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

- i - NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: HOÀNG VĂN TRÁNG Lớp: 50DT – 2 Ngành: Kỹ thuật tàu thủy Chuyên ngành: Đóng tàu thủy Tên đề tài: Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. Số trang: 50 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 07 Hiện vật: - 2 bộ thuyết minh và 2 đĩa CD NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Kết luận: Nha Trang, ngày……tháng.… năm 2012 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) THS. BÙI VĂN NGHIỆP - ii - PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DATN Họ và tên Sinh viên: HOÀNG VĂN TRÁNG Lớp: 50DT – 2 Ngành: Kỹ thuật tàu thủy Chuyên ngành: Đóng tàu thủy Tên đề tài: Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. Số trang: 50 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 07 Hiện vật: - 2 bộ thuyết minh và 2 đĩa CD NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Điểm phản biện: Nha Trang, ngày……tháng……năm 2012 CÁN BỘ PHẢN BIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) Nha Trang, ngày……tháng……năm 2012 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (Ký và ghi rõ họ tên) ĐIỂM CHUNG Bằng số Bằng chữ - iii - LỜI CẢM ƠN Sau hơn 03 tháng tích cực nghiên cứu và xây dựng đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu” với bao vất vả, khó khăn và những trở ngại gặp phải trong quá trình thực hiện đồ án, đến nay, tôi đã hoàn thành tốt các nội dung đồ án tốt nghiệp của mình. Đồ án không chỉ là sự cố gắng, nỗ lực của bản thân mà còn được sự giúp đỡ, động viên rất lớn của quý thầy cô, gia đình, bạn bè. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban Chủ Nhiệm Khoa Kỹ Thuật Giao Thông – Trường Đại Học Nha Trang, quý Thầy Cô trong Bộ Môn Đóng tàu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện tốt đồ án. Chân thành cảm ơn Thầy ThS. Bùi Văn Nghiệp – người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của gia đình, bạn bè, anh em đồng nghiệp đã động viên, tạo mọi điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu trong suốt khóa học và trong quá trình thực hiện đồ án. Tôi xin chân thành cảm ơn! - iv - 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”. Do thời gian có hạn, kiến thức còn hạn chế, chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế. Nên trong quá trình thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiết sót. Đề tài rất mong được sự góp ý của quý Thầy, các bạn đồng nghiệp. Nha Trang, ngày 25 tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực hiện: Hoàng Văn Tráng - 2 - 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 (1700÷2000) A thì biến dạng góc nằm trong khoảng (3.53÷5.08 0 ), kết quả này cao hơn rất nhiều so với kết quả nghiên cứu của GS Okerblom (2.03÷2.38 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 [...]... 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. .. hàn, kết quả sẽ giảm biến dạng góc và ngược lại - 18 - 2.3 Các phương pháp khắc phục biến dạng góc Khi hàn các tấm tôn bao vỏ tàu lại với nhau, biến dạng góc thể hiện rõ rệt hơn nhất so với các biến dạng khác vì khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu dùng mối hàn chủ yếu là mối hàn giáp mối vát mép kiểu chữ V và khi hàn mối hàn góc Biến dạng góc làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm, gây sai lệch hình dáng,... 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. .. 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. .. mẫu hàn thí nghiệm Tiến hành hàn bằng phương pháp hàn hồ quang tay, thời gian giữa hai lớp hàn là 10 phút (600s) Nơi thực hiện: Phòng thực tập hàn – Khoa kỹ thuật Giao Thông – Đại học Nha Trang 3.1.4 Phương pháp đo biến dạng góc Khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu với nhau, có rất nhiều biến dạng xảy ra như: biến dạng do co ngang, biến dạng do co dọc, biến dạng do xoay, biến dạng dọc, biến dạng xoắn và biến dạng. .. 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. .. mép 2.2.1 Phương pháp đo biến dạng góc Khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu với nhau có rất nhiều biến dạng xảy ra như: biến dạng do co ngang, biến dạng do co dọc, biến dạng do xoay, biến dạng dọc, biến dạng xoắn và biến dạng cục bộ nhưng những biến dạng này rất khó xác định vì kích thước xảy ra rất nhỏ Trong khi đó, sai số do quá trình chế tạo kết cấu thân tàu cũng tương đối lớn Hơn nữa, phương pháp đo và dụng... 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... 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,... 3.5 Thợ hàn chuẩn 34 34-1G VR-1G-SMAW (150x2)x350x8 3.7 Thợ hàn chuẩn Độ biến dạng góc lớn nhất 10.5 Độ biến dạng góc nhỏ nhất 2.8 Độ biến dạng góc trung bình Thợ hàn chuẩn 6.5 Người giám sát Người thực hiện Bùi Văn Nghiệp Hoàng Văn Tráng Nhận xét: Kết quả biến dạng góc nhận được biến thiên khá lớn, với góc biến dạng nhỏ nhất là 2.80, góc biến dạng lớn nhất lên tới 10.50 Những phôi mẫu được hàn bởi . 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. 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. 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