7 bui van nghiep 3809

Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2016 THÔNG BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀI VÀ CHIỀU RỘNG TẤM TÔN BAO VỎ TÀU THỦY ĐẾN BIẾN DẠNG GÓC, BIẾN DẠNG DỌC KHI HÀN GIÁP MỐI THE STUDY ON THE LENGTH AND BREADTH OF HULL PLATE TO ANGULAR, LONGITUDINAL DISTORTIONS IN BUTT WELD Bùi Văn Nghiệp1 Ngày nhận bài: 01/11/2015; Ngày phản biện thông qua: 14/01/2016; Ngày duyệt đăng: 15/6/2016 TÓM TẮT Bài báo công bố kết nghiên cứu ảnh hưởng tổng hợp hai yếu tố chiều dài chiều rộng đến biến dạng góc biến dạng dọc phơi trình hàn gây hàn nối tôn bao vỏ tàu thủy Nghiên cứu thực theo quy trình R-31/PA với thơng số chiều dài chiều rộng khác Kết cho thấy, biến dạng góc giảm tăng chiều rộng biến dạng góc tăng tăng chiều dài tấm, đồng thời biến dạng dọc xảy với biến dạng góc Biến dạng góc vị trí mặt cắt ngang (theo chiều rộng) khơng giống nhau, bên cạnh biến dạng dọc xuất hai đầu mối hàn chiều dài L≥1000mm cịn khu vực mối hàn khơng có biến dạng dọc biến dạng góc đồng dạng Mặt khác kết thực nghiệm chứng minh độ lớn biến dạng góc khơng phải số cơng thức tính biến dạng góc Okerblom đề xuất Từ khóa: biến dạng góc, chiều dài tấm, chiều rộng ABSTRACT This paper performs results of study on effects between the length and breadth of steel plate to angular and longitudinal distortions while welding of ship hull All experiments were conducted on the R-31/PA welding proceduce and specifications with different lengths and breadths of butted weld The result shows that: if the breadth of plate steel had more extensive then the angular distortion reduced but the length of plate steel had more lengthened then the angular distortion increased, simultaneous, the longitudinal and the angular distortions occur together The angular distortions along cross section of butted weld are different, beside that the longitudinal distortion occurs only on two the ends of butted weld when the welded length exceeds 1000mm, remaining mid-span area has not longitudinal distortion but has similar of angular distortion On the other hand, the experimental results demonstrate that the value of angular distortion is not constant as the Okerblom’s formular Keywords: angular distortion, length of butted weld, breath of butted weld I ĐẶT VẤN ĐỀ Khi hàn giáp mối tôn bao vỏ tàu thủy có nhiều kiểu biến dạng xảy đồng thời, đặc biệt biến dạng góc, có giá trị lớn nhất, gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm Đã có nhiều nhà khoa học giới quan tâm nghiên cứu đến ứng suất biến dạng hàn kể đến như: Slavianov, Rosenthal Daniel, Okerblom, Ola Westby, Artem Pilipenko, Ở Việt Nam, vấn đề Khoa Kỹ thuật giao thông – Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 47 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2016 biến dạng lĩnh vực hàn tàu thủy chưa quan tâm nhiều Trong năm gần tác giả cố gắng có nhiều nghiên cứu lĩnh vực [1, 2] Nhưng thực tế, nhà máy đóng tàu vấn đề biến dạng nói chung, biến dạng góc nói riêng tồn khuyết tật khó xử lý Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng góc hàn nối tơn bao vỏ tàu thủy [1,2 ], yếu tố thực nghiên cứu cách độc lập nên đánh giá cho khía cạnh riêng lẻ mức độ ảnh hưởng chúng vấn đề biến dạng góc mà chưa thể đưa kết luận chung sản phẩm thực tế yếu tố ln có mối quan hệ mật thiết với Trong nhiều yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng góc hàn nối tơn bao vỏ tàu thủy tác giả nghiên cứu độc lập chiều rộng chiều dài vật liệu có ý nghĩa quan trọng (có thể xem yếu tố chính) kích thước sản phẩm thực tế ln thay đổi Với mong muốn nghiên cứu chiều rộng chiều dài để tìm mối quan hệ, ảnh hưởng chúng đến biến dạng góc, biến dạng dọc hàn giáp mối tôn bao vỏ tàu thủy nhằm khuyến cáo nguy xảy biến dạng sản phẩm cụ thể Kết nghiên cứu liệu cho nghiên cứu tiếp theo, đồng thời sở liệu để mô số nhằm giảm thiểu chi phí thực nghiệm điều kiện tổ chức thực nghiệm lĩnh vực hàn tàu thủy tốn Vì vậy, kết nghiên cứu ảnh hưởng hai yếu tố chiều rộng chiều dài đến biến dạng góc, biến dạng dọc hàn giáp mối tôn bao vỏ tàu thủy mang nhiều ý nghĩa thực tế cấp thiết II ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng chiều dài chiều rộng đến biến dạng góc hàn tơn bao vỏ tàu thủy thực mối ghép giáp mối, tư hàn trình hàn hồ quang tay gây Quy trình hàn lựa chọn nghiên cứu R-31/PA (do tập đoàn Vinashin xây dựng áp dụng cho nhà máy đóng tàu trực thuộc), theo tiêu chuẩn VR [5], với thông số bản: Kiểu mối hàn giáp mối; Tư hàn (1G); Vật liệu ASTMA131; Cấp vật liệu AH36; Chiều dày 10mm; Vật liệu hàn AWS E6013; Số lớp hàn 04; Kiểu vát mép chữ V (550±5) Chế độ hàn quy cách mối hàn theo quy trình hàn R-31/PA thể bảng hình Phơi hàn đặt tự nhiên mặt phẳng suốt trình hàn, khơng sử dụng biện pháp cơng nghệ để khống chế biến dạng Bảng Chế độ hàn Lớp hàn Phương pháp hàn Điện cực (mm) Cường độ dòng điện (A) Điện áp (V) Tốc độ hàn (mm/s) SMAW θ3.2 70 20 3÷4 SMAW θ3.2 100 20 3÷4 SMAW θ3.2 100 20 3÷4 SMAW θ3.2 110 20 3÷4 Hình Quy cách mối hàn nghiên cứu 48 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Ghi Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Qui hoạch thực nghiệm - Quy cách, số lượng phơi hàn thí nghiệm tiến hành theo quy định [3] hình 2, với trường hợp chiều dài (L) chiều rộng (B) sau: L1xB1 = (350x300)mm, L2xB2 = (500x500)mm, L3xB3 = (500x1000)mm, L4xB4 = (1000x1000)mm L5xB5 = (12000x6000)mm, chiều dày tất phôi 10mm - Các phôi hàn trường hợp 1, 2, 3, thực Trung tâm hàn kỹ thuật cao - Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang Phôi hàn trường hợp thực Cơng ty TNHH NMTB Hyundai Vinashin Hình Kích thước phơi hàn nghiên cứu Tiến hành thực nghiệm Trên sở tổng hợp lý thuyết chuyên Số 2/2016 ngành, từ chúng tơi triển khai thực nghiệm theo bước: Bước 1: Chuẩn bị vật liệu bản, vật liệu hàn (mục II.2) thiết bị liên quan Bước 2: Cắt phơi mẫu theo kích thước trường hợp Bước 3: Hàn đính phơi mẫu theo quy định [3] Bước 4: Vạch dấu mạng lưới phôi mẫu để phục vụ công tác đo lấy kết biến dạng (hình 3) Bước : Hàn phơi mẫu theo quy trình [3] Bước : Đo kết thực nghiệm: phơi hàn nguội hồn tồn, tiến hành đo biến dạng Phương pháp đo biến dạng góc mối hàn xác định cách cho mẫu nằm mặt chuẩn, dùng thước thẳng đặt ngang qua bề mặt mẫu, dùng thước đo khe hở đặt vào bề mặt mẫu bề mặt thước cho kích thước độ hở eMcn (hình 3) Từ eMcn phương pháp tốn học tính góc biến dạng β Bằng cách đo tương tự xác định khe hở eGiữa eMép theo chiều dọc biến dạng để xác định biến dạng dọc Hình Phương pháp đo khe hở biến dạng eMcn Xác định góc biến dạng β theo cơng thức 1, cịn biến dạng dọc giá trị khe hở eGiữa eMép thể độ cong vênh theo chiều dọc β = 2.sin (e/b).180/π (1) đó: e khe hở thước phơi mối hàn [mm], b = B/2 (B chiều rộng mẫu) [mm] Bước 7: Thảo luận đánh giá kết nghiên cứu Cơ sở để thảo luận đánh giá kết nghiên cứu dựa yếu tố: Các kết nghiên cứu liên quan Công thức tính tốn biến dạng góc Okerblom đề xuất [4] (cơng thức dùng phổ biến để tính biến dạng góc lĩnh vực hàn): (2) đó: I : cường độ dòng điện [A]; U : hiệu điện [V]; ν : tốc độ hàn [mm.s-1]; h: chiều dày [mm] III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Kết nghiên cứu trường hợp với L1xB1 = (350x300)mm Trường hợp phơi hàn có kích thước L1xB1 = (350x300)mm, kết biến dạng góc thể bảng 2,3 hình 4, kết biến dạng góc mặt cắt ngang đo vị trí cuối mối hàn TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 49 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 Bảng Kết khe hở eMcntrên mặt cắt ngang phôi hàn trường hợp L1xB1 = (350x300)mm Nửa chiều rộng B/2 (mm) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Khe hở eMcn (mm) 4.9 4.6 4.2 3.9 3.6 3.3 2.9 2.6 2.3 2.0 1.6 1.3 1.0 0.7 0.3 0.0 góc chiều dài phôi hàn trường hợp thể bảng có quy luật biến dạng giống trường hợp 2, hình Biến dạng góc mặt cắt ngang phôi trường hợp L1xB1 = (350x300)mm tạo thành góc chữ V hình 4, cịn biến dạng Hình Sự thay đổi khe hở eMcn phôi theo chiều rộng trường hợp L1xB1 = (350x300)m Bảng Kết tính biến dạng góc theo (1) chiều dài phôi hàn trường hợp L1xB1 = (350x300)mm STT L (mm) 50 100 150 200 250 300 350 eMcn(mm) 4.4 4.5 4.5 4.6 4.7 4.7 4.8 4.9 eMép(mm) 0.0 0.1 0.1 0.2 0.3 0.2 0.1 0.0 eGiữa(mm) 0.0 0.1 0.2 0.2 0.3 0.2 0.1 0.0 β(độ) 3.4 3.4 3.5 3.5 3.6 3.6 3.7 3.7 Kết nghiên cứu trường hợp với L2xB2 = (500x500)mm Trường hợp phơi hàn có kích thước L2xB2 = (500x500)mm, kết biến dạng góc thể bảng 4,5 hình 5,6, kết biến dạng góc mặt cắt ngang đo vị trí cuối mối hàn Bảng Kết khe hở eMcn mặt cắt ngang phôi hàn trường hợp L2xB2 = (500x500)mm Nửa chiều rộng B/2 (mm) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100÷250 Phơi khơng biến dạng, 6.5 6.3 6.0 5.5 5.1 4.9 4.6 4.3 4.0 3.7 eMcn giảm tuyến tính với Δe=0.3 Biến dạng góc mặt cắt ngang phơi hàn theo bảng biểu diễn dạng đồ thị hình Khe hở eMcn (mm) Hình Sự thay đổi khe hở eMcn mặt cắt ngang phôi hàn trường hợp L2xB2 = (500x500)mm 50 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 Bảng Kết tính biến dạng góc theo (1) chiều dài phôi hàn trường hợp L2xB2 = (500x500)mm STT L (mm) 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 eMcn(mm) 5.5 5.5 5.7 5.7 5.9 5.9 6.1 6.1 6.1 6.3 6.5 eMép(mm) 0.8 1.7 3.0 3.4 3.5 3.4 3.2 2.5 1.2 eGiữa(mm) 0.3 1.5 2.8 3.0 3.1 3.1 2.5 1.8 0.4 0.0 β(độ) 2.5 2.5 2.6 2.6 2.7 2.7 2.8 2.8 2.8 2.9 3.0 Biến dạng góc biến dạng dọc chiều dài phơi hàn theo bảng biểu diễn hình Hình Hình dạng phơi sau hàn trường hợp L2xB2 = (500x500)mm Kết nghiên cứu trường hợp 3,4,5 với L3xB3 = (500x1000)mm, L4xB4 = (1000x1000) mm L5xB5 = (12000x6000)mm Trường hợp phôi hàn có kích thước L3xB3 = (500x1000)mm, L4xB4 = (1000x1000) mm L5xB5 = (12000x6000)mm, kết biến dạng góc thể bảng 6, 7, hình 7,8, kết biến dạng góc mặt cắt ngang đo vị trí cuối mối hàn Bảng Kết khe hở eMcn mặt cắt ngang phôi hàn trường hợp L3xB3 = (500x1000)mm, L4xB4 = (1000x1000)mm L5xB5 = (12000x6000)mm Nửa chiều rộng B/2 (mm) Khe hở eMcn (mm) L3=500 B3=1000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 5.9 5.8 5.6 5.2 4.7 4.3 4.1 3.9 3.7 3.5 100÷6000 Phơi khơng biến dạng, eMcn giảm tuyến tính với Δe=0.2 L4=1000 B4=1000 15.3 15.2 15.0 14.7 14.3 14.1 13.9 13.8 13.7 13.6 với Δe=0.1 L5=12000 B5=6000 72.2 72.1 71.9 71.5 71.0 65.6 65.3 65.1 65.0 64.9 với Δe=0.1 Kết biến dạng góc mặt cắt ngang phơi hàn trường hợp 3, 4, theo bảng biểu diễn dạng đồ thị hình TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 51 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2016 Hình Sự thay đổi khe hở eMcn mặt cắt ngang phôi hàn trường hợp L4xB4 = (1000x1000)mm Bảng Kết tính biến dạng góc theo (1) chiều dài phơi trường hợp L3xB3 = (500x1000)mm STT L (mm) 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 eMcn(mm) 4.4 4.4 4.6 4.6 4.8 5.0 5.2 5.5 5.5 5.7 5.9 eMép(mm) 0.8 1.7 3.0 3.4 3.5 3.4 3.2 2.5 1.2 eGiữa(mm) 0.3 1.5 2.8 3.0 3.1 3.1 2.5 1.8 0.4 0.0 β(độ) 2.0 2.0 2.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.5 2.6 2.7 Bảng Kết tính biến dạng góc theo (1) chiều dài phôi trường hợp L4xB4 = (1000x1000)mm STT 50 100 eMcn(mm) 9.1 9.1 9.6 10.0 10.5 10.5 10.9 11.3 11.3 11.8 12.2 12.6 12.6 13.6 13.5 13.9 14.8 15.3 eMép(mm) 0.5 1.0 1.6 2.0 3.5 5.0 6.7 8.0 9.4 9.6 8.0 6.5 5.5 3.4 1.4 0.6 eGiữa(mm) 0.4 1.0 1.5 2.3 3.5 4.7 5.8 6.9 7.7 8.5 7.5 6.6 5.5 4.8 2.5 1.5 2.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4 2.5 2.6 2.6 2.7 2.8 2.9 2.9 3.0 3.1 3.2 3.4 3.5 L (mm) β(độ) 150 200 250 300 350 400 450 500÷650 700 750 800 850 900 950 1000 Bảng Kết tính biến dạng góc theo (1) chiều dài phôi trường hợp L5xB5 = (12000x6000)mm STT L (mm) 100 200 300 400 500 600 700 800÷11400 11500 11600 11700 11800 11900 12000 eMcn(mm) 39.2 39.2 41.9 44.4 47.0 49.7 52.3 54.9 57.5 60.1 62.8 65.4 68.0 70.6 72.2 eMép(mm) 0.5 1.0 1.6 2.5 4.0 6.0 7.7 9.0 8.4 6.0 3.4 2.5 1.0 eGiữa(mm) 0.4 1.0 1.5 2.3 3.6 4.7 6.3 7.5 6.7 5.5 3.0 2.3 1.5 1.5 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 β(độ) Biến dạng góc chiều dài phơi hàn theo bảng 7,8,9 biểu diễn hình 52 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2016 Hình Hình dạng phơi sau hàn trường hợp L5xB5 = (12000x6000)mm Thảo luận Theo kết thực nghiệm từ bảng 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, hình 4, 5, 6, 7, nhận thấy vấn đề sau: - Khi thực hàn theo quy trình hàn R-31/PA cho trước với thông số chiều dài chiều rộng khác nhau, biến dạng góc xảy đồng thời với biến dạng dọc với quy luật biến dạng góc giảm tăng chiều rộng biến dạng góc tăng tăng chiều dài (hay chiều dài mối hàn) - Khi chiều rộng hàn lớn 500mm, biến dạng vị trí mặt cắt ngang không giống nhau, từ tâm mối hàn đến vị trí có chiều rộng khoảng 30mm, mặt cắt ngang có hình dạng parapol, từ vị trí chiều rộng 30mm đến 60mm có điểm uốn cong ngược lại, phần cịn lại có góc biến dạng không thay đổi - Khi chiều dài mối hàn L≥ 1000mm, biến dạng dọc xuất hai đầu mối hàn, tính từ đầu mối hàn đến vị trí khoảng 500mm từ vị trí 350mm tính từ cuối mối hàn, khu vực mối hàn khơng có biến dạng dọc, đồng thời biến dạng góc đồng dạng - Theo cơng thức tính biến dạng góc (2) Okerbloom đề xuất, trường hợp quy trình hàn cho trước R-31/PA, góc biến dạng β=2.40, kết số, nhiên kết thí nghiệm chứng minh độ lớn biến dạng góc thay đổi thay đổi thông số chiều dài chiều rộng Những kết phù hợp với dự đoán đề xuất tác giả thực nghiên cứu trước [1, 2], chiều rộng lớn trọng tâm hai mối ghép xa trục đường hàn, trọng lượng thân lực ngược chiều với lực co ngót gây biến dạng góc mối hàn làm giảm biến dạng góc Đồng thời trọng lượng thân làm biến dạng vị trí mặt cắt ngang phơi hàn khơng giống nhau, biến dạng dẻo xảy vùng ảnh hưởng nhiệt từ tâm mối hàn đến vị trí chiều rộng khoảng 50mm, nguội kim loại mối hàn co lại tạo nên biến dạng góc trọng lượng thân ngăn cản làm cho co ngót khơng đều, kết biên dạng mặt cắt ngang có dạng parapol khu vực từ tâm mối hàn đến vị trí chiều rộng khoảng 30mm có điểm uốn tạo đường cong ngược khu vực từ vị trí chiều rộng 30mm đến 60mm, phần cịn lại khơng ảnh hưởng nhiệt nên có biên dạng thẳng Khi mối hàn dài, nhiệt lượng truyền vào kim loại lớn, nhiệt lượng gây giãn nở, gây co ngót vật liệu kết biến dạng góc lớn Đồng thời gây biến dạng dọc theo trục mối hàn làm cho phôi mẫu cong vênh theo chiều dọc Do cơng thức tính biến dạng góc Okerbloom đề xuất (2) không xét đến yếu tố chiều dài chiều rộng tấm, góc TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 53 ... 39.2 41.9 44.4 47. 0 49 .7 52.3 54.9 57. 5 60.1 62.8 65.4 68.0 70 .6 72 .2 eMép(mm) 0.5 1.0 1.6 2.5 4.0 6.0 7. 7 9.0 8.4 6.0 3.4 2.5 1.0 eGiữa(mm) 0.4 1.0 1.5 2.3 3.6 4 .7 6.3 7. 5 6 .7 5.5 3.0 2.3 1.5... 1.0 1.6 2.0 3.5 5.0 6 .7 8.0 9.4 9.6 8.0 6.5 5.5 3.4 1.4 0.6 eGiữa(mm) 0.4 1.0 1.5 2.3 3.5 4 .7 5.8 6.9 7. 7 8.5 7. 5 6.6 5.5 4.8 2.5 1.5 2.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4 2.5 2.6 2.6 2 .7 2.8 2.9 2.9 3.0 3.1... B4=1000 15.3 15.2 15.0 14 .7 14.3 14.1 13.9 13.8 13 .7 13.6 với Δe=0.1 L5=12000 B5=6000 72 .2 72 .1 71 .9 71 .5 71 .0 65.6 65.3 65.1 65.0 64.9 với Δe=0.1 Kết biến dạng góc mặt cắt ngang phơi hàn trường