Luận Văn Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu

Đồ án tốt nghiệp năm 2012
Đề tài: Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ 2
1.1. Lý do lựa chọn đề tài 2
1.2. Tổng quan vấn đề biến dạng hàn tàu thủy . 3
1.3. Mục tiêu, phương pháp và giới hạn nội dung nghiên cứu 6
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu . 6
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu 6
1.3.3. Giới hạn nội dung nghiên cứu 7
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8
2.1. Vấn đề biến dạng góc 8
2.2. Phương pháp tính biến dạng góc . 11
2.2.1. Phương pháp đo biến dạng góc 14
2.2.2. Công thức tính biến dạng góc của Giáo sư Okerblom . 16
2.2.3. Kết quả mô phỏng của tiến sĩ Artem Pilipenko 16
2.2.4. Công thức tính biến dạng góc theo đề xuất của Watanabe and Satoh 17
2.3. Các phương pháp khắc phục biến dạng góc 18
2.3.1. Biện pháp kết cấu . 18
2.3.2. Biện pháp công nghệ khi hàn . 19
2.3.3. Biện pháp công nghệ sau khi hàn . 21
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU . 23
3.1. Nghiên cứu biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu với phương
pháp hàn hồ quang tay và thép dày 8 mm . 23
3.1.1. Quy trình hàn nghiên cứu . 23
- v -3.1.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm . 24
3.1.3. Mô tả thí nghiệm . 24
3.1.4. Phương pháp đo biến dạng góc 25
3.1.5. Kết quả nghiên cứu . 27
3.1.5.1. Kết quả hàn thí nghiệm trên phôi mẫu . 27
3.1.5.2. So sánh kết quả nghiên cứu 30
3.1.5.3. Kết luận sơ bộ . 35
3.2. Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm
tôn bao vỏ tàu với phương pháp hàn hồ quang tay và thép dày 8 mm . 35
3.2.1. Cơ sở đề xuất giải pháp 35
3.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm . 36
3.2.3. Mô tả thí nghiệm . 37
3.2.4. Phương pháp đo biến dạng góc 38
3.2.5. Kết quả nghiên cứu . 40
3.2.5.1. Kết quả khắc phục biến dạng hàn trên mẫu 40
CHƯƠNG 4
THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT 42
4.1. Kết luận 42
4.2. Thảo luận kết quả . 42
4.3. Kiến nghị . 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO 48
PHỤ LỤC . 49
- vi -DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục các bảng
Trang
Bảng 3.1. Kết quả biến dạng góc hàn thí nghiệm trên mẫu 28
Bảng 3.2. Kết quả biến dạng góc hàn trên mẫu theo nghiên cứu của Ths. Bùi
Văn Nghiệp . 32
Bảng 3.3. Các biến số và cấp độ của quá trình hàn 33
Bảng 3.4. Kết quả nghiên cứu biến dạng góc của một số nhà khoa học . 33
Bảng 3.5. Kết quả khắc phục biến dạng góc hàn thí nghiệm trên mẫu 40
2. Danh mục các chữ viết tắt
VR: Vietnam Register – Cục Đăng kiểm Việt Nam
DNV: Det Norske Veritas – Cục Đăng kiểm Nauy
SAW: Submerged Arc Welding – Hàn hồ quang dưới lớp thuốc
GMAW: Gas Metal Arc Welding – Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy
trong môi trường khí bảo vệ
SMAW: Shielded Metal Arc Welding – Hàn hồ quang tay
- 1 -MỞ ĐẦU
Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi đặc biệt, hoạt động trong môi
trường rất khắc nghiệt, chịu tác động của rất nhiều yếu tố như: sóng, gió, khí
tượng, thủy văn Vì vậy, ngoài việc thiết kế tàu để đảm bảo các thông số
hình dáng ra thì việc chế tạo, hàn lắp ghép tấm tôn vỏ với nhau và liên kết
tấm tôn vỏ các kết cấu khung giàn để đảm bảo độ kín khít, bền chung của con
tàu cũng là vấn đề vô cùng quan trọng.
Trong quá trình hàn nối các tấm tôn bao vỏ tàu với nhau, có rất nhiều
biến dạng xảy ra đặc biệt là biến dạng góc. Biến dạng góc ảnh hưởng rất lớn
đến chất lượng của mối hàn, chất lượng sản phẩm Do đó, nghiên cứu về
biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu là rất quan trọng và cần thiết.
Với mong muốn nghiên cứu biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu
cũng như đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ
tàu để nâng cao chất lượng của mối hàn, chất lượng của sản phẩm. Nên tôi đã
thực hiện đề tài với nội dung: “Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục
biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu”.


CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Lý do lựa chọn đề tài
Hiện nay, công nghệ hàn được ứng dụng rất phổ biến và rộng rãi trong
ngành đóng tàu. Đối với kết cấu thân tàu, công việc hàn được quy định rất
chặt chẽ và kiểm tra rất khắt khe, điều này được thể hiện qua các tiêu chuẩn,
quy định và quy trình hàn.
Tuy nhiên, trong quá trình hàn tàu dù có áp dụng phương pháp nào đi
nữa thì cũng không thể tránh khỏi được ứng suất dư và biến dạng dư, thực tế
đã chứng minh điều đó.
Trong quá trình hàn các tấm tôn bao vỏ tàu lại với nhau, có rất nhiều
biến dạng xảy ra nhưng biến dạng thể hiện rõ nhất là biến dạng góc. Biến
dạng góc làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mối hàn, chất lượng sản
phẩm. Nếu góc biến dạng quá lớn thì làm hỏng chi tiết kết cấu. Do đó, việc
nghiên cứu về biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu là rất quan trọng và
cần thiết.
Trong lịch sử nghiên cứu cũng đã có rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu
về ứng suất và biến dạng hàn tàu thủy như: Koichi, Masubuchi, Giáo sư
Okerblom, Artem Pilipenko, Sivakumar, Gunaraj, Sorensen Tuy nhiên
những kết quả nghiên cứu này không khái quát hết các vấn đề phức tạp của
biến dạng hàn tàu thủy, ví dụ như từ kết quả nghiên cứu của Ths. Bùi Văn
Nghiệp kết quả nghiên cứu với phương pháp hàn SAW, thép dày 20 mm, I
(1700ư2000) A thì biến dạng góc nằm trong khoảng (3.53ư5.08
0
), kết quả này
cao hơn rất nhiều so với kết quả nghiên cứu của GS Okerblom (2.03ư2.38
0
).
- 3 -Từ vấn đề thực tế trên, với mong muốn nghiên cứu rộng hơn về chiều
dày thép khác nhau, phương pháp hàn khác nhau xem thử kết quả biến dạng
góc như thế nào, đồng thời cũng đề xuất phương án khắc phục biến dạng góc
khi hàn nối hai tấm tôn bao vỏ tàu cho một chiều dày tấm nhất định.
Với những lý do hết sức thực tiễn nêu trên nên việc lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn
bao vỏ tàu” là thật sự ý nghĩa và cần thiết.
1.2. Tổng quan vấn đề biến dạng hàn tàu thủy
Lịch sử phát triển của ngành công nghiệp đóng tàu gắn liền với lịch sử
phát triển của công nghệ hàn. Năm 1802, nhà bác học Nga Pê-tơ-rốp đã tìm ra
hiện tượng hồ quang điện và chỉ rõ khả năng sử dụng nhiệt năng của nó để
làm nóng chảy kim loại, mở ra thời kỳ hàn hồ quang tay trong ngành công
nghiệp đóng tàu.
Vào năm 1887, nhà khoa học người Nga Nikolai Bernados đã phát
minh ra phương pháp sử dụng hồ quang của điện cực các bon để hàn các chi
tiết bằng công nghệ hàn tay và phương pháp này được áp dụng rộng rãi ở
Châu Âu và Châu Mỹ với phạm vi sáng chế do sử dụng điện áp và cường độ
dòng điện quá cao (100 – 300V và 600 – 1000A). Vào thời điểm này ngành
công nghiệp đóng tàu vỏ thép phát triển ở các nước Anh, Mỹ, Nga, Nauy,
cũng bắt đầu phát triển theo và ứng dụng hàn hồ quang điện cực các bon.
Đến năm 1907, Oscar kjellberg (Người Thụy Điển) đã đưa ra ý tưởng
hàn hồ quang tay bằng que hàn có vỏ bọc. Và cũng từ đây công nghệ hàn
được sử dụng rất rộng rãi để hàn vỏ tàu thép của các nước trên thế giới.
- 4 -Trong những năm 1910 – 1920, nhằm phục vụ cho thế chiến thứ nhất
mà công nghệ đóng tàu trên thế giới đã được đầu tư và phát triển mạnh mẽ,
kết cấu hàn được áp dụng hầu hết các tàu trên thế giới nhưng thời điểm đó chỉ
là tàu cỡ nhỏ và các tàu phục vụ cho thế chiến thứ nhất.
Thời kỳ phát triển cao của công nghệ hàn trong ngành công nghiệp
đóng tàu được mở ra khi viện sĩ Paton (Người Nga) ứng dụng thành công
công nghệ hàn dưới lớp thuốc vào năm 1939.
Năm 1919 Roberts và Van Nuys thử nghiệm dùng khí bảo vệ hồ quang
hàn nhưng mãi đến năm 1940 phương pháp hàn sử dụng khí trơ để bảo vệ hồ
quang mới thành công. Những năm 1940 thế giới đã sản xuất hàng loạt các
loại tàu lớn áp dụng hàn kết cấu, dùng chở hàng và các két chứa Từ những
ứng dụng kỹ thuật mới, ngành công nghiệp đóng tàu đã trở lên phát triển hơn
bao giờ hết. Loạt tàu “Tự do – Liberty” nổi tiếng, được đóng thành công đã
chứng minh điều này.
Nhưng không may, những chiếc tàu mang tên “Tự do” này không chỉ
nổi tiếng vì thời gian chế tạo ra ngắn, ứng dụng nhiều phương pháp hàn mà
rất nhiều trong số đó đã bị gẫy làm đôi trong khi vận hành, nhấn chìm toàn bộ
hàng hóa và thủy thủ. Nguyên nhân chính là do sự tập trung ứng suất và lỗi kỹ
thuật trong quá trình chế tạo, lắp ráp và hàn các chi tiết kết cấu lại với nhau.
Từ sau thảm họa này, các nhà khoa học trên thế giới đã quan tâm hơn rất
nhiều và có những công trình nghiên cứu về vấn đề ứng suất và biến dạng
hàn. Những ảnh hưởng của ứng suất và biến dạng cũng như đưa ra rất nhiều
các biện pháp để giảm thiểu ứng suất và biến dạng đến mức thấp nhất.
Hiện nay, công nghệ hàn càng ngày càng phát triển, rất nhiều các
phương pháp hàn tàu được áp dụng, chất lượng mối hàn ngày càng được nâng
- 5 -cao, giảm chi phí sản xuất, nâng cao hiệu quả kinh tế Tuy nhiên, trong quá
trình đóng tàu mặc dù đã có rất nhiều các phương pháp hàn được ứng dụng
nhưng không thể tránh khỏi được ứng suất dư và biến dạng dư.
Ứng suất dư trong kết cấu hàn kết hợp với ứng suất sinh ra do ngoại lực
tác dụng trong quá trình làm việc, ứng suất tổng hợp này là nguy cơ làm giảm
khả năng làm việc của kết cấu và tạo khả năng xuất hiện những vết nứt, gãy
trong chúng.
Biến dạng hàn thường làm sai lệch hình dáng và kích thước của kết
cấu, gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mối hàn, gây hư hỏng kết cấu.
Theo Koichi và Masubuchi, biến dạng hàn được chia ra:
v Biến dạng trong mặt phẳng tấm (In-plane Distortion) gồm:
1) Biến dạng do co ngang (Transverse Shrinkage)
2) Biến dạng do co dọc (Longitudinal Shrinkage)
3) Biến dạng do xoay (Rotational Distortion)
v Biến dạng ngoài mặt phẳng tấm (Out-of-Plane Distortion) gồm:
1) Biến dạng góc (Angular Distortion)
2) Biến dạng xoắn (Buckling Distortion)
3) Biến dạng dọc (Longitudinal Bending Distortion)
4) Biến dạng cục bộ (Features of Buckling Distortion)
- 6 -Hình 1.1. Các kiểu biến dạng hàn
Đi đôi với biến dạng hàn là các biện pháp khắc phục biến dạng hàn.
Hiện nay, người ta đã có rất nhiều biện pháp như: các biện pháp kết cấu, các
biện pháp công nghệ khi hàn và sau khi hàn để làm giảm ứng suất và biến
dạng hàn đến mức tối thiểu, nâng cao chất lượng của mối hàn, chất lượng của
sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế.
1.3. Mục tiêu, phương pháp và giới hạn nội dung nghiên cứu
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu với phương pháp
hàn hồ quang tay, thép tấm dày 8 mm đồng thời cũng đề xuất giải pháp khắc
phục biến dạng trong trường hợp này.
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở lý thuyết về vấn đề ứng suất biến
dạng hàn và kết hợp với thực nghiệm trên phôi mẫu.
- 7 -1.3.3. Giới hạn nội dung nghiên cứu
Từ ý nghĩa thực tiễn của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đề tài thực hiện
trong phạm vi như sau:
1. Nghiên cứu biến dạng góc khi hàn nối tấm tôn bao vỏ tàu với
phương pháp hàn hồ quang tay, thép dày 8 mm.
2. Đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ
tàu với phương pháp hàn hồ quang tay, thép dày 8 mm.
3. Thảo luận kết quả và đề xuất ý kiến.
- 8 -CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Vấn đề biến dạng góc
Biến dạng hàn làm sai lệch hình dáng và kích thước của kết cấu. Khi
hàn tấm tôn bao vỏ tàu lại với nhau có rất nhiều kiểu biến dạng xảy ra như
(biến dạng do co ngang, biến dạng do co dọc, biến dạng xoắn, biến dạng do
xoay, biến dạng dọc ). Tuy nhiên, những biến dạng này rất nhỏ, biến dạng
góc là biến dạng được thể hiện rõ nhất so với các kiểu biến dạng khác. Biến
dạng góc được quan tâm rất đặc biệt trong quá trình hàn các mối hàn giáp
mối.
Nguyên nhân xuất hiện biến dạng góc là do độ co ngót của kim loại
không đều theo tiết diện mối hàn khi hàn các mối hàn giáp mối vát mép chữ
V và khi hàn mối hàn góc.
Hình 2.1. Biến dạng góc
Trong quá trình hàn, ngoài biến dạng góc còn có ứng suất dư. Ứng suất
và biến dạng hoàn toàn đối lập nhau. Nếu chúng ta cố gắng giảm biến dạng
góc bằng cách hạn chế sẽ dẫn tới làm cho ứng suất dư tăng lên. Mà ứng suất
ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của kết cấu, là nguyên nhân gây nứt,
- 9 -gãy trong chúng. Tuy nhiên, biến dạng góc có thể được giảm bằng cách cung
cấp góc biến dạng ban đầu theo hướng ngược lại nếu độ lớn của góc biến
dạng là dự đoán được. Nếu biết được chính xác độ lớn góc biến dạng thì sau
khi hàn kết quả sẽ không có biến dạng xảy ra. Tuy nhiên, dự đoán được góc
biến dạng là điều không dễ dàng. Vì vậy, để biết được góc biến dạng là bao
nhiêu thì cần có quá trình nghiên cứu những ảnh hưởng của các thông số biến
dạng góc để đưa ra các con số thống kê về biến dạng góc.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Hoàng Tùng (1997), Sổ tay công nghệ Hàn, Đại học Bách khoa Hà Nội.
[2]. Trương Công Đạt (1999), Kỹ Thuật Hàn, NXB Thanh Niên.
[3]. Ngô Lê Thông (2004), Công nghệ Hàn, Đại học Bách khoa Hà Nội.
[4]. Bùi Văn Nghiệp, Chương 3 “Nghiên cứu thực nghiệm của nguồn nhiệt và
góc vát mép đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu”, luận văn thạc
sĩ, Đại học Nha Trang.
[5]. Bùi Văn Nghiệp (2010), Bài giảng hàn vỏ tàu, Đại học Nha Trang.
[6]. Cục Đăng kiểm Việt Nam (2003), “Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển
vỏ thép TCVN 6259 - 2A : 2003”, Quy phạm Việt Nam 2003 – chương 6.
[7]. Các tài liệu trên Internet.