Tiến Sĩ Nghiên cứu công nghệ hàn giáp mối một phía ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu thủy

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2014
MỤC LỤC
Mục đích của luận án 2
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án . 2
Đối tượng nghiên cứu: . 2
Phạm vi nghiên cứu: . 2
Phương pháp nghiên cứu 2
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án 3
Ý nghĩa khoa học của luận án: 3
Ý nghĩa thực tiễn của luận án: . 3
Các đóng góp mới của luận án 3
Kết cấu của luận án . 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN . 5
1.1. Công nghệ đóng tàu . 5
1.1.1. Sơ lược về tình hình phát triển công nghệ đóng tàu . 5
1.1.2. Công nghiệp tàu thủy ở Việt Nam 6
1.1.3. Công nghiệp tàu thủy ở nước ngoài . 7
1.1.4. Công nghệ đóng tàu theo phương pháp tổng đoạn 9
1.2. Tình hình ứng dụng công nghệ hàn một phía trong chế tạo vỏ tàu thủy . 11
1.2.1. Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu trong nước . 13
1.2.2. Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu ở nước ngoài . 14
Kết luận 1 15
CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ HÀN GIÁP MỐI MỘT PHÍA TRONG ĐÓNG TÀU THỦY . 17
2.1. Đặc điểm công nghệ hàn giáp mối một phía trong đóng tàu . 17
2.2. Vật liệu chế tạo vỏ tàu . 18
2.2.1. Thép có độ bền bình thường 19
2.2.2. Thép độ bền cao 20
2.3. Công nghệ hàn hồ quang dây lõi thuốc trong đóng tàu . 21
2.3.1 Vật liệu hàn FCAW . 23
2.3.2 Thiết bị hàn FCAW . 26
2.3.3 Các thông số cơ bản của công nghệ hàn FCAW . 27
2.3.4 Các dạng dịch chuyển kim loại trong hàn FCAW . 33
2.3.5 Đặc điểm hình thành mối hàn ở các vị trí hàn khác nhau 35
Kết luận 2 38
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN
HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN TỔNG ĐOẠN 39
Mục đích . 39
3.1. Mô hình thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình
dạng và kích thước của mối hàn 39
3.1.1. Các thông số công nghệ của mô hình thực nghiệm 39
3.1.2. Các thông số cơ bản của hệ thống thực nghiệm . 41
3.2. Quy hoạch thực nghiệm xác định mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn với
hình dạng và kích thước của mối hàn 45
3.2.1. Xây dựng mối quan hệ toán học . 45
3.2.2. Khoanh vùng các thông số chế độ hàn 46
3.3. Quy trình thực nghiệm . 48
3.4. Kết quả thực nghiệm và thảo luận . 48
3.4.1. Kết quả thực nghiệm 48
3.4.2. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến hình dạng và kích thước của đường
hàn đáy 55
3.4.3. Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy . 55
3.4.4. Ảnh hưởng của tần số dao động đầu hàn đến hình dạng và kích thước của đường
hàn đáy 56
3.4.5. Ảnh hưởng của thời gian dừng dao động đầu hàn đến hình dạng và kích thước của
đường hàn đáy . 56
3.4.6. Ảnh hưởng đồng thời giữa I
3.4.7. Ảnh hưởng đồng thời giữa Vh và Vh và thd
đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy . 57
đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy . 57
3.5. Xác định bộ thông số chế độ hàn theo kích thước mong muốn của đường hàn đáy 58
Kết luận chương 3 . 59
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ HÀN ĐẾN HÌNH DẠNG VÀ
KÍCH THƯỚC MỐI HÀN TỔNG ĐOẠN . 60
Mục đích . 60
4.1. Mô hình và chế độ thực nghiệm 60
4.2. Quy hoạch thực nghiệm xác định ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích
thước của mối hàn . 63
4.2.1. Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số 63
4.2.2. Quy trình thực nghiệm . 64
4.3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận . 65
4.3.1. Kết quả thực nghiệm 65
4.3.2. Ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn tổng đoạn . 68
Kết luận 4 71
CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ TỔ CHỨC TẾ VI
LIÊN KẾT HÀN TỔNG ĐOẠN VỎ TÀU . 72
5.1. Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, biến đổi tổ chức kim loại, ứng suất và biến dạng
hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn 72
5.1.1. Lý thuyết PTHH của bài toán nhiệt - đàn hồi - dẻo 72
5.1.2. Mô hình tính toán mô phỏng số quá trình hàn 76
5.1.3. Các điều kiện tính toán mô phỏng số . 79
5.1.4. Phân bố trường nhiệt độ và chu trình nhiệt trong liên kết tổng đoạn . 83
5.1.5. Biến đổi tổ chức kim loại trong liên kết hàn tổng đoạn 87
5.1.6. Ứng suất dư và biến dạng góc của liên kết hàn tổng đoạn 91
5.2. Thực nghiệm chế tạo liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu thủy 95
5.3. Đo biến dạng góc thực của liên kết hàn tổng đoạn 97
5.4. Kiểm tra cơ tính của liên kết hàn tổng đoạn 100
5.4.1. Độ bền kéo ngang của liên kết hàn tổng đoạn . 100
5.4.2. Độ bền uốn của liên kết hàn tổng đoạn 101
5.5. Phân tích cấu trúc kim loại trong liên kết hàn tổng đoạn 102
5.5.1 Cấu trúc thô đại của liên kết hàn tổng đoạn 102
5.5.2 Cấu trúc tế vi của liên kết hàn tổng đoạn 103
5.6. Thiết lập bộ thông số công nghệ hàn Auto - FCAW phù hợp cho liên kết hàn tổng
đoạn vỏ tàu 109
Kết luận 5 111
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN 112
KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO .
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
PHỤ LỤC .
Phụ lục 1: Quy hoạch thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình
dạng và kích thước mối hàn tổng đoạn
Phụ lục 2: Quy hoạch thực nghiệm ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích
thước mối hàn tổng đoạn .
Phụ lục 3: Chương trình con mô tả quỹ đạo đường hàn dạng dao động ngang răng cưa .
MỞ ĐẦU
Việt Nam là một quốc gia biển, có một nửa biên giới giáp với biển Đông từ phía
Đông, Nam và Tây Nam bao gồm 3.260 km bờ biển, nằm ngay bên tuyến hàng hải Quốc tế
nhộn nhịp thứ hai của thế giới; Với hơn 4.200 km2 biển nội thuỷ, vùng lãnh hải, vùng đặc
quyền kinh tế và thềm lục địa cùng với hơn 4.000 hòn đảo và bãi đá ngầm lớn nhỏ. Tính
chung, biển Việt Nam có khoảng 1 triệu Km2, thuộc khu vực đang có tốc độ phát triển kinh
tế nhanh và năng động nhất Thế giới. Đây là những tiềm năng to lớn cho chiến lược phát
triển kinh tế biển.
Hội nghị lần thứ tư Ban Chấp hành Trung ương Đảng (khoá X) đã ra Nghị quyết 09 -
NQ/ TW ngày 9-2-2007 về chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020, đã nhấn mạnh: “Thế
kỷ XXI được Thế giới xem là thế kỷ của đại dương”. Các quốc gia có biển đều rất quan



tâm đến biển và coi trọng việc xây dựng chiến lược biển. Khu vực biển Đông, trong đó có
vùng biển Việt Nam, có vị trí địa kinh tế và địa chính trị hết sức quan trọng. Mục tiêu tổng
quát đến năm 2020 phấn đấu đưa nước ta trở thành quốc gia mạnh về biển, làm giàu từ
biển, bảo đảm vững chắc chủ quyền, quyền chủ quyền Quốc gia trên biển, đảo, góp phần
quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá, làm cho đất nước giàu mạnh [1].
Xuất phát từ chủ trương đó, Chính phủ đã xác định ngành công nghiệp đóng tàu là
một trong những ngành công nghiệp nền tảng và then chốt trong việc thực hiện chiến lược
biển Việt Nam; Chính Phủ đã ra Quyết định số: 2290/QĐ-TTg, ngày 27 tháng 11 năm
2013 về quy hoạch tổng thể phát triển ngành công nghiệp tàu thủy Việt Nam đến năm
2020, định hướng đến năm 2030, nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế biển phù hợp
với Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020 và phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế - xã
hội; góp phần củng cố quốc phòng, an ninh và bảo vệ chủ quyền quốc gia trên các vùng
biển và hải đảo của Tổ quốc [2].
Để thực hiện thành công chiến lược phát triển kinh tế biển và đảm bảo an ninh quốc
phòng, ngành công nghiệp tàu thủy đã và đang đầu tư xây dựng các nhà máy mới và nâng
cấp một số nhà máy hiện có đồng bộ về trang thiết bị, hiện đại về công nghệ, tiến tới đạt
chuẩn công nghiệp đóng tàu Thế giới; có đủ năng áp dụng các công nghệ đóng tàu tiên tiến
như thiết kế và chế tạo thân tàu theo tổng đoạn (Module).
Công nghệ hàn chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng khối lượng công việc đóng tàu. Vì
vậy, việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các quá trình hàn tiên tiến, năng suất cao, chất
lượng tốt và ổn định bằng các hệ thống thiết bị hàn bán tự động, tự động và Robot hàn, .
vào quá trình chế tạo thân tàu là một vấn đề rất cấp thiết. Trong quá trình chế tạo vỏ tàu,
liên kết hàn giáp mối một phía chiếm khoảng từ 9 ¸10 % khối lượng công việc hàn, đặc
biệt là công đoạn chế tạo và lắp ráp các phân đoạn, tổng đoạn của thân tàu. Hiện nay trên
Thế giới, khi hàn một phía, khối lượng hàn hồ quang tay (SMAW) ngày càng giảm, thay
vào đó là các quá trình hàn tiên tiến được áp dụng vào công nghệ đóng tàu đưa lại hiệu quả
cao, như: công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc (SAW), hàn hồ quang kim loại nóng chảy
trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), hàn hồ quang dây lõi thuốc (FCAW), hàn điện khí
(EGW), Hiện nay, các nhà máy đóng tàu Ở Việt Nam đã và đang ứng dụng ngày càng
nhiều các quá trình hàn SAW, GMAW và FCAW để hàn giáp mối một phía nhưng chủ yếu
ở các vị trí hàn thuân lợi (hàn bằng, hàn ngang). Tuy nhiên với liên kết hàn tổng đoạn có
biên dạng phức tạp và ở vị trí khó hàn nên thường sử dụng phương pháp hàn thủ công hoặc
bán tự động cho năng suất thấp và chất lượng không ổn định.
Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn thích hợp để hàn liên kết giáp mối
một phía nối tổng đoạn vỏ tàu là rất cần thiết và có nghĩa thực tiễn cao. Trên cơ sở đó,
tác giả đã đề xuất nghiên cứu áp dụng công nghệ hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc Auto-FCAW
vào hàn nối tổng đoạn vỏ tàu và triển khai nghiên cứu trong đề tài “Nghiên cứu
công nghệ hàn giáp mối một phía ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu thủy”.
Mục đích của luận án
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn chính Auto-FCAW đến hình dạng
và kích thước của mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu.
Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng, kích thước và khả năng hình
thành mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW.
Nghiên cứu ứng suất, biến dạng và tổ chức tế vi kim loại liên kết hàn giáp mối một
phía nối tổng đoạn vỏ tàu.
Thiết lập bộ thông số công nghệ hàn phù hợp với liên kết hàn giáp mối một phía nối
tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW.