nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG  BÙI VĂN NGHIỆP NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BIẾN DẠNG NHIỆT KHI HÀN TẤM TÔN BAO VỎ TÀU LUẬN VĂN THẠC SĨ Nha Trang – 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG BÙI VĂN NGHIỆP NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BIẾN DẠNG NHIỆT KHI HÀN TẤM TÔN BAO VỎ TÀU CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT TÀU THỦY MÃ SỐ : 60.52.32 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Ba Nha Trang – 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Bùi Văn Nghiệp, học viên lớp Cao học 2006, ngành Kỹ thuật Tàu thủy, xin cam đoan: Mọi tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là trung thực, hợp lệ, chính xác và không vi phạm pháp luật. Nội dung luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS.TS. Nguyễn Văn Ba. Nha Trang, ngày tháng năm 2010 Bùi Văn Nghiệp LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian dài học tập, rèn luyện, trau dồi kiến thức và nghiên cứu đến nay luận văn cao học của tôi đã được hoàn thành. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Ba; Quý Lãnh đạo Nhà trường Đại học Nha Trang, Quý Thầy cô giáo Khoa Kỹ thuật tàu thủy và bạn bè đồng nghiệp đã quan tâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi trong học tập và nghiên cứu; Công ty TNHH NMTB Hyundai Vinashin đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về vật chất và tinh thần trong nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm; Gia đình và người thân đã quan tâm, chăm sóc, động viên tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn tất cả giúp tôi hoàn thành luận văn này. MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị Lời nói đầu 1 Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu 3 1.1. Đặt vấn đề 3 1.2. Tổng quan đề tài nghiên cứu. 4 1.3. Tầm quan trọng của quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung (SAW) trong ngành công nghiệp đóng tàu. 18 1.4. Các yếu tố cơ bản có thể ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 19 1.5. Mục tiêu, phạm vi và giới hạn nội dung nghiên cứu. 21 CHƯƠNG 2: Nghiên cứu lý thuyết sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt và góc vát mép đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 24 2.1. Quy trình chế tạo vỏ tàu và đối tượng nghiên cứu. 24 2.2. Các loại thép dùng trong đóng tàu và vật liệu nghiên cứu. 25 2.3. Nghiên cứu sự phân bố trường nhiệt độ khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 28 2.3.1. Sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn. 29 2.3.2. Nghiên cứu trường nhiệt độ với những phương trình cơ bản. 30 2.3.3. Nghiên cứu lựa chọn điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho bài toán truyền nhiệt hàn tôn bao vỏ tàu. 31 2.4. Nghiên cứu trường ứng suất khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 34 2.4.1. Trường ứng suất quá độ khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 34 2.4.2. Nghiên cứu sự phát triển và hình thành trường ứng suất dư khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 40 2.5. Nghiên cứu sự phát triển biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 45 2.5.1. Sự hình thành co ngang của mối hàn giáp mối tôn bao vỏ tàu. 45 2.5.2. Xác định độ co ngang và co dọc của mối hàn giáp mối tấm. 46 2.5.3. Sự hình thành và phát triển biến dạng xoay khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 48 2.5.4. Sự hình thành và phát triển biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 49 Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn và góc vát mép đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 53 3.1. Giới thiệu chung về phân đoạn nghiên cứu và quy trình hàn áp dụng. 53 3.1.1. Các thông số cơ bản của tàu nghiên cứu. 53 3.1.2. Các thông số cơ bản của phân đoạn nghiên cứu. 53 3.1.3. Đặc điểm kết cấu của phân đoạn nghiên cứu. 54 3.1.4. Quy trình chế tạo phân đoạn B16. 54 3.1.5. Quy trình hàn tôn bao phân đoạn B16. 56 3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. 56 3.3. Mô tả thí nghiệm. 57 3.4. Phương pháp đo biến dạng nhiệt. 58 3.5. Cơ sở so sánh đánh giá kết quả. 59 3.5.1. Công thức tính biến dạng góc của Giáo sư Okerblom. 59 3.5.2. Kết quả mô phỏng của tiến sĩ Artem Pilipenko. 59 3.6. Trình tự thực hiện. 60 3.6.1. Khảo sát biến dạng trên mẫu hàn và trên sản phẩm. 60 3.6.2. Hàn thí nghiệm sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt đến biến dạng góc. 63 3.6.3. Hàn thí nghiệm sự ảnh hưởng của góc vát mép đến biến dạng góc. 78 Chương 4 : Kết luận và đề xuất 82 4.1. Kết luận. 82 4.2. Kiến nghị. 83 4.3. Hướng nghiên cứu phát triển đề tài. 84 BIỂU BẢNG TRONG LUẬN VĂN Trang Bảng 2.1. Khử Oxy và thành phần hóa học của thép đóng tàu 25 Bảng 2.2. Hàm lượng cacbon tương đương đối với thép được sản xuất theo phương pháp cán có kiểm soát cơ nhiệt (TMCB) 26 Bảng 2.3. Thành phần hóa học của thép ASTMA131 27 Bảng 2.4: Hiệu suất hồ quang đối với các quá trình hàn khác nhau 29 Bảng 3.1: Bảng khảo sát biến dạng góc trên mẫu 62 Bảng 3.2: Bảng khảo sát biến dạng góc hàn trên sản phẩm 63 Bảng 3.3. Trị số ΔI theo quy trình hàn HVS-1G-SAW 66 Bảng 3.4. Biến dạng góc với quy trình hàn HVS-1G-SAW-W1 67 Bảng 3.5. Biến dạng góc với quy trình hàn HVS-1G-SAW-W2 68 Bảng 3.6. Biến dạng góc với quy trình hàn HVS-1G-SAW-W3 69 Bảng 3.7. Biến dạng góc với quy trình hàn HVS-1G-SAW-W4 70 Bảng 3.8. Biến dạng góc với quy trình hàn HVS-1G-SAW-W5 71 Bảng 3.9. Biến dạng góc với quy trình hàn HVS-1G-SAW-W6 72 Bảng 3.10. Biến dạng góc với quy trình hàn HVS-1G-SAW-W7 73 Bảng 3.11. Biến dạng góc với quy trình hàn HVS-1G-SAW-W8 74 Bảng 3.12. Biến dạng góc với quy trình hàn HVS-1G-SAW-W9 75 Bảng 3.13. Biến dạng góc với quy trình hàn HVS-1G-SAW-W10 76 Bảng 3.14. Biến dạng góc với quy trình hàn HVS-1G-SAW-W611 77 Bảng 3.15 : Tổng hợp kết quả ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn đến biến dạng góc khi hàn tấm theo thí nghiệm 78 Bảng 3.16 : Kết quả thực nghiêm ứng dụng công cụ hồi quy 78 Bảng 3.17: Tổng hợp kết quả ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn đến biến dạng góc khi hàn tấm theo Giáo sư Okerblom 79 Bảng 3.18 : Tổng hợp kết quả ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn đến biến dạng góc khi hàn tấm theo Tiến sĩ Artem Pilipenko. 80 Bảng 3.19: Kết quả biến dạng góc với góc vát mép chữ Y 83 Bảng 3.20: Kết quả biến dạng góc với góc vát mép chữ X 84 BẢNG HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN Trang H.1.1. Biến dạng của thép tấm trong và sau quá trình hàn 5 H.1.2. Ứng suất trên boong tàu dầu 225.000DWT trong quá trình đóng mới và chuyến hải hành đầu tiên 6 H.1.3. Các kiểu biến dạng hàn 7 H. 1.4. Nguyên lý hàn hồ quang 11 H.1.6. Nguyên lý hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung 12 H.1.7. Nguyên lý hàn TIG 13 H.1.8. Nguyên lý hàn MIG/MAG 14 H.1.9. Nguyên lý hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc 14 H.1.10. Một vài ví dụ về cụm chi tiết thanh dầm 15 H.1.11. Biến dạng dọc khi hàn cụm chi tiết kết cấu thanh dầm 16 H.1.12. Biến dạng góc khi hàn cụm chi tiết kết cấu thanh dầm 16 H.1.13. Biến dạng cục bộ khi hàn cụm chi tiết kết cấu thanh dầm. 16 H.1.14. Biến dạng góc khi hàn nối tấm tại HVS 17 H.1.14. Biến dạng cục bộ khi hàn nối kết cấu với tấm tại HVS 17 H.1.16. Khắc phục biến dạng bằng phương pháp nhiệt tại HVS 18 H.2.1. Quy trình chế tạo phân đoạn khối 24 H.2.2. Chu trình nhiệt hàn vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn nóng chảy 28 H.2.3. Mật độ nguồn nhiệt của hồ quang hàn 30 H.2.4. Ba loại điều kiện biên được sử dụng 32 H.2.5. Động học của ứng suất trong hình lăng trụ rắn 35 H.2.6. Biểu đồ mô tả sự thay đổi nhiệt độ và ứng suất trong quá trình hàn 36 H.2.7. Biểu đồ chu trình ứng suất biến dạng cục bộ trong chuẩn dừng trường nhiệt độ khi di chuyển nguồn nhiệt 37 H.2.8. Sự phát triển ứng suất ngang 39 H.2.9. Ứng suất dọc trong quá trình hàn 40 H.2.10. Đường cong giãn nở thể tích 41 H.2.11. Sự phân bố ứng suất dọc khi hàn tấm dưới dạng 3D 42 H.2.12. Ảnh hưởng của chiều dài mối hàn 42 H.2.13. Ứng suất dư ngang trong mối hàn giáp mối hàn một lượt 43 H.2.14. Sự phân bố ứng suất dư ngang dưới dạng 3D 44 H.2.15. Ứng suất dư ngang theo chiều dày tấm 45 H.2.16. Sự hình thành sự co ngang khi hàn 46 H.2.17. Sự phân bố biến dạng trong mặt phẳng tấm 47 H.2.18. Sự hình thành biến dạng xoay khi hàn giáp mối. 49 H.2.19. Sự phát triển biến dạng góc 50 H.2.20. Các ứng xử của biến dạng góc khi hàn giáp mối 51 H.2.21. Độ co góc Δβ phụ thuộc vào lượng nhiệt trên một đơn vị chiều dài hàn q w 51 H.3.1. Phân đoạn nghiên cứu 53 H.3.2. Kết cấu phân đoạn B16 54 H.3.3. Quy trình chế tạo phân đoạn đáy B16 55 H.3.4. Quy cách mối hàn nghiên cứu 56 H.3.5. Kích thước mẫu hàn thí nghiệm 57 H.3.6. Phương pháp đo khe hở biến dạng e 58 H.3.7. Phương pháp xác định độ biến dạng góc. 58 H.3.8. Mô hình mô phỏng biến dạng của Artem Pilipenko dưới dạng 3D 59 H.3.9. Đồ thị sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn đến biến dạng góc theo quy trình HVS-1G-SAW 77 H.3.10. Quy cách vát mép chữ Y 78 H.3.11. Quy cách vát mép chữ X 78 1 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế đất nước, trong những năm qua nhu cầu sử dụng tàu thuyền để đánh bắt và khai thác thủy hải sản cũng như làm phương tiện vận tải ngày càng nhiều. Chính vì thế Đảng và Nhà nước rất quan tâm đến việc phát triển nền kinh tế thủy sản, giao thông đường thủy và ngành công nghiệp hàng hải, trong đó có ngành đóng tàu. Khi tiến hành đóng tàu, biến dạng hàn là một trong những vấn đề vô cùng quan trọng và phức tạp. Biến dạng gây ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn, chất lượng kết cấu và có thể gây hư hỏng kết cấu sau khi hàn hoặc trong quá trình khai thác, sử dụng. Nhưng vấn đề này thực tế vẫn đang tồn tại tại các nhà máy đóng tàu. Sau khi hàn, nhà máy phải tốn một khoảng chi phí khá lớn để khắc phục biến dạng. Trong lịch sử nghiên cứu, cũng đã có rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu vấn đề ứng suất và biến dạng nhiệt do hàn. Tuy nhiên, những nghiên cứu này chỉ được thực hiện trên mẫu hoặc kết cấu cơ khí thông thường, kết quả khác xa so với biến dạng thực tế hàn vỏ tàu. Vì kết cấu thân tàu thủy có những đặc điểm khác biệt so với những kết cấu cơ khí thông dụng khác. Với mong muốn nghiên cứu sự ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn và góc vát mép đến biến dạng khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. Đồng thời đánh giá độ chính xác của công thức tính biến dạng của Okerblom và sự mô phỏng biến dạng của Artem Pilipenko trong điều kiện thực tế hàn vỏ tàu thủy khi áp dụng phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung. Nhằm cảnh báo nguy cơ xảy ra ứng suất và biến dạng khi hàn nối các tấm tôn bao vỏ tàu trong điều kiện thực tế, đồng thời xác định chính xác giá trị của một số thông số cơ bản trong quy trình hàn, góp phần nâng cao chất nâng cao chất lượng sản phẩm. Vì vậy lựa chọn đề tài “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu”, là vô cùng thực tế và cần thiết. Với ý nghĩa to lớn như vậy, luận văn tập trung nghiên cứu hai yếu tố chính ảnh hưởng đến biến dạng tấm tôn bao vỏ tàu trong phân đoạn phẳng do quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung, mối hàn giáp mối, thẳng và tư thế hàn bằng gây ra. Hai yếu tố chính đó là: nguồn nhiệt hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung và hình dạng của mối ghép đến biến dạng tấm tôn bao vỏ tàu. [...]... vt liu c bn, dõy hn to nờn vng hn v ụng c thnh mi hn Nguồn hàn DC Chai khí - CO2 (MAG) Ar hoặc He, (MIG) Bộ cấp dây Bộ điều khi n Dây hàn Cuộn dây Cáp điều khi n dòng điện Đường khí vào Cáp dẫn ống phun khí Bép hàn Khí bảo vệ Súng hàn Cáp hàn Nối đất Cáp điều khi n dòng điện Cáp mát Vật liệu cơ bản Hồ quang Kim loại cơ bản Kim loại mối hàn Bể hàn H.1.8 Nguyờn lý hn MIG/MAG 2 Hn h quang bng in cc núng... thuyt s nh hng ca ngun nhit v gúc vỏt mộp n bin dng nhit khi hn tm tụn bao v tu bng phng phỏp hn h quang di lp thuc tr dung 3 Kho sỏt nh hng ca ngun nhit hn v gúc vỏt mộp n bin dng khi hn tm tụn bao v tu 23 4 Hn thớ nghim s nh hng ca ngun nhit n v ca gúc vỏt mộp n bin dng khi hn tm tụn bao v tu 5 So sỏnh, tho lun kt qu v xut ch hn tm tụn bao v tu 6 Kt lun v xut hng nghiờn cu tip theo 24 CHNG 2:... nhit ca h quang lm núng chy dõy hn, thuc tr dung v mt phn ca kim loi c bn hỡnh thnh nờn vng hn Vi chiu dy lp thuc phự hp trong khi hn, s bo v ct h quang v vng hn khi s tỏc ng ca mụi trng khụng khớ Bép hàn Dây hàn Thuốc hàn Bể hàn Xỉ hàn Hồ quang Kim loại cơ bản Kim loại mối hàn H.1.6 Nguyờn lý hn h quang di lp thuc tr dung Quỏ trỡnh hn ny khụng phỏt sinh khúi, h quang kớn, gim thiu nhu cu i vi trang... trong thuc bc que hn hỡnh thnh nờn mi hn Trong ú tt c cỏc thao tỏc gõy h quang, dch chuyn que hn, thay que hn u do th hn thc hin bng tay Kìm hàn Dây cáp hàn Que hàn vỏ bọc Hồ quang Sỉ Kim loại mối hàn Kim loại cơ bản Mạch thứ cấp Dây cáp mát Bể hàn Nguồn hàn Mạch sơ cấp H.1.5 Hn h quang kim loi vi que hn cú thuc bc bo v 12 Phng phỏp ny ra i sm nht, cú kh nng hn tt c cỏc v trớ trong khụng gian v cú... lng cụng vic hn chim khong 60% tng khi lng cụng vic ch to phn v tu thy Khi lng cụng vic ny bao gm: - Cỏc cụng vic chun b trc khi hn, bao gm: chun b th hn, quy trỡnh hn, vt liu c bn, vt liu hn, mộp hn, rónh hn, hn ớnh - Cỏc cụng vic trong khi hn, bao gm nhng cụng vic chớnh: iu chnh mỏy múc, thit b v thc hin hn - Cỏc cụng vic sau khi hn: lm sch ng hn, kim tra khc phc cỏc khuyt tt v nghim thu Ngnh cụng... nhit hn h quang di lp thuc tr dung n bin dng khi hn ni cỏc tm tụn bao v tu - S nh hng ca hỡnh dng mi ghộp n bin dng tm tụn bao v tu Trong ú i nghiờn cu thc nghim kt qu bin dng trờn c s cỏc thụng s trong quy trỡnh hn Sau ú so sỏnh vi kt qu ca Okerblom v Artem Pilipenko 1.5.3 Mc tiờu nghiờn cu Nghiờn cu nh hng ca ngun nhit hn v gúc vỏt mộp n bin dng khi hn tm tụn bao v tu, t ú cú nhng khuyn cỏo v nguy c... ny c th hin trờn hỡnh 1.1 [10] Khi hn giỏp mi, vựng gn tõm mi hn b nung núng nhiu nht nờn cú xu hng gión n ln gõy ra b nộn, cũn cỏc phn khỏc nung núng ớt hn v ngui thỡ b kộo Sau khi hn, nhit theo tit din ngang ca tm dn dn cõn bng, khi ngui cỏc phn ca tm s co li Bin dng dc co rỳt phn gia phi ln hn vỡ ú nhit cao hn Vỡ vy, phn gia ca tm khi nung núng thỡ b nộn dc, sau khi ngui nú 6 hon ton tr nờn b... hin qua cỏc tiờu chun v quy trỡnh hn Quy trỡnh hn c xõy dng trờn c s tớnh toỏn thit k v thng phi tri qua rt nhiu ln th nghim trc khi c phờ chun Quỏ trỡnh hn kt cu thõn tu c ng kim kim tra, giỏm sỏt bao gm cỏc giai on: Kim tra trc khi hn, kim tra trong khi hn v kim tra sau khi hn 7 Cht lng mi hn núi chung ph thuc rt nhiu vo trỡnh tay ngh ca ngi cụng nhõn Nhng bt u vo nhng nm cui ca Th k 20, cỏc phng... lp rỏp v cng khụng m bo cht lng v mt bn 16 H.1.11 Bin dng dc khi hn cm chi tit kt cu thanh dm - Bin dng gúc H.1.12 Bin dng gúc khi hn cm chi tit kt cu thanh dm - Bin dng cc b: Khi hn cm chi tit kt cu thanh dm thng xy ra hin tng cong vờnh v bin dng cc b nh trờn hỡnh 1.13 H.1.13 Bin dng cc b khi hn cm chi tit kt cu thanh dm 2 Thc trng khi hn cỏc phõn on Trong phõn on cú cỏc loi mi hn nh: mi hn ni tụn... cu nh hng n vn bin dng nhit khi hn tm tụn bao v tu, chỳng ta cú th k n l: - Loi vt liu c bn (loi thộp úng tu) - Chiu dy vt liu c bn - Vt liu hn (dõy hn, que hn, thuc hn, khớ bo v,) - Kiu vỏt mộp: kiu ch V, X, Y K, - S lng v kớch thc mó rng lc - Phng phỏp c nh tm xung b lp rỏp 20 1.4.2 Nhúm cỏc yu t cụng ngh Cỏc yu t cụng ngh cú th nh hng n bin dng nhit khi hn tm tụn bao v tu l: - Trỡnh t hn: th t . độ khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 34 2.4.2. Nghiên cứu sự phát triển và hình thành trường ứng suất dư khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 40 2.5. Nghiên cứu sự phát triển biến dạng nhiệt khi hàn tấm tôn. biến dạng xoay khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 48 2.5.4. Sự hình thành và phát triển biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu. 49 Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn và. BÙI VĂN NGHIỆP NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BIẾN DẠNG NHIỆT KHI HÀN TẤM TÔN BAO VỎ TÀU CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT TÀU THỦY MÃ SỐ : 60.52.32 LUẬN VĂN THẠC