Tài liệu Nghiên cứu công nghệ hàn giáp mối một phía ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu thủy (tt)

MỞ ĐẦU Mục đích của luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn chính Auto-FCAW đến hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu. Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng, kích thước và khả năng hình thành mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW. Nghiên cứu khảo sát ứng suất, biến dạng và tổ chức tế vi kim loại liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu. Thiết lập bộ thông số công nghệ hàn phù hợp với liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tƣợng 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. Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực hiện được mục đích nghiên cứu của luận án, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Thu thập, phân tích và tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài nghiên cứu về công nghệ hàn giáp mối một phía bằng phương pháp hàn FCAW; các văn bản nghị quyết, quyết định của Đảng và Nhà nước về chiến lược phát triển công nghiệp đóng tàu Việt Nam; các tài liệu về công nghệ đóng tàu; Từ đó xác định rõ những gì đã được công bố và tìm ra những nội dung mới mà luận án cần phải giải quyết. - Phân tích và hệ thống hóa các kiến thức lý thuyết về công nghệ đóng tàu theo tổng đoạn; các quá trình công nghệ hàn ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu; đặc điểm công nghệ hàn giáp mối một phía; thiết bị, vật liệu, các thông số công nghệ, phương thức dịch chuyển kim loại trong quá trình hàn hồ quang dây lõi thuốc (FCAW) làm cơ sở lý thuyết cho đề tài. - Khảo sát hiện trường tại các cơ sở đóng tàu trong nước, trong đó sử dụng các kỹ thuật quan sát trực tiếp, ghi chép, hỏi ý kiến chuyên gia, chụp ảnh để tìm hiểu về công nghệ đóng tàu, lắp ráp phân đoạn, tổng đoạn (Block); công nghệ hàn nối phân đoạn và tổng đoạn vỏ tàu. Từ đó làm sáng tỏ các thông tin về đối tượng nghiên cứu, làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình thực nghiệm. - Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc và vị trí hàn với hình dạng và kích thước mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu. Bao gồm việc phân tích, lựa chọn và xác định các yếu tố ảnh hưởng chính; lập kế hoạch, tiến hành thực nghiệm và thu nhận thông tin. Xây dựng và kiểm định mô hình bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất và phân tích hồi quy, phân tích phương sai để xác định giá trị của các hệ số trong mô hình hồi qui đa thức. Kiểm tra mô hình theo độ tương thích và khả năng làm việc. - Sử dụng kỹ thuật tính toán trường nhiệt độ hàn; khảo sát quá trình truyền nhiệt; phân tích phân bố ứng suất, biến dạng và tổ chức kim loại,... của liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu trên phần mềm chuyên dụng SYSWELD. 1 - Sử dụng các trang thiết bị sẵn có phù hợp với điều kiện thực nghiệm để chế tạo liên kết hàn nối tổng đoạn vỏ tàu; tiến hành đo biến dạng thực, kiểm tra cơ tính và phân tích tổ chức tế vi của kim loại liên kết hàn tổng đoạn trong phạm vi phòng thí nghiệm. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiến của luận án Ý nghĩa khoa học của luận án: Đã phân tích và hệ thống hóa kiến thức công nghệ, thiết bị, vật liệu hàn, các thông số công nghệ, phương thức dịch chuyển kim loại, đặc điểm hình thành mối hàn ở các vị trí hàn khác nhau trong không gian với quá trình hàn hồ quang dây lõi thuốc FCAW làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng mô hình thực nghiệm hàn giáp mối một phía. Bằng quy hoạch thực nghiệm đã thiết lập mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn AutoFCAW (cường độ dòng điện hàn Ih, tốc độ hàn Vh, tần số dao động đầu hàn fh, thời gian dừng dao động đầu hàn ở ¼ và ¾ chu kỳ td) với hình dạng và kích thước đường hàn đáy của mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A36. Đã xựng các đồ thị và đánh giá mức độ ảnh hưởng độc lập và đồng thời của các thông số chế độ hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn. Từ đó xác định được bộ thông số chế độ hàn phù hợp với phạm vi kích thước của đường hàn đáy liên kết hàn giáp mối một phía thép cấp A ở vị trí hàn đứng. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã thiết lập mối quan hệ toán học và đánh giá mức độ ảnh hưởng của vị trí hàn (góc nghiêng trục đường hàn thay đổi theo góc  từ 0  2.09 radian) đến hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối một phía thép vỏ tàu cấp A36 bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc Auto-FCAW. Kết hợp phương pháp mô phỏng số với thực nghiệm nhằm nâng cao hiệu quả nghiên cứu ứng suất, biến dạng và biến đổi tổ chức kim loại của liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A36 bằng quá trình hàn FCAW. Kết quả nghiên cứu này cũng có thể được áp dụng vào nghiên cứu ứng suất, biến dạng và biến đổi tổ chức kim loại liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu với các cấp thép khác. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Kết quả nghiên cứu của đề tài đã xác định được bộ thông số công nghệ hàn và quy trình hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc. Kết quả và phương pháp nghiên cứu của đề tài có thể vận dụng vào thực tiễn chế tạo và lắp ghép phân đoạn, tổng đoạn nhằm nâng cao năng suất và chất lượng vỏ tàu tại Việt Nam. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu này có thể ứng dụng trong hàn giáp mối các kết cấu cỡ lớn khác như: kho nổi, giàn khoan, bồn bể, v.v. Các đóng góp mới của luận án Thông qua quá trình nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số theo các nhiệm vụ nghiên cứu đã đề ra, luận án này có những đóng góp mới sau đây: 1. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm hai mức 4 yếu tố độc lập trong miền khảo sát, đã thiết lập được mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn (Ih, Vh, fd, td) với kích thước của đường hàn (hd, bd, bd1) trong liên kết hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép A36. Từ đó xác định được bộ thông số chế độ hàn theo kích thước cho trước của đường hàn đáy. 2. Bằng thực nghiệm đã thiết lập được mối quan hệ giữa vị trí hàn trong không gian với hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A bằng quá trình hàn Auto-FCAW. 3. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: Khi hàn đường hàn đáy ở vị trí hàn trần bằng quá trình hàn Auto-FCAW thì không cần phải lót đáy mối hàn bằng gốm. Bộ thông số công nghệ hàn đã xác định không thích hợp để hàn đường hàn đáy ở vị trí trần. Vì vậy cần thiết phải sử dụng quá trình hàn SMAW hoặc GMAW để hàn đường hàn đáy, các lớp hàn tiếp theo được hàn bằng quá trình hàn FCAW. 4- Đã phân tích và lựa chọn được mô hình nguồn nhiệt “Double ellipsoid” phù hợp với quá trình hàn FCAW để hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A. Đồng thời cũng đã xây dựng 2 được 1 module mã lệnh mô tả dao động mỏ hàn kiểu răng cưa nhúng vào phần mềm Sysweld để thực hiện bài toán mô phỏng quá trình hàn Auto-FCAW. 5- Đã tính toán mô phỏng và xác định được trường nhiệt hàn, chu trình nhiệt, quá trình biến đổi tổ chức kim loại mối hàn, ứng suất dư và biến dạng của liên kết hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu. Kiểm chứng các kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình và các điều kiện tính toán mô phỏng số là phù hợp với mô hình thực nghiệm. 6. Dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm, luận án đã xác định được bộ thông số công nghệ hàn hợp lý để hàn nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc Auto-FCAW. Cấu trúc của luận án Luận án gồm phần mở đầu, 5 phần nội dung, các kết luận ở cuối mỗi phần nội dung và kết luận chung, danh mục các công trình đã công bố, danh mục tài liệu tham khảo. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Công nghệ đóng tàu 1.1.1. Sơ lƣợc về tình hình phát triển công nghệ đóng tàu Hiện nay, trung tâm đóng tàu của thế giới đang ở Đông Á với ba nước Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc chiếm đến 85% tổng sản lượng, EU chỉ có 11%. Các nước còn lại chiếm hơn 4%. Tuy nhiên, xét về giá trị, EU lại là khu vực chiếm một tỷ lệ doanh thu lớn nhất (gần 30%) do họ tập trung vào những loại tàu cao cấp như: tàu chở khí lỏng và tàu chở khách. Trong khi đó, Hàn Quốc chiếm lĩnh các loại tàu chở container, tàu chở dầu. Nhật Bản tập trung vào tàu chở hàng khô, tàu chở khí lỏng. Còn Trung Quốc đang cố gắng chiếm lĩnh tất cả những gì có thể. Đến năm 2015, mục tiêu của Hàn Quốc là dẫn đầu hành trình thiên niên kỷ, chiếm 40% thị phần. Còn mục tiêu của Trung Quốc dẫn đầu thế giới, với 35% thị phần. Nhật Bản thì tập trung vào các loại tàu có công nghệ cao, siêu trọng. EU dẫn đầu ở những phân đoạn thị trường cao cấp với doanh thu 40 tỷ USD, gấp 3 lần hiện nay. Nếu đúng theo các mục tiêu này thì khi đó, năng lực sản xuất toàn cầu sẽ lớn hơn nhu cầu ít nhất từ 10% - 20%. 1.1.2. Công nghiệp tàu thủy ở Việt Nam Với tình hình thực tế ở Việt Nam hiện nay, cách hiệu quả hơn cả là Việt Nam nên đầu tư tập trung vào các cụm công nghiệp đóng tàu có sẵn lợi thế, đồng thời lựa chọn ngành công nghiệp phụ trợ phù hợp để xây dựng và phát triển như: ngành thép, tự động hoá, hàn,... Hơn nữa, ngoài việc thành lập các liên doanh, cũng cần mở cửa cho nước ngoài (nhất là Hàn Quốc và Nhật Bản) thành lập các doanh nghiệp 100% vốn của họ và khuyến khích khu vực kinh tế tư nhân tham gia vào ngành công nghiệp đóng tàu. Mặc dù trải qua nhiều khó khăn, nhưng cho đến nay ngành đóng tàu Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh, nhiều nhà máy đóng tàu đã bước đầu áp dụng công nghệ đóng tàu tiên tiên như công nghệ đóng tàu theo tổng đoạn (Modules) đóng thành công các tầu có tải trọng nhỏ và trung bình. 1.1.3. Công nghiệp tàu thủy ở nƣớc ngoài Chương trình nghiên cứu NSRP, MANTECH đã tiến hành nghiên cứu về mức độ công nghệ đóng tàu hiện đang được sử dụng tại các nhà máy đóng tàu cạnh tranh nhất ở châu Á và phân ra 5 mức công nghệ. Các nhà máy đóng tàu hiện đại nhất ở mức 5 (là mức công nghệ hiện đại nhất) được thể hiện qua một số nét như: Có mức độ tự động hóa và người máy hóa trong tất cả các công đoạn; có khả năng làm việc hiệu quả và áp dụng hệ thống điều hành sản xuất suất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CAD/CAM/CIM (Computer Integrated Manufacturing). Thiết kế và chế tạo vỏ tàu theo modules; khả năng quản lý vật tư hiệu quả nhờ máy tính và có hệ thống đảm bảo chất lượng hoàn căn chỉnh hiệu quả,... 1.1.4. Công nghệ đóng tàu theo phƣơng pháp tổng đoạn Phương pháp đóng tàu theo tổng đoạn (Modules) là phương pháp phân chia thân tàu thành những tổng đoạn hợp lý dọc theo thân tàu để thuận lợi cho công đoạn chế tạo và lắp đặt sẵn các trang thiết bị ở mức tối đa tại các phân xưởng chuyên dụng trước khi đấu đà. 3 1.2. Tình hình ứng dụng công nghệ hàn một phía trong chế tạo vỏ tàu thủy Công nghệ hàn một phía được thực hiện bằng nhiều phương pháp hàn khác nhau phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể; hàn hồ quang tay (MAW), hàn tự đông dưới lớp thuốc (SAW), hàn tự động và bán tự động trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), hàn điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vê (GTAW), hàn hồ quang với dây lõi thuốc (FCAW), hàn điện khí (EGW),v.v...Hình 1.1 minh họa mức độ ứng dụng của các quá trình hàn trong đóng tàu cũng như trong các lĩnh vực công nghiệp khác. Hình 1. 1 Mức độ tiêu thụ vật liệu hàn trong công nghiệp chế tạo 1.2.1. Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu trong nƣớc Nói chung các đề tài nghiên cứu trong nước đã đạt được nhiều kết quả tốt trong việc đưa ra các giải pháp công nghệ và thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động ứng dụng vào quá trình hàn nối phân đoạn, tổng đoạn vỏ tàu ở Việt Nam. Tuy nhiên các đề tài này chưa tập trung nghiên cứu đầy đủ về công nghệ hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW. 1.2.2. Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu ở nƣớc ngoài Ở nước ngoài đã nghiên cứu phát triển và áp dụng nhiều công nghệ hàn tiên tiến vào đóng tàu: Công nghệ hàn tự động với các quá trình hàn GMAW, FCAW; hàn điện khí EGW; gần đây là công nghệ hàn lai ghép Hybird Laser-MIG;... Tuy nhiên các thông tin về công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thủy bằng quá trình hàn Auto-FCAW không đầy đủ và khó áp dụng vào điều kiện đóng tàu ở Việt Nam. Kết luận chƣơng 1 1. Ngành công nghiệp đóng tàu đóng một vai trò then chốt trong chiến lược phát triển kinh tế xã hội và an ninh quốc phòng của đất nước. Chiến lược phát triển ngành công nghiệp đóng tàu Việt Nam lớn mạnh trong khu vực và trên thế giới là rất cấp bách. 2. Việc nghiên cứu phát triển và áp dụng công nghệ đóng tàu hiện đại, tiên tiến được triển khai mạnh mẽ ở Việt Nam nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và hạ giá thành chế tạo thân tàu góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội. 3. Trong lĩnh vực đóng tàu, công nghệ hàn đóng vai trò chủ đạo và chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng khối lượng công việc chế tạo vỏ tàu; đặc biệt là công nghệ hàn một phía trong chế tạo và lắp ráp phân đoạn, tổng đoạn của thân tàu; chất lượng liên kết hàn nối tổng đoạn thân tàu khi đấu đà là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng của thân tàu. 4. Các nghiên cứu trong nước cho đến nay đã đưa ra các giải pháp công nghệ hàn tự động; thiết kế và chế tạo các hệ thống hàn tự động ứng dụng trong đóng tàu. Tuy nhiên các đề tài này chưa nghiên cứu cụ thể về công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW. 4 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. CHƢƠNG 2. CÔNG NGHỆ HÀN MỘT PHÍA TRONG ĐÓNG TÀU 2.1. Đặc điểm công nghệ hàn giáp mối một phía trong đóng tàu Công nghệ hàn giáp mối một phía là quá trình hàn chỉ tiếp cận hàn từ một phía, dùng trong hàn nối ống thép có đường kính trung bình và nhỏ, bồn bể chứa chựu áp lực, các kết cấu lớn hạn chế xoay lật, đặc biệt là hàn nối các phân đoạn và tổng đoạn vỏ tàu,...Công nghệ hàn một phía được thể hiện ở một số đặc điểm: điều kiện thực hiện; điều kiện công nghệ; kỹ năng người thợ; vị trí hàn, quá trình hàn, liên kết hàn và đặc điểm ứng dụng của các quá trình hàn một phía trong đóng tàu,... 2.2. Thép chế tạo vỏ tàu Theo tiêu chuẩn Việt Nam, thép dùng để chế tạo vỏ tàu là thép hợp kim thấp độ bền cao được chia làm các cấp sau đây: A32, D32, E 32, A 36, D36, E 36, A 40, D 40, E 40, F32, F36, F40. Giới hạn bề chảy nhỏ nhất tương đương với thép cấp A32 là 315 MPa và giới hạn bề nhỏ nhất là 450 MPa. 2.3. Công nghệ hàn FCAW trong đóng tàu Hàn FCAW được chia thành hai phương pháp: Phương pháp hàn dây lõi thuốc có khí bảo vệ (FCAW-G) và phương pháp hàn dây lõi thuốc tự bảo vệ (FCAW-S). Hàn FCAW kết hợp được những ưu điểm tốt và khắc phục được những nhược điểm của quá trình hàn SMAW và hàn GMAW. 2.3.1 Vật liệu hàn FCAW ứng dụng trong đóng tàu Các loại dây thông dụng nhất, thường chứa khoảng 75 - 85% thép trong tổng khối lượng và khoảng 75% tiết diện ngang của dây. Thành phần lõi thuốc có vai trò tạo lớp xỉ mỏng bảo vệ kim loại lõng trong vũng hàn và sinh ra khí bảo vệ vùng hồ quang hàn; cung cấp các chất khử Ô xi và ngăn chặn các phản ứng có hại trong vũng hàn; cung cấp các nguyên tố cần thiết cho quá trình luyện kim và nâng cao cơ tính kim loại mối hàn; ổn định hồ quang hàn,... 2.3.2 Thiết bị hàn FCAW Về cơ bản thiết bị hàn FCAW giống như thiết bị hàn GMAW. Hầu hết các hãng chế tạo thiết bị hàn đều thiết kế hệ thống thiết bị hàn GMAW có thể dùng cho cả quá trình hàn FCAW. 2.3.3 Các thông số công nghệ hàn FCAW Các thông số cơ bản của quá trình hàn FCAW như: Dòng điện hàn, điện áp hàn, tốc độ cấp dây hàn, tốc độ hàn, tấm với điện cực, lưu lượng khí bảo vệ, góc độ mỏ hàn,... 2.3.4 Các phƣơng thức dịch chuyển kim loại trong hàn FCAW Quá trình hàn FCAW có phương thức dịch chuyển chủ yếu là dịch chuyển giọt lớn (cầu), còn dịch chuyển tia (phun) chỉ tạo ra được khi hàn với khí trộn và dòng điện xung tần số cao. 2.3.5. Đặc điểm hình thành mối hàn ở các vị trí hàn khác nhau Đặc điểm dịch chuyển kim loại lỏng từ đầu dây điện cực vào vũng hàn phụ thuộc vào các lực tác dụng lên giọt kim loại lỏng ở đầu mút dây điện cực (trọng lực, sức căng bề mặt, lực điện trường, lực điện tĩnh, lực tác dụng của các hơi,...) và vị trí hàn trong không gian. Khi hàn ở các vị trí hàn khác nhau, hướng dịch chuyển giọt kim loại lỏng cùng chiều hoặc ngược chiều với các lực tác dụng lên nó, cũng như các lực tác dụng lên kim loại lỏng trong vũng hàn mà điều kiện hình thành mối hàn sẽ thuận lợi hoặc khó khăn. Kết luận chƣơng 2 Phần này đã phân tích đặc điểm công nghệ hàn giáp mối một phía; đặc điểm công nghệ hàn hồ quang dây lõi thuốc FCAW, các thông số công nghệ cơ bản của quá trình, các yếu tố ảnh 5 hưởng đến phương thức và cơ chế dịch chuyển kim lỏng trong quá trình hàn, cũng như đặc điểm hình thành mối hàn ở các vị trí hàn trong không gian khác nhau với quá trình hàn FCAW,... Đây là những cơ sở lý thuyết quan trọng để xác định các thông số công nghệ hàn FCAW và xây dựng mô hình thực nghiệm nghiên cứu công nghệ hàn giáp mối một phía ứng dụng trong chế tạo tàu thủy, nhằm xác định bộ các thông số chế độ hàn và xây dựng quy trình công nghệ hàn nối tổng đoạn vỏ tàu ở vị trí hàn đứng như theo phạm vi nghiên cứu của đề tài. CHƢƠNG 3. ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƢỚC MỐI HÀN TỔNG ĐOẠN Mục đích Chương này tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng các thông số chế độ hàn chính (Cường độ dòng điện hàn Ih, vận tốc hàn Vh (tốc độ di chuyển mỏ hàn), tấn số dao động đầu hàn fhz và thời gian dừng ở mép liên kết hàn td) của quá trình hàn Auto-FCAW đến hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu. 3.1. Mô hình thực nghiệm xác định ảnh hƣởng của các thông số chế độ hàn đến hình dạng và kích thƣớc của mối hàn 3.1.1. Các thông số công nghệ của mô hình thực nghiệm 250 13 Các thông số đặc trưng cho hình dạng và kích thước của đường hàn đáy gồm bề rộng mặt trên bd, bề rộng mặt đáy bđ1, chiều cao đường hàn hd như Hình 3.1 và kích thước mối ghép như Hình 3.2. Sø lãt ®-êng hµn ®¸y VËt hµn  bd1 150 6 13 hd 13 bd Hình 3. 1 Kích thước đường hàn đáy Hình 3. 2 Mối ghép TN 3.1.2. Các thông số cơ bản của hệ thống thực nghiệm Bao gồm các thông số kỹ thuật cơ bản như: kim loại cơ bản, vật liệu hàn, bộ gá hàn MAC PS-1F, liên kết hàn, lót đáy mối hàn, góc độ mỏ hàn, thiết bị hàn thực nghiệm,... 3.2. Quy hoạch thực nghiệm xác định mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn với hình dạng và kích thƣớc của mối hàn 3.2.1. Xây dựng mối quan hệ toán học Các thông số chế độ hàn chính được lựa chọn cho nghiên cứu gồm: Ih [A], Vh [cm/phút], tần số dao động đầu hàn fd [Hz], thời gian dừng ở hai mép hàn td [s] là các thông số đầu vào. Các thông số đặc trưng cho hình dạng và kích thước của đường hàn đáy (hd, bd, bd1) là các thông số đầu ra của bài toán quy hoạch thực nghiệm. - Quy ước ký hiệu các thông số chế độ hàn chính (đầu vào) như sau:: x1 - cường độ dòng điện hàn Ih [A] x2 - vận tốc hàn (tốc độ di chuyển mỏ hàn) Vh [cm/ph] x3 - tần số dao động đầu hàn fd [Hz] x4 - thời gian dừng ở 1/4 chu kỳ và 3/4 chu kỳ td [s] 6 - Quy ước ký hiệu các thông số đầu ra đặc trưng cho hình dạng và kích thước của đường hàn đáy như sau: y1 - là chiều cao của đường hàn đáy (hd) [mm] y2 - bề rộng mặt trên của đường hàn đáy (bd) [mm] y3- bề rộng mặt đáy của đường hàn đáy (bd1) [mm] Theo kết quả của một số nghiên cứu được công bố và các tài liệu liên quan, sự tiên nghiệm bằng kinh nghiệm, kết hợp thực nghiệm sơ bộ cho thấy các thông số kích thước của đường hàn phụ thuộc tuyến tính và qua lại vào các thông số chế độ hàn, hàm số tương ứng là: k yi  a0  a j 1 j .x j  a ij xi x j (1  i  j k) (3- 1) 3.2.2. Khoanh vùng các thông số chế độ hàn Dựa trên cơ sở lý thuyết, kinh nghiệm và thực nghiệm sơ bộ xác định được khoảng biến thiên của các thông số chế độ hàn như bảng dưới đây: Bảng 3- 1 Giá trị và khoảng biến thiên của các thông số đầu vào Các thông số đầu vào Mức thay đổi Ih (A) Vh (Cm/phút) fh (Hz) td (s) x1 x2 x3 x4 Mức trên (Zi=+1) 135 28 2,8 0,8 Mức cơ bản (Zi=0) 130 25 3,0 0,6 Mức dưới (Zi=-1) 125 22 3,2 0,4 5 3 0,2 0,2 Khoảng biến thiên xi Mô hình có dạng tuyến tính nên ta bố trí số điểm thực nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm toàn phần N  2 k  2 4  16 , với k là số biến cần khảo sát. Để tăng tính chính xác của mô hình ta chọn thêm 1 thực nghiệm tại tâm, như vậy số thực nghiệm n = 17. Thiết lập bảng ma trận kế hoạch thực nghiệm. Để thu được kết quả tin cậy và chính xác thì tại mỗi điểm thực nghiệm ta sẽ tiến hành hàn thực nghiệm 3 lần. Như vậy sẽ thực hiện 3 lô thực nghiệm, mỗi lô gồm 17 liên kết hàn, tổng số liên kết hàn tối thiểu cần chuẩn bị là 51. 3.3. Quy trình thực nghiệm Bao gồm các nguyên công chính: chuẩn bị mối ghép, tiến hành hàn, xử lý lấy mẫu và khảo sát kết quả. 3.4. Kết quả thực nghiệm và thảo luận 3.4.1. Kết quả thực nghiệm Bảng 3- 2 Kết quả thực nghiệm Kích thước mối hàn tương ứng (mm) Thông số công nghệ hàn TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ih [A] 125 135 125 135 125 135 125 135 125 135 Vh [Cm/ph] 22 22 28 28 22 22 28 28 22 22 fh [Hz] 3,2 3,2 3,2 3,2 2,8 2,8 2,8 2,8 3,2 3,2 td [s] 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,8 0,8 7 hd bd bd1 10,1 9,4 9,5 9,2 9,3 7,9 7,8 7,7 10,4 10,1 12,8 11,7 11,8 11,6 11,5 11,2 11,0 10,9 13,2 12,6 8,2 10 9,7 9,9 8,6 11,3 11,1 11,2 7,5 8,6 Ghi chú 11 125 28 3,2 0,8 9,5 12,0 9,5 12 135 28 3,2 0,8 9,0 11,0 10,2 13 125 22 2,8 0,8 10,3 13,1 7,9 14 135 22 2,8 0,8 10,0 12,6 9,5 15 125 28 2,8 0,8 9,0 11,3 9,7 16 135 28 2,8 0,8 8,7 11,1 10,8 Bảng 3- 3 Kết quả thực nghiệm ở tâm Thông số công nghệ hàn Kích thước mối hàn ở tâm (mm) TT Ih Vh fh td hd bd bd1 [A] [Cm/ph] [Hz] [s] 1 130 25 3,0 0,6 9,0 10,8 10,3 2 130 25 3,0 0,6 9,5 11,2 9,9 3 130 25 3,0 0,6 10,1 12,0 9,2 ̅̅̅ Giá trị trung bình ở m lần đo) 9,4 11,8 9,8 Từ những kết quả thực nghiệm thu được trong Bảng 3- 2, sử dụng phần mềm xử lý số liệu thực nghiệm tìm được các hệ số của phương trình hồi quy. Kiểm định sự có nghĩa các hệ số của phương trình hồi quy, loại các hệ số không có nghĩa ta thiết lập được các phương trình hồi quy biểu diễn sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ Ih (x1), Vh (x2), fh (x3), td (x4) đến thông số kích thước của mối hàn hd (y1), bd (y2), bd1 (y3): h d  9 , 262  0 , 243 x 1  0 , 443 x 2  0 , 406 x 3  0 ,381 x 4  0 , 281 x 3 x 4 (3-2) b d  11 ,835  0 , 250 x 1  0 ,500 x 2  0 , 250 x 3  0 , 275 x 4  0 , 262 x 2 x 4 (3-3) b d 1  9 ,617  0 ,581 x 1  0 ,656 x 2  0 , 406 x 3  0 ,393 x 4  0 ,318 x 1 x 2 (3-4) Kiểm định độ lệch chuẩn R và tính tương thích của các phương trình hồi quy Q nhận được R > [R = 0,95] và Q > [Q = 0,7]. Như vậy các phương trình hồi quy trên tương thích với thực nghiêm. Từ phương trình hồi quy trên tiến hành dựng đồ thi xác nhận kết quả thực nghiệm. 3.4.2. Ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện hàn đến hình dạng và kích thƣớc của đƣờng hàn đáy Hình 3. 3 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến kích thước của đường hàn đáy 8 3.4.3. Ảnh hƣởng của tốc độ hàn đến hình dạng và kích thƣớc của đƣờng hàn đáy Hình 3. 4 Ảnh hưởng của vận tốc hàn đến kích thước của đường hàn đáy 3.4.4. Ảnh hƣởng của tần số dao động đầu hàn đến hình dạng và kích thƣớc của đƣờng hàn đáy Hình 3. 5 Ảnh hưởng của fh đến kích thước của đường hàn đáy 3.4.5. Ảnh hƣởng của thời gian dừng dao động đầu hàn đến hình dạng và kích thƣớc của đƣờng hàn đáy Hình 3.6 Ảnh hưởng của td đến kích thước của đường hàn đáy 9 3.4.6. Ảnh hƣởng đồng thời giữa Ih và Vh đến hình dạng và kích thƣớc của đƣờng hàn đáy Hình 3. 7 Ảnh hưởng đồng thời của Ih và Vh đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy 3.4.7. Ảnh hƣởng đồng thời giữa Vh và td đến hình dạng và kích thƣớc của đƣờng hàn đáy Hình 3.8 Ảnh hưởng đồng thời giữa Vh và td đến đến hình dạng và kích thước của đường hàn 10 3.5. Xác định bộ thông số chế độ hàn theo kích thƣớc mong muốn của đƣờng hàn đáy Theo tiêu chuẩn GL (2008) Part 3, Section 1 Welding of Hull Structures, Page 1–14 hướng dẫn về việc kiểm tra Macro và đánh giá kết quả kiểm tra: Các mẫu thực nghiệm và các mẫu kiểm tra Macro được đánh giá theo tiêu chuẩn ISO 5817, ở mức “B” xác định các thông số kích thước mong muốn của đường hàn đáy. Bảng 3- 4 Phạm vi kích thước mong muốn của đường hàn đáy Chiều cao đường hàn hd (mm) Bề rộng mặt trên bd (mm) Bề rộng mặt đáy bd1 (mm) 9  10 10  12 9  11 Sử dụng công cụ “Optimizer” của phần mềm Modde 5.0 để tìm ra bộ thông số chế độ hàn theo với kích thước mong muốn của đường hàn đáy như trong Bảng 3- 5. Bảng 3- 5 Bộ thông số chế độ hàn theo kích thước mong muốn của đường hàn đáy Kết luận chƣơng 3 1. Dựa vào cơ sở khoa học được phân tích, hệ thống hóa ở chương 1 và chương 2 đã xây dựng được mô mình thực nghiệm hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A36 bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc (Auto-FCAW). 2. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm hai mức 4 yếu tố độc lập trong miền khảo sát, đã thiết lập được mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn (Ih, Vh, fd, td) với kích thước của đường hàn (hd, bd, bd1). Nhờ công cụ “Optimizer” của phần mềm Modde 5.0 xác định được bộ thông số chế độ hàn theo kích thước cho trước của đường hàn đáy. 3. Đã xây dựng được các đồ thị biểu diễn mối quan hệ và đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn (Ih, Vh, fd, td) đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy (hd, bd, bd1) trong mối hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu. CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA VỊ TRÍ HÀN ĐẾN HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƢỚC MỐI HÀN TỔNG ĐOẠN Mục đích Để có cơ sở dữ liệu xây dựng quy trình hàn nối tổng đoạn vỏ tàu bằng công nghệ hàn Auto–FCAW phần này của luận án sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng, kích thước và khả năng hình thành mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu. 11 4.1. Mô hình và chế độ thực nghiệm Mô hình thực nghiệm phải đảm bảo được các yêu cầu: Độ tương thích theo thực tế, thu thập được kết quả nghiên cứu chính xác và tin cậy, tính khả thi, dễ thực hiện theo điều kiện trang thiết bị hiện có, Robot hàn phải có khả năng thực hiện hàn được tất cả các liên kết hàn ở mỗi cung trên mô hình thực nghiệm, Bản vẽ mối ghép hàn tương ứng với mỗi cung trên mô hình thực nghiệm Hình 4.1. 130 6 180 5 4 180 30° 3h 4h 50 =3 2 1 R 3 5h 6h Hình 4.1 Mô hình thực nghiệm vị trí hàn thay đổi b h 1 h1 bl Hình 4. 2 Các thông số kích thước mối hàn 6 13  130 13 180 2 Hình 4. 3 Liên kết hàn thực nghiệm Dựa trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thu được ở phần 3 của đề tài và cơ sở lý thuyết công nghệ hàn FCAW, thiết lập bảng thông số công nghệ hàn cần thiết tương ứng với mỗi lớp hàn để làm thực nghiệm. 4.2. Quy hoạch thực nghiệm xác định ảnh hƣởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thƣớc của mối hàn 4.2.1. Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số Xác định các thông số đầu vào và các thông số đầu ra của bài toán quy hoạch thực nghiệm. - Thông số đầu vào x: là đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi của vị trí hàn tương ứng với mỗi cung: 1: vị trí hàn trần (4G), tương ứng góc radian = 0 2: vị trí hàn ở cung 6h  5h, tương ứng góc radian = 0.523599 3: vị trí hàn ở cung 5h  4h, tương ứng góc radian = 1.047198 4: vị trí hàn ở cung 4h 3h, tương ứng góc radian = 1.570797 5: vị trí hàn đứng (3G), tương ứng góc radian = 2.094396 - Các thông số đầu ra đặc trưng cho kích thước của mối hàn như Hình 4. 2 y1: là chiều cao mặt mối hàn (h), y2: là chiều cao mặt đáy mối hàn (h1), y3: là bề rộng mặt mối hàn (b), y4: là bề rộng mặt đáy mối hàn (b1), Áp dụng phương trình hồi quy bậc ba một biến mô tả mối quan hệ tuyến tính ảnh hưởng của vi trí hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn có dạng như sau: 2 3 y i  a 0  a 1 x  a 11 x  a 12 x (4- 1) 12 Các hệ số của phương trình hồi quy được xác định bằng phương pháp BPNN, với số thực nghiệm N  2 k  2 1  2 (k =1 do hàm chỉ phụ thuộc vào một biến đầu vào). Tuy nhiên để thu được kết quả tập trung, chính xác và tin cậy thì số lần làm thực nghiệm tối thiểu tại mỗi điểm là 3 lần. Tương ứng với mỗi vị trí hàn ở mỗi cung (1 đến 5) như Hình 4.1 sẽ hàn thực nghiệm 3 liên kết hàn, như vậy 5 vị trí hàn sẽ hàn ít nhất 15 liên kết hàn. Bảng 4- 1 Ma trận đầu vào 2 3 Giá trị đầu vào xi0 xi xi xi Cung 1 (radian) Cung 2 (radian) Cung 3 (radian) Cung 4 (radian) Cung 5 (radian) Bảng 4- 2 Ma trận đầu ra y1 1 1 1 1 1 0 0.523599 1.047198 1.570797 2.094396 0 0.274156 1.096624 2.467403 4.386495 0 0.143548 1.148382 3.87579 9.187057 y2 y3 y4 b h 4.2.2. Quy trình thực nghiệm b1 h1 Bước 1: Chế tạo liên kết hàn theo bản vẽ như Hình 4. 3, Bước 2: Chế tạo đồ gá hàn theo bản vẽ như trong hình Hình 4.1, Bước 3: Ghá lắp các liên kết hàn lên đồ gá, Bước 4: Dán sứ lót đáy, Bước 5: Lắp đặt mô hình vào vị trí làm việc Bước 6: Lập chương trình hàn đường hàn đáy ở các vị trí hàn từ cung 1 đến cung 5, Bước 7: Kiểm tra và hiệu chỉnh chương trình hàn lớp đáy, Bước 8: Hàn lớp đáy, Bước 9: Làm sạch và kiểm tra lớp hàn đáy, Bước 10: Lập chương trình hàn đường hàn phủ ở các vị trí hàn từ cung 1 đến cung 5, Bước 11: Kiểm tra và hiệu chỉnh chương trình hàn lớp phủ, Bước 12: Hàn lớp hàn phủ, Bước 13: Làm sạch và kiểm tra mối hàn, Bước 14: Tháo các mối hàn ra khởi đồ gá, Bước 15: Lấy mẫu để đo, và khảo sát hình dạng, kích thước của mối hàn Hình 4. 4 Liên kết hàn thực nghiệm Hình 4. 5 Vị trí hàn trên mỗi cung 13 4.3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận 4.3.1. Kết quả thực nghiệm Bảng 4- 3 Thông số kích thước của mối hàn tương ứng vị trí mối hàn ở mỗi cung TT Kích thước mối hàn b h b1 h1 Góc radian Vị trí mối hàn (mm) (mm) (mm) (mm) 1 0.0 16,2 0,0 8,0 - 3,2 Mối hàn cung 1 (hàn trần) 2 0.523599 17,0 2,8 11,0 - 2,8 Mối hàn ở cung 2 (6h - 5h) 3 1.047198 18,5 2,7 12,0 0,0 Mối hàn ở cung 3 (5h - 4h) 4 1.570797 18,8 2,6 12,0 0,5 Mối hàn ở cung 4 (4h - 3h) 5 Mối hàn ở cung 5 (hàn đứng) 2.094396 19,5 2,5 13,0 2,2 Hình 4. 7 Mối hàn ở cung 2 Hình 4. 6 Mối hàn ở vị trí trần (1) Hình 4. 8 Mối hàn ở cung 3 Hình 4. 9 Mối hàn ở cung 4 Hình 4. 10 Mối hàn đứng 4.3.2. Ảnh hƣởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thƣớc của mối hàn tổng đoạn vỏ tàu Từ các kết quả thực nghiệm thu được trên Bảng 4- 3, tiến hành xây dưng thuật toán và lập trình chạy trên phần mềm để xác định các hệ số (a0, a1, a11, a12) của hàm số (4-1), đồng thời đánh giá độ lệch chuẩn R, tính tương thích của mô hình thực nghiệm Q và thiết lập các hàm hồi quy tương với thực nghiệm: b  16 . 150  1 . 958 x (4- 2) 2 3 h  8 .051 x  6 .800 x  1 .684 x (4- 3) 2 3 b1  7 . 986  8 . 935 x  6 . 774 x  1 . 742 x (4- 4) 2 3 h1   3 . 340  0 . 668 x  2 . 371 x  0 . 697 x (4- 5) Từ các phương trình hồi quy trên dựng đồ thị xác nhận kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng kích thước của mối hàn nối tổng đoạn. 14 Hình 4.11 Ảnh hưởng của vị trí hàn đến kích thước mối hàn Bảng 4- 4 Giá trị đầu ra tính theo các hàm hồi quy Kích thước mối hàn b h h1 b1 Vị trí hàn y1 y2 y3 y4 16.15 0.041 7.98 -3.34 Mối hàn trần (1) 17.20 2.63 11.05 -2.44 Mối hàn 6h-5h (2) 18.20 2.94 11.91 -0.24 Mối hàn 5h-4h (3) 19.00 2.43 12.05 0.85 Mối hàn 4h-3h (4) 19.45 2.54 12.98 2.05 Mối hàn đứng (5) Theo tiêu chuẩn GL (2008) Part 3, Section 1 Welding of Hull Structures, Page 1–14 hướng dẫn về việc kiểm tra Macro và đánh giá kết quả kiểm tra: Các mẫu thực nghiệm và các mẫu kiểm tra Macro được đánh giá theo tiêu chuẩn ISO 5817, ở mức “B”. Ta xác định và đánh giá hình dạng, kích thước, độ ngấu và sự kết tinh của kim loại mối hàn ở cùng một điều kiện và các thông số công nghệ cho thấy răng: - Mối hàn ở cung φ1 (hàn trần): Hình dạng, kích thước và độ ngấu không đạt chất lượng. - Mối hàn ở cung φ2 (6h-5h): Độ cao và bề rộng mặt mối hàn đạt tiêu chuẩn; tuy nhiên mặt đáy mối hàn bị lõm nên mối hàn không đạt độ ngấu. - Mối hàn ở cung φ3 (5h-4h): Hình dạng, kích thước và độ ngấu của mối hàn đạt tiêu chuẩn chất lượng. - Mối hàn ở cung φ4 (4h-3h): Hình dạng, kích thước và độ ngấu của mối hàn đạt tiêu chuẩn chất lượng. - Mối hàn ở cung φ5 (vị trí đứng): Hình dạng, kích thước và độ ngấu của mối hàn đạt tiêu Hình 4. 12 Phạm vi góc quay trục đường hàn chuẩn chất lượng. 15 Kết luận chƣơng 4 1. Đã xây dựng được mô hình thực nghiệm biểu diễn các vị trí hàn khác nhau ứng với 5 cung (φ1, φ2, φ3, φ4 và φ5) theo múi giờ đồng hồ (6h, 6h  5h, 5h  4h, 4h  3h và 3h) nằm trên góc chuyển tiếp từ đáy lên mạn tàu của liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A36 phục vụ nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn tổng đoạn. 2. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã xây dựng được các hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa vị trí hàn (φ1, φ2, φ3, φ4 và φ5) đến kích thước của mối hàn nối tổng đoạn vỏ tàu thép A36 bằng phương pháp hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc E71T-1 đường kính 1,2 mm (bề rộng mặt trên b, chiều cao phần nhô mặt trên h, bề rộng mặt đáy b1, chiều cao phần nhô mặt đáy h1): b  16 . 150  1 . 958 x h  8 .051 x  6 .800 x  1 .684 x 2 3 b1  7 . 986  8 . 935 x  6 . 774 x  1 . 742 x 2 h1   3 . 340  0 . 668 x  2 . 371 x  0 . 697 x 2 3 3 3. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: Khi hàn đường hàn đáy ở vị trí hàn trần bằng quá trình hàn Auto-FCAW thì không cần phải lót đáy mối hàn bằng gốm. Bộ thông số công nghệ hàn đã xác định không thích hợp để hàn đường hàn đáy ở vị trí trần. Vì vậy cần thiết phải sử dụng quá trình hàn SMAW hoặc GMAW để hàn đường hàn đáy, các lớp hàn tiếp theo được hàn bằng quá trình hàn FCAW. CHƢƠNG 5. NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ TỔ CHỨC TẾ VI LIÊN KẾT HÀN TỔNG ĐOẠN VỎ TÀU 5.1. Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, biến đổi tổ chức kim loại, ứng suất và biến dạng hàn bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn 5.1.1. Lý thuyết PTHH của bài toán nhiệt - đàn hồi - dẻo 5.1.1.1 Bài toán truyền nhiệt khi hàn * Mô hình nguồn nhiệt rút gọn được đề xuất bởi Goldak cho các quá trình hàn hồ quang GMAW, FCAW,.. √ (5 - 1) Đối tượng nghiên cứu mô phỏng ở đây là liên kết hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thủy. Vật liệu cơ bản là thép A36 dày 13 mm; vật liệu hàn là E71T-1,  1.2 mm. Các thông số của mô hình nghiên cứu được mô tả trên Hình 5.1 dưới đây. A 300 10 150 13 √ 250 500 800 Hình 5.1 Mô hình mối ghép hàn tổng đoạn vỏ tàu 16 * Phát triển mô hình lưới của mô hình hình học Hình 5. 2 Mô hình PTHH của vùng mối hàn và vị trí của các nút khảo sát 5.1.3. Các điều kiện tính toán - Điều kiện biên cơ học được xác định bởi sự kẹp chặt, như là sự ngàm cứng được minh họa trong hình 5.3. Hình 5. 3 Ngàm chặt hai đầu liên kết hàn tổng đoạn - Các thông số về nguồn nhiệt đầu vào được xác định bằng thực nghiệm. 5.1.4. Phân bố trƣờng nhiệt độ và chu trình nhiệt khi hàn liên kết tổng đoạn Trường nhiệt độ phân bố trong tiết diện ngang của liên kết hàn như Hình 5.4, vùng màu đỏ thể hiện kích thước của vùng nóng chảy. Hình 5.4 Trường nhiệt độ tức thời lớp hàn đáy và lớp hàn phủ Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn được minh họa trên Hình 5.5. Dựa vào kích thước dải phân bố màu ta có thể dự đoán trước rằng chế độ hàn đã chọn là phù hợp với liên kết hàn này bởi vì bề rộng của vũng hàn vừa bằng bề rộng của mối hàn yêu cầu, nghĩa là mối hàn sẽ không có nguy cơ bị cháy thủng, cháy cạnh, hoặc không ngấu. Hình 5.5 Trường nhiệt độ tức thời phân bố trên toàn mô hình 17 Chu trình nhiệt chính xác tại một điểm nào đó trong liên kết hàn, giúp chúng ta đánh giá được các khả năng chuyển biến pha, xuất hiện các ứng suất nhiệt hoặc các loại khuyết tật hàn khác, cho phép đánh giá và tìm ra các thông số công nghệ hàn hợp lý trước khi chế tạo thật. 5.1.5. Biến đổi tổ chức kim loại trong liên kết hàn tổng đoạn Hình 5. 6b là kết quả tính toán sự phân bố của tổ chức martensite. Dựa vào màu sắc của các đường đồng mức và thang đo, cho thấy rằng liên kết hàn trong trường hợp này gần như không xuất hiện tổ chức martensite (hàm lượng martensite tối đa chỉ là 0,19%). Kết quả tính toán hàm lượng tổ chức bainite thể hiện trên Hình 5. 6c cũng rất nhỏ (tối đa là 0,44%). Tương tự, hàm lượng austenite dư gần như không còn tồn tại sau khi kết thúc quá trình chuyển biến pha như trên Hình 5. 6d. Như vậy, có thể kết luận rằng trong liên kết hàn nghiên cứu không xuất hiện các tổ chức martensite, bainite hay austenite dư mà tổ chức kim loại nhận được chỉ là hỗn hợp ferrite - pearlite. a) Phân bố tổ chức Ferrite – Pearlite b) Phân bố tổ chức Martensite c) Phân bố tổ chức Bainite d) Phân bố tổ chức Austenite dư Hình 5. 6 Phân bố tổ chức kim loại trong liên kết hàn tại thời điểm 6500 [giây] Hình 5. 7 Chu trình nhiệt & đồ thị chuyển biến pha tại nút 8636 18 Sysweld còn có thể tính toán và thể hiện kết quả một cách định lượng sự biến đổi tổ chức kim loại mối hàn tại bất kỹ một điểm nào đó trong vùng mối hàn dưới dạng các đồ thị như Hình 5.7 dưới đây. 5.1.6.Ứng suất dƣ và biến dạng góc của liên kết hàn tổng đoạn Phần mềm Sysweld tính toán trường phân bố ứng suất cũng như biến dạng của mô hình liên kết hàn tổng đoạn. Các kết quả được thể hiện trên các hình và đồi thị dưới đây. - Giá trị ứng suất theo phương ngang lớn nhất trong liên kết hàn là x = 375,59 Mpa thể hiên trên Hình 5.8. - Giá trị ứng suất pháp theo phương dọc y-y (y, 22) lớn nhất y = 238 MPa nằm tại vùng thuộc KLCB và sát với vùng HAZ thể hiên trên Hình 5.9. Hình 5. 8 Ứng suất pháp theo phương ngang (x-x) Hình 5. 9 Ứng suất pháp theo phương dọc (y-y) - Trên Hình 5. 10 là trường phân bố ứng suất dư tổng (ứng suất tương đương e, equivalent stress) giá trị ứng suất dư tương đương lớn nhất trong liên kết hàn là 276,44 Mpa. Hình 5. 10 Phân bố ứng suất dư tổng (Seqv) trong liên kết hàn Hình 5. 11 Đồ thị ứng suất pháp, ứng suất dư tổng (Seqv) tại mặt cắt ngang giữa mối hàn 19 - Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của ứng suất pháp theo các phương (x, y, z) và ứng suất dư tổng (Seqv) tại mặt cắt ngang ở giữa liên kết hàn tổng đoạn được thể hiện trên Hình 5.11. - Trên Hình 5.12 biểu diễn kết quả biến dạng góc Uz của liên kết hàn theo chiều dọc của mối hàn (đường màu đỏ). Tại vị trí đầu mối hàn, biến dạng góc có giá trị nhỏ nhất Uz = 0,08 mm, điều này cũng phản ánh đúng với lý thuyết do tại vị trí đầu nhiệt lượng truyền vào liên kết hàn không lớn. Biến dạng góc Uz tăng dần khi đi từ đầu mối hàn đến cuối mối hàn và đặt giá trị lớn nhất tại vị trí cách điểm cuối đường hàn khoảng 16 mm với giá trị Uz = 0,76 mm, điều này cũng phản ánh đúng với lý thuyết do tại vị trí cuối nhiệt lượng truyền vào liên kết hàn lớn nhất. Hình 5. 12 Biến dạng góc, ứng suất pháp, ứng suất dư tổng (Seqv) tại mặt cắt dọc giữa mối hàn 5.2. Thực nghiệm chế tạo liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu thủy Chế tạo đồ gá chông biến dạng co góc khi hàn mối hàn lấp góc giữa sườn với tấm vỏ như Hình 5. 13. Gá lắp tạo liên kết hàn tổng đoạn đúng theo mô hình thực nghiệm và rà mặt phẳng bằng bàn mát như Hình 5. 14 trước khi hàn nối tổng đoạn. Hình 5. 13 Hàn sườn với tám vỏ Hình 5. 14 Mối ghép tổng đoạn Chế tạo đồ gá ngàm hai đầu bằng Ê tô để kẹp chặt hai đầu của liên kết hàn tổng đoạn nhằm chống co ngang khi hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu như Hình 5. 15. 20