12.CN “Hoàn thiện công nghệ tự động trong chế tạo, lắp ráp, hàn vỏ tàu thuỷ nhằm nâng cao chất lượng đóng tàu thuỷ cỡ lớn” Công ty Công nghiệp Tàu thuỷ Nam Triệu Một phần trong dự án có đề cập đến quy trình hàn tự động, bán tự động phân đoạn – tổng đoạn vỏ tàu Tuy nhiên nội dung chỉ phân tích đặc điểm công nghệ và phạm vi ứng dụng của một số công nghệ hàn thông dụng như SAW, GMAW và trình tự thực hiện các liên kết hàn tổng đoạn

Gần đây nhất, đề tài NCKH cấp Nhà nước [25] “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot hàn tự hành phục vụ ngành đóng tàu ở Việt Nam“, mã số KC.03.06/06-10, chủ nhiệm đề tài PGS.TS Bùi Văn Hạnh, thuộc Chương trình KH & CN trọng điểm cấp Nhà nước Đề tài đã nghiên cứu tính toán, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống thiết bị hàn tự động dùng cho ngành đóng tàu, bao gồm Robot tự hành, thiết bị tạo quỹ đạo không gian cho Robot chuyển động (ray dẫn hướng), thiết bị hàn, thiết bị tạo dao động dích dắc đầu hàn, được điều khiển bằng lập trình thông qua phần mềm tích hợp trong bộ điều khiển của Robot, có các chỉ tiêu và tính năng kỹ thuật tương đương với thiết bị cùng loại của các nước trong khu vực Tuy nhiên trong khuôn khổ đề tài, nhằm giảm thời gian nghiên cứu và sớm đưa sản phẩm ứng dụng vào thực tiễn, nhóm tác giả giới hạn Robot chỉ hàn các mối hàn ở vị trí đứng khi ghép nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn MAG (Hàn nóng chảy trong môi trường khí hoạt tính)

Nói chung các đề tài nghiên cứu trong nước đã đạt được các kết quả tốt trong việc đưa

ra các giải pháp công nghệ hàn và thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động, ứng dụng vào quá trình hàn vỏ tàu, nhằm nâng cao năng suất và chất lượng chế tạo ở Việt Nam Cho đến nay, các đề tài nghiên cứu trong nước 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

Xuất phát từ những khó khăn tồn tại và những thuận lợi đã được phân tích ở phần trên

đề tài lựa chọn quá trình hàn Auto-FCAW để nghiên cứu, ứng dụng cụ thể vào mối hàn nối tổng đoạn vỏ tàu góp phần nâng cao năng suất và chất lượng chế tạo phục vụ chiến lược phát triển ngành công nghiệp đóng tàu Việt nam

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

Trên thế giới, lĩnh vực đóng tàu đang hết sức phát triển với sự đóng góp của nhiều công trình nghiên cứu trên mọi lĩnh vực Công nghệ hàn chiếm một vị trí quan trọng thiết yếu đối với ngành đóng tàu, vì vậy xu thế phát triển của công nghệ hàn ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của công nghiệp đóng tàu; với quy mô sản xuất ngày càng gia tăng nên việc cơ khí hóa, tự động hóa các quá trình hàn đã và đang được nghiên cứu chế tạo và áp dụng vào công nghiệp chế tạo vỏ tàu ngày càng mạnh mẽ Các hệ thống thiết bị hàn hồ quang tự động tiên tiến đã được nghiên cứu và áp dụng vào quá trình hàn giáp mối một phía trong chế tạo vỏ tàu từ hàng chục năm qua như: hàn tự động trong môi trường khí bảo

Raveendra and Parmar [26] và Kannan and Murugan [27] xây dựng mô hình toán học nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn FCAW (điện áp hồ quang, dòng điện hàn, tốc độ hàn, góc độ mỏ hàn và khoảng cách từ đầu mỏ hàn đến vật hàn, ) đến hình dạng và kích thước của đường hàn (Độ ngấu, bề rộng, chiều cao, với hệ số ngấu và tỷ lệ kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn) khi hàn đắp trên bề mặt tấm thép ở vị trí bằng [28] H.R Ghazvinloo and A Honarbakhsh Raouf đã xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn FCAW (dòng điện hàn, điện áp, tốc độ hàn, khoảng cách từ đầu mỏ hàn tới bề mặt vật hàn và góc nghiêng dây điện cực) đến bề rộng đường hàn và khả năng chịu kéo của kim loại mối hàn thép các bon thấp khi hàn ở vị trí bằng [29] By V Vasantha Kumar1* and N Murugan2 năm2011 đã nghiên cứu xây dựng bài toán quy hoạch thực nghiệm, thiết lập mối quan hệ toán học đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến kích thước của đường hàn đắp trên bề mặt tấm thép kết cấu IS:2062 ở vị trí bằng với dây điện cực austenitic stainless steel wire 317L đường kính 1.2 mm (AWS: A5-22-95; EN 12073) bằng hệ thống hàn tự động [30] Z Zhang, A W Marshall, G B Holloway đã nghiên cứu hiệu suất của các quá trình hàn đối với thép ống P91; thông qua thực nghiệm đã rút ra được các kết quả về thông số công nghệ và quy trình hàn, so sánh, đánh giá và lựa chọn quá trình hàn FCAW hợp lý khi hàn nối ống thép P91 [31] Gullco nghiên cứu ứng dụng hệ thống hàn tự động dây lõi thuốc (Auto-FCAW) vào lĩnh vực đóng tàu khi hàn nối phân đoạn, tổng đoạn vỏ tàu thép thép không gỉ 316LN khi hàn; hạn chế của nghiên cứu ứng dụng này là chưa đưa ra được các yếu tố công nghệ hợp

l như thiết kế mối ghép, thông số công nghệ hàn, quy trình hàn tương ứng với từng vị trí hàn

Các công trình nghiên cứu [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41] đã tiến hành quy hoạch thực nghiệm và thiết lập các hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn (Tốc độ cấp dây, tốc độ hàn, độ dài thò ra của dây điện cực, dòng điện hàn, điện áp hàn, và đường kính dây điện cực, ) đến hình dạng, kích thước,

độ ngấu, cơ tính, vùng ảnh hưởng nhiệt, của mối hàn đắp trên bề mặt tấm thép và mối hàn giáp mối một phía bằng quá trình hàn SAW Các đề tài này đã xác định được các thông số chế độ hàn và quy trình hàn hợp lý Tuy nhiên hạn chế của quá trình hàn SAW là không ứng dụng được vào hàn các liên kết hàn giáp mối ở các vị trí hàn đứng, ngang, trần như liên kết hàn nối tổng đoạn vỏ tàu thủy

Kết luận chương 1

Thông qua kết quả phân tích tài liệu, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

về công nghệ đóng tàu, công nghệ hàn nói chung và công nghệ hàn một phía nói riêng trong chế tạo vỏ tàu rút ra được các kết luận sau:

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

16

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

17

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ HÀN GIÁP MỐI MỘT PHÍA

TRONG ĐÓNG TÀU THỦY 2.1 Đặc điểm công nghệ hàn giáp mối một phía trong đóng tàu

Công nghệ hàn giáp mối một phía là kỹ thuật hàn tiếp cận hàn từ một phía Công nghệ hàn này thường được ứng dụng khi hàn các kết cấu có kích thước, khối lượng lớn, phức tạp

và hạn chế xoay lật trong quá trình chế tạo như: Hàn nối các phân đoạn và tổng đoạn vỏ tàu thủy, Công nghệ hàn một phía được thể hiện qua một số đặc điểm sau:

- Điều kiện thực hiện hàn khó khăn do chỉ tiếp cận hàn được từ một phía;

- Mối hàn tổng đoạn vỏ tàu thường thực hiện ngoài hiện trường, trong điều kiện thời tiết ẩm ướt, gió thổi, nắng,

- Đòi hỏi kỹ năng tay nghề của người thợ hàn hoặc kỹ năng của người vận hành thiết

bị cao;

- Chiều dài đường hàn lớn, vị trí hàn thay đổi theo biên dạng vỏ thân tàu;

- Liên kết hàn giáp mối một phía thường vát rãnh hàn kiểu chữ “V”, “U”, “J” (Single

V, single U, single J) Liên kết hàn góc thường vát rãnh hàn nửa chữ “V”, “U”, “J” Các kiểu rãnh hàn, thông số rãnh hàn và mối ghép phụ thuộc vào chiều dày vật liệu, phương pháp hàn và vị trí hàn trong không gian, [44], [45];

- Để đáp ứng các yêu cầu chất lượng, mối hàn một phía thường được lót đáy bằng vật liệu gốm sứ, đệm thuốc, đệm đồng, đệm thép (khi hàn với các quá trình hàn GMAW, FCAW, EGW, SAW, ) Trong một số trường hợp sử dụng các quá trình hàn như SMAW, GTAW, GMAW để hàn lót đáy [46]

Phần dưới đây của luận án sẽ phân tích đặc điểm công nghệ và phạm vi ứng dụng một

số quá trình hàn tiêu biểu đang được sử dụng rộng rãi trong đóng tàu như sau:

Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (GMAW) [16] là quá trình hàn bán tự động, chuyển động cấp dây hàn được tự động hóa hoàn toàn nhờ nguồn hàn và hệ thống cấp dây hàn tự động; còn lại chuyển động của mỏ hàn dọc theo trục mối hàn được thực hiện bằng tay Quá trình hàn này đã khắc phục được một số nhược điểm của quá trình hàn

hồ quang tay như: cho năng suất hàn cao và chất lượng mối hàn ổn định hơn Tuy nhiên chất lượng mối hàn vẫn còn phụ thuộc nhiều vào tay nghề người thợ hàn, điều kiện lao động vẫn chưa được cải thiện về bản chất Quá trình hàn này ứng dụng rất mạnh trong công nghiệp chế tạo Ô tô, xe máy tới 75% khối lượng công việc hàn Tuy nhiên nó ít được

sử dụng trong lĩnh vực đóng tàu

Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc (SAW) [16]: Phương pháp hàn này cho năng suất và chất lượng mối hàn rất cao, đặc biệt là có thể hàn một lần với chiều sâu ngấu lớn Hạn chế của phương pháp hàn này là chỉ hàn được các mối hàn ở vị trí bằng; khi hàn ở các

vị trí hàn khác thì kim loại lỏng và thuốc hàn dễ bị rơi xuống do tác dụng của trọng lực Vì vậy phương pháp hàn này chủ yếu ứng dụng trong trường hợp hàn ở vị trí bằng (có thể cho một số mối hàn góc ở vị trí ngang), không thích hợp hàn ngoài hiện trường vì trang thiết bị rất cồng kềnh Quá trình hàn SAW được sử dụng vào đóng tàu chiếm khoảng 13% khối lượng công việc hàn, trong chế tạo bồn/bể chứa chiếm khoảng 17%

Quá trình hàn FCAW là một bước phát triển mới của quá trình hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (GMAW) [16] Tính công nghệ tuyệt vời của hàn FCAW là kết hợp được các ưu điểm tốt của quá trình hàn hồ quang tay (SMAW) và hàn GMAW như: Năng suất hàn cao hơn khoảng từ 2 đến 2,5 lần so với hàn SMAW và khoảng 1,5 lần so với hàn

18

GMAW được thể hiện trên Hình 2 1 theo nguồn [18]; cơ tính của kim loại mối hàn được đảm bảo và nâng cao nhờ các thành phần hợp kim hóa trong lõi thuốc hàn; giá thành mỗi đơn vị khối lượng kim loại đắp rẻ hơn trong nhiều ứng dụng so với hàn GMAW; tính linh hoạt cao; có thể hàn được ở tất cả các vị trí hàn trong không gian; thu được chất lượng mối hàn tốt ngay ở điều kiện môi trường không thuận lợi, Ngoài ra, hàn FCAW còn khắc phục được những nhược điểm vốn có của hàn SMAW và GMAW Vì vậy mà hàn FCAW được ứng dụng rất mạnh trong lĩnh vực đóng tàu đặc biệt khi hàn nối phân đoạn và tổng đoạn vỏ tàu[18]

Hình 2 1 Năng suất đắp của quá trình hàn FCAW so với quá trình hàn GMAW và SMAW [18]

Hàn điện khí (EGW) [16] là một loại quá trình hàn, sử dụng hai phương pháp hàn khác nhau đó là GMAW và FCAW Trạng thái nóng chảy và kết tinh kim loại trong vùng

hồ quang hàn diễn ra cùng một thời gian nên chất lượng mối hàn rất cao, gần như không có biến dạng góc khi hoàn thành mối hàn bằng chỉ một lần hàn Ngoài ra hàn EGW tiết kiệm được vật liệu, thích hợp khi hàn tấm vật liệu dày, đường hàn dài ở vị trí đứng, mối hàn được hình thành liên tục cho đến khi hoàn thành Khi hàn các vật liệu có chiều dày lớn, thì hàn EGW hiệu quả hơn so với hàn SAW do công tác chuẩn bị mối ghép hàn đơn giản và ít xảy ra khuyết tật hàn hơn Tuy nhiên, những nhược điểm chính của quá trình hàn EGW như là: tính linh hoạt kém, chỉ thích hợp khi hàn các liên kết giáp mối ở vị trí đứng, đường hàn dài, trục đường hàn thẳng và vuông góc với mặt phẳng bằng

Thông qua việc phân tích đặc điểm công nghệ của các quá trình hàn ở trên cho thấy quá trình hàn FCAW có nhiều ưu điểm tốt, thích hợp cho hàn nối phân đoạn, tổng đoạn vỏ tàu Mục đích chính của quá trình đóng tàu là việc nâng cao năng suất và chất lượng vỏ tàu Vì vậy, đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu ứng dụng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc (Auto-FCAW) vào hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu theo điều kiện ở Việt Nam

2.2 Vật liệu chế tạo vỏ tàu

Thân tàu thép nói chung và vỏ tàu nói riêng làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt như: Môi trường nước mặn, sóng to, gió lớn, nhiệt độ các vùng nước biển khác nhau đặc biệt là ở vùng nước biển có nhiệt độ âm có thể đến -700C; thân tàu chịu tải trong điều kiện

19

biến đổi, đồng thời cùng một lúc vừa chịu xoắn, uốn, lắc, Để đảm bảo chất lượng đóng tàu trên thế giới, từ năm 1959 các tổ chức đăng kiểm trên thế giới (DNV, GL, LR, BV, KR, ABS, RINA, NK, CCS, ASTM, ) đã đồng ý tiêu chuẩn hóa thép đóng tàu nhằm giảm thiểu các cách phân loại thép dùng dùng cho đóng các cấp tàu (chủng loại tàu) khác nhau

2.2.1 Thép có độ bền bình thường

Thép làm vỏ tàu thường là thép cacbon, chứa từ 0,15% đến 0,23% cacbon cùng lượng Mangan cao Hai thành phần gồm lưu huỳnh và phốt pho trong thép đóng tàu phải ở mức thấp nhất, dưới 0,05%

Thép có độ bền bình thường được phân thành 5 cấp thép (từ kỹ thuật bằng tiếng Anh viết là grade), chất lượng khác nhau, dùng cho tàu thương mại đó là cấp A, B, C, D và E Thép cấp B dùng tại những vùng nhạy cảm chịu tác động lực, những nơi đòi hỏi tấm có chiều dầy lớn Đăng kiểm ABS ghi rõ rằng thép cấp B vào danh mục thép dùng làm thân tàu Về sau này nhiều nước không ghi cấp C vào danh mục các cấp thép đóng tàu Theo cách ghi trong qui phạm do Đăng kiểm Việt Nam đưa ra, cấp thép chấp nhận tại mục “phân loại thép”, Điều 3.1.2- Qui phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép, 2003, gồm 4 cấp thép

A, B, D, E Yêu cầu về thành phần hóa học đối với các cấp thép này được quy định cụ thể như Bảng 2- 1

Bảng 2- 1 Thành phần hóa học và cơ tính đối với thép đóng tàu, độ bền bình thường [42]

Bảng 2- 2 Yêu cầu chung về cơ tính của 4 cấp thép theo TCVN 6259-7:2003 [42]

20

cacbon Hai con số cuối chỉ lượng các bon, tính bằng phần trăm, ví dụ AISI 1040 chỉ thép cacbon chứa 0,04% cacbon Các ký hiệu theo hệ thống ASTM (American Society for Testing Materials) mang đặc trưng dễ nhận diện, được dùng chính thức trong văn bản của đăng kiểm ABS Thép thường dùng trong đóng tàu thuộc nhóm A36-78, là thép cacbon, dùng trong xây dựng Hai con số cuối cùng trong ký hiệu ASTM chỉ năm ra đời của phiên bản mới nhất Thép tấm, thép hình, ống vv… thường được phân loại trong hệ thống này Thép độ bền cao ghi trong hệ thống này gồm A242, A440, A441, và A588, vv…

Trong một số tiêu chuẩn GOST được công bố những năm gần đây, đã sử dụng giới hạn dưới của độ bền chảy để kết hợp với mác thép tiêu chuẩn quốc tế ISO Đối với thép chế tạo tàu thuyền, theo GOST 5521-89 có hai loại đều có tính hàn Một là loại thép có độ bền thông thường, có 4 mác thép A, B, C, D, giới hạn chảy đề là 235 MPa; một là loại thép

có độ bền cao, mác thép là A x x, D x x, E x x Trong đó x x biểu thị cấp độ bền, ví dụ A32 biểu thị cấp 32 KG (tức 315 MPa), D40 biểu thị cấp 40 KG (tức 395 MPa)

2.2.2 Thép độ bền cao

Thép độ bền cao dùng để chế tạo vỏ tàu theo các tổ chức đăng kiểm (DNV, GL, LR,

BV, KR, ABS, RINA, NK, ) được phân cấp thành ba mức, ký hiệu 32, 36, 40 Mỗi mức

bền được chia làm bốn cấp: AH (ví dụ AH32, AH36, AH40), DH (ví dụ DH32, DH36, DH40), EH (EH32, EH36, EH40) Mức bền cao hơn, tính từ 42, 46, 50, 56, 62 và 69 được ghi vào các cấp FH Theo tiêu chuẩn Việt Nam, thép cường độ cao được chia làm các cấp sau đây: A 32, D32, E 32, A 36, D36, E 36, A 40, D 40, E 40, F32, F36, F40 [43] Thành phần hóa học và các tính chất cơ học của thép độ bền cao được quy định như trong Bảng 2-

3 Các cấp thép dùng chế tạo vỏ tàu được trích dẫn ở trên là những cấp thép có tính hàn tốt được thể hiện thông qua hàm lượng các bon tương đương như trong Bảng 2- 5 dưới đây

Độ giãn dài (%)

Nhiệt độ thử

Năng lượng va đập trung bình (J)

Bảng 2- 5 Hàm lượng các bon tương đương [43]

án, cũng như cơ sở lựa chọn vật liệu hàn, thiết kế mối ghép, các thông số công nghệ hàn thích hợp

2.3 Công nghệ hàn hồ quang dây lõi thuốc trong đóng tàu

Hàn hồ quang dây lõi thuốc (FCAW) là một biến thể của quá trình hàn điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), trong đó điện cực nóng chảy là dây lõi thuốc

có đường kính từ 0,8  3,9 mm; lõi thuốc hàn có các chức năng tương tự như vỏ bọc que hàn: Trong quá trình hàn, thuốc hàn nóng chảy tạo ra lớp xỉ mỏng và khí bảo vệ giọt kim loại và vũng hàn; cung cấp các nguyên tố tạo xỉ khử ô xít, ngăn chặn các phản ứng có hại,

22

làm mịn hạt, chống nứt nóng và nứt nguội; ổn định hồ quang khi hàn; cung cấp các nguyên

tố hợp kim để đáp ứng các yêu cầu riêng về tính chất cơ l của kim loại mối hàn [46]: Hàn FCAW được chia thành hai phương pháp hàn, phương pháp hàn dây lõi thuốc có khí bảo vệ (FCAW-G) và phương pháp hàn dây lõi thuốc tự bảo vệ (FCAW-S) được minh họa như trong Hình 2 2 và Hình 2 3 [46] Thiết bị hàn cho phép tự động cấp và điều khiển dây điện cực vào vùng hồ quang hàn; có sử dụng một lượng khí bảo vệ nhỏ hoặc không cần khí bảo vệ; mức độ bắn tóe thấp, hình dạng mối hàn được cải thiện đáng kể (do các chất ổn định hồ quang và tạo xỉ trong thành phần thuốc hàn) Kim loại mối hàn ít bị rỗ khí và cho kết quả kiểm tra bằng chụp X quang tốt hơn so với một số phương pháp hàn hồ quang thông dụng khác Mức độ tiêu thụ khí bảo vệ trong trường hợp hàn FCAW-G ít hơn khi hàn với quá trình hàn GMAW [46] Hiện nay, phương pháp hàn FCAW được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực đóng tàu, chế tạo giàn khoan, dầm cầu, bồn bể và các kết cấu hàn siêu trường siêu trọng khác

Hình 2 2 Sơ đồ nguyên lý hàn FCAW-G [46]

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý hàn FCAW-S [46]

23

2.3.1 Vật liệu hàn FCAW

* Dây hàn lõi thuốc

Các loại dây hàn lõi thuốc được

và lõi chứa hỗn hợp thuốc hàn và bột

vật liệu hợp kim [46] Hình 2 4 Cấu tạo của dây lõi thuốc [46]

Cấu tạo của các loại dây hàn lõi thuốc được minh họa như trên Hình 2 4, trong đó ba loại trên cùng là 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 Thành phần lõi của dây hàn dùng với khí bảo vệ CO2 thường được chế tạo theo các hệ xỉ như sau:

- Không mang tính bazơ, loại TiO2, ví dụ dây E71T-1 hoặc dây E70T-2 [46]

- Mang tính bazơ hoặc trung tính, loại CaCO3- TiO2, ví dụ dây E70T-1 [46]

- Mang tính bazơ, loại CaCO3, ví dụ, dây E70T-5 [46]

Dây hàn tự bảo vệ là loại dây hàn được thiết kế để hàn mà không cần dùng đến khí bảo vệ bổ sung từ bên ngoài Lõi dây hàn phải chứa một lượng đủ các nguyên tố khử ôxi

và nitơ Đó là các nguyên tố Al, Ti, Zr Al, nếu vượt quá nồng độ cần thiết có thể tạo nhiều nitrit làm giảm độ dai va đập của kim loại mối hàn và tạo thuận lợi cho sự hình thành tổ chức bainit Titan cũng tạo thuận lợi cho sự hình thành tổ chức bainit, và tạo thành các tạp chất làm giảm độ dai va đập của kim loại mối hàn Vì vậy, với những kết cấu hàn vỏ tàu có đòi hỏi độ dai va đập cao, cần thận trọng khi chọn dây hàn tự bảo vệ Một số loại dây hàn

tự bảo vệ có khả năng đảm bảo độ dai va đập tốt nhưng lại đắt vì phải chứa Ni và Zr Các loại dây hàn tự bảo vệ thường được chế tạo theo các hệ xỉ như sau:

- Hệ CaF2- nhôm, ví dụ dây E70T-4, E60T-7, E60T-8 [46]

- Hệ CaF2-TiO2, ví dụ dây E70T-3

- Hệ CaF2-CaCO3-TiO2, ví dụ dây E70T-6

- Hệ CaF2-CaCO3, dây E70T-5 có hệ thuốc tương tự như que hàn E7018 [46]

Hiện nay, một số tiêu chuẩn quốc tế về dây hàn lõi thuốc đang được sử dụng rộng rãi, tiêu chuẩn thông dụng nhất là AWS A5.20-79 (Tiêu chuẩn kỹ thuật đối với dây lõi thuốc dùng cho hàn thép các bon), AWSA5.22-80 (Tiêu chuẩn kỹ thuật đối với dây lõi thuốc thép không gỉ Cr và thép Cr-Ni) và AWS A5.29-80 (Tiêu chuẩn kỹ thuật đối với dây lõi thuốc cho hàn thép hợp kim thấp) Dưới đây là trích dẫn các loại dây lõi thuốc theo tiêu chuẩn AWS A5.20-79

Dây lõi thuốc được ký hiệu bằng nhóm chữ và số EXXT-X, trong đó E là điện cực, T

là loại dây lõi thuốc Chữ X đầu tiên là nhóm độ bền với các giá trị quy định về cơ tính kim loại mối hàn Chữ X thứ hai cho biết tư thế hàn ưu tiên (0 là tư thế hàn bằng và hàn ngang,

1 là hàn ở mọi tư thế) Chữ X sau cùng cho biết công dụng và tính năng 12 loại dây hàn thông dụng xem Bảng 2- 6 [46]

Độ bền kéo tối thiểu (N/mm2)

Giới hạn chảy tối thiểu (N/mm2)

Độ giãn dài (%)

Năng lượng và đập (J) E6XT-1

AW1 AW2 AW3

E7XT-1

AW1 AW52 AW53 AW54

Bảng 2- 7 Công dụng và tính năng các loại dây hàn lõi thuốc [46]

T-1 Thường sử dụng với khí CO2, nhưng cũng có thể dùng với hỗn hợp CO2 và Ar

khi hàn ở các tư thế khác hàn bằng Tăng lượng Ar trong hỗn hợp khí làm giảm

sự mất mát lượng Mn và Si trong kim loại mối hàn và do đó nâng cao độ dai va đập Dạng dịch chuyển kim loại lỏng chủ yếu khi hàn là loại dịch chuyển giọt lớn, lượng bắn tóe ít; mối hàn phẳng hoặc hơi lồi; xỉ mỏng loại rutil (TiO2) T-2 Về bản chất tương tự như loại T-1, nhưng có nồng độ Mn, Si nâng cao hơn, chủ

yếu dùng cho hàn một lượt ở tư thế hàn bằng và hàn ngang Lượng chất khử ôxi cao cho phép hàn một lượt thép sôi hoặc thép có gỉ bề mặt

T-3 Là loại dây hàn tự bảo vệ, dùng với dòng điện một chiều đấu nghịch Đặc trưng

dịch chuyển kim loại dạng tia Dùng cho hàn một lượt ở tư thế hàn bằng và hàn ngang

T-4 Là loại dây hàn tự bảo vệ, dùng dòng một chiều đấu nghịch; có hệ số đắp cao;

chiều sâu chảy nhỏ (thích hợp cho việc lắp ráp sơ bộ liên kết hàn trước khi hàn)

và khả năng khử lưu huỳnh tốt; đặc trưng dịch chuyển kim loại dạng giọt lớn; có thể dùng để hàn một lượt hoặc nhiều lượt ở tư thế hàn bằng và hàn ngang

25

T-5 Thường sử dụng với khí CO2; cũng có thể dùng hỗn hợp CO2 và Ar; thích hợp

khi hàn một lượt hoặc nhiều lượt ở các tư thế hàn bằng và hàn ngang (mối hàn

góc) Đặc trưng dịch chuyển kim loại dạng giọt lớn; mối hàn hơi lồi; lớp xỉ bazơ

mỏng Cơ tính mối hàn cao hơn so với loại dùng hệ xỉ rutil (TiO2)

T-6 Là loại dây hàn tự bảo vệ, dùng dòng một chiều cực nghịch Đặc trưng dịch

chuyển kim loại dạng tia Dùng cho hàn một hoặc nhiều lượt ở tư thế hàn bằng và

hàn ngang Cơ tính mối hàn tốt; chiều sâu chảy lớn Xỉ hàn dễ bong

T-7 Là loại dây hàn tự bảo vệ, dùng dòng một chiều cực thuận Dây hàn cỡ lớn có hệ

số đắp lớn Dây hàn cỡ nhỏ dùng cho hàn ở mọi tư thế Khả năng khử lưu huỳnh

tốt, cho mối hàn có cơ tính cao Có thể dùng một hoặc nhiều lượt

T-8 Là loại dây hàn tự bảo vệ, dùng dòng một chiều cực thuận Dùng cho hàn ở mọi

tư thế Khả năng khử lưu huỳnh tốt, cho mối hàn có cơ tính cao Có thể dùng hàn

một hoặc nhiều lượt

T-10 Là loại dây hàn tự bảo vệ, dùng dòng một chiều cực thuận Dùng cho hàn một

lượt chiều dày bất kỳ với tốc độ hàn cao ở tư thế hàn bằng và hàn ngang

T-11 Là loại dây hàn tự bảo vệ, dùng dòng một chiều cực thuận Dịch chuyển kim loại

điện cực dạng tia Dùng cho hàn với tốc độ hàn cao ở mọi tư thế hàn Đây là loại

dây hàn vạn năng dùng hàn một lượt hoặc nhiều lượt

T-G Là loại dây hàn dùng cho hàn nhiều lượt khác các loại nói trên

T-GS Là loại dây hàn dùng cho hàn một lượt khác các loại nói trên

Với các loại dây hàn T-GS, T-2, T-3 và T-10, không có quy định về thành phần kim

loại mối hàn vì chúng được dùng trong hàn một lượt khi nối các tấm kim loại đòi hỏi mức

độ tham gia lớn của kim loại cơ bản vào mối hàn Với các loại dây còn lại, thành phần kim

loại mối hàn như sau: Các bon: không quy định nhưng phải được xác định; Mn: 1,75%

max; Ni: 0,50% max; Cr: 0,20% max; Al: 1,8% max (đối với loại tự bảo vệ); Si: 0,90%

max; S: 0,03% max; Mo: 0,30% max; P: 0,04% max

* Khí bảo vệ

Phương pháp FCAW-G thường được ứng dụng trong hàn thép các bon thấp, thép hợp

kim thấp độ bền cao (HSLA) và thép hợp kim, Việc dùng thêm khí bảo vệ bổ xung sẽ

giúp cho quá trình bảo vệ mối hàn tốt hơn trong những điều kiện môi trường có gió thổi,

độ ẩm, ; hơn nữa dây hàn lõi thuốc dùng với khí bảo vệ có giá thành rẻ hơn so với dây

hàn tự bảo vệ Phần lớn, dây hàn lõi thuốc được thiết kế để dùng với khí bảo vệ CO2 hoặc

hỗn hợp khí (CO2 với Ar, O2, H2) theo Bảng 2- 8

Để thực hiện việc khử ôxi và tăng các nguyên tố hợp kim trong hồ quang hàn, nhà sản

xuất đưa thêm các nguyên tố như Al, Ti, Zr, Si vào lõi dây hàn [46] Đặc điểm ứng dụng

của một số loại khí điển hình sử dụng trong hàn thép chế tạo vỏ tàu như sau:

Khí CO2 là loại khí rẻ tiền, cho chiều sâu chảy lớn và dịch chuyển kim loại lỏng đặc

trưng là dạng giọt lớn (cầu), thích hợp cho hàn thép các bon và thép hợp kim thấp

Hỗn hợp khí M2-1 (82% Ar + 18% CO2) có thể tạo ra dịch chuyển kim loại lỏng trong

quá trình hàn dạng giọt nhỏ, ngoài ra cơ tính của mối hàn được đảm bảo và nâng cao do

các thành phần Măng gan và Silic không bị mất mát do quá trình khử Ô xít gây ra