Đánh giá ảnh hưởng của chiều rộng tấm đến biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu thủy

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2014 48 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU RỘNG TẤM ĐẾN BIẾN DẠNG GÓC KHI HÀN TẤM TÔN BAO VỎ TÀU THỦY THE ASSESSMENT EFFECT ON THE BREADTH OF PLATE TO AN ANGULAR DISTORTION WHILE WELDING OF SHIP HULL Bùi Văn Nghiệp1 Ngày nhận bài: 01/3/2014; Ngày phản biện thông qua: 05/4/2014; Ngày duyệt đăng: 13/8/2014 TÓM TẮT Bài báo này công bố kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chiều rộng tấm đến biến dạng góc của phôi do quá trình hàn gây ra khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu thủy, nghiên cứu được thực hiện theo quy trình R-31/PA với các thông số chiều rộng phôi hàn khác nhau. Kết quả cho thấy: biến dạng góc trên từng vị trí mặt cắt ngang (theo chiều rộng) phôi hàn là không giống nhau, phôi hàn có chiều rộng càng lớn thì biến dạng góc càng nhỏ và ngược lại. Khi chiều rộng phôi hàn lớn hơn 500 mm, vị trí từ tâm mối hàn đến chiều rộng 40 mm, mặt cắt của phôi có hình dạng parapol, từ 40 mm đến 60 mm tấm cong ngược lại, phần còn lại có góc biến dạng không thay đổi. Đồng thời kết quả thực nghiệm không trùng khớp với kết quả tính theo Okerblom [6]. Từ khóa: biến dạng góc, chiều rộng phôi hàn, chiều rộng tấm ABSTRACT This paper performs results of study on effects between the breadth of butted plate and an angular distortion while welding of ship hull, all experiments are conducted on the R-31/PA welding proceduce with different breadths of butted plate. The result shows that : the angular distortion along cross section of butted plate are different, if the breadth of butted plate is increased, the angular distortion will be reduced and contrary. In case the breath of butted plate exceeds 500 mm, the cross section of butted plate has parabol profi le on the range from the center to 40 mm of plate-breadth, from 40 mm to 60 mm of plate-breadth the profi le is opposite bending, remaining of butted plate is similar of angular distortion. Simultaneous, the experimental results are not satisfy with the Okerblom’s formular. Keywords: angular distortion, breadth of butted weld, breadth of butted plate 1 ThS. Bùi Văn Nghiệp: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC I. ĐẶT VẤN ĐỀ Nghiên cứu ứng suất và biến dạng trong và sau khi hàn là một trong những vấn đề rất phức tạp trong ngành kỹ thuật tàu thủy. Khi hàn nối các tấm tôn bao vỏ tàu với nhau, nhiều kiểu biến dạng xảy ra đồng thời, đặc biệt là biến dạng góc, nó có giá trị lớn nhất [7], gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn. Thực tế tại các nhà máy đóng tàu thủy hiện nay, vấn đề biến dạng nói chung, biến dạng góc nói riêng vẫn đang tồn tại, do đó sau khi hàn, nhà máy phải tốn một khoảng chi phí lớn để khắc phục, sửa chữa. Phương pháp khắc phục chủ yếu là gia nhiệt, phương pháp này ít nhiều gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm vì sử dụng nhiệt làm biến đổi tính chất vật liệu. Đã có rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu vấn đề ứng suất và biến dạng hàn như: Slavianov (1892) [7], Rosenthal Daniel (1940) [8], Okerblom (1955) [9], Ola Westby (1968) [10], Artem Pilipenko (2001) [7],... Ở Việt Nam, có thể kể đến một số nghiên cứu của tác giả năm 2009, 2010 và 2012 [1], [2], [3], Hoàng Văn Tráng (2012) [4], Tuy nhiên, những nghiên cứu này cho kết quả sai lệch so với thực nghiệm hoặc chỉ mới giải quyết một phần rất nhỏ trong hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng góc khi hàn tàu thủy. Trong rất nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến biến dạng góc khi hàn nối tấm tôn bao vỏ tàu thủy thì chiều rộng tấm nguyên liệu có ý nghĩa quan trọng. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 49 Vậy chiều rộng tấm có ảnh hưởng như thế nào đến biến dạng góc khi hàn tấm tôn bảo vỏ tàu thủy? Bằng các nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên phôi mẫu, tác giả đã tìm được mối quan hệ này. Ngoài ra kết quả nghiên cứu này cũng sẽ khuyến cáo nguy cơ xảy ra biến dạng khi hàn các tấm có chiều rộng khác nhau, đồng thời để có cơ sở nghiên cứu các giải pháp hạn chế tối đa biến dạng, hạn chế chi phí cũng như công sức khắc phục khuyết tật do biến dạng hàn gây ra, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm. Bên cạnh đó, kết quả thực nghiệm cũng đánh giá lại độ chính xác của công thức tính biến dạng góc do Okerblom đề xuất khi áp dụng trong điều kiện thực tế hàn vỏ tàu thủy có tính đến chiều rộng tấm. Kết quả nghiên cứu này là dữ liệu cho các nghiên cứu tiếp theo, đồng thời cũng là cơ sở dữ liệu để mô phỏng số nhằm giảm thiểu chi phí thực nghiệm trong điều kiện tổ chức thực nghiệm trong lĩnh vực hàn tàu thủy khá tốn kém. II. ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Đối tượng nghiên cứu Sự ảnh hưởng của chiều rộng tấm đến biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu thủy được ng- hiên cứu với mối ghép giáp mối, tư thế hàn bằng do quá trình hàn hồ quang tay gây ra. Quy trình hàn lựa chọn nghiên cứu là R-31/PA, theo tiêu chuẩn VR [5], với các thông số cơ bản: Kiểu mối hàn giáp mối; Tư thế hàn bằng (1G); Vật liệu cơ bản ASTM A131; Cấp vật liệu AH36; Chiều dày tấm 10 mm; Vật liệu hàn AWS E6013; Số lớp hàn 04; Kiểu vát mép chữ V (550±5). Chế độ hàn và quy cách mối hàn được cho tương ứng ở bảng 1 và hình 1. Bảng 1. Chế độ hàn Lớp hàn Phương pháp hàn Điện cực (mm) Cường độ dòng điện (A) Điện áp (V) Tốc độ hàn (mm/s) Ghi chú 1 SMAW Ø3.2 70 20 3÷4 2 SMAW Ø3.2 100 20 3÷4 3 SMAW Ø3.2 100 20 3÷4 4 SMAW Ø3.2 110 20 3÷4 Hình 1. Quy cách của mối hàn nghiên cứu 2. Quy cách, số lượng phôi hàn thí nghiệm và nơi thực hiện Quy cách phôi hàn thí nghiệm được tiến hành theo quy định [5] ở hình 2, với: chiều dài L = 350 mm, chiều rộng cho 7 loại phôi B1 = 300 mm, B2 = 500 mm, B3 = 1000 mm, B4 = 1500 mm, B5 = 2000 mm, B6 = 3000 mm, B7 = 400 mm, chiều dày tất cả các phôi là 10 mm. Thí nghiệm được tiến hành trên 21 phôi cho mỗi trường hợp, vậy có 147 phôi cho cả nghiên cứu. Các phôi hàn có chiều rộng Bi ≤ 2000 mm được thực hiện tại Trung tâm Hàn kỹ thuật cao - Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang. Các phôi hàn có chiều rộng Bi > 2000 mm được thực hiện tại Công ty Trách nhiệm hữu hạn Nhà máy tàu biển Hyundai Vinashin. Hình 2. Kích thước phôi hàn nghiên cứu 3. Trình tự nghiên cứu thực nghiệm Trên cơ sở các vấn đề lý thuyết liên quan, nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành theo các bước: Bước 1: Chuẩn bị vật liệu cơ bản, vật liệu hàn và thiết bị liên quan; Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2014 50 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Bước 5: Hàn phôi mẫu theo quy trình [5]; Bước 6: Đo kết quả thực nghiệm. Phương pháp đo biến dạng góc mối hàn được xác định bằng cách cho mẫu nằm trên mặt chuẩn, dùng thước thẳng đặt ngang qua bề mặt mẫu, dùng thước đo khe hở đặt vào giữa bề mặt mẫu và bề mặt thước sẽ cho kích thước độ hở e (hình 4). Từ e bằng phương pháp toán học tính được góc biến dạng β; Hình 4. Phương pháp đo khe hở e Xác định góc biến dạng β theo công thức: β = 2.sin (e/b).180/π (1) Trong đó: e là khe hở giữa thước và phôi tại mối hàn [mm], b = B/2 (B là chiều rộng phôi) [mm] Hình 3. Lưới đo biến dạng hàn trên phôi mẫu Bước 7: Thảo luận và đánh giá kết quả nghiên cứu. Cơ sở để thảo luận và đánh giá kết quả nghiên cứu dựa trên các yếu tố: - Các kết quả nghiên cứu liên quan; - Công thức tính toán biến dạng góc do Okerblom đề xuất [9]: β = 0.13 I.U (2) v,h2 Trong đó: I là cường độ dòng điện [A]; U là hiệu điện thế [V]; ν là tốc độ hàn [mm.s-1]; h: là chiều dày tấm [mm]. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Kết quả tổng hợp ảnh hưởng chiều rộng tấm đến biến dạng góc Tổng hợp các trường hợp hàn thí nghiệm, kết quả ảnh hưởng của chiều rộng tấm đến biến dạng góc được thể hiện trên bảng 2. Bảng 2. Tổng hợp kết quả ảnh hưởng của chiều rộng tấm đến biến dạng góc STT Chiều rộng tấm B (mm) Góc biến dạng lớn nhất bmax (độ) Góc biến dạng nhỏ nhất bmin (độ) Góc biến dạng trung bình btb (độ) Ghi chú 1 300 3.7 3.1 3.4 2 500 3.5 3.3 3.0 3 1000 2.6 2.1 2.4 4 1500 2.3 1.9 2.2 5 2000 2.0 1.7 1.9 6 3000 1.8 1.5 1.7 7 4000 1.8 1.5 1.7 Bước 2: Cắt phôi mẫu theo kích thước quy định [5]; Bước 3: Hàn đính phôi mẫu theo quy định [5]; Bước 4: Vạch dấu mạng lưới trên phôi mẫu để phục vụ công tác đo lấy kết quả biến dạng: Lưới được chia song với trục mối hàn, với 2 loại, loại khoảng cách lưới 10 mm từ tâm mối hàn đến chiều rộng 200 mm và loại có khoảng cách lưới 50 mm ứng với phần còn lại (hình 3); Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 51 Hình 5. Đồ thị quan hệ giữa chiều rộng tấm và biến dạng góc 2. Kết quả biến dạng góc mặt cắt ngang phôi hàn có chiều rộng B1 = 300 mm và B2 = 500 mm Trường hợp phôi hàn có chiều rộng B1 và B2, kết quả biến dạng góc được thể hiện trên bảng 3 và bảng 4. Bảng 3. Kết quả biến dạng góc trên phôi hàn có chiều rộng B1 = 300 mm Nửa chiều rộng B/2 (mm) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Khe hở e (mm) 0 0.3 0.7 1 1.3 1.6 2 2.3 2.6 2.9 3.3 3.6 3.9 4.2 4.6 4.9 Bảng 4. Kết quả biến dạng góc trên phôi hàn có chiều rộng B2 = 500 mm Nửa chiều rộng B/2 (mm) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 - 250 Khe hở e (mm) 0 0.3 0.6 1.0 1.3 1.6 2.0 2.3 2.6 2.9 Phôi không biến dạng,e tăng đều tuyến tính với Δe=0.3 Biến dạng mặt cắt ngang của phôi trong trường hợp B1 và B2 tạo thành góc chữ V như hình 6. Hình 6. Biến dạng mặt cắt ngang của phôi hàn có chiều rộng B1 = 300 mm 3. Kết quả biến dạng góc trên mặt cắt ngang phôi hàn có chiều rộng B3 = 1000 mm, B4 = 1500 mm, B5 = 2000 mm, B6 = 3000 mm và B7 = 4000 mm Trường hợp phôi hàn có chiều rộng B3, B4, B5, B6, B7, kết quả biến dạng góc được thể hiện trên bảng 5. Bảng 5. Kết quả biến dạng góc trên phôi hàn có chiều rộng B3, B4, B5, B6, B7 Nửa chiều rộng B/2 (mm) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 - 2000 Phôi không biến dạng, e tăng đều tuyến tính Khe hở e (mm) B3=1000 0 0.1 0.2 0.4 0.8 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 với Δe=0.2 B4=1500 0 0.1 0.2 0.5 0.9 1.3 1.5 1.7 1.8 1.9 với Δe=0.1 B5=2000 0 0.1 0.2 0.5 1.0 1.3 1.5 1.6 1.7 1.8 với Δe=0.1 B6=3000 0 0.1 0.2 0.6 1.0 1.2 1.4 1.5 1.6 1.7 với Δe=0.1 B7=4000 0 0.1 0.2 0.5 1.0 1.2 1.4 1.5 1.6 1.7 với Δe=0.1 Ảnh hưởng của chiều rộng tấm đến biến dạng góc có thể biểu diễn dưới dạng đồ thị (hình 5). Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2014 52 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Biến dạng mặt cắt ngang của phôi trong trường hợp B3, B4, B5, B6 và B7 có dạng parabol trong khu vực từ tâm mối hàn đến chiều rộng khoảng 40 mm và có điểm uốn tạo đường cong ngược trong khu vực từ 40 mm đến 60 mm, phần còn lại có biên dạng thẳng như hình 7 và 8. Hình 7. Biến dạng mặt cắt ngang của phôi hàn có chiều rộng B3 = 1000 mm Hình 8. Biến dạng mặt cắt ngang của phôi hàn có chiều rộng B 5 = 2000 mm 4. Thảo luận Theo kết quả thực nghiệm từ các bảng 2, 3, 4 và 5, có thể nhận thấy những vấn đề sau: Khi thực hiện hàn theo quy trình hàn R-31/PA cho trước với các thông số chiều rộng tấm khác nhau, kết quả biến dạng góc giảm dần khi tăng kích thước chiều rộng tấm. Khi chiều rộng phôi hàn lớn hơn 500 mm, biến dạng trên từng vị trí mặt cắt ngang của phôi không giống nhau, vị trí từ tâm mối hàn đến chỗ có chiều rộng 40 mm, mặt cắt của phôi có hình dạng parapol, từ vị trí chiều rộng 40 mm đến 60 mm tấm có điểm uốn cong ngược lại, phần còn lại có góc biến dạng không thay đổi. Theo công thức tính biến dạng góc (1) do Okerbloom đề xuất, đối với trường hợp quy trình hàn cho trước R-31/PA, góc biến dạng β = 2.40, kết quả này chỉ đúng với trường hợp phôi hàn B3 = 1000 mm, còn các trường hợp khác không trùng khớp. Những kết quả trên đúng với dự đoán của tác giả khi thực hiện các nghiên cứu trước đây, vì khi chiều rộng tấm càng lớn thì trọng tâm của hai nữa mối ghép xa trục đường hàn, do đó trọng lượng bản thân tấm sẽ là lực ngược chiều với lực co ngót gây ra biến dạng góc của mối hàn (hình 9). Hình 9. Trọng lượng bản thân tấm chống lại biến dạng góc Trong đó: P là trọng lượng bản thân tấm; B m là khoảng cách từ trục đường hàn đến trọng tâm của tấm; M là mômen gây ra biến dạng; β là góc biến dạng. Cũng chính trọng lượng bản thân tấm đã làm biến dạng trên từng vị trí mặt cắt ngang của phôi hàn không giống nhau, vì biến dạng dẻo xảy ra trong vùng ảnh hưởng nhiệt từ tâm mối hàn đến vị trí chiều rộng khoảng 50 mm. Do đó, khi nguội kim loại mối hàn co lại tạo nên biến dạng góc thì giá trị trọng lượng bản thân này ngăn cản làm cho tấm co ngót không đều, kết quả là biến dạng mặt cắt ngang có dạng parapol trong khu vực từ tâm mối hàn đến chỗ có chiều rộng khoảng 40 mm và có điểm uốn tạo đường cong ngược trong khu vực từ vị trí Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 53 chiều rộng 40 mm đến 60 mm, phần còn lại không ảnh hưởng nhiệt nên có biên dạng thẳng. Do công thức tính biến dạng góc của Okerbloom đề xuất không xét đến yếu tố chiều rộng tấm, vì vậy góc biến dạng chỉ có một kết quả duy nhất là β = 2.40, trong khi kết quả thực nghiệm chứng minh yếu tố chiều rộng tấm ảnh hưởng lớn đến biến dạng góc, cụ thể là góc biến dạng thay đổi theo độ lớn của kích thước tấm. IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận Trên cơ sở kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều rộng tấm đến biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu, cụ thể nghiên cứu trên quy trình hàn R-31/PA, tác giả có những kết luận sau: Yếu tố chiều rộng tấm có ảnh hưởng lớn đến biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu: biến dạng góc giảm dần khi tăng kích thước chiều rộng tấm. Khi chiều rộng phôi hàn lớn hơn 500 mm, biến dạng trên từng vị trí mặt cắt ngang của phôi không giống nhau, vị trí từ tâm mối hàn đến chỗ có chiều rộng 40 mm, mặt cắt của phôi có hình dạng parapol, từ vị trí chiều rộng 40 mm đến 60 mm tấm có điểm uốn cong ngược lại, phần còn lại có góc biến dạng không thay đổi. Kết quả tính biến dạng góc do Okerbloom đề xuất không trùng với kết quả thực nghiệm. 2. Kiến nghị Qua thời gian thực hiện nghiên cứu, tác giả có một số kiến nghị sau: - Khi tính toán biến dạng góc cho mối hàn kết cấu tàu thủy nên cẩn trọng trong việc lựa chọn các công thức tính vì thực tế hàn tàu thủy rất phức tạp, ví dụ như trường hợp công thức của Okerblom cho kết quả không trùng khớp với thực tế. - Nên đầu tư nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều rộng tấm đến biến dạng góc với nhiều loại chiều dày khác nhau và kết hợp với yếu tố chiều dài mối hàn. - Nên đầu tư nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác đến biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu để có thể góp phần vào việc nghiên cứu giải pháp khắc phục biến dạng góc. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Bùi Văn Nghiệp, 2009. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn đến biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường TR2009-13-09CH. Trường Đại học Nha Trang. 2. Bùi Văn Nghiệp, 2010. Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật. Trường Đại học Nha Trang. 3. Bùi Văn Nghiệp, 2013. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn đến biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. Tạp chí Khoa học - Công nghệ thủy sản, số 1. Trường Đại học Nha Trang. 4. Hoàng Văn Tráng, 2012. Nghiên cứu giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao tàu thủy. Luận văn tốt nghiệp. Trường Đại học Nha Trang. 5. Hướng dẫn cho đăng kiểm viên, 2005. Hướng dẫn giám sát đóng mới tàu biển. Phần NB-07 - Hướng dẫn kiểm tra hàn thân tàu. Đăng kiểm Việt Nam. 6. Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép, 2003. Phần 6,7: TCVN 6259. Tiếng Anh 7. Artem Pilipenko, 2001. Computer simulation of residual stress and distortion of thick plates in multi-electrode submerged arc welding. Doctor thesis. Trondheim, Norway. 8. D. Rosenthal, 1941. Mathematical theory of heat distribution during welding and cutting. Am. Weld. Journal. 9. Okerblom, 1955. The calculations of deformation of welded metal structures. Mashgiz. Moscow. 10. O. Westby, 1968. Temperature distribution in the work-piece by welding. Doctoral thesis. The Technical University of Norway, Trondheim. 11. Quality Standard, 2008. Hyundai Vinashin Shipyard Co., LTD.