Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn tự động dưới lớp thuốc đến độ bền mối hàn giáp mối trong kết cấu tàu thép

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC ĐẾN ĐỘ BỀN MỐI HÀN GIÁP MỐI TRONG KẾT CẤU TÀU THÉP THE ASSESSMENT EFFECTS ON SUBMERGED - ARC WELDING MODES TO THE STRENGTH OF BUTTED PLATE IN STEEL SHIP Ngô Hùng1, Huỳnh Văn Vũ2 Ngày nhận bài: 18/3/2014; Ngày phản biện thông qua: 06/5/2014; Ngày duyệt đăng: 01/12/2014 TÓM TẮT Bài báo công bố kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của việc lựa chọn chế độ hàn tự động dưới lớp thuốc (chỉ xét ba thông số là cường độ dòng điện I, điện áp hàn U và vận tốc hàn V) đến độ bền mối hàn kết cấu tấm giáp mối trong tàu thép. Thông qua kết quả kiểm tra độ bền của 21 loạt mẫu thí nghiệm mối hàn giáp mối theo quy định của Quy phạm TCVN 6259-6:2010 với các chế độ hàn khác nhau được tính toán bằng lý thuyết, kết luận rằng chế độ hàn với cường độ dòng điện I = 1000(A), điện áp U = 35(V) và vận tốc hàn V = 27(m/h) cho kết quả tốt nhất. Từ khóa: chế độ hàn, hàn tự động dưới lớp thuốc, thông số hàn ABSTRACT This paper performs the result of effects on submerged-arc welding modes (including three parameters: amperage welding I, voltage welding U and velocity welding V) to the strength of butted plate in steel ship. Through the strength testing of specimens according to the rule TCVN 6259-6:2010, the 21 experiment specimens conducted by submerged-arc welding with some different modes, it concludes that the welding mode (amperage welding I = 1000(A), voltage welding U = 35(V) and velocity welding V = 27(m/h)) is the best. Keywords: welding mode, submerged-arc welding, welding parameters I. ĐẶT VẤN ĐỀ dạy nghề, công nghệ này của tỉnh Khánh Hòa ít Công nghệ hàn là một trong các lĩnh vực phức được chú trọng, bước đầu có tính thăm dò, chưa tạp, cần phải có sự phối hợp của các lĩnh vực khoa hình thành quy trình ổn định và phát triển mạnh. Vì học khác như: Vật lý, hóa học, luyện kim, cơ khí, vậy phương pháp hàn hồ quang tự động dướ i lớ p tự động hóa, kỹ thuật điện và điện tử. Chính vì thuố c phát triển mạnh khi ngành công nghiệp đóng thế chất lượng mối hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tàu trong nước phát triển. tố khách quan, chủ quan trong khi chế tạo các sản Việc lựa chọn chế độ hàn trước đây chủ yếu phẩm bằng phương pháp hàn. Trong các phương dựa theo yêu cầu của nhà sản xuất hoặc chí ít cũng pháp hàn khác nhau, các yếu tố công nghệ cũng có là kinh nghiệm được du nhập từ những nước có những ảnh hưởng rất khác nhau. Công nghệ hàn hồ nền đóng tàu phát triển và cá biệt có những trường quang dưới lớp thuốc hay còn gọi là hàn hồ quang hợp không được coi trọng. Điều này rõ ràng chưa chìm SAW là phương pháp hàn dây điện cực nóng phù hợp với điều kiện môi trường, con người, thiết chảy dưới lớp thuốc bảo vệ đã được sử dụng ở các bị, tại Việt Nam và ảnh hưởng không tốt đến chất nước có nền công nghiệp phát triển [1]. lượng sản phẩm. Công nghệ hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW) Sau thời gian tham gia trực tiếp sản xuất, đào được ứng dụng rộng rải ở các nước phát triển [2, 6]. tạo công nhân hàn qua đặt hàng của các cơ sở Tuy nhiên ở Việt Nam nói chung và trong các nhà đóng tàu trong việc cung cấp nguồn nhân lực về vấn máy đóng tàu nói riêng và đặc biệt là trong các cơ sở đề này và qua tìm hiểu những nghiên cứu trước, 1 Ngô Hùng: Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2011 - Trường Đại học Nha Trang 2 TS. Huỳnh Văn Vũ: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 149 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 nhận thấy việc lựa chọn các chế độ hàn hợp lý Dựa trên các kết quả thí nghiệm đánh giá được nhằm đảm bảo chất lượng các mối hàn chưa được rằng khi các thông số hàn thay đổi thì hình dạng mối đặt ra và quan tâm một cách đúng mức. Đặc biệt hàn, độ bền mối hàn và biến dạng hàn thay đổi thế trong những trường hợp hàn có yêu cầu chất lượng nào, dẫn đến cơ tính của chúng bị tác động ra sao. cao như hàn các kết cấu tàu thép. Từ đó đi đến kết luận về việc lựa chọn các thông số Chính vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của cơ bản của công nghệ hàn hồ quang dưới lớp thuốc các thông số công nghệ đến chất lượng, tạo dáng SAW một cách tối ưu, để đảm bảo chất lượng mối mối hàn và quá trình hàn là việc làm cần thiết và hàn tốt nhất áp dụng trong đào tạo và sản xuất tại cấp bách. Dựa trên các tài liệu đã có trong nước và Việt Nam. nước ngoài, của các hãng thiết bị hàn trên thế giới đã thu thập và tập hợp được các thông số tối ưu về II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU lý thuyết, từ đó bằng thực nghiệm nghiên cứu trên các mẫu tác giả tiến hành lựa chọn được các thông 1. Đối tượ ng nghiên cứu số thực nghiệm cho phù hợp với điều kiện của Việt Đối tượng nghiên cứu là ảnh hưởng của ba Nam. Trong quá trình hàn khi khảo sát một yếu tố thông số cường độ dòng điện hàn I(A), điện áp hàn thì các yếu tố khác được giữ nguyên. Từ đó cho các U(V), tốc độ hàn V(m/h) đến chất lượng mối hàn yếu tố đầu ra: hình dạng mối hàn, độ bền mối hàn giáp mối của tấm kết cấu tàu thép theo quy định của và biến dạng hàn. Quy phạm TCVN 6259-6:2010 (hình 1) [7]. Hình 1. Quy cách tấm hàn thử nghiệm Hình 2. Vị trí cắt mẫu kiểm tra độ bền Phương pháp hàn là hồ quang tự động dưới và các mẫu thử mối hàn tại phòng thí nghiệm cơ lớp thuốc SAW, với máy hàn hiệu KOBELCO, tính của Viện Chế tạo tàu thủy - Trường Đại học số hiệu DW-S43G của Việt Nam sản xuất, dây Nha Trang. hàn thép cacbon AWS-A5.17-EH14 đường kính Tấm phôi thép nguyên liệu AH-36 được xác F4.0mm, thuốc bảo vệ AN-348-A của Nga sản định độ bền kéo như hình 3 (ứng suất kéo lớn nhất 2 2 xuất. Quá trình hàn thử nghiệm được tiến hành tại σU= 545 kN/mm , ứng suất chảy σY= 366 kN/mm , xưởng Cơ khí của Trường Trung cấp nghề Ninh độ giãn dài Dl = 26.7%) và độ bền uốn như hình 4 Hòa, kiểm tra độ bền uốn, kéo của kim loại cơ bản (lực uốn lớn nhất Fm=56.59 kN). Hình 3. Biểu đồ lực kéo – giãn dài thép cơ bản Hình 4. Biểu đồ lực uốn – giãn dài thép cơ bản 150 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 2. Phương pháp nghiên cứu và khả năng tài chính cho phép thì việc kiểm tra tất Chọn chế độ hàn ứng với thép AH-36 có chiều cả các mẫu là tốt nhất, tuy nhiên ở đây chỉ chọn dày 16mm, đặt tên là loạt mẫu X1 có các thông số những phôi hàn tốt nhất theo kiểm tra sơ bộ chất cụ thể là I = 1000(A), U = 35(V), V = 27(m/h) [1, 3]. lượng bên ngoài để giảm bớt thời gian, kinh tế, Sau đó thay đổi giá trị của ba thông số bằng cách công sức thực nghiệm và cũng thỏa mãn điều kiện tăng lên hoặc giảm đi 20% so với giá trị tiêu chuẩn quy hoạch thực nghiệm. ở trên, được đặt tên từ loạt mẫu X2 đến X7. Lần lượt Phôi sau khi lựa chọn được cắt thành các mẫu các giá trị của các thông số tương ứng với nhóm thử tiêu chuẩn theo các vị trí quy định như hình 2 mẫu hàn thực nghiệm được trình bày ở bảng 1. để xác định các thông số độ bền như ứng suất kéo Với mỗi loạt mẫu Xi tiến hành hàn 3 phôi (Mj, Mj+1, lớn nhất, ứng suất chảy, lực uốn lớn nhất, biến dạng Mj+2) vào các thời điểm khác nhau, sau đó lựa chọn dài, Chẳng hạn hình ảnh phôi lựa chọn để thử 1 phôi có hình dạng tốt nhất đem phân tích đánh nghiệm của loạt mẫu X1 (để đơn giản gọi là mẫu X1) giá. Tất nhiên nếu điều kiện thời gian thí nghiệm như hình 5. Bảng 1. Chế độ hàn của 21 mẫu thử nghiệm TT I (A) U (V) V (m/h) Tên mẫu Loạt mẫu 1 M1 2 1000 35 27 M2 X1 3 M3 4 M4 5 1200 35 27 M5 X2 6 M6 7 M7 8 800 35 27 M8 X3 9 M9 10 M10 11 1000 42 27 M11 X4 12 M12 13 M13 14 1000 28 27 M14 X5 15 M15 16 M16 17 1000 35 32.4 M17 X6 18 M18 19 M19 20 1000 35 21.6 M20 X7 21 M21 Hình 5. Phôi lựa chọn để thử nghiệm của loạt mẫu X1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 151 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 Kết quả thử nghiệm độ bền của mẫu X1 so với giá trị của tấm thép cơ bản như bảng 2. Rõ ràng các giá trị về độ bền của mối hàn ở mẫu X1 đều tốt hơn vật liệu cơ bản, điều đó chứng tỏ rằng chế độ hàn của mẫu X1 đạt yêu cầu. Bảng 2. So sánh giá trị độ bền của mẫu X1 với kim loại cơ bản Đại lượng Ứng suất kéo (MPa) Lực uốn (kN) Ứng suất chảy (MPa) Độ giãn dài (%) Tên Mẫu kim loại cơ bản (KLCB) 545 56.59 366 26.7 Mẫu thử X1 (MT) 540 56.50 360 28.4 III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Sau khi thực hiện xác định các thông số độ bền từ các mẫu thử cắt từ các phôi lựa chọn của loạt mẫu X1 đến X7 nêu trên, kết quả thực nghiệm được tổng hợp ở bảng 3 như sau: Bảng 3. Tổng hợp kết quả độ bền của các mẫu thí nghiệm Loạt mẫu X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 r (mm) 30 35 25 40 25 23 35 Chiều rộng mối hàn h (mm) 3 3 4 1.5 5 5 4.5 Chiều cao mối hàn σ (kN/mm2) U 540 532 435 532 435 532 465 Ứng suất kéo lớn nhất σ (kN/mm2) Y 360 355 303 355 303 355 303 Ứng suất chảy F (kN) m 56.50 45.75 28.63 52.92 45.75 45.75 52.92 Lực uốn ∆l (%) 28.4 26.7 27.5 26.7 27.5 26.7 27.5 Độ giãn dài I (A) 1000 1200 800 1000 1000 1000 1000 Cường độ dòng điện U (V) 35 35 35 42 28 35 35 Điện áp hàn V (m/h) 27 27 27 27 27 32.4 21.6 Vận tốc hàn Từ kết quả ở bảng 3, so với giá trị độ bền của ứng với các mẫu X2 đến X7 đều không đạt yêu cầu. 2 2 vật liệu cơ bản (σU= 545 kN/mm , σY= 366kN/mm , Ngoài ra, từ bảng 3, có thể biểu diễn mối tương ∆ l = 26.7%, Fm= 56.59 kN), có thể nhận thấy rằng độ quan giữa các thông số U, I, V với các thông số hình ∆ bền tại vị trí mối hàn của các mẫu từ X2 đến X7 đều học r, h, l của 7 mẫu lựa chọn như đồ thị hình 6 và nhỏ hơn. Điều đó chứng tỏ rằng chế độ hàn tương các thông số độ bền σU, σY, Fm như đồ thị hình 6. 152 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 Hình 6. Mối tương quan giữa U, V với các thông số hình học r, h, ∆l Qua đồ thị ở hình 7, nhận thấy rằng: tăng theo, chiều cao mối hàn h giảm đi (mẫu X4) và - Mẫu X1 có độ giãn dài lớn nhất, chứng tỏ độ ngược lại (mẫu X5). dẻo dai của mẫu thử tốt nhất. - Khi tăng vận tốc hàn V thì chiều rộng mối hàn - Khi tăng điện áp hàn U thì chiều rộng mối hàn r r giảm (mẫu X6) và ngược lại (mẫu X7). Hình 7. Mối tương quan giữa U, I, V với các thông số độ bền σU, σY, Fm Qua đồ thị ở hình 6, nhận thấy rằng: IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Mẫu X có độ bền lớn nhất. 1 1. Kết luận - Khi tăng điện áp hàn U hoặc tốc độ hàn V thì Như vậy, qua tính toán lý thuyết để xác định các độ bền mối hàn tăng lên (mẫu X4, X6) và ngược lại thông số của chế độ hàn tiêu chuẩn, sau đó dùng (mẫu X5, X7), tuy nhiên vẫn không đạt độ bền như thực nghiệm để hàn các loạt phôi mẫu bằng cách mẫu X1. thay đổi các thông số đã có trong phạm vi 20%, TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 153 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 có thể nhận thấy rằng chế độ hàn hợp lý nhất là mẫu - Về chế độ hàn, phải chọn đúng các thông số X1, hay với loại thép đóng tàu AH-36 có kích thước tối ưu là mật độ dòng điện trên một đơn vị diện tích bề dày t = 16 (mm) thì chọn các thông số của chế dây điện cực với thép các bon 900(A/mm2). độ hàn là: - Điện áp hồ quang hàn không đổi và nằm trong + Cường độ dòng điện I = 1000(A); dải cho phép từ (34 -36)V. + Điện áp hàn U = 35(V); - Vận tốc hàn tối ưu 27m/h. - Tầm với điện cực chọn 105 mm. + Vận tốc hàn V = 27(m/h). - Dùng thuốc hàn nóng chảy và phải được sấy Rõ ràng so với số liệu về chế độ hàn được cung ở 9300C. cấp bởi nhà sản xuất cũng như quy định của Đăng Về phương pháp chuẩn bị mối hàn, cần phải kiểm là cả một miền hay một khoảng giá trị nào đó, tuân thủ theo những quy tắc sau: tác giả đã xác định được thông số cụ thể của chế độ - Khe hở giữa 2 chi tiết phải đảm bảo nhỏ nhất hàn tối ưu ứng với các điều kiện cụ thể tại trường và đều suốt chiều dài đường hàn. Trung Cấp Nghề Ninh Hòa và điều kiện sản xuất tại - Cắt vát cạnh mép hàn phải bằng mỏ cắt hoặc Nhà máy Tàu biển Hyundai – Vinashin. trên máy cắt cơ khí. - Hai bên chiều rộng mối hàn 25 - 25mm phải 2. Kiến nghị được làm khô và làm sạch sơn, dầu mỡ và các tạp Sau khi nghiên cứu lý thuyết, thực chất khác. nghiệm, khảo sát thực tế tại Nhà máy tàu biển - Hàn đính phải dùng que hàn tốt hoặc hàn Hyundai - Vinashin và quá trình đào tạo công nhân MIG/ MAG chất lượng cao, chiều dài hàn đính hàn của Trường Trung cấp Nghề Ninh Hòa trong 65mm, khoảng cách các đoạn hàn đính không xa việc ứng dụng quy trình hàn tự động dưới lớp thuốc, quá 500mm, ở đầu và cuối đường hàn đính phải có một số các lưu ý như sau: hàn các tấm phụ: tấm phụ ở đầu đường hàn dài - Khi sử dụng máy hàn cần phải thử và đối 150mm, tấm phụ ở cuối đường hàn dài 90mm, chiếu với các thông số của nhà sản xuất quy định. chiều rộng tấm phụ 100mm. - Nguồn điện hàn phải dùng bộ chỉnh lưu điện - Đối với các mối ghép hàn đấu mí có chiều dày áp một chiều DC không đổi. lớn hơn 15mm cần phải dùng kỹ thuật lót. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Văn Thông, 2000. Vật liệu và công nghệ hàn. NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội. 2. Structural welding code-steel. AWS D1.1/D1.1M:2004. American welding Socciety 550N.W. LeJeune Road, Mimami, Florida 33126. 3. Gas Metal Arc Welding Guidelines. Editor:JeffNadzam, senior Application Engineer. Request E205Sefety. 2345Murphy Blvd, Gainesville, Georgia 30504U.S.A. Phone: 1-800-241-0804. Fax(770)535-0544. WebSite:www.Harriscal.com.Booklet:www. Lincolnelectric.com/pdfs/products/literature/e205.pdf 4. Leonard P.connor, 2009. Welding Handbook Vol.1,2,3 Americal Welding Society. Miami. 5. Dupont J.N and Marder, 2005. The Effi ciency of ARC Welding Procecces, Welding journal December. 6. ESAB: 2011. Repair and Maintenace Welding Handbook. GOTEBORGS SWEDEN. 7. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6259-6:2010, Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép, Phần 6: HÀN. Hà Nội. 154 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG