Thạc Sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến trường nhiệt độ khi cắt các tấm tôn bao vỏ tàu bằng tia plasma

Luận văn thạc sĩ năm 2011
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến trường nhiệt độ khi cắt các tấm tôn bao vỏ tàu bằng tia plasma


MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ . 1
1.1. Tổng quan đềtài nghiên c ứu . 1
1.1.1. Lý do chọn đềtài 1
1.1.2. Mục đích -Ý nghĩa . 2
1.2. Tổng quan đóng tàu v ỏthép 2
1.2.1. Vật liệu đóng tàu v ỏthép 3
1.2.2. Quá trình cắt tôn trong các nhà máy đóng tàu 6
1.3. Tình hình nghiên c ứu 7
1.3.1. Lịch sửphát triển hồquang plasma 7
1.3.2. Những tiến bộcông nghệcắt plasma 10
1.3.3. Công nghệcắt plasma ởViệt Nam hi ện nay . 17
1.3.4. Những vấn đềtồn tại, đang nghiên c ứu và hoàn thi ện 18
1.4. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên c ứu 19
1.4.1. Mục tiêu . 19
1.4.2. Nội dung . 19
1.4.3. Phương pháp nghiên c ứu đềtài 19
CHƯƠNG 2. NGHIÊN C ỨU TRAO ĐỔI NĂNG LƯ ỢNG KHI CẮT THÉP TẤM
BẰNG TIA PLASMA ÔXY . 20
2.1. Khái niệm, đặc điểm, nguyên lý gia công b ằng hồquang plasma: . 20
2.1.1. Khái niệm . 20
2.1.2. Đặc điểm 21
2.1.3. Nguyên lý gia công b ằng hồquang plasma 21
2.2. Thiết bịcắt sửdụng nghiên cứu trong đềtài 25
2.2.1. Máy cắt Cutmaster 151 25
2.2.2. Bình chứa khí Ôxy 26
2.2.3. Xe trượt (xe tựhành) 27
2.3. Nghiên cứu chếđộcắt . 27
2.3.1. Cường độdòng điện khi cắt 29
2.3.2. Vận tốc cắt . 30
2.3.3. Áp suất khí thổi khi cắt . 32
ii
2.3.4. Năng lượng nguồn nhiệt khi cắt bằng tia plasma ôxy . 32
2.3.5. Năng lượng phản ứng ôxy hóa s ắt trong quá trình c ắt 34
2.3.6. Năng lượng cần thiết đểlàm tan chảy kim loại trong quá trình c ắt . 35
2.3.7. Cân bằng năng lư ợng khi cắt bằng tia plasma ôxy . 37
2.4. Nghiên cứu trường nhiệt độ khi cắt thép tấm bằng tia plasma . 39
2.4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn nhiệt khi cắt 40
2.4.2. Trường nhiệt độvới những phương trình cơ bản 40
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢNGHIÊN CỨU 44
3.1. Phân phối nhiệt độtheo lý thuy ết 44
3.1.1. Phân bốnhiệt độhai bên rãnh c ắt tính từtâm ngu ồn nhiệt . 44
3.1.2. Phân bốnhiệt độdọc theo rãnh c ắt 48
3.2. Khảo sát thực nghiệm trường nhiệt độkhi cắt tấm thép tôn bao vỏtàu bằng tia
plasma ôxy 64
3.2.1. Mục đích thực nghiệm 64
3.2.2. Dụng cụđo nhiệt 64
3.2.3. Bốtrí thực nghiệm 65
3.2.4. Kết quảđo 65
3.3. So sánh kết quảnhiệt độtính theo lý thuy ết và thực nghiệm đo được 67
3.3.1. Kết quả . 67
3.3.2. Phân tích sựsai lệch 68
CHƯƠNG 4. K ẾT LUẬN VÀ ĐỀXUẤT . 69
4.1. Kết luận 69
4.2. Đềxuất . 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 71


CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Tổng quan đề t ài nghiên cứu
Phát triển ngành công nghiệp tàu thủy là một định hướng đúng đắn trong
quá trình phát tri ển kinh tế -xã hội của nước ta hiện nay. Để triển khai định h ướng
đó, không có con đư ờng nào khác là ph ải đầu tư cho khoa học và công nghệ
(KH&CN) để tạo ra các sản phẩm đạt chất l ượng cao, giá th ành hợp lý, qua đó
nâng cao năng l ực cạnh tranh, đáp ứng nhu cầu phát triển của ng ành công nghiệp
tàu thủy Việt Nam. Nhận thức được vai trò và tầm quan trọng của KH&CN đối với
sự phát triển của ng ành, phải tranh thủ đi nhanh v ào công nghệ hiện đại, đầu tư
phát triển tiềm lực, đổi mới công nghệ, nâng cao khả năng chiếm lĩnh thị tr ường
trong nước, chia sẻ thị phần khu vực v à xuất khẩu được tàu ra nước ngoài
Theo đó, một loạt tiến bộ KH&CN đ ã được đưa vào áp dụng trong quá tr ình
đóng mới tàu thủy, điển hình như: Thiết kế, thi công vỏ v à kết cấu tàu thủy bằng
máy tính, thay thế hoàn toàn việc phóng dạng, triển khai tr ên sàn phóng; c ắt tự
động bằng máy cắt CNC, h àn lắp bằng mối h àn lót sứ, năng suất cao, tiết kiệm vật
tư và rút ng ắn thời gian thi c ông; sử dụng công nghệ gia công chính xác các chi tiết
kết cấu không l ượng dư lắp ráp. Các phân, tổng đoạn đ ược chế tạo đảm bảo kích
thước hình khối của tổng đoạn theo thiết kế, giúp cho việc đấu đ à chính xác, ti ết
kiệm vật tư, nhân công, đ ồng thời góp phầ n tăng tính chủ động, nâng cao năng lực
sản xuất, vừa tăng khả năng cạnh tranh của ng ành.
Mặc dù đã đạt được những thành quả nhất định trong quá tr ình phát tri ển,
nhưng ngành công nghi ệp tàu thủy Việt Nam cũng c òn gặp phải những khó khăn
như: trình độ côngnghệ của các đơn vị sản xuất ch ưa đồng đều;KH&CN của
ngành công nghi ệp tàu thủy Việt Nam về c ơ bản còn lạc hậu so với nhiều n ước
trong khu v ực, nhất là so với các nước có nền công nghiệp t àu thủy tiên tiến trên
thế giới.
1.1.1. Lý do chọn đề tài
Trong nhà máy đóng tàu, công đo ạn cắt thép chiếm phần lớn thời gian gia
công một con tàu. Có nhiều phương pháp c ắt thép tấm nh ư: lực cơ học, sửdụng
nguồn nhiệt có nhiệt độcao như: c ắt bằng khí cháy ho ặc cắt bằng hồquang
plasma, laze Phần lớn cắt thép tấm sử dụng ph ương pháp cắt bằng nhiệt ph ương
2
pháp này tồn tại các vấn đề cần quan tâm nh ư: bề rộng rãnh cắt, chất lượng bề mặt,
vùng ảnh hưởng nhiệt, ứng suất v à biến dạng tấm thép sau khi cắt.
Cắt plasma là công ngh ệkhá phức tạp đòi hỏi người thực hiện phải có kiến
thức lý thuyết vềvật lý, hóa h ọc, cơ khí, luyện kim, điện, điện tử, tựđộng hóa ,
đồng thời cũng yêu cầu cao vềtính sáng t ạo và kỹnăng nghềnghiệp. Hiện nay,
công nghệcắt plasma đ ã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghi ệp khác nhau
làm cho năng su ất và chất lượng sản phẩm tăng lên rất nhiều Tuy nhiên, vi ệc lựa
chọn chếđộcắt cho phù h ợp nhằm nâng cao năng suất và đảm bảo chất lượng sản
phẩm còn gặp nhiều bất cập vì chưa được nghiên cứu kỹlưỡng; mối quan hệgiữa
chếđộcắt với nhiệt độvà biến dạng trong sản phẩm cắt, chưa đư ợc đánh giá đầy
đủ; việc chọn chếđộcắt hiện nay vẫn dựa vào kinh nghi ệm thểhiện trong các bảng
tra Vì vậy, việc “nghiên cứu ảnh hưởng chếđộcắt đến trường nhiệt độkhi cắt
các tấm tôn bao vỏtàu bằng tia plasma” là rất cầnthiết; nó tạo tiền đềcho việc
nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo.
1.1.2. Mục đích -Ý nghĩa
Xác định chếđộcắt hợplý cho các tấm tôn bao vỏtàu nhằm hạn chếcông
đoạn cắt thửnhiều lần làm tăng chi phí gia công. Đ ồng thời xác định được nhiệt độ
và vùng ảnh hưởngnhiệt đểbiết được sựbiến dạng của tấm thép sau khi cắt. Trên
cơ sởđó, khuyến cáo khi sửdụng công nghệcắt plasma ôxy
1.2. Tổng quan đóng t àu vỏ thép
Hiện nay, các nhà máy đóng tàu đ ều đóng theo phương pháp phân t ổng
đoạn. Theo phương pháp này, thân tàu đư ợc chia thành nhi ều phân đoạn phẳng và
phân đoạn khối. Từnhững phân đoạn này chia thành các c ụm chi tiết lớn và tiếp
tục chia các cụm chi tiết lớn thành các cụm chi tiết nhỏhơn và cuối cùng là chi ti ết
không thểphân chia.
Mục đích của việc phân chia nàynhằm tiến hành chếtạo tất cảcác chi tiết
kết cấu thân tàu cùng m ột lúc, rút ng ắn thời gian chếtạo tàu. Đồng thời cốgắng
đưa tất cảcác cụm chi tiết, kết cấu vềvịtrí dễdàng thực hiện, tận dụng các phương
pháp gia công tiên ti ến.
Quá trình lắp ráp tàu thì ngược lại của quá trình phân chia. B ắt đầu từnhững
chi tiết được lắp ráp thành cụm chi tiết. Từcụm chi tiết lắp ráp thành các c ụm chi
tiết lớn hơn. Từnhững cụm chi tiết lớn lắp thành phân đo ạn. Từnhững phân đoạn
lắp ráp thành các tổng đoạn và cuối cùng là lắp ráp các tổng đoạn thành tàu.
3
Luận văn này, chúng tôi nghiên c ứu ởcông đoạn chếtạo phôi theo sơ đ ồlắp
ráp được mô tảtrên hình1.1. Có nhi ều phương pháp ch ếtạo phôi (cắt thép tấm),
nội dung luận văn chỉnghiên cứu phương pháp c ắt thép tấmtôn bao v ỏtàu có bề
dày 10mm bằng tia plasma ôxyvới qui trình c ắt bán tựđộng.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Bốn (2001), Các phương pháp truy ền nhiệt, Trường Đại học Đà Nẵng.
[2]. Bùi Văn Nghiệp(4/2011) , Nghiên cứu một sốyếu tố ảnh hưởng đến biến
dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao v ỏtàu,Luận văn thạc sĩ, Đại học Nha Trang,
Khánh Hòa.
[3]. Trần Văn Niên, Tr ần ThếSan (2001), Thực hành kỹthuật hàn-gò, tr.406-411.
NXB Đà Nẵng.
[4]. Nguyễn Đức Tài (2010), Khảo sát các yếu tốcông nghệnhằm nâng cao độ
chính xác gia công thép tấm bằng hồquang plasma , Luận văn thạc sĩ, Đại học
Sư Phạm KỹThuật, TP HCM.
[5]. Ngô Lê Thông (2009), Công nghệhàn điện nóng chảy tập 1, tr.282-323, NXB
Khoa học và kỹthuật, Hà N ội.
[6]. Artem Pilipenko (2001) , Computer simulation of residual stress and d istortion
of thick platesin multi -electrode submerged arc welding .Their mitigation
techniques .
[7]. Brian Reginald Hendricks (1999), Simulation of plasma arc cutting , Master of
Technology in Mechanical Engineering, Cape Peninsula University of
Technology,pp 9-19.
[8]. Dong-Yan Xu, Xi Chen, Wenxia Pan (2005), “E ff ects of natural convection on
the characteristics of a long laminar argon plasma jet issuing horizontally into
ambient air ” International Journal of Heat and Mass Transfer 48 (2005) pp
3253–3255.
[9]. Hai-Xing Wang, Kai Cheng, Xi Chen, Wenxia Pan (2006), “ Three-dimensional
modeling of heat transfer and fluid flowin laminar -plasma material re -melting
processing”, International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) pp
2254–2264.
[10]. John Michael Dowden (2001), The Mathematics of Thermal Modeling ,
Chapman & Hall/CRC .
[11]. K. Poorhaydari, B. M. Patchett, and D . G. Ivey (2005), “ Estimation of Cooling
Rate in the Welding of Plates with Intermediate Thi ckness” Supplement to the
Welding Journal, October 2005, pp 149-155.
72
[12]. Kreith, F.; Boehm, R.F.; et. Al (1999), Heat and Mass Transfer ,Mechanical
Engineering Handbook Ed. Frank Kreith , Boca Raton: CRC Press LLC.
[13]. Lindon C. Thomas (1992), Heat transfer, Prentice –Hall International, Inc,
USA.
[14]. Martin Birk-Sørensen(1999), Simulation of Welding Distortions in Ship
Section, Department of Naval Architecture and Offshore Engineering Technical
University of Denmark .
[15]. Moran, M.J(1999), Engineering Thermodynamics ,Mechanical Engineering
Handbook, Ed. Frank Kreith, Boca Raton: CRC Press LLC.
[16]. N.T.Nguyen, A.Ohta, K.Matsuoka, N.Suzuki and Y.Maeda (1999), “ Analytical
solutions for transient temperature of semi-infinite body subjected to 3 -D
moving heat sources ” Supplement to the Welding Journal, August 1999 , pp
265-274
[17]. Nemchinsky.VA (1998), “Plasma flow in a nozzle during plasma arc cutting ” J.
Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998) pp3102–3107.
[18]. Rosenthal, Daniel. “Mathematical Theory of Heat Distribution during Welding
and Cutting ”. Welding Journal, 20(5):220 -234, 1941
[19]. Rosenthal.D(1946), The theory of moving sources of heat and its application to
metal treatments.Transactions of A.S.M.E., p p849-866
[20]. S.Ramakrishnan, V Shrinet, F B Polivka, T N Kearney and P Koltun (2000),
“Influence of gas composition on plasmaarc cutting of mild steel” J. Phys. D:
Appl. Phys. 33 (2000) 2288 –2299.
[21]. S.Ramakrishnan, M.W. Rogozinski (1997), "Properties of electric arc
plasma for metal cutting", J. Phys. D: Appl. Phys. 30 (1997), pp 636-644.
[22]. Girard Laurence(2004), Caracterisation experimentale d'une torche de
decoupe dans l'oxygene : etude du jet de plasma et de l'interaction arc -materiau, Docteur de l'universite paul Sabatier, L'universite Paul Sabatier,
Toulouse III,pp 18; 71-118.
[23]. L. Vignardet, "Découpage au jet de fluide : Oxycoupage, jet de plasma,
laser et jet d'eau sous pression", Technique de l'ingénieur, traité Mécanique et
Chaleur, B7340, pp1 -20.