MỞ ĐẦU Kết cấu giàn gồm các thanh quy tụ và liên kết với nhau tại nút. So với các kết cấu kim loại khác thì kết cấu dạng giàn có những ưu điểm nổi trội như khả năng chịu lực tốt hơn, tiết kiệm vật liệu hơn, chịu được tác động của tải trọng sóng, gió tốt hơn, kết cấu gọn nhẹ hơn,... nên kết cấu giàn thường được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như: Giàn khoan dầu khí, cột điện cao áp, cần trục, các loại tháp (tháp truyền hình, tháp thông tin vô tuyến điện,...), các công trình công cộng (sân vận động, nhà thi đấu, nhà xưởng,...). Trong các kết cấu dạng giàn, kết cấu giàn dạng ống mà ở đó các thanh giàn chế tạo từ thép dạng ống có ưu điểm hơn bởi kết cấu gọn nhẹ, khả năng chịu tải (đặc biệt là tải trọng xoắn) tốt hơn. Nguyên nhân bởi tiết diện ống có bán kính quán tính lớn nên chúng có độ cứng vững và có độ ổn định cao, chịu nén tốt hơn so với các dạng tiết diện khác. Do vậy mà kết cấu giàn dạng ống đang ngày càng được nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng nhiều hơn so với kết cấu giàn tiết diện khác. Trước đây, khi công nghệ hàn chưa phát triển thì các kết cấu giàn thường được chế tạo bằng ghép bu lông hoặc đinh tán thông qua các thanh giằng và bản mã. Việc chế tạo các kết cấu giàn kiểu này tốn rất nhiều vật liệu và thời gian thi công, kết cấu nặng nề, tốn nhiều chi phí duy tu bảo dưỡng thường xuyên, hay bị gỉ sét,... Vì thế mà ngày nay hai phương pháp chế tạo này ít được sử dụng. Vài chục năm trở lại đây, do công nghệ hàn phát triển và đạt được những thành tựu quan trọng như: chế tạo được các kết cấu có tính thẩm mỹ và đạt độ bền cao, tiết kiệm vật liệu, giảm thời gian và chi phí thi công,... Nên công nghệ hàn đã và sẽ trở thành công nghệ chủ lực để chế tạo các kết cấu kim loại. Nằm trong xu thế đó, công nghệ hàn cũng được ứng dụng để chế tạo các kết cấu giàn kim loại nói chung và kết cấu giàn dạng ống nói riêng. Nhược điểm cơ bản của công nghệ Hàn là gây ra hiện tượng biến dạng và luôn tồn tại ứng suất dư trong kết cấu. Ứng suất dư lớn có thể gây ra nứt trong liên kết, dẫn đến kết cấu bị phá hủy khi chịu tải trọng (đặc biệt là tải trọng động). Thực tế cho thấy nếu không kiểm soát tốt ứng suất dư trong liên kết/ kết cấu hàn thì khả năng làm việc và tuổi thọ của kết cấu bị suy giảm nghiêm trọng. Do vậy, việc đầu tư nghiên cứu xác định ứng suất dư trong liên kết/ kết cấu hàn là cực kỳ quan trọng. Thông qua đó làm cơ sở để xác định chế độ hàn hợp lý và quy trình hàn tối ưu. Một trong những yêu cầu quan trọng khi chế tạo kết cấu giàn là các phần tử liên kết với nhau tại nút giàn phải đảm bảo đúng tâm để các thanh giàn không chịu uốn mà chỉ chịu kéo - nén. Khi áp dụng công nghệ hàn để chế tạo giàn, nếu không có trình tự hàn hợp lý và không hạn chế được ứng suất dư trong kết cấu thì kết cấu sẽ bị biến dạng lớn, các thanh giàn không còn đúng tâm và dẫn đến khả năng chịu tải của kết cấu bị suy giảm nghiêm trọng. Vì tầm quan trọng như thế nên hiện nay nhiều công ty chế tạo kết cấu giàn của Việt Nam (công ty CP Chế tạo Giàn Khoan Dầu Khí, công ty CP Thi công Cơ giới và Lắp máy Dầu khí, công ty CP Kết cấu Kim loại và Lắp máy Dầu khí,…) cũng đang triển khai nghiên cứu biện pháp làm giảm ứng suất dư khi hàn các kết cấu có tiết diện dạng ống rỗng [1, 2]. Diễn biến hình thành ứng suất nói chung, ứng suất dư nói riêng trong kết cấu hàn là rất phức tạp, đặc biệt là đối với các kết cấu lớn với số lượng đường hàn nhiều. Việc xác định trường ứng suất bằng các phương pháp đo đạc truyền thống gặp rất nhiều khó khăn, đôi khi không thực hiện được. Do vậy, việc nghiên cứu tìm ra giải pháp mới để xác định ứng suất trong kết cấu hàn là hết sức cần thiết. Ngay nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử và các thuật toán mô phỏng thông qua các phần mềm chuyên dụng, có thể giải quyết các bài toán đa trường và tính toán chuỗi sự kiện nên việc xác định ứng suất trong kết cấu hàn trở nên thuận lợi và đạt độ chính xác cao. Từ những yếu tố nêu trên, đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống” là rất cần thiết và cấp bách. Nghiên cứu thành công sẽ là cơ sở khoa học quan trọng để tìm ra chế độ công nghệ và kỹ thuật hàn hợp lý áp dụng trong chế tạo các kết cấu giàn kim loại. Ở Việt Nam, đã có công trình khoa học nghiên cứu về vấn đề này [1, 2] và đạt được một số kết quả nhất định nhưng chưa có nghiên cứu cụ thể đi sâu vào xác định trạng thái, sự phân bố ứng suất dư trong hàn nút giàn dạng ống. Chính vì vậy, hiện nay ngành công nghiệp chế tạo kết cấu thép rất cần có được những nghiên cứu mang chiều sâu nhằm nâng cao chất lượng thành phẩm thông qua chất lượng các liên kết chế tạo. Mục đích nghiên cứu - Xác định chế độ hàn GMAW và trình tự hàn hợp lý cho liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. - Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định trường nhiệt độ và ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. - Đề ra các biện pháp kỹ thuật, công nghệ để giảm ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Đối tượng nghiên cứu - Nút giàn dạng ống chữ K với đường kính ống chính là 219mm, chiều dài 900mm, chiều dày 10mm; đường kính ống nhánh là 102mm, chiều dài 350mm, chiều dày 6mm. - Vật liệu thép A572 Grade50. Phạm vi nghiên cứu
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trang 2MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ix
MỞ ĐẦU 1
Mục đích nghiên cứu 2
Đối tượng nghiên cứu 2
Phạm vi nghiên cứu 2
Phương pháp nghiên cứu 2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3
Các đóng góp mới của luận án 3
Kết cấu của luận án 4
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 5
1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 5
1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 6
Kết luận chương 1 8
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10
2.1 Giàn hàn và giàn hàn dạng ống 10
2.1.1 Kết cấu giàn 10
2.1.2 Giàn có tiết diện dạng rỗng 11
2.1.3 Ứng dụng của kết cấu giàn dạng rỗng 18
2.2 Các phương pháp hàn sử dụng để chế tạo kết cấu giàn hàn 20
2.3 Hàn kết cấu giàn dạng ống bằng quá trình hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ 21
2.3.1 Nguyên lý và đặc điểm của quá trình hàn 21
2.3.2 Các thông số ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn 22
2.4 Cơ sở tính toán xác định trường nhiệt độ và ứng suất dư hàn 29
2.4.1 Tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 30
2.4.2 Sự hình thành ứng suất dư khi hàn 33
2.5 Các phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn 40
2.5.1 Giới thiệu chung 40
2.5.2 Các phương pháp xác định ứng suất dư 41
Kết luận chương 2 45
Chương 3 MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT DƯ TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG CHỮ K 47
Trang 33.1.1 Mô phỏng tính toán bài toán cơ - nhiệt trong liên kết hàn 47
3.1.2 Mô phỏng tính toán quá trình chuyển biến pha trong liên kết hàn 48
3.2 Tính toán, mô phỏng trường ứng suất trong liên kết hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn 53
3.2.1 Tính toán mô phỏng bài toán nhiệt - đàn hồi - dẻo bằng phương pháp phần tử hữu hạn 53
3.2.2 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng tính toán liên kết hàn 57
3.3 Mô hình hóa và mô phỏng số liên kết nút giàn dạng ống chữ K 59
3.3.1 Mô hình hóa liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 62
3.3.2 Mô hình nguồn nhiệt hàn GMAW 70
3.3.3 Các thông số của vật liệu 71
3.3.4 Các điều kiện biên và điều kiện đầu 74
3.4 Xác định chế độ hàn phù hợp cho liên kết nút giàn dạng ống chữ K 75
3.4.1 Tính toán xác định chế độ hàn sơ bộ 75
3.4.2 Thông số chế độ hàn mô phỏng 79
3.4.3 Hiệu chỉnh mô hình nguồn nhiệt 79
3.5 Thiết lập trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K 79
3.5.1 Các trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K 79
3.5.2 Thời gian hàn và thời gian làm nguội khi hàn các đường 80
3.6 Kết quả tính toán mô phỏng 81
3.6.1 Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 81
3.6.2 Trường ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 86
3.6.3 Chuyển biến pha của kim loại mối hàn 96
Kết luận chương 3 98
Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 99
4.1 Mục đích 99
4.2 Thực nghiệm hàn liên kết nút giàn dạng ống chữ K 99
4.2.1 Thiết bị hàn 99
4.2.2 Vật liệu hàn 100
4.2.3 Chuẩn bị mẫu hàn 100
4.2.4 Quy trình thực nghiệm 101
4.2.5 Kiểm tra ngoại dạng liên kết hàn 104
4.3 Xác định ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng kỹ thuật khoan lỗ 105
4.3.1 Thiết bị đo 105
4.3.2 Các bước tiến hành 106
Kết luận chương 4 110
Chương 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 111
Trang 45.1 Kích thước vũng hàn 111
5.2 Ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tại một số vị trí khảo sát 111
5.2.1 Tại vị trí 1 111
5.2.2 Tại vị trí 2 113
5.2.3 Tại vị trí 3 114
5.2.4 Tại vị trí 4 115
5.3 Kiểm chứng kết quả tính toán mô phỏng ứng suất dư trong liên kết nút giàn dạng ống chữ K 117
5.3.1 Tại vị trí 1 117
5.3.2 Tại vị trí 2 117
5.3.3 Tại vị trí 3 118
5.3.4 Tại vị trí 4 118
5.4 Đề xuất các biện pháp làm giảm ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 119
5.4.1 Các biện pháp kết cấu 119
5.4.2 Các biện pháp công nghệ 120
Kết luận chương 5 120
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122
Kết luận 122
Kiến nghị 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO 123
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 128
Trang 5DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
GMAW Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi
trường khí bảo vệ
môi trường khí bảo vệ
Von misses stress MPa Ứng suất tương đương
Stress XX MPa Ứng suất pháp theo phương X
Stress YY MPa Ứng suất pháp theo phương Y
Stress ZZ MPa Ứng suất pháp theo phương Z
Trang 6Hm-Hc J/mm3 Gia số Enthalpy
Δt8/5 s Thời gian nguội từ 800oC ÷ 500oC
Trang 7DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2 1 So sánh giới hạn bền xoắn của một số tiết diện đặc trưng 14
Bảng 2 2 Tốc độ cấp dây và cường độ dòng điện khi hàn trong khí bảo vệ CO2 24
Bảng 2 3 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn 27
Bảng 2 4 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn 28
Bảng 2 5 Một số thông số hàn tiêu biểu dùng cho hàn thép 28
Bảng 3 1 Nhiệt độ chuyển biến pha của thép S355J2G3 51
Bảng 3 2 Thông số mối ghép chữ K 65
Bảng 3 3 Mô hình nguồn nhiệt hàn thực nghiệm theo Goldak 71
Bảng 3 4 Chế độ hàn sơ bộ 1 77
Bảng 3 5 Chế độ hàn sơ bộ 2 77
Bảng 3 6 Chế độ hàn sơ bộ 3 78
Bảng 3 7 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết nút giàn dạng ống chữ K 79
Bảng 3 8 Chế độ hàn mô phỏng liên kết nút giàn dạng ống chữ K 79
Bảng 3 9 Thời gian hàn và thời gian làm nguội 80
Bảng 3 10 Kí hiệu quy ước các tổ chức kim loại khi hàn 96
Bảng 4 1 Bảng thông số kỹ thuật của máy hàn series KR 99
Bảng 4 2 Thành phần hóa học của dây hàn 100
Bảng 4 3 Cơ tính của dây hàn ER 70S 100
Bảng 4 4 Thành phần hóa học của kim loại cơ bản 101
Bảng 4 5 Cơ tính của thép A572 Grade 50 101
Bảng 4 6 Chế độ hàn liên kết hàn chữ K tiết diện ống 101
Bảng 5 1 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 1 111
Bảng 5 2 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 2 113
Bảng 5 3 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 3 114
Bảng 5 4 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 4 116
Bảng 5 5 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 1 117
Bảng 5 6 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 2 118
Bảng 5 7 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 3 118
Bảng 5 8 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 4 119
Bảng 5 9 Bảng so sánh kết quả mô phỏng và đo ứng suất bằng khoan lỗ 119
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 2 1 Kết cấu thép: a) Liên kết đinh tán; b) Liên kết hàn bán bu lông 10
Hình 2 2 Liên kết giàn hàn a) Tiết diện hình hộp; b) Tiết diện thép góc 10
Hình 2 3 Các loại giàn 11
Hình 2 4 Các loại nút giàn 12
Hình 2 5 Các thông số hình học của mối ghép chữ K 12
Hình 2 6 Kiểu tiết diện ống rỗng trong tự nhiên 13
Hình 2 7 Ứng dụng kết cấu dạng ống 13
Hình 2 8 Sơn bảo vệ bề mặt thép (a); Cây cầu Fifth of Forth (b) 14
Hình 2 9 Ảnh hưởng của áp lực gió (chất lỏng) đến loại tiết diện ngang 14
Hình 2 10 Một số ví dụ về giàn 15
Hình 2 11 Liên kết hàn bán bu lông – đai ốc 16
Hình 2 12 Liên kết bằng hàn thông qua bản mã 16
Hình 2 13 Một số kiểu ghép liên kết hàn dạng ống 17
Hình 2 14 Liên kết hàn ống chữ K phẳng 17
Hình 2 15 Một số loại mối ghép kết cấu rỗng đa phương 18
Hình 2 16 Liên kết hàn ống đa phương 18
Hình 2 17 Một số kết cấu sử dụng vật liệu ống 19
Hình 2 18 Kết cấu rỗng trong xây dựng 20
Hình 2 19 Sơ đồ nguyên lý hàn GMAW 21
Hình 2 20 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn 23
Hình 2 21 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn 24
Hình 2 22 Ảnh hưởng của điện áp hàn đến hình dạng mối hàn 25
Hình 2 23 Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng mối hàn 26
Hình 2 24 Tầm với điện cực (a) và Quan hệ dòng điện – Tầm với điện cực (b) 26
Hình 2 25 Tầm với điện cực khi dịch chuyển ngắn mạch (a); Tầm với điện cực khi dịch chuyển tia dọc trục (b) 27
Hình 2 26 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn 27
Hình 2 27 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn 27
Hình 2 28 Lưu lượng khí phụ thuộc đường kính chụp khí và dòng điện hàn 28
Hình 2 29 Tương quan giữa vị trí và nhiệt độ 31
Hình 2 30 Ba trạng thái cơ bản trong hàn hồ quang 32
Hình 2 31 Mô hình nguồn nhiệt di động 33
Hình 2 32 Biến dạng đàn hồi và dẻo đơn trục của vật liệu 35
Hình 2 33 Lý tưởng hóa đường cong ứng suất – biến dạng 36
Hình 2 34 Quá trình hình thành ứng suất dư trong hàn 38
Hình 2 35 Sự phân bố ứng suất dư trong liên kết hàn giáp mối (a) Hàn liên tục; (b) Hàn phân đoạn 39
Hình 2 36 Sự phân bố ứng suất trong liên kết hàn góc 39
Hình 2 37 Phân bố ứng suất dư dọc và ngang trong liên kết hàn góc 40
Hình 2 38 Cảm biến để xác định biến dạng dư 42
Hình 2 39 Sự phân bố ứng suất dư a) Ứng suất phân bố đều ; b) Ứng suất phân bố không đều 42
Hình 2 40 Nguyên lý nhiễu xạ tia X 43
Hình 2 41 Thiết bị siêu âm 45
Trang 9Hình 3 1 Sơ đồ cơ học tính toán trong hàn 47
Hình 3 2 Các vấn đề chính trong thiết kế và kiểm tra mối hàn (QA/QC – là đảm bảo chất lượng, kiểm soát chất lượng) 48
Hình 3 3 Quan hệ giữa các phương pháp tính và thực nghiệm 48
Hình 3 4 Đồ thị chuyển biến pha 49
Hình 3 5 Giản đồ pha sắt – các bon 50
Hình 3 6 Cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt 51
Hình 3 7 Cấu trúc tế vi khi hàn 1 lớp (a); nhiều lớp (b) 52
Hình 3 8 Mối quan hệ giữa các trường khác nhau trong phân tích hàn 53
Hình 3 9 Các bước xây dựng dạng hình học tính toán 58
Hình 3 10 Một số mô hình vật thể lý tưởng 58
Hình 3 11 Trình tự lựa chọn quá trình mô phỏng 59
Hình 3 12 Các chương trình con trong mô phỏng hàn 60
Hình 3 13 Khả năng tính toán của SYSWELD 61
Hình 3 14 Trình tự thực hiên mô phỏng hàn 63
Hình 3 15 Quy cách thiết kế mối ghép chữ K tiết diện rỗng 64
Hình 3 16 Mô hình 3D liên kết hàn chữ K 64
Hình 3 17 Bố trí đường hàn, lớp hàn 65
Hình 3 18 Kiểu lưới phần tử a) Phần tử 1-D; (b, c) Phần tử 2-D; d) Phần tử 3-D 66
Hình 3 19 Định đoạn và chia lưới ống chính 66
Hình 3 20 Kích thước lưới vùng mối hàn và vùng HAZ 67
Hình 3 21 Chia lưới hoàn chỉnh trên ống chính 67
Hình 3 22 Chia lưới 2 ống nhánh 68
Hình 3 23 Chia lưới mối hàn 68
Hình 3 24 Nút thuộc các phần tiếp xúc nhau 68
Hình 3 25 Mô hình hoá liên kết hàn chữ K 69
Hình 3 26 Điểm bắt đầu và kết thúc đường hàn 70
Hình 3 27 Mô hình nguồn nhiệt hàn GMAW 70
Hình 3 28 Khối lượng riêng của thép S355J2G3 71
Hình 3 29 Hệ số dẫn nhiệt của thép S355J2G3 72
Hình 3 30 Nhiệt dung riêng của thép S355J2G3 72
Hình 3 31 Giới hạn chảy của thép S355J2G3 73
Hình 3 32 Đồ thị CCT của thép S355J2G3 73
Hình 3 33 Đường cong hóa bền – biến dạng 74
Hình 3 34 Mô hình vỏ trao đổi nhiệt 74
Hình 3 35 Quỹ đạo đường hàn và đường dẫn 75
Hình 3 36 Vị trí kẹp chặt liên kết hàn ống chữ K khi mô phỏng 75
Hình 3 37 Thiết kế mối ghép 76
Hình 3 38 Hình ảnh mối hàn chế độ hàn 1 77
Hình 3 39 Hình ảnh mối hàn chế độ hàn 2 78
Hình 3 40 Hình ảnh mối hàn chế độ hàn 3 78
Hình 3 41 Hiệu chỉnh mô hình nguồn nhiệt 79
Hình 3 42 Trình tự thực hiện các đường hàn 80
Hình 3 43 Kỹ thuật Contour Display of Activated Elements trên Sysweld 2015 81
Hình 3 44 Trường nhiệt độ khi mô phỏng trường hợp hàn thứ nhất a) Đường hàn 1; b) Đường hàn 2; c) Đường hàn 3 82
Trang 10Hình 3 45 Hình dạng vũng hàn và các đường đẳng nhiệt khi hàn đường 2 82
Hình 3 46 Trường hợp các nút không trùng nhau 83
Hình 3 47 Chu trình nhiệt tại nút 22526 thuộc đường hàn lót trường hợp hàn 1 84
Hình 3 48 Chu trình nhiệt hàn vùng HAZ trường hợp hàn 1 84
Hình 3 49 Chu trình nhiệt của các nút theo chiều dày thành ống chính 85
Hình 3 50 Đồ thị nhiệt độ tại nút 66879 85
Hình 3 51 Ứng suất tương đương 86
Hình 3 52 Ứng suất pháp theo phương X 87
Hình 3 53 Ứng suất pháp theo phương Y 89
Hình 3 54 Ứng suất dư tập trung tại điểm đầu và cuối đường hàn 89
Hình 3 55 Phân bố ứng suất khi hàn đường 1 ống nhánh 1 90
Hình 3 56 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 2 ống nhánh 1 90
Hình 3 57 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 3 ống nhánh 1 90
Hình 3 58 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 1 ống nhánh 2 91
Hình 3 59 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 2 ống nhánh 2 91
Hình 3 60 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 6 92
Hình 3 61 Sự phân bố ứng suất dư sau khi hàn 2400s 92
Hình 3 62 Sự phân bố ứng suất dư sau khi hàn 4000s 93
Hình 3 63 Phân bố ứng suất Von mises trên bề mặt ống chính 93
Hình 3 64 Phân bố ứng suất dư trên bề mặt ống chính theo phương X trường hợp hàn 4 93
Hình 3 65 Phân bố ứng suất dư Von mises theo chiều dài ống chính 94
Hình 3 66 Sự phân bố ứng suất dư vùng HAZ theo chiều dày thành ống 94
Hình 3 67 Đường lấy kết quả ứng suất dư theo chiều dày thành ống 95
Hình 3 68 Phân bố ứng suất dư theo đường Đ2 và Đ5 95
Hình 3 69 Phân bố ứng suất dư theo đường Đ3 và Đ6 96
Hình 3 70 Phân bố ứng suất dư theo đường Đ1 và Đ3 96
Hình 3 71 Chuyển biến pha trong khi hàn a) Pha Mactensit; b) Pha Bainite; c) Pha Mactensit ram; d) Pha Ostenite dư 97
Hình 4 1 Thiết bị hàn GMAW 99
Hình 4 2 Quy cách mối ghép chữ K tiết diện ống 100
Hình 4 3 Thiết kế mối hàn 100
Hình 4 4 Chuẩn bị mối ghép hàn thực nghiệm 101
Hình 4 5 Gá đính phôi hàn liên kết ống chữ K 102
Hình 4 6 Điều chỉnh chế độ hàn 102
Hình 4 7 Hàn lớp lót, đường hàn thứ nhất 102
Hình 4 8 Hàn lớp phủ, đường hàn thứ 2 103
Hình 4 9 Hàn lớp phủ, đường hàn thứ 3 103
Hình 4 10 Liên kết hàn chữ K hoàn thiện 104
Hình 4 11 Đường hàn thứ nhất 104
Hình 4 12 Đường hàn thứ 2 104
Hình 4 13 Đường hàn thứ 3 105
Hình 4 14 Thiết bị đo ứng suất và biến dạng - P3 105
Hình 4 15 Lá đo điện trở 106
Hình 4 16 Các loại mũi khoan 106
Trang 11Hình 4 18 Kết nối với thiết bị đo 107
Hình 4 19 Định vi đồ gá trên mẫu đo 107
Hình 4 20 Hiệu chỉnh tâm lỗ khoan 108
Hình 4 21 Hiệu chỉnh thiết bị đo 108
Hình 4 22 Lắp đặt máy khoan trên bộ định vị 108
Hình 4 23 Khoan lỗ 109
Hình 4 24 Lỗ đã khoan hoàn thành 109
Hình 4 25 Kết quả đo biến dạng 109
Hình 5 1 So sánh kích thước vũng hàn giữa mô phỏng và thực nghiệm 111
Hình 5 2 Vị trí lỗ khoan 1 111
Hình 5 3 Phân bố ứng suất chính tại vị trí 1 112
Hình 5 4 Phân bố ứng suất theo phương X và Y tại vị trí 1 112
Hình 5 5 Vị trí lỗ khoan 2 113
Hình 5 6 Phân bố ứng suất chính tại vị trí 2 113
Hình 5 7 Phân bố ứng suất theo phương X và Y tại vị trí 2 114
Hình 5 8 Vị trí lỗ khoan 3 114
Hình 5 9 Phân bố ứng suất chính tại vị trí 3 115
Hình 5 10 Phân bố ứng suất theo phương X và Y tại vị trí 3 115
Hình 5 11 Vị trí lỗ khoan 4 115
Hình 5 12 Phân bố ứng suất chính tại vị trí 4 116
Hình 5 13 Phân bố ứng suất theo phương X và Y tại vị trí 4 116
Hình 5 14 Vị trí đo ứng suất dư: (a) trên mô hình và (b) trên mẫu (VT 1) 117
Hình 5 15 Vị trí đo ứng suất dư trên mẫu và mô hình mô phỏng (VT 2) 117
Hình 5 16 Vị trí đo ứng suất dư trên mẫu và mô hình mô phỏng (VT 3) 118
Hình 5 17 Vị trí đo ứng suất dư trên mẫu và mô hình mô phỏng (VT 4) 118
Trang 12MỞ ĐẦU
Kết cấu giàn gồm các thanh quy tụ và liên kết với nhau tại nút So với các kết cấu kim loại khác thì kết cấu dạng giàn có những ưu điểm nổi trội như khả năng chịu lực tốt hơn, tiết kiệm vật liệu hơn, chịu được tác động của tải trọng sóng, gió tốt hơn, kết cấu gọn nhẹ hơn, nên kết cấu giàn thường được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như: Giàn khoan dầu khí, cột điện cao áp, cần trục, các loại tháp (tháp truyền hình, tháp thông tin vô tuyến điện, ), các công trình công cộng (sân vận động, nhà thi đấu, nhà xưởng, )
Trong các kết cấu dạng giàn, kết cấu giàn dạng ống mà ở đó các thanh giàn chế tạo
từ thép dạng ống có ưu điểm hơn bởi kết cấu gọn nhẹ, khả năng chịu tải (đặc biệt là tải trọng xoắn) tốt hơn Nguyên nhân bởi tiết diện ống có bán kính quán tính lớn nên chúng có độ cứng vững và có độ ổn định cao, chịu nén tốt hơn so với các dạng tiết diện khác Do vậy mà kết cấu giàn dạng ống đang ngày càng được nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng nhiều hơn so với kết cấu giàn tiết diện khác Trước đây, khi công nghệ hàn chưa phát triển thì các kết cấu giàn thường được chế tạo bằng ghép bu lông hoặc đinh tán thông qua các thanh giằng và bản mã Việc chế tạo các kết cấu giàn kiểu này tốn rất nhiều vật liệu và thời gian thi công, kết cấu nặng
nề, tốn nhiều chi phí duy tu bảo dưỡng thường xuyên, hay bị gỉ sét, Vì thế mà ngày nay hai phương pháp chế tạo này ít được sử dụng
Vài chục năm trở lại đây, do công nghệ hàn phát triển và đạt được những thành tựu quan trọng như: chế tạo được các kết cấu có tính thẩm mỹ và đạt độ bền cao, tiết kiệm vật liệu, giảm thời gian và chi phí thi công, Nên công nghệ hàn đã và sẽ trở thành công nghệ chủ lực để chế tạo các kết cấu kim loại Nằm trong xu thế đó, công nghệ hàn cũng được ứng dụng để chế tạo các kết cấu giàn kim loại nói chung và kết cấu giàn dạng ống nói riêng
Nhược điểm cơ bản của công nghệ Hàn là gây ra hiện tượng biến dạng và luôn tồn tại ứng suất dư trong kết cấu Ứng suất dư lớn có thể gây ra nứt trong liên kết, dẫn đến kết cấu bị phá hủy khi chịu tải trọng (đặc biệt là tải trọng động) Thực tế cho thấy nếu không kiểm soát tốt ứng suất dư trong liên kết/ kết cấu hàn thì khả năng làm việc
và tuổi thọ của kết cấu bị suy giảm nghiêm trọng Do vậy, việc đầu tư nghiên cứu xác định ứng suất dư trong liên kết/ kết cấu hàn là cực kỳ quan trọng Thông qua đó làm
cơ sở để xác định chế độ hàn hợp lý và quy trình hàn tối ưu
Một trong những yêu cầu quan trọng khi chế tạo kết cấu giàn là các phần tử liên kết với nhau tại nút giàn phải đảm bảo đúng tâm để các thanh giàn không chịu uốn
mà chỉ chịu kéo - nén Khi áp dụng công nghệ hàn để chế tạo giàn, nếu không có trình
tự hàn hợp lý và không hạn chế được ứng suất dư trong kết cấu thì kết cấu sẽ bị biến dạng lớn, các thanh giàn không còn đúng tâm và dẫn đến khả năng chịu tải của kết cấu bị suy giảm nghiêm trọng Vì tầm quan trọng như thế nên hiện nay nhiều công ty chế tạo kết cấu giàn của Việt Nam (công ty CP Chế tạo Giàn Khoan Dầu Khí, công
ty CP Thi công Cơ giới và Lắp máy Dầu khí, công ty CP Kết cấu Kim loại và Lắp máy Dầu khí,…) cũng đang triển khai nghiên cứu biện pháp làm giảm ứng suất dư khi hàn các kết cấu có tiết diện dạng ống rỗng [1, 2]
Diễn biến hình thành ứng suất nói chung, ứng suất dư nói riêng trong kết cấu hàn
là rất phức tạp, đặc biệt là đối với các kết cấu lớn với số lượng đường hàn nhiều Việc xác định trường ứng suất bằng các phương pháp đo đạc truyền thống gặp rất nhiều
Trang 13mới để xác định ứng suất trong kết cấu hàn là hết sức cần thiết Ngay nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử và các thuật toán mô phỏng thông qua các phần mềm chuyên dụng, có thể giải quyết các bài toán đa trường và tính toán chuỗi
sự kiện nên việc xác định ứng suất trong kết cấu hàn trở nên thuận lợi và đạt độ chính xác cao
Từ những yếu tố nêu trên, đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất dư trong liên
kết hàn nút giàn dạng ống” là rất cần thiết và cấp bách Nghiên cứu thành công sẽ
là cơ sở khoa học quan trọng để tìm ra chế độ công nghệ và kỹ thuật hàn hợp lý áp dụng trong chế tạo các kết cấu giàn kim loại
Ở Việt Nam, đã có công trình khoa học nghiên cứu về vấn đề này [1, 2] và đạt được một số kết quả nhất định nhưng chưa có nghiên cứu cụ thể đi sâu vào xác định trạng thái, sự phân bố ứng suất dư trong hàn nút giàn dạng ống Chính vì vậy, hiện nay ngành công nghiệp chế tạo kết cấu thép rất cần có được những nghiên cứu mang chiều sâu nhằm nâng cao chất lượng thành phẩm thông qua chất lượng các liên kết chế tạo
Đối tượng nghiên cứu
- Nút giàn dạng ống chữ K với đường kính ống chính là 219mm, chiều dài 900mm, chiều dày 10mm; đường kính ống nhánh là 102mm, chiều dài 350mm, chiều dày 6mm
- Vật liệu thép A572 Grade50
Phương pháp nghiên cứu
Do liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K có kết cấu tương đối phức tạp, mối hàn được thực hiện bởi nhiều lớp nên nếu chỉ áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn thuần thì sẽ gặp rất nhiều khó khăn Đặc biệt là việc xác định ứng suất
dư tại đường hàn lót và các vị trí góc hẹp Trong khi đó, hiện tại có sẵn công cụ tính toán hiện đại (máy tính trạm và phần mềm SYSWELD chuyên dụng cho mô phỏng
số quá trình hàn) nên tác giả lựa chọn phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa: nghiên cứu lý thuyết + tính toán mô phỏng + thực nghiệm kiểm chứng Cụ thể như sau:
Trang 14- Nghiên cứu tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài nước qua đó tìm ra những nội dung mới mà luận án cần giải quyết
- Nghiên cứu lý thuyết về truyền nhiệt trong vật hàn và cơ chế hình thành ứng suất trong liên kết hàn Ứng dụng vào đối tượng nghiên cứu là liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K
- Xây dựng mô hình tính toán mô phỏng để xác định trường nhiệt độ, trường ứng suất tác động và ứng suất dư phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Trên cơ sở đó tìm ra trình tự hàn hợp lý khi hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng phương pháp hàn GMAW
- Sử dụng các trang thiết bị có sẵn phù hợp với điều kiện thực nghiệm để tiến hành thí nghiệm nhằm tạo ra liên kết hàn thực tế
- Sử dụng các thiết bị đo, phân tích để đo đạc và kiểm chứng các kết quả tính toán
mô phỏng
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
1 Ý nghĩa khoa học của luận án
- Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định trường nhiệt độ và ứng suất trong kết cấu hàn nút giàn dạng ống, hàn nhiều lớp Làm cơ sở phát triển ứng dụng nghiên cứu cho các kết cấu nút giàn khác
- Bổ sung cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành ứng suất trong kết cấu nút giàn dạng ống nói riêng, nút giàn không gian nói chung
- Xác định được ảnh hưởng của trình tự hàn đến độ lớn của ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống
2 Ý nghĩa thực tiễn của luận án
- Kết quả luận án có thể làm cơ sở để phát triển áp dụng vào chế tạo kết cấu giàn hàn dạng ống chữ K nhằm giảm ứng suất dư và tăng tuổi thọ cho các kết cấu giàn hàn
- Luận án mở ra một hướng mới trong đào tạo, nghiên cứu phát triển ngành công nghiệp chế tạo kết cấu hàn nói chung và kết cấu giàn hàn (giàn phẳng, giàn không gian) nói riêng ở Việt Nam
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 Xây dựng được phương pháp nghiên cứu và chương trình tính toán mô phỏng
số bằng phần mềm SYSWELD áp dụng cho liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K
Có thể phát triển chương trình này để nghiên cứu trên các nút giàn dạng ống khác
2 Đánh giá được ảnh hưởng của trình tự hàn đến ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Qua đó tìm ra được trình tự hàn hợp lý để có ứng suất dư nhỏ nhất Đóng góp này nếu được áp dụng vào trong thực tiễn sản xuất sẽ tạo ra được kết cấu hàn có chất lượng cao
3 Tìm ra được quy luật biến thiên của các thành phần ứng suất và quy luật phân
bố của ứng suất dư, trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K
4 Xác định được bộ thông số chế độ hàn hợp lý đối với liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, hàn nhiều lớp
5 Áp dụng thành công phương pháp khoan lỗ để đo ứng suất dư trong vùng ảnh hưởng nhiệt của liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K
Trang 15Kết 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 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Mô phỏng số xác định trường ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 5: Kết quả nghiên cứu và bàn luận
Kết luận chung của luận án và những 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
Trang 16Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Thép là một trong hai loại vật liệu quan trọng nhất trong xây dựng ở Việt Nam hiện tại, cùng với vật liệu bê tông cốt thép Từ rất lâu (khoảng hơn 100 năm) việc sử dụng thép đã phát triển nhanh chóng, thay thế cho bê tông cốt thép (BTCT) trong phần lớn nhà xưởng, nhà nhịp lớn và nhiều công trình công cộng khác Ví dụ Nhà hát lớn Hà Nội, một công trình nổi tiếng hoàn thành vào thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20,
có kết cấu được xây dựng hoàn toàn bằng gạch và thép, không sử dụng bê tông cốt thép Mái vòm tròn là cupôn hình nón gồm các sườn hình tam giác, tựa trên gối đỡ Mọi sàn nhà lớn, ban công, cầu thang đều làm bằng dầm thép chủ tổ hợp đinh tán, các dầm thép hình và cuốn gạch tạo mặt sàn Cấu tạo sàn kiểu dầm thép và cuốn gạch này được áp dụng trong hầu hết các mặt sàn và được áp dụng trong hầu hết các nhà tầng có tầng gác được xây dựng thời kỳ đó Các nhà xưởng lớn được chế tạo bằng thép phải kể đến là: nhà máy xe lửa Gia Lâm, nhà máy rượu Hải Dương, các nhà ga máy bay ở Gia Lâm và Bạch Mai, Công nghệ và hình thức của kết cấu phụ thuộc vào trình độ đương đại: thép cacbon thấp, liên kết đinh tán, thép cán cỡ nhỏ Trước đây, việc thiết kế chế tạo các kết cấu thép sử dụng trong xây dựng dân dụng và công nghiệp chỉ đơn giản là tạo ra sản phẩm phục vụ nhu cầu của thị trường chứ chưa nghiên cứu phân tích đánh giá chất lượng hàn để sản phẩm sử dụng hiệu quả
Ở Việt Nam, cũng có một số nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề phân tích, đánh giá trường nhiệt độ, ứng suất dư và biến dạng hàn trong liên kết hàn dạng ống Tuy nhiên cũng chỉ dừng lại ở việc tính toán khả năng chịu lực của một số liên kết nút giàn thép tiết diện rỗng và thiết kế quy trình hàn hoặc đi giải quyết bài toán về khả năng làm việc (giới hạn mỏi, tuổi thọ làm việc, ) của kết cấu hàn [1 - 4]
Tác giả Huỳnh Minh Sơn Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng: “Nghiên cứu sự làm việc và tính toán liên kết hàn các thanh giàn thép ống tiết diện rỗng, chịu tải trọng tĩnh” [1] là một minh chứng cho việc nghiên cứu kết cấu thép ở Việt Nam hiện nay Trong nghiên cứu của mình, tác giả trình bày một số hình thức liên kết các thanh giàn thép ống tiết diện rỗng; phân tích các tiêu chí phá hủy và các điều kiện phá hủy đổi với một số kiểu nút giàn thông dụng Trên cơ sở đó, tác giả phân tích tính toán độ bền của các liên kết nút giàn thép có tiết diện ống rỗng – CHS Đồng thời tác giả cũng sử dụng phương pháp toán đồ thiết kế để thiết kế liên kết hàn cho các nút giàn thép tiết diện rỗng trên cơ sở tiêu chuẩn Eurocode 3 (Châu Âu) cho sẵn toán đồ thiết kế các nút giàn phổ biến và kiểm tra liên kết nút giàn thép ống rỗng Tuy nhiên,
ở nghiên cứu của mình, tác giả Huỳnh Minh Sơn chỉ dừng lại ở mức độ toán điều kiện làm việc của liên kết hàn tiết diện rỗng mà chưa đi sâu vào nghiên cứu sự phân
bố ứng suất dư và biến dạng của nút giàn dạng ống
Nhóm kỹ sư của Công ty CP Kết cấu Kim loại và Lắp máy Dầu Khí thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam cũng đã nghiên cứu thiết kế chi tiết và công nghệ chế tạo chân giàn khoan tự nâng 90 m nước [2] Đây cũng là bước đột phá lớn trong ngành chế tạo kết cấu thép ở Việt Nam và đã gặt hái được một số thành công nhất định Trong nghiên cứu, tập thể kỹ sư của công ty chỉ xây dựng quy trình hàn (WPS) và người thợ bằng kinh nghiệm làm việc chế tạo ra sản phẩm Và những sản phẩm này chỉ được kiểm tra các khuyết tật hàn (siêu âm, chụp ảnh phóng xạ, chỉ thị màu, ) mà chưa đánh giá được tuổi thọ làm việc cũng như dự đoán những hư hỏng có thể xảy ra
Trang 17thời gian làm việc hoặc làm tăng tuổi thọ của kết cấu
Việc giảm ứng suất dư và biến dạng trong quá trình hàn các liên kết trên chủ yếu dựa vào kinh nghiệm không sử dụng các thiết bị đo hoặc thí nghiệm để so sánh, phân tích và đánh giá các kết quả đã đạt được Vì thế, việc dự đoán tuổi thọ làm việc của kết cấu hàn khi chịu tác dụng của tải trọng biến đổi sẽ gặp rất nhiều khó khăn
1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Như chúng ta đã biết kết cấu dạng ống rỗng (CHS) có tính ưu việt vượt trội so với các kết cấu có tiết diện mặt cắt ngang khác Chính vì vậy trên thế giới có rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu đến dạng liên kết này [22-25, 29], từ việc thiết kế, chế tạo các kết cấu dạng CHS sao cho hiệu quả đến áp dụng công nghệ hàn vào từng trường hợp cụ thể Ngoài việc sử dụng các công cụ toán học cho việc tính toán độ bền của các mối hàn, trường ứng suất và biến dạng hàn [26, 27, 59, 60], các nhà khoa học còn sử dụng các phần mềm mô phỏng công nghiệp chuyên dùng như ANSYS, SYSWELD, ABAQUS, để mô phỏng trường nhiệt độ, trường ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết hàn nói chung và nút giàn dạng ống tiết diện rỗng nói riêng [18,21,
Trong luận án này tác giả đã nêu lên được ảnh hưởng của ứng suất dư hàn và biến dạng đối với chất lượng của mối hàn vòng giáp mối dạng ống Đồng thời, tác giả cũng
đã nghiên cứu sự phân bố ứng suất dư trong mối hàn vòng dạng ống Tuy nhiên trong nghiên cứu của mình tác giả chưa đề cập đến nút giàn dạng chữ T, Y, K,
Cũng trong luận án này tác giả cũng đã đưa ra một số phương pháp làm giảm và phân bố lại ứng suất dư trong hàn, như là:
- Gia công xung bằng nổ
2 Tác giả J Wardenier với tài liệu Hollow Sections in Structure Application [23] Trong cuốn sách này tác giả đã nêu được một số vấn đề sau:
- Tổng quan về tình hình sử dụng thép rỗng (CHS) trong ngành công nghiệp xây dựng dân dụng
- Quy trình chế tạo thép CHS
- Ảnh hưởng của các thông số, chế độ hàn tới độ bền của liên kết hàn CHS
- Mỏi trong liên kết hàn ống rỗng: Trong mục này tác giả trình bày cơ chế, nguyên nhân hình thành mỏi cơ học Đồng thời đưa ra một số định nghĩa cũng như các yếu
Trang 18tố ảnh hưởng tới tuổi thọ của kết cấu hàn
- Công nghệ hàn nối các chi tiết CHS
3 Donald R Sherman Connecting CHS,
Trong tài liệu này tác giả đã trình bày được
- Các dạng liên kết chữ K trong hệ giàn CHS
- Một số hư hỏng thường xảy ra với liên kết hàn kiểu chữ K
4 Jeffrey Packer, Hollow Structural Section Connections, American Institute of Steel Construction [22]
Trong cuốn sách này Jeffrey Packer và cộng sự đã:
- Giới thiệu các tiêu chuẩn thiết kế và chế tạo cũng như kỹ thuật hàn áp dụng trong liên kết CHS Bên cạnh đó cuốn sách cũng giới thiệu ưu điểm của kết cấu giàn dạng rỗng và ứng dụng của nó trong ngành công nghiệp xây dựng và dân dụng;
- Các dạng tiết diện mặt cắt ngang thường sử dụng trong kết cấu giàn;
- Các loại mối hàn thường sử dụng trong kết cấu giàn tiết diện rỗng (kiểu mối ghép, hàn ngấu (CJP) hay không ngấu (PJP), có vát mép hay không;
- Các phương pháp kiểm tra đánh giá chất lượng hàn;
- Ảnh hưởng của kích thước mối hàn góc và chiều dài đường hàn đến điều kiện làm việc của kết cấu hàn;
- Tính toán thiết kế nút giàn hàn bán bu lông kiểu chữ T, Y, K
Trong nghiên cứu của mình, Jeffrey Packer và cộng sự cũng chưa có những phân tích, tính toán và đánh giá về sự phân bố ứng suất dư và biến dạng hàn khi hàn nút giàn dạng rỗng Đồng thời cũng chưa công bố dữ liệu về trường nhiệt độ khi hàn nút giàn dạng rỗng để làm cơ sở tính toán ứng suất dư và biến dạng hàn
5 Gang Zhao, Finite Element Analysis and Design of Welded CHS Connections (Thesis) [42]
Trong nghiên cứu của mình, Gang Zhao đã nêu được ưu nhược điểm của kết cấu hình dạng rỗng (HSS – Hollow Structural Shapes) có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhất trong thiết kế, chế tạo kết cấu thép Đồng thời tác giả sử dụng phần mềm Ansys 9.0 để tính toán, phân tích và mô phỏng trường nhiệt độ, ứng suất và biến dạng hàn liên kết hàn hộp rỗng kiểu chữ K không khe hở Cũng trong nghiên cứu này, tác giả có những phân tích, đánh giá tổng thể về sự ảnh hưởng của ứng suất dư đến mức
độ biến dạng của liên kết hàn Tuy nhiên, trong báo cáo của mình, Gang Zhao chỉ dừng lại ở mô phỏng số và kết quả đã đưa ra được hình ảnh, đồ thị sự phân bố ứng suất dư và biến dạng hàn Tuy nhiên, Gang Zhao chưa hàn thực nghiệm và đo ứng suất dư cũng như biến dạng đối với liên kết hàn chữ K dạng hộp
6 Farid Vakili-Tahami và cộng sự với nghiên cứu “Finite Element Analysis of the Inservice Welding of T Joint Pipe Connections” [39]) đã:
- Mô phỏng số liên kết hàn ống kiểu chữ T, vật liệu là thép AISI 316 với hai thông
số chính, đó là: chiều dày thành ống và năng lượng nhiệt cấp vào vũng hàn Với nghiên cứu này, các tác giả đã đánh giá được ảnh hưởng của chiều dày thành ống
Trang 19- Ảnh hưởng của năng lượng nhiệt đến chiều sâu ngấu (nếu lớn quá sẽ bị cháy thủng);
- Nếu hàn nhiều đường nhiều lớp sẽ hạn chế được khả năng cháy thủng;
- Để giảm hiện tượng cháy thủng khi hàn thì tính chất nhiệt của ống nhánh và ống chỉnh phải tương đương nhau
Nghiên cứu này tác giả mới chỉ mô phỏng và phân tích sự phân bố ứng suất dư khi hàn ống chữ T thép AISI 316 khi hàn nhiều đường nhiều lớp, thay đổi chiều dày ống chính cũng như ảnh hưởng của đường kính điện cực khi hàn
7 S Nadimi, R.J Khoushemehr, Investigation and Analysis of Weld Induced Residual Stresses in Two Dissimilar Pipes by Finite Element Modeling
Nhóm tác giả nghiên cứu, khảo sát và phân tích các biện pháp làm giảm ứng suất
dư khi hàn nối 2 ống, vật liệu khác nhau (thép không gỉ 304L với thép Cacbon A39) bằng phương pháp phần tử hữu hạn
8 G Sánchez Sarmiento - M.J Mizdrahi Heat Transfer, Thermal-Stress and whip Analysis in Steel Pipes of a Nuclear Power Plants by ABAQUS/ Standard
Pipe-Mô phỏng quá trình truyền nhiệt, sự phân bố ứng suất dư trong hàn nối ống chữ T bằng phần mềm ABAQUS
9 Hyeong Yeon Lee, Farid R Biglari, Robert Wimpory, Kamran M Nikbin Treatment of residual stress in failure assessment procedure [76]
Trong bài báo này, Hyeong Yeon Lee và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của ứng suất dư đến sự phá hủy của liên kết hàn góc chữ T và ống kiểu chữ T Đồng thời cũng tính toán yếu tố hình dáng hình học của mối hàn có ảnh hưởng tới sự phân bố ứng suất dư dưới tác dụng của tải trọng bằng cách sử dụng phương pháp Green
10 Lincoln Electric Procedures and Techniques, Welding Pressure Pipelines & Piping Systems
Trong tài liệu này đã trình bày được:
- Các phương pháp chuẩn bị mối ghép hàn (vát mép, làm sạch vùng hàn, )
- Kỹ thuật hàn lớp lót, lớp trung gian và lớp phủ bằng các phương pháp hàn khác nhau (SMAW, GMAW, FCAW)
- Quy trình xử lý các khuyết tật xảy ra trong quá trình hàn
- Vật liệu hàn sử dụng để hàn chi tiết dạng ống
11 Ann Schumacher, Alain Nussbaumer Experimental study on the fatigue behaviour of welded tubular K-joints for bridges
- Bài báo nghiên cứu sự ứng xử của liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K - (CHS) đối với giới hạn mỏi Tác giả cũng xây dựng quy trình thí nghiệm phá hủy (DT) đối với nút giàn ống chữ K khi chịu tải trọng biến đổi
Kết luận chương 1
Thông qua tìm hiểu, phân tích các tài liệu và công trình nghiên cứu đã công bố ở trong nước và ngoài nước về các nội dung liên quan đến đề tài luận án, ta có thể rút
ra được các kết luận sau đây:
1 Việc nghiên cứu trạng thái ứng suất trong liên kết hàn đã được nhiều tác giả tiến hành Tuy nhiên, đối với liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K phẳng như đề tài luận
án đề cập thì chưa có tác giả nào thực hiện Do vậy, việc đặt vấn đề nghiên cứu của luận án này là mới
2 Việc ứng dụng kỹ thuật tính toán mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn
để xác định trường ứng suất phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K
Trang 20phẳng cũng chưa có tác giả nào thực hiện Điều đó khẳng định rằng phương pháp nghiên cứu đề cập trong luận án này là mới
3 Việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K phẳng bằng kỹ thuật khoan lỗ chưa có tác giả nào thực hiện
Do vậy, việc nghiên cứu áp dụng phương pháp khoan lỗ để xác định ứng suất dư trong liên kết hàn nghiên cứu như luận án đề cập là giải pháp khả thi trong điều kiện Việt Nam
Trang 21Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giàn hàn và giàn hàn dạng ống
2.1.1 Kết cấu giàn
Giàn thép là dạng kết cấu giàn không gian khá phổ biến trong quy trình xây dựng thực tế, gồm có nhiều thanh liên kết với nhau tại các nút [1-3] Giàn có thanh biên trên và thanh biên dưới, các thanh còn lại nằm trong phạm vi thanh biên trên và thanh biên dưới gọi là các thanh giằng Liên kết trong giàn thường sử dụng hàn, bu lông, đinh tán
Trước đây người ta hay sử dụng liên kết đinh tán (hình 2.1a) trong chế tạo kết cấu thép do khả năng chịu tải trọng động tốt Liên kết bằng bu lông (hình 2.1b) khá phổ biến trong các kết cấu không gian vì độ an toàn và khả năng liên kết khá tốt Tuy nhiên cả 2 phương pháp này đều tốn nguyên vật liệu, việc thi công và chế tạo khá phức tạp Thêm vào đó tiết diện làm việc của thép bị giảm Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo kết cấu ngành công nghệ hàn có những bước phát triển mạnh mẽ Việc ứng dụng công nghệ hàn vào sản xuất các kết cấu thép đã mang lại nhiều thành quả to lớn Đặc biệt là trong việc chế tạo các giàn thép phẳng, giàn không gian, Đối với giàn thép ống tiết diện rỗng và tròn thì liên kết hàn vẫn rất phổ biến vì quá trình thi công đơn giản và liên kết trực tiếp, hạn chế được các bản gia cường và bản mã
Hình 2 1 Kết cấu thép: a) Liên kết đinh tán; b) Liên kết hàn bán bu lông
Hình 2 2 Liên kết giàn hàn a) Tiết diện hình hộp; b) Tiết diện thép góc
Ưu điểm:
- Trọng lượng của kết cấu thép nhẹ hơn so với bê tông nên giúp giảm trọng lượng
Trang 22của công trình đặc biệt những nơi có địa hình phức tạp
- Vận chuyển và lắp đặt khá dễ dàng, nên có thể thi công ở những nơi khác nhau
- Khả năng chịu lực lớn, mang đến những công trình bền vững sẵn sàng thách thức với điều kiện thời tiết khắc nghiệt Và đặc biệt an toàn hơn so với kết cấu bằng bê tông trong trường hợp có địa chấn xảy ra
- Tiết kiệm được vật liệu do tận dụng được sự làm việc của vật liệu
Hình thức nhẹ, đẹp, linh hoạt, phong phú, phù hợp yêu cầu chịu lực và sử dụng Nhược điểm:
- Giá thành của thép cao hơn so với các nguyên vật liệu khác như gỗ hoặc sắt
- Khả năng chịu nhiệt độ cao kém
- Thép dễ bị oxi hóa do ảnh hưởng của môi trường cũng như nhiệt độ bên ngoài Điều này đã được khắc phục nhờ sử dụng sơn chống gỉ phủ lên bề mặt của kết cấu giàn thép giúp thép bền lâu hơn
Thông thường, độ bền của liên kết dù là bu lông hay hàn đều được xem xét dự tính kích thước kết cấu tổng thể công trình Đánh giá các tiêu chí và ảnh hưởng của môi trường cũng như trọng tải tĩnh lên các liên kết hàn thép ống từ đó tính toán được khả năng chịu lực của toàn liên kết
Nội lực trong thanh giàn chủ yếu là lực dọc (nén hoặc kéo đúng tâm)
2.1.2 Giàn có tiết diện dạng rỗng
2.1.2.1 Các loại giàn hàn
Trong thực tế có rất nhiều các loại giàn tiết diện rỗng, xem hình 2.3 Giàn tiết diện rỗng phải được thiết kế và chế tạo một cách đơn giản nhất [1, 22-25] Điều đó có nghĩa là số lượng các thanh là ít nhất như giàn Warren với kiểu ghép chữ K (hình 2.3a) được sử dụng nhiều hơn so với loại giàn Pratt với kiểu mối ghép chữ N (hình 2.3b)
Loại giàn Vierendeel (hình 2.3c) thường được sử dụng trong các trường hợp đòi hỏi về mặt kiến trúc hoặc chức năng nào đó mà không cần phải sử dụng thanh giằng Loại giàn này thường có những thuộc tính sau: chiều dài (l); chiều cao (h); hình dáng và khoảng cách giữa các nút Chiều cao của giàn thường liên quan đến khẩu độ
và bằng (1/10 ÷ 1/16)l Tuy nhiên, đển đảm bảo tính kinh tế và độ bền thì chiều cao của giàn thường chọn 1/15×l
Tùy thuộc vào cách lắp ghép mà ta có các loại giàn (hình 2.3) với các nút dạng chữ
X, T, Y, N, K hoặc KT
Hình 2 3 Các loại giàn [22]
Khi thiết kế các nút giàn kiểu chữ X, T, Y, ngoài việc liên quan đến hình dáng,
Trang 23kiểu chữ K có các thanh giằng chịu tải trọng giống như mối ghép chữ T thì việc kiểm tra, phân tích và đánh giá được áp dụng giống như mối ghép chữ T
Hình 2 4 Các loại nút giàn [22]
Khi thiết kế kết cấu giàn tiết diện rỗng, người kỹ sư phải quan tâm sự ứng xử của
nó ngay từ lúc ban đầu Thiết kế các thanh nhánh, thanh giằng trong giàn phải dựa trên cơ sở chịu tải của thanh giằng đó
Hình 2 5 Các thông số hình học của mối ghép chữ K [22]
Thiết kế là một quá trình đòi hỏi sự phù hợp giữa các yêu cầu kỹ thuật và kiến trúc
và các yêu cầu về độ bền và khả năng chế tạo Trong một thiết kế tốt, tất cả các yếu
tố này phải được xem xét một cách hợp lý và như nhau Do các đặc tính đặc biệt của các kết cấu rỗng và cách lắp ghép của chúng, vì vậy, nhà thiết kế phải có những đánh giá và phân tích từng khía cạnh khác nhau của các kết cấu rỗng
Trong tự nhiên có rất nhiều loại vật liệu có hình dạng ống (cây tre) có khả năng chịu tải trọng nén, xoắn và uốn theo mọi hướng (hình 2.6) rất tốt
Trang 24Hình 2 6 Kiểu tiết diện ống rỗng trong tự nhiên [22]
Hình 2 7 Ứng dụng kết cấu dạng ống [22]
Với đặc tính đó mà các nhà thiết kế đã tạo ra kết cấu dạng ống với vật liệu là thép
và hợp kim của chúng để sử dụng trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp Những tính chất của vật liệu cùng với khả năng ứng xử của vật liệu khi chế tạo cho
ra được những kết cấu vừa có tính thẩm mỹ, vừa có khả năng chịu tải tốt (hình 2.6) Hơn nữa, hình dạng khép kín của tiết diện (không nhiều góc cạnh) sẽ làm giảm diện tích được bảo vệ và kéo dài tuổi thọ bảo vệ ăn mòn (hình 2.7a)
Hình 2.8b là hình ảnh cây cầu Firth of Forth ở Scotland ứng dụng công nghệ hàn vào chế tạo từ năm 1890 với chiều dài mỗi nhịp tới 521m Cây cầu này được chế tạo bằng hàn từ thép ống và có sử dụng thêm đinh tán vì tại thời điểm đó việc ứng dụng một số phương pháp hàn không được sử dụng rộng rãi như bây giờ
Trang 25Hình 2 8 Sơn bảo vệ bề mặt thép (a);
Cây cầu Fifth of Forth (b) [22]
Bảng 2 1 So sánh giới hạn bền xoắn của một số tiết diện đặc trưng [22]
Ta thấy rằng vật liệu có tiết diện ống có khả năng chịu xoắn tốt nhất, tiếp theo là
là hình hộp và các tiết diện khác có độ bền kém hơn đặc biệt là dạng tiết diện chữ I
Hình 2 9 Ảnh hưởng của áp lực gió (chất lỏng) đến loại tiết diện ngang [22]
Do có những ưu điểm nội trội và khả năng chịu lực của thép rỗng [1, 22-25] mà
Trang 26ngày nay liên kết hàn ống rỗng được sử dụng phổ biến trong ngành chế tạo kết cấu thép đặc biệt là kết cấu xa bờ Ống ở đây có thể là hình tròn hoặc hình hộp (chữ nhật hoặc vuông) được hàn lại với nhau tạo thành một liên kết cố định có dạng T, Y, K, hoặc chữ N (hình 2.10) Giữa các thanh giằng có thể có khe hở hoặc chồng lên nhau
Có thể hàn ống tròn với ống tròn, hình hộp với ống tròn, hình hộp với hình hộp
Hình 2 10 Một số ví dụ về giàn [22]
Tại vị trí giao nhau người ta gọi là nút giàn Nút giàn có thể gồm 2 thanh giằng liên kết lại với nhau và nằm trên cùng mặt phẳng, cũng có thể gồm nhiều thanh liên kết lại với nhau và thuộc nhiều mặt phẳng khác nhau Điều này tùy thuộc vào điều kiện làm việc và khả năng chịu lực của liên kết
2.1.2.2 Giàn hàn dạng ống rỗng (CHS)
Như chúng ta đã biết giàn hàn sử dụng tiết diện rỗng (CHS) được sử dụng rộng rãi
và có rất nhiều kiểu liên kết các phần tử lại với nhau:
- Liên kết với nhau bằng bu lông – đai ốc kết hợp với các bản mã (hình 2.11);
- Liên kết bằng hàn thông qua bản mã (hình 2.12);
- Hàn trực tiếp các bộ phận lại với nhau (hình 2.13)
Trang 27Hình 2 11 Liên kết hàn bán bu lông – đai ốc
Liên kết hàn bán bu lông cũng được sử dụng với mục đích là tiện thay thế sửa chữa khi một bộ phân kết cấu bị hư hỏng hoặc cần phải sửa chữa các vết nứt mối hàn trong quá trình làm việc
Hình 2 12 Liên kết bằng hàn thông qua bản mã
Trong ngành cầu đường thì liên kết hàn bán bu lông cũng được sử dụng vì liên quan đến việc bảo dưỡng, duy tu các kết cấu này Tuy nhiên, giải pháp đơn giản nhất
để giải quyết bài toán này đó là hàn có vát mép giữa thanh giằng và thanh biên lại với nhau
Mặc dù hàn trực tiếp (hình 2.13 ÷ hình 2.16) là giải pháp đơn giản, đồng thời tiết kiệm nguyên vật liệu và giá thành nhất Nhưng do nguồn nhiệt cấp vào là cục bộ chính vì vậy tại vùng hàn và vùng HAZ thường xuất hiện ứng suất dư và kết cấu hàn
bị biến dạng dẫn đến sai lệch về kích thước lắp ghép và làm giảm tuổi thọ làm việc của kết cấu hàn
Trang 28Hình 2 13 Một số kiểu ghép liên kết hàn dạng ống [52]
Hình 2 14 Liên kết hàn ống chữ K phẳng
Trang 29Hình 2 15 Một số loại mối ghép kết cấu rỗng đa phương [35]
Các mối ghép ống đa phương sử dụng nhiều trong chế tạo kết cấu Hình 2.14 và hình 2.16 là mối ghép hàn ống chữ K được thực hiện ở nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng
do đội ngũ kỹ sư và công nhân Việt Nam thiết kế và chế tạo
Hình 2 16 Liên kết hàn ống đa phương
Dựa vào các kết quả nghiên cứu, phân tích và đánh giá hiệu quả sử dụng giàn phẳng cũng như giàn không gian, tiết diện mặt cắt ngang có thể dạng tròn, hình hộp chữ nhật, hình vuông Nút giàn có kiểu chữ T, Y, K, N, Tuy nhiên, tác giả nhận thấy việc nghiên cứu sự phân bố ứng suất dư nút giàn chữ K trong không gian 2 chiều
có nhiều đặc điểm chung của các kiểu nút giàn đã đề cập ở trên Thêm vào đó, việc
sử dụng công cụ mô phỏng số để phân tích, tính toán, đánh giá sự phân bố ứng suất
dư của nút giàn này được thực hiện dễ dàng, không đòi hỏi máy tính có cấu hình quá cao và thời gian tính toán không quá dài
Trong nghiên cứu này, tác giả lựa chọn liên kết hàn nút giàn phẳng (trong mặt phẳng không gian 2 chiều) dạng ống chữ K với đường kính ống chính 219mm; đường kính hai ống nhánh 102mm
2.1.3 Ứng dụng của kết cấu giàn dạng rỗng
Ngày nay, kết cấu rỗng (CHS – Circular Hollow Section) được sử dụng khá phổ
Trang 30biến trong ngành công nghiệp chế tạo do tính ưu việt của nó Ngoài ra, nó còn mang tính thẩm mỹ cao và có thể được chế tạo với những hình dáng đặc biệt phù hợp với khả năng chịu lực của kết cấu Trong phần này tác giả giới thiệu một số ứng dụng của kết cấu rỗng được sử dụng trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp
2.1.3.1 Ngành xây dựng
Trong ngành xây dựng kết cấu hàn dạng rỗng được sử dụng chủ yếu là làm cột chống, vì kèo, khung giàn không gian cho các mái che, mái vòm ở các nhà ga, sân bay, xem hình 2.17
Hình 2 17 Một số kết cấu sử dụng vật liệu ống [51]
2.1.3.2 Ngành cầu đường
Ngày nay, hầu hết các cây cầu và các mái vòm trong nhà ga xe lửa hoặc sân bay đều sử dụng kết cấu CHS (hình 2.18)
Trang 31Hình 2 18 Kết cấu rỗng trong xây dựng [51]
2.1.3.3 Kết cấu ngoài khơi
Các kết cấu ngoài khơi như giàn khoan dầu khí, nhà giàn, [51, 52] chủ yếu các
bộ phận của kết cấu đều sử dụng loại vật liệu tiết diện dạng ống, xem hình 2.10 Đối với các kết cấu phụ trợ, lớp bảo vệ phía ngoài của một số bộ phận, chi tiết không những rất quan trọng khi chịu tải mà còn phải đảm bảo an toàn khi làm việc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như: Nắng nóng, sóng, gió cho nên việc sử dụng tiết diện ống là điều bắt buộc
2.2 Các phương pháp hàn sử dụng để chế tạo kết cấu giàn hàn
Hàn là công nghệ dùng để ghép nối hai hay nhiều phần tử (chủ yếu là kim loại) thành một liên kết liền khối (không thể tháo rời) Việc ghép nối này được thực hiện hoặc bằng nguồn nhiệt hoặc bằng áp lực hoặc bằng cả hai điều kiện trên Trong trường hợp sử dụng nguồn nhiệt, kim loại chỗ cần hàn được nung đến trạng thái nóng chảy, sau khi kết tinh sẽ hình thành mối hàn Tham gia vào quá trình hàn có thể có hoặc không có kim loại bổ sung
Mặc dù kỹ thuật hàn được phát minh ra từ rất lâu với phương pháp hàn sơ khai ban đầu là hàn rèn sử dụng búa tạo lực và nguồn nhiệt để nối các chi tiết là kim loại lại với nhau [9, 33, 35, 58] Mãi cho đến những năm 1800 kỹ thuật hàn hiện đại mới được phát minh khi mà hồ quang điện và khí acetylen được tìm ra Ngành điện phát triển từ giữa những năm 1800, khi đó máy phát điện mới được phát triển tạo ra nguồn điện cung cấp để tạo ra hồ quang điện Vào thế kỷ 19, hàn hồ quang điện cực than trở nên phổ biến và mang tính thương mại để nối kim loại lại với nhau Tuy nhiên quá trình này vẫn còn một vài hạn chế Vào những năm 1899 hàn sử dụng điện cực nóng chảy được áp dụng và sử dụng điện cực nóng chảy làm kim loại bổ sung vào mối ghép hàn được Groover phát minh Ngày nay phổ biến vẫn là các phương pháp hàn
sử dụng nguồn nhiệt hồ quang để hàn [4]
Hồ quang hàn là một loại nguồn nhiệt được sử dụng rộng rãi trong hàn để nối các chi tiết lại với nhau như là trong ngành công nghiệp đóng tàu thủy, cầu, và các kết cấu xây dựng đặc biệt trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô,…
Yêu cầu nguồn điện hàn là dòng một chiều hoặc dòng xoay chiều đảm bảo cung cấp dòng điện hàn đủ lớn để làm nóng chảy kim loại cơ bản và vật liệu hàn
Quá trình hàn hồ quang liên quan đến nguồn nhiệt lớn và chính điều này gây ra ứng suất và biến dạng hàn [4, 9, 12, 18] Sự xuất hiện của ứng suất dư có khuynh hướng làm giảm khả năng làm việc của kết cấu, tăng các vết nứt tế vi …và các loại hỏng hóc khác
Trong các phương pháp hàn hồ quang nóng chảy thì phổ biến nhất là hồ quang hình thành giữa điện cực và vật hàn Kim loại bổ sung được sử dụng trong quá trình hàn nóng chảy với mục đích là tăng thể tích kim loại đắp và tăng độ bền của kim loại mối hàn Vũng hàn nóng chảy bao gồm kim loại bổ sung và kim loại cơ bản tạo nên
Trang 32Vì điện cực di chuyển dọc theo đường hàn, kim loại nóng chảy sau khi đông đặc tạo thành mối hàn
Ngày nay, ngành công nghiệp chế tạo ở nước ta ngày một phát triển Với tính ưu việt của mình, công nghệ hàn được sử dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp Sau đây là một vài phương pháp hàn nóng chảy được dùng phổ biến: Hàn hồ quang tay với que hàn thuốc bọc (SMAW), hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GTAW), hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc (FCAW), hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW),…
Dựa vào những ưu nhược điểm của các quá trình hàn ta thấy phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ điện cực nóng chảy (GMAW) được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp và có những ưu điểm vượt trội so với những phương pháp hàn khác như:
- Có thể hàn được hầu hết kim loại và hợp kim;
- Có thể hàn được mọi vị trí hàn trong không gian không giống như hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW) chỉ phù hợp với vị trí hàn bằng;
- Vì cấp dây liên tục nên hệ số đắp của GMAW cao hơn so với hàn SMAW;
- Do hệ số đắp cao nên tốc độ hàn GMAW cao hơn so với các phương pháp hàn khác Đặc biệt so với phương pháp hàn SMAW;
- Do được cấp dây liên tục nên không phải nối que hàn, đường hàn sẽ liên tục;
- Không hạn chế chiều dài của điện cực;
- Khi dịch chuyển dạng phun trong GMAW, chiều sâu ngấu của mối hàn có thể tương đương với SMAW;
- Không phải vệ sinh xỉ sau hàn
Tuy nhiên, GMAW cũng có một số hạn chế sau:
+ Thiết bị cồng kềnh và giá thành tương đối cao; không linh hoạt như SMAW; + Phải bảo quản nơi khô ráo;
+ Mức độ bức xạ và nhiệt lượng tỏa ra tương đối cao
2.3 Hàn kết cấu giàn dạng ống bằng quá trình hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ
2.3.1 Nguyên lý và đặc điểm của quá trình hàn
Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy hồ quang giữa đầu điện cực và vật hàn liên tục nung chảy mép hàn và điện cực [9] Dây hàn được cấp vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây với tốc độ bằng tốc độ nóng chảy của điện cực (dây hàn)
Trang 33Phần điện cực nung chảy chuyển dịch vào vũng hàn theo các cơ chế sau:
- Dịch chuyển ngắn mạch – Đây là dạng dịch chuyển liên quan đến trị số điện áp hàn, dòng điện hàn thấp (khoảng dưới 200A) và năng suất đắp thấp Các giọt kim loại nóng chảy hình thành tại đầu điện cực liên tục có tiếp xúc đoản mạch với vũng hàn
và dịch chuyển hình thành dưới ảnh hưởng của sức căng bề mặt và lực điện từ Đây
là dạng dịch chuyển tương đối ổn định khi có các thông số hàn tối ưu
- Dịch chuyển giọt lớn – Khi tăng năng suất đắp thông qua tăng mật độ dòng điện hàn (thường trong khoảng 200 – 250A) và khi tăng tốc độ cấp dây, dịch chuyển của kim loại nóng chảy vào vũng hàn sẽ có dạng dịch chuyển giọt lớn Lúc đó đầu điện cực không còn tiếp xúc đoản mạch với vũng hàn Các giọt kim loại có kích thước lớn dịch chuyển không đồng đều theo thời gian vào vũng hàn dưới tác dụng của trọng lực
và lực điện từ Ở dải cường độ dòng điện nói trên, dịch chuyển này mang đặc tính xung tia (với khoảng tần số 50Hz) và được kiểm soát bằng dạng sóng của dòng điện hàn Do đó có thể giảm thiểu được bắn tóe và cải thiện chất lượng bề mặt mối hàn Mặc dù mức độ bắn tóe giảm trong trường hợp này, nhưng nó dễ bị chịu ảnh hưởng của các thay đổi trong gá lắp kết cấu hàn (như độ chính xác) và các thông số của chế
độ hàn xung Dạng dịch chuyển này cần một loạt các thông số bổ sung, do đó cần được tối ưu hóa để có được chiều dài hồ quang ổn định
- Dịch chuyển tia dọc trục: Nếu tăng cường độ dòng điện hàn lên trên khoảng từ
220 – 250A kim loại điện cực sẽ dịch chuyển vào vũng hàn dưới dạng tia dọc trục, lúc này các giọt kim loại có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với đường kính điện cực, chúng được phun qua hồ quang từ đầu điện cực vào vũng hàn với vận tốc lớn Để có được dạng dịch chuyển này, dòng điện hàn cần phải đạt trên 250A và khí sử dụng là hỗn hợp Ar/CO2 Với dạng dịch chuyển này cho ta phạm vi sử dụng dòng điện hẹp, chính vì vậy cần phải đảm bảo độ ổn định của hồ quang Sự dịch chuyển ổn định của kim loại cho phép đạt được mối hàn có hình dạng đều khi cường độ dòng hàn cao (năng lượng đường cao) tạo nên mối hàn có bề rộng lớn Do tính chảy loãng cao của vũng hàn nên chỉ áp dụng dạng dịch chuyển này ở các tư thế hàn bằng và hàn ngang
- Dịch chuyển hồ quang xoắn: Dạng dịch chuyển này xuất hiện khi cường độ dòng điện hàn cao hơn 500A Trong điều kiện này sự mất ổn định xoắn của phần đầu điện cực bị vát ở trạng thái lỏng được hình thành và duy trì bởi từ trường dọc Đồng thời các giọt kim loại có kích thước rất nhỏ được phun từ đầu điện cực vào vũng hàn Đặc điểm chính của dạng dịch chuyển này là cho năng suất đắp cao Mức độ bắn tóe cao hơn các dạng dịch chuyển khác và bề mặt mối hàn không đồng đều Do đó dạng dịch chuyển này ít được ứng dụng trong thực tế do những đòi hỏi rất cao về tối ưu các thông số hàn và kỹ thuật hàn Vì khi sử dụng dòng hàn cao đòi hỏi thiết bị phải đảm bảo độ ổn định về điện áp Nếu không sẽ bị hạn chế bởi các khuyết tật, hàn không ngấu mép, bắn tóe và rỗ khí
2.3.2 Các thông số ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn
Các thông số quan trọng của chế độ hàn là: Cường độ dòng điện hàn, điện áp hàn
và tốc độ hàn [5, 9, 33, 35, 58] Ngoài ra, các thông số khác cũng ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước mối hàn đó là: Đường kính dây hàn, mật độ dòng điện hàn, cực tính hàn, tư thế hàn, tầm với điện cực, góc nghiêng điện cực, thành phần khí bảo vệ, hình dạng và kích thước bề mặt rãnh hàn… Hình dạng và kích thước mối hàn được đánh giá thông qua hệ số ngấu (n) và hệ số hình dạng mối hàn (m) Đối với hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy, thường là chiều sâu chảy khá
Trang 34lớn nên giá trị của hệ số ngấu n nhỏ, thường nằm trong khoảng 11,2 Với hàn đắp,
hệ số ngấu có thể lớn hơn [5, 9]
2.3.2.1 Đường kính dây hàn
Quá trình hàn GMAW sử dụng dây hàn được cung cấp tự động vào vũng hàn Theo quy định, đường kính điện cực được lựa chọn theo chiều dày tấm, loại liên kết, tư thế hàn và chế độ dịch chuyển kim loại Các loại đường kính dây hàn được sử dụng phổ biến là 0,8 mm; 1,0 mm và 1,2 mm Các dây nhỏ hơn chủ yếu để hàn các tấm mỏng
2.3.2.2 Dòng điện hàn
Cường độ dòng điện hàn ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn Khi tăng cường độ dòng điện hàn sẽ làm tăng mật độ dòng điện, tốc độ chảy, kích thước vũng hàn và hệ
số chảy, xem hình 2.20
Hình 2 20 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn [5]
Cường độ dòng điện hàn được chọn phụ thuộc vào đường kính dây hàn, dạng dịch chuyển kim loại và chiều dày của liên kết hàn Khi tăng cường độ dòng điện hàn, chiều sâu chảy tăng mạnh, chiều cao và chiều rộng mối hàn tăng ít Khi cường độ dòng điện hàn lớn quá mức sẽ xảy ra hiện tượng bắn tóe, và có nguy cơ cháy thủng tấm Khi dòng điện quá thấp sẽ không đảm bảo ngấu hết chiều dày liên kết, giảm độ bền của mối hàn
Khi chọn cường độ dòng điện hàn thường chọn bằng cách tăng dần cường độ dòng hàn với chiều dày nhất định của tấm, với điều kiện có xét đến tốc độ cấp dây Khi hàn đắp không nên chọn cường độ dòng hàn lớn đặc biệt là với lớp đầu tiên để hạn chế lượng kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn
2.3.2.3 Mật độ dòng điện hàn
Mật độ dòng điện hàn ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn Khi mật độ dòng điện hàn lớn làm tăng tốc độ nóng chảy của dây hàn và tăng chiều sâu chảy của mối hàn Mật độ dòng điện hàn thấp làm giảm chiều sâu chảy, giảm chiều cao đắp, làm tăng chiều rộng mối hàn Với cùng một giá trị cường độ dòng điện hàn, mật độ dòng điện hàn tăng khi giảm đường kính dây hàn, xem hình 2.21
Trang 35Hình 2 21 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn [5]
Bảng 2.2 cho dải tốc độ cấp dây và cường độ dòng điện hàn tương ứng cho hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2
Bảng 2 2 Tốc độ cấp dây và cường độ dòng điện khi hàn trong khí bảo vệ CO 2
Đường kính dây
(mm)
Dịch chuyển tia (3045 V)
Trang 36Hình 2 22 Ảnh hưởng của điện áp hàn đến hình dạng mối hàn [5]
Để có được giá trị điện áp hàn hợp lý, có thể phải hàn thử vài lần, bắt đầu bằng giá trị điện áp hồ quang theo tính toán hay tra bảng, sau đó tăng hoặc giảm theo quan sát đường hàn để chọn giá trị điện áp thích hợp
Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2, có thể sơ bộ chọn điện áp hàn theo công thức sau:
- Chế độ dịch chuyển ngắn mạch, đường kính dây hàn trong khoảng 0,61,2 mm:
2.3.2.6 Tốc độ hàn
Tốc độ hàn phụ thuộc rất nhiều vào trình độ tay nghề của thợ hàn Tốc độ hàn quyết định chiều sâu ngấu của mối hàn Nói chung, khi tốc độ hàn thấp, kích thước vũng hàn sẽ lớn và ngấu sâu Khi tăng tốc độ hàn, tốc độ cấp nhiệt của hồ quang sẽ giảm, làm giảm độ ngấu và thu hẹp đường hàn (hình 2.23) Nhưng cần chú ý là có một phạm vi của tốc độ hàn mà ở đó chiều sâu chảy là lớn nhất (điểm P trên hình 2.23), khi tốc độ hàn nhỏ hơn khoảng này thì tốc độ hàn giảm lại làm giảm chiều sâu chảy Việc lựa chọn tốc độ hàn tùy thuộc vào hình dạng mối hàn và điều kiện nung nóng và làm nguội vật hàn Khi tốc độ hàn tăng, làm tăng lượng nhiệt cấp vào vật hàn
ở phía trước hồ quang nên cần ít nhiệt để nung nóng trước cạnh hàn Nhưng khi tăng tốc độ hàn, làm tăng tốc độ nguội sau khi hàn do đó làm tăng khả năng bị nứt đối với thép có tính thấm tôi cao
Trang 37Hình 2 23 Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng mối hàn [5]
Với thép các bon thông dụng, tốc độ hàn thường nằm trong khoảng 10÷60 cm/phút; với hàn tự động tốc độ hàn có thể lên đến 120 cm/phút
2.3.2.7 Tầm với điện cực và góc nghiêng điện cực
Tầm với điện cực là khoảng cách từ mép bép tiếp điện đến đầu điện cực hình 2.24 Khi tăng tầm với điện cực, nhiệt nung nóng đoạn dây hàn này sẽ tăng, dẫn tới làm giảm cường độ dòng điện hàn cần thiết để nóng chảy điện cực theo tốc độ cấp dây nhất định Khoảng cách này rất quan trọng khi hàn thép không gỉ, sự biến thiên nhỏ cũng có thể làm tăng sự biến thiên dòng điện một cách rõ rệt
Tầm với điện cực quá lớn làm cho việc bảo vệ vũng hàn kém đi, đặc biệt khi nghiêng súng hàn Tầm với điện cực tùy thuộc đường kính dây hàn Khi hàn dây đường kính nhỏ, tầm với điện cực quá lớn, làm giảm tính ổn định của dây hàn Tầm với điện cực tăng, làm tăng mức độ bắn tóe Tầm với điện cực quá nhỏ làm cho bép tiếp điện bị quá tải về nhiệt và tăng các giọt kim loại bắn tóe dính vào miệng chụp khí Ngoài ra, tầm với điện cực còn tùy thuộc loại khí bảo vệ Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2, có thể sử dụng công thức thực nghiệm sau để xác định tầm với điện cực:
Trong đó B là tầm với điện cực, d là đường kính điện cực, mm
Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ là hỗn hợp khí trơ, do chiều dài hồ quang lớn hơn nên cần tăng thêm tầm với điện cực từ 23 mm so với tính toán
Hình 2 24 Tầm với điện cực (a) và Quan hệ dòng điện – Tầm với điện cực (b) [5]
Trang 38Khi hàn thép các bon với chế độ dịch chuyển ngắn mạch, tầm với điện cực được lựa chọn trong khoảng B=613 mm, độ nhô của ống tiếp điện trong khoảng E=03,2
mm (nghĩa là đầu ống tiếp điện ngang bằng miệng chụp khí hoặc nhô ra ngoài miệng chụp khí tối đa là 3,2 mm) xem hình 2.25a Khi hàn với chế độ dịch chuyển tia dọc trục thường chỉ dùng cho tư thế hàn bằng, tầm với điện cực được lựa chọn trong khoảng B=1925 mm, độ nhô ra của ống tiếp điện khoảng E=3,2 mm (nghĩa là đầu ống tiếp điện thụt vào trong miệng chụp 3,2 mm) xem hình 2.25b
Hình 2 25 Tầm với điện cực khi dịch chuyển ngắn mạch (a);
Tầm với điện cực khi dịch chuyển tia dọc trục (b) [5]
Bảng 2 3 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn
Hình 2 26 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn
Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn được thể hiện trên hình 2.26 Trường hợp hàn thuận cho chiều sâu ngấu lớn nhất, hàn ngược cho chiều sâu ngấu nhỏ nhất nhưng bề rộng mối hàn lớn nhất
Trang 39Bảng 2 4 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn
Bảng 2 5 Một số thông số hàn tiêu biểu dùng cho hàn thép
2.3.2.8 Lưu lượng khí bảo vệ
Lưu lượng khí bảo vệ tùy thuộc vào loại vật liệu cơ bản, cường độ dòng điện hàn, đường kính trong của chụp khí, [5, 9], xem hình 2.28 và có thể tính gần đúng theo công thức:
Trong đó d là đường kính điện cực (mm)
Hình 2 28 Lưu lượng khí phụ thuộc đường kính chụp khí và dòng điện hàn [9]
Trang 402.4 Cơ sở tính toán xác định trường nhiệt độ và ứng suất dư hàn
Khi hàn các phần tử của kết cấu bị nung nóng không đồng đều ở nhiệt độ cao gây nên ứng suất và biến dạng [9, 18] Tùy theo mức độ truyền nhiệt và cân bằng nhiệt
độ, xảy ra sự thay đổi ứng suất và biến dạng một cách liên tục tại các điểm khác nhau của các chi tiết được hàn (hay nói cách khác, đó là sự thay đổi của trường ứng suất
và biến dạng)
So với trường nhiệt độ, trường ứng suất và biến dạng không hoàn toàn mất đi sau khi hàn, tức là quá trình hình thành ứng suất dư và biến dạng hàn không phải là các quá trình có thể đảo ngược được (nên ta gọi ứng suất và biến dạng còn lại sau khi hàn
là ứng suất dư và biến dạng dư)
Ý nghĩa của việc nghiên cứu quá trình hình thành ứng suất dư và biến dạng hàn
- Để đánh giá xác suất có vết nứt khi chế tạo kết cấu hàn
- Để xác định trường ứng suất dư nhằm đánh giá khả năng làm việc của kết cấu hàn (thường liên quan đến độ bền của kết cấu)
- Để giải quyết các vấn đề liên quan đến độ chính xác trong chế tạo kết cấu hàn (liên quan đến mức độ biến dạng khi hàn)
đề ứng suất và biến dạng hàn đã được nghiên cứu cách đây khá lâu (khoảng trên 70 năm) Ngày nay, lý thuyết ứng suất và biến dạng hàn là một nhánh ứng dụng của lý thuyết ứng suất nhiệt
Lý thuyết ứng suất biến dạng hàn có hai hướng:
- Hoàn thiện các phương pháp tính gần đúng giành cho kỹ sư, để giải quyết các vấn đề về mật độ chính xác trong chế tạo kết cấu hàn
- Đưa ra các giải pháp tính toán chặt chẽ hơn nữa trong việc giải bài toán biến dạng dẻo-nhiệt với sự kết hợp sử dụng các thành tựu mới nhất của lý thuyết tính toán (máy tính điện tử) nhằm nghiên cứu toàn diện hơn các quá trình cơ-nhiệt khi hàn (dành cho giới nghiên cứu)
Ứng suất dư và biến dạng có sự ảnh hưởng tiêu cực tới chế tạo và tới khả năng chịu tải của kết cấu, cấu kiện
- Ứng suất dư kéo làm suy giảm độ bền và khả năng chống ăn mòn (ăn mòn nứt ứng suất) Ngoài ra chúng có thể tạo ra các nứt do co, đặc biệt là ở các mối hàn gá đính, dẫn tới tới phá huy dòn và phá hủy bậc thềm
- Khi gia công các chi tiết của kết cấu có thể ứng suất dư được giải phóng và dẫn tới làm biến dạng các chi tiết
- Ứng suất dư nén làm giảm độ đàn hồi và tính ổn định của các kết cấu
- Biến dạng có thể làm tăng dung sai cho phép dẫn tới các sai lệch khi lắp ghép và khe hở lớn hơn không thể chấp nhận