Nghiên cứu trạng thái ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỒNG THANH NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT DƯ TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỒNG THANH NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT DƯ TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG Ngành: KỸ THUẬT VẬT LIỆU Mã số: 9520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Tiến Dương TS Hà Xuân Hùng Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết trình bày Luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác TM TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Người cam đoan PGS TS Nguyễn Tiến Dương i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Tiến Dương TS Hà Xuân Hùng tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện động viên suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Vũ Đình Toại thầy, Bộ mơn Hàn Công nghệ kim loại – Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi động viên tác giả suốt trình nghiên cứu thực luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa khí, Trung tâm thực hành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định bạn thân hữu thầy cô giáo Bộ mơn Cơ khí hàn, đồng nghiệp quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi động viên tác giả suốt trình nghiên cứu thực luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn ThS Vũ Văn Đạt, ThS Vũ Mạnh Hùng, ThS Vũ Văn Khánh nhiệt tình giúp đỡ tác giả suốt trình nghiên cứu thực luận án Tác giả xin cảm ơn Phịng thí nghiệm phá hủy Học viện Kỹ thuật Quân giúp đỡ tác giả thực việc đo ứng suất dư liên kết hàn tiết diện ống dạng chữ K Tác giả xin chân thành cảm ơn công ty TNHH ESI Việt Nam (đặc biệt kỹ sư CAE Lương Vũ Nam) có đóng góp ý kiến mơ giúp tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thế Ninh, HRL Technology Group Pty Ltd có đóng góp quý báu giúp tác giả hồn thành phần mơ liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Cuối cùng, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố, mẹ kính yêu vợ Nguyễn Thị Như Hoa; hai con: Nguyễn Hồng Sơn Nguyễn Phương Linh toàn thể thành viên gia đình giành tình cảm đặc biệt lời động viên tạo điều kiện tốt suốt trình nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả luận án Nguyễn Hồng Thanh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU Mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Các đóng góp luận án Kết cấu luận án Chương TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.2 Tình hình nghiên cứu nước ngồi Kết luận chương Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giàn hàn giàn hàn dạng ống 2.1.1 Kết cấu giàn 2.1.2 Giàn có tiết diện dạng rỗng 10 2.1.3 Ứng dụng kết cấu giàn dạng rỗng 16 2.2 Các phương pháp hàn sử dụng để chế tạo kết cấu giàn hàn 18 2.3 Hàn kết cấu giàn dạng ống trình hàn hồ quang điện cực nóng chảy mơi trường khí bảo vệ 19 2.3.1 Nguyên lý đặc điểm trình hàn 19 2.3.2 Các thông số ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn 20 2.4 Cơ sở tính tốn xác định trường nhiệt độ ứng suất dư hàn 26 2.4.1 Tính tốn trường nhiệt độ liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 27 2.4.2 Sự hình thành ứng suất dư hàn 30 2.5 Các phương pháp xác định ứng suất dư liên kết hàn 37 2.5.1 Giới thiệu chung 37 2.5.2 Các phương pháp xác định ứng suất dư 37 Kết luận chương 42 Chương MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT DƯ TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG CHỮ K 43 3.1 Đặt vấn đề 43 iii 3.1.1 Mơ tính tốn tốn - nhiệt liên kết hàn 43 3.1.2 Mô tính tốn q trình chuyển biến pha liên kết hàn 44 3.2 Tính tốn, mơ trường ứng suất liên kết hàn phương pháp phần tử hữu hạn 49 3.2.1 Tính tốn mơ toán nhiệt - đàn hồi - dẻo phương pháp phần tử hữu hạn 49 3.2.2 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn mơ tính tốn liên kết hàn 53 3.3 Mơ hình hóa mơ số liên kết nút giàn dạng ống chữ K 55 3.3.1 Mơ hình hóa liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 57 3.3.2 Mơ hình nguồn nhiệt hàn GMAW 65 3.3.3 Các thông số vật liệu 66 3.3.4 Các điều kiện biên điều kiện đầu 70 3.4 Xác định chế độ hàn phù hợp cho liên kết nút giàn dạng ống chữ K 71 3.4.1 Tính tốn xác định chế độ hàn sơ 71 3.4.2 Thông số chế độ hàn mô 74 3.4.3 Hiệu chỉnh mơ hình nguồn nhiệt 75 3.5 Thiết lập trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K 75 3.5.1 Các trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K 75 3.5.2 Thời gian hàn thời gian làm nguội hàn đường 76 3.6 Kết tính tốn mơ 77 3.6.1 Trường nhiệt độ phân bố liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 77 3.6.2 Trường ứng suất liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 81 3.6.3 Chuyển biến pha kim loại mối hàn 91 Kết luận chương 92 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 93 4.1 Mục đích 93 4.2 Thực nghiệm hàn liên kết nút giàn dạng ống chữ K 93 4.2.1 Thiết bị hàn 93 4.2.2 Vật liệu hàn 94 4.2.3 Chuẩn bị mẫu hàn 94 4.2.4 Quy trình thực nghiệm 96 4.3 Xác định ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K kỹ thuật khoan lỗ 98 4.3.1 Thiết bị đo 98 4.3.2 Các bước tiến hành 100 Kết luận chương 102 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 103 5.1 Kích thước vũng hàn 103 iv 5.2 Ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K số vị trí khảo sát 103 5.2.1 Tại vị trí 103 5.2.2 Tại vị trí 104 5.2.3 Tại vị trí 106 5.2.4 Tại vị trí 107 5.3 Kiểm chứng kết tính tốn mơ ứng suất dư liên kết nút giàn dạng ống chữ K 108 5.3.1 Tại vị trí 108 5.3.2 Tại vị trí 109 5.3.3 Tại vị trí 109 5.3.4 Tại vị trí 110 5.4 Đề xuất biện pháp làm giảm ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 110 5.4.1 Các biện pháp kết cấu 110 5.4.2 Các biện pháp công nghệ 111 Kết luận chương 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113 Kết luận 113 Kiến nghị 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 118 v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu/ Viết tắt AWS SAW Đơn vị GMAW GTAW SMAW FCAW HAZ KLCB KLMH PP-PTHH CHS CJP PJP CP DT S, d vh Uh Ih B ddh x Von misses stress Stress XX Stress YY Stress ZZ T TCXDVN LKH FZ A Ltt a c C.R  mm mm/s V A mm mm MPa MPa MPa MPa MPa o C mm2 mm W/m2 J/kg.K o Cs-1 Ý nghĩa Hiệp hội hàn Mỹ Hàn hồ quang tự động lớp thuốc Hàn hồ quang điện cực nóng chảy mơi trường khí bảo vệ Hàn hồ quang điện cực khơng nóng chảy mơi trường khí bảo vệ Hàn hồ quang que hàn thuốc bọc Hàn hồ quang day hàn lõi thuốc Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone) Kim loại Kim loại mối hàn Phương pháp phần tử hữu hạn Tiết diện rỗng dạng ống Hàn ngấu hoàn toàn Hàn ngấu phần Cổ phần Phá hủy Chiều dày vật hàn Vận tốc hàn Điện áp hồ quang Dòng điện hàn Tầm với điện cực Đường kính điện cực Ứng suất dư Ứng suất tương đương Ứng suất pháp theo phương X Ứng suất pháp theo phương Y Ứng suất pháp theo phương Z Sự chênh lệch nhiệt độ Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam Liên kết hàn Vùng nóng chảy Diện tích làm việc mối hàn Chiều dài tính tốn đường hàn Độ dẫn nhiệt Nhiệt dung riêng Tốc độ nguội Hiệu suất hồ quang vi Hm-Hc k Pr Q q0 c Re T t T0 Tc Δt8/5 m J/mm3 W/mK W J/mm J/mm3oC o C s o C o C s l/phút Gia số Enthalpy Hệ số dẫn nhiệt Hệ số Prandtl Nhiệt lượng tỏa Năng lượng đường Nhiệt dung khối Hệ số Reynolds Nhiệt độ thời điểm khảo sát Thời gian Nhiệt độ ban đầu Nhiệt độ nóng chảy vật liệu Thời gian nguội từ 800oC ÷ 500oC Lưu lượng khí bảo vệ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng So sánh giới hạn bền xoắn số tiết diện đặc trưng 13 Bảng 2 Tốc độ cấp dây cường độ dòng điện hàn khí bảo vệ CO2 22 Bảng Ảnh hưởng tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn 24 Bảng Ảnh hưởng góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn 25 Bảng Một số thông số hàn tiêu biểu dùng cho hàn thép 25 Bảng Nhiệt độ chuyển biến pha thép S355J2G3 47 Bảng Thông số mối ghép chữ K 60 Bảng 3 Mơ hình nguồn nhiệt hàn thực nghiệm theo Goldak 66 Bảng Mác thép tương đương 66 Bảng Thành phần hóa học thép A572 Grade 50 66 Bảng Cơ tính thép A572 Grade 50 66 Bảng Thành phần hóa học thép S355J2G3 67 Bảng Cơ tính thép S355J2G3 67 Bảng Chế độ hàn sơ 73 Bảng 10 Chế độ hàn sơ 73 Bảng 11 Chế độ hàn sơ 74 Bảng 12 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết nút giàn dạng ống chữ K 74 Bảng 13 Chế độ hàn mô liên kết nút giàn dạng ống chữ K 74 Bảng 14 Thời gian hàn thời gian làm nguội 76 Bảng 15 Kí hiệu quy ước tổ chức kim loại hàn 91 Bảng Bảng thông số kỹ thuật máy hàn series KR 93 Bảng Thành phần hóa học dây hàn 94 Bảng Cơ tính dây hàn ER 70S 94 Bảng 4 Trang thiết bị sử dụng hàn 94 Bảng Chế độ hàn liên kết hàn chữ K tiết diện ống 96 Bảng Kết đo ứng suất dư khoan lỗ vị trí 103 Bảng Kết đo ứng suất dư khoan lỗ vị trí 105 Bảng Kết đo ứng suất dư khoan lỗ vị trí 106 Bảng Kết đo ứng suất dư khoan lỗ vị trí 107 Bảng 5 Kết so sánh ứng suất dư vị trí 108 Bảng Kết so sánh ứng suất dư vị trí 109 Bảng Kết so sánh ứng suất dư vị trí 109 Bảng Kết so sánh ứng suất dư vị trí 110 Bảng Bảng so sánh kết mô đo ứng suất khoan lỗ 110 viii SY – ứng suất theo trục Y TXY – ứng suất cắt x – ứng suất dư trung bình Hình Phân bố ứng suất vị trí Hình 5.3 mơ tả phân bố ứng suất dư (Smax Smin) vị trí số xác định phương pháp khoan lỗ Ta thấy ứng suất biến đổi theo chiều sâu lỗ khoan Trên đồ thị cho ta biết vị trí chiều sâu lỗ khoan khoảng 0,45 mm 0,58 mm ứng suất lên tới 439 473 MPa Tại chiều sâu 0,78 mm giá trị ứng suất dư đạt đỉnh 802 MPa Hình Phân bố ứng suất theo phương X Y vị trí Tương tự ứng suất chính, ứng suất dư đơn trục theo phương X Y vị trí sâu 0,78 mm có giá trị đỉnh 717 MPa 422 MPa (xem hình 5.4) 5.2.2 Tại vị trí Hình 5 Vị trí lỗ khoan 104 Hình 5.5 mơ tả vị trí lỗ khoan thứ hai cách trục ống (trên bề mặt) khoảng 126 mm cách chân đường hàn ống nhánh khoảng 20 mm Bảng Kết đo ứng suất dư khoan lỗ vị trí Chiều sâu Ứng suất dư (MPa) lỗ khoan Smax Smin Tmax SX SY TXY  (o) x 0,04 -7 -31 12 -63 -26 -12 10 31,43 0,2 -34 -55 10 -59 -49 -39 53,7 0,5 -99 54 -78 -94 23 108,39 0,8 62 -16 39 -84 -218 -185 206,48 Trung bình 100,00 Hình Phân bố ứng suất vị trí Tại vị trí khoan lỗ thứ hình 5.6 ta thấy phân bố ứng suất cực đại đạt giá trị 200 MPa Đây vị trí cách chân mối hàn phía sườn khoảng 15 mm Tại vị trí liên kết hàn đảm bảo điều kiện bền Giá trị ứng suất dư lớn đạt 200 MPa chiều sâu 0,8 mm Hình Phân bố ứng suất theo phương X Y vị trí Hình 5.7 cho ta biết phân bố ứng suất dọc trục theo phương X Y (vị trí khoan lỗ thứ 2), ứng suất dư kéo lớn theo phương X Y biến thiên theo chiều sâu lỗ khoan đạt giá trị cực đại 220 MPa độ sâu 0,83 mm ứng suất dư nén đạt 560 MPa độ sâu 1,0 mm Vị trí khoan lỗ thứ cách chân mối hàn phía sườn khoảng 15 mm Tại vị trí liên kết hàn đảm bảo điều kiện bền 105 5.2.3 Tại vị trí Hình Vị trí lỗ khoan Hình 5.8 thể vị trí lỗ khoan thứ liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, vị trí lỗ khoan ống chính, thuộc vùng HAZ cách chân mối hàn khoảng 20 mm cách ống nhánh khoảng 47 mm Bảng Kết đo ứng suất dư khoan lỗ vị trí Chiều sâu Ứng suất dư (MPa) lỗ khoan Smax Smin Tmax SX SY TXY  (o) x 0,04 30 14 -64 25 11 15,7 0,2 -10 -63 37 -73 -38 10 -7 42,15 0,5 -43 -138 48 -89 -138 -43 123,04 0,8 671 327 172 -74 350 89 470,39 Trung bình 162,82 Hình Phân bố ứng suất vị trí Hình 10 Phân bố ứng suất theo phương X Y vị trí 106 Hình 5.9 mơ tả phân bố ứng suất vị trí cho thấy ứng suất dư thay đổi theo chiều sâu lỗ khoan Ứng suất dư kéo đạt giá trị đỉnh chiều sâu 0,8 mm ứng suất dư nén đạt giá trị đỉnh chiều sâu 0,76 mm Tại độ sâu mm, ứng suất dư theo phương X Y đạt giá trị đỉnh 100 MPa 420 MPa Hình 5.10 mô tả phân bố ứng suất dư theo chiều sâu lỗ khoan vị trí theo phương X (đường màu xanh) theo phương Y (đường màu đỏ) Trên hình ảnh cho ta thấy ứng suất theo phương Y có giá trị lớn theo phương X, ứng suất kéo theo phương Y đạt giá trị đỉnh 600 MPa (vượt qua giới hạn chảy vật liệu bản), ứng suất nén theo phương X đạt giá trị đỉnh 600 MPa độ sâu 0,75 mm Tuy nhiên, ứng suất dư theo phương X Y lại giảm xuống độ sâu mm 5.2.4 Tại vị trí Hình 11 Vị trí lỗ khoan Hình 5.11 thể vị trí lỗ khoan thứ liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, vị trí lỗ khoan thuộc vùng HAZ cách chân mối hàn 10mm, nằm ống nhánh cách ống nhánh khoảng 100mm Bảng Kết đo ứng suất dư khoan lỗ vị trí Chiều sâu Ứng suất dư (MPa) lỗ khoan Smax Smin Tmax SX SY TXY  (o) x 0,04 24 -52 38 -22 13 -41 27 62,19 0,2 70 -118 94 -16 56 -105 48 157,15 0,5 81 -195 138 -18 54 -168 82 237,24 0,76 89 58 16 20 85 61 -10 85,56 Trung bình 135,54 Hình 12 Phân bố ứng suất vị trí Hình 5.12 mơ tả phân bố ứng suất vị trí lỗ khoan thứ ta thấy ứng suất dư biến thiên theo chiều sâu lỗ khoan Ta thấy ứng suất dư kéo nằm khoảng 200 MPa 60% so với giới hạn chảy vật liệu Ứng suất dư nén có giá trị lớn giới hạn chảy vật liệu, vị trí chiều sâu 107 ≈ 0,8 mm giá trị đỉnh 580 MPa lớn nhiều so với giới hạn chảy Tuy nhiên, theo nghiên cứu nhà khoa học ngồi nước ứng suất dư nén liên kết hàn không gây nguy hiểm tới khả chịu tải Hình 13 Phân bố ứng suất theo phương X Y vị trí Tương tự với hình 5.13 mơ tả phân bố ứng suất dư theo phương X Y, chiều sâu lỗ khoan 0,6 mm ứng suất dư kéo đạt giá trị cực đại tương ứng 210 MPa 195 MPa Ứng suất dư nén lớn chiều sâu lỗ khoan ≈ 0,8 mm theo phương X đạt giá trị ≈ 600 MPa, theo phương Y đạt giá trị 300 MPa 5.3 Kiểm chứng kết tính tốn mơ ứng suất dư liên kết nút giàn dạng ống chữ K 5.3.1 Tại vị trí Hình 14 Vị trí đo ứng suất dư: (a) mơ hình (b) mẫu (VT 1) Bảng 5 Kết so sánh ứng suất dư vị trí Kết đo ứng suất dư Khoan lỗ Mô Sai lệch (MPa) 101,24 106,23 4,98MPa Trên hình 5.14a kết ứng suất dư nút 71479 có giá trị 106,23 MPa Nút tương ứng với vị trí khoan lỗ số vật hàn, cách tâm ống 32 mm So sánh với kết đo phương pháp khoan lỗ thấy ứng suất dư xác định phương pháp khoan lỗ có giá trị nhỏ mơ 4,98 MPa Như vậy, khẳng định kết mơ thực nghiệm vị trí chấp nhận 108 5.3.2 Tại vị trí Hình 15 Vị trí đo ứng suất dư mẫu mơ hình mơ (VT 2) Bảng Kết so sánh ứng suất dư vị trí Kết đo ứng suất dư Khoan lỗ Mô Sai lệch (MPa) 100,00 105,62 5,62MPa Trên hình 5.15a kết ứng suất dư nút 36943 có giá trị 105,62 MPa Nút tương ứng với vị trí khoan lỗ số vật hàn, cách tâm ống 126mm So sánh với kết đo phương pháp khoan lỗ thấy ứng suất dư xác định phương pháp khoan lỗ có giá trị nhỏ mơ 5,62MPa 5.3.3 Tại vị trí Hình 16 Vị trí đo ứng suất dư mẫu mơ hình mơ (VT 3) Bảng Kết so sánh ứng suất dư vị trí Kết đo ứng suất dư Khoan lỗ Mơ Sai lệch (MPa) 162,82 158,90 3,9MPa Trên hình 5.16a kết ứng suất dư nút 28731 có giá trị 158,90 MPa Nút tương ứng với vị trí khoan lỗ số vật hàn, cách tâm ống 47mm So sánh với kết đo phương pháp khoan lỗ thấy ứng suất dư xác định phương pháp khoan lỗ có giá trị lớn mô 3,9MPa 109 5.3.4 Tại vị trí Hình 17 Vị trí đo ứng suất dư mẫu mơ hình mơ (VT 4) Bảng Kết so sánh ứng suất dư vị trí Kết đo ứng suất dư Khoan lỗ Mô Sai lệch (MPa) 135,54 134,80 1MPa Trên hình 5.17a kết ứng suất dư nút 14617 có giá trị 113,48 MPa Nút tương ứng với vị trí khoan lỗ số vật hàn, cách tâm ống 100mm So sánh với kết đo phương pháp khoan lỗ thấy ứng suất dư xác định phương pháp khoan lỗ có giá trị lớn mô 1MPa Tổng hợp kết mô thực nghiệm Bảng Bảng so sánh kết mô đo ứng suất khoan lỗ Kết ứng Vị trí Vị trí Vị trí Vị trí suất dư (MPa) Mô 106,23 105,62 158,90 134,80 Khoan lỗ 101,24 100,00 162,82 135,54 Sai lệch 4,98MPa 5,62MPa 3,92MPa 1MPa Bảng 5.9 thể ứng suất dư vị trí đo mẫu thực nghiệm liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K ta thấy vị trí sai lệch ứng suất dư đo phương pháp khoan lỗ tính tốn mơ số phần mềm SYSWELD có giá trị lớn 5,62MPa (tương đương 5%) Cịn vị trí khác sai lệch ứng suất dư 5%, vị trí khoan lỗ ống nhánh sai lệch ứng suất dư nhỏ 1% Như với kết thu nhận đo đạc mô lần khẳng định mơ hình mơ mơ hình thực nghiệm có tương đồng cao 5.4 Đề xuất biện pháp làm giảm ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Các mối hàn liên kết nút giàn dạng ống chữ K mối hàn khép kín nên thường có ứng suất dư lớn, cần phải có biện pháp kết cấu công nghệ hợp lý nhằm giảm ứng suất dư hàn gây để tăng khả làm việc kết cấu giảm chi phi cho việc khắc phục ứng suất dư hàn gây liên kết 5.4.1 Các biện pháp kết cấu - Khi lựa chọn vật liệu hàn cần đảm bảo cho kim loại mối hàn có độ dẻo khơng thấp tính dẻo kim loại - Đây dạng mối hàn khép kín chu vi ống nhánh nhỏ ứng suất dư hàn nút giàn chữ K cao Tuy nhiên lựa chọn ống nhánh to làm 110 tăng chi phí Vì phạm vi cho phép nên ưu tiên lựa chọn ống nhánh có đường kính lớn chiều dày mỏng - Thông thường nút giàn chữ K sử dụng kết cấu lớn, phức tạp ví dụ kết cấu giàn khoan dầu khí, chế tạo kết cấu nên chí thành mơ đun, hàn thành khối riêng rẽ sau hàn khối lại với để tạo thành kết cấu hoàn chỉnh làm giảm co ngang mối hàn giảm ứng suất dư - Cần sử dụng đồ gá để đảm bảo xác lắp ghép Việc gá lắp ống nhánh hàn cần đảm bảo cho đường tâm ống nhánh phải qua đường tâm ống Trong trường hợp nút giàn dạng chữ K ghi gá lắp cần đảm bảo đường tâm ba ống phải nằm mặt phẳng 5.4.2 Các biện pháp công nghệ 5.4.2.1 Các biện pháp công nghệ thực trình hàn - Hàn với lượng đường phù hợp cho ứng suất dư hàn nhỏ Hàn với lượng đường phù hợp cho chiều rộng vùng ứng suất tác động nhỏ so với hàn với lượng đường lớn - Khi cần thiết cần tăng số lớp hàn để giảm lượng đường cho lớp Đồng thời nhiệt độ đường hàn sau có tác dụng trường hợp ram khử ứng suất đường hàn trước sinh - Khi hàn nhiều lớp cần đảm bảo cho kim loại mối hàn phải có tính dẻo cao để giảm ứng suất co ngang - Khi chiều dày ống nhánh lớn, đặc biệt với loại thép dễ bị tơi cần nung nóng sơ đồng thời giảm bớt cường độ dòng điện hàn để tránh ứng suất dư lớn làm nứt mối hàn - Điểm bắt đầu điểm kết thúc đường hàn sau không trùng với điểm bắt đầu hay điểm kết thúc đường hàn trước - Đặc biệt cần lưu ý thực trình tự hàn Khi hàn mối hàn nút giàn dạng ống chữ K mà có nhiều đường hàn nên hàn đường hàn chiều cho ứng suất dư nhỏ hàn đường hàn ngược chiều Khi hàn đường hàn cần sử dụng trình tự hàn từ góc hẹp góc lớn để làm giảm giá trị ứng suất dư khu vực mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt Với trình tự hàn làm thay đổi phân bố ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 5.4.2.2 Các biện pháp công nghệ thực sau hàn Trên sở kỹ thuật mơ số q trình hàn liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, ta biết vị trí tập trung ứng suất dư lớn từ áp dụng số biện pháp làm giảm ứng suất dư sau: - Bắn bi vị trí tập trung ứng suất dư cao (điểm kết thúc đường hàn) nhằm làm phân bố lại ứng suất dư - Nung cục vị trí tập trung ứng suất dư cao làm phân bố lại ứng suất dư Đối với kết cấu thép cần ý khơng nung nóng q 650oC để tránh làm thay đổi tổ chức kim loại - Sử dụng phương pháp ram để khử ứng suất dư cách gia nhiệt kết cấu hàn đến nhiệt độ 6000C÷6500C với tốc độ tăng nhiệt 80oC÷900C giờ, thời gian giữ nhiệt nhiệt độ khoảng phút/1mm chiều dày ống (tính theo chiều dày ống dày nhất); sau để kết cấu nguội chậm với tốc độ nguội 800C/giờ - Rung khử ứng suất dư vị trí gần vị trí tập trung ứng suất dư cao (mối hàn phía trong) lịng ống nhánh 111 Kết luận chương Trong chương này, tác giả đã: Kiểm chứng kích thước vũng hàn thu mô tương đồng với kết đo Với chế độ hàn sử dụng bảng 3.7 kết đo chiều dài vũng hàn 16,5mm tương đồng với kết mô 17,85mm Điều chứng minh mơ hình mơ với điều kiện tính tốn thiết lập phù hợp với thực tiễn Đã xác định giá trị ứng suất dư vị trí khảo sát liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K kỹ thuật khoan lỗ Trong đó, ứng suất vị trí đạt giá trị lớn 162,82 MPa nhỏ vị trí đạt giá trị 100 MPa hàn với chế độ hàn cho bảng 3.8 Qua so sánh kết đo đạc ứng suất dư kỹ thuật khoan lỗ với mô số, ta nhận thấy giá trị ứng suất dư chênh lệch lớn 5,62 MPa (vị trí 2) Điều chứng minh mơ hình mô xây dựng phản ánh thực tế Từ đó, khuyến cáo sử dụng phương pháp mơ số phần mềm SYSWELD để tính tốn, xác định trường ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Nhằm mục đích tiết kiệm chi phí, giảm thời gian nghiên cứu; thu nhận hình ảnh trực quan kết nghiên cứu toàn liên kết mà phương pháp thực nghiệm khó thực Qua nghiên cứu trạng thái ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, tác giả đề xuất biện pháp để giảm ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trong luận án này, tác giả xác định thông số chế độ hàn trình tự hàn hợp lý liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K với mối hàn nhiều đường, nhiều lớp Đã xây dựng phương pháp nghiên cứu mơ tính tốn trường nhiệt độ ứng suất liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Cụ thể kết nghiên cứu mà luận án đạt bao gồm: Đã mơ hình hóa liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K cách kết hợp phần mềm thiết kế Inventor Catia để xây dựng mơ hình 3D Đã nhúng thành cơng mơ hình 3D vào phần mềm VISUALMESH để chia lưới cho nút giàn dạng ống chữ K Đã ứng dụng thành cơng phần mềm SYSWELD để tính tốn, mơ xác định trường nhiệt độ, trường ứng suất tác động ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Để q trình mơ đạt độ xác phản ánh thực tế, mơ hình nút giàn dạng ống tác giả khuyến cáo sử dụng loại phần tử Linear Hex 8, kích thước lưới nằm khoảng 1÷ mm Kết tính tốn, mơ ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K phản ánh với thực nghiệm đo ứng suất dư phương pháp khoan lỗ Từ chứng minh tính đắn phương pháp mơ Do vậy, sử dụng phương pháp mơ để dự đốn trước ứng suất dư liên kết nút giàn dạng ống chữ K Từ đó, làm sở xác định chế độ hàn trình tự hàn hợp lý nhằm giảm ứng suất dư liên kết Thông qua nghiên cứu mô thực nghiệm, liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K luận án khuyến cáo hàn từ góc hẹp góc lớn ứng suất dư nhỏ hàn theo hướng ngược lại Ứng suất dư điểm bắt đầu mồi hồ quang nhỏ ứng suất dư điểm kết thúc hồ quang Trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K hàn nhiều đường, nhiều lớp ứng suất dư phân bố theo chiều dày thành ống vùng ảnh hưởng nhiệt có xu hướng giảm dần từ bề mặt vào độ sâu khoảng 1/3 chiều dày thành ống, sau lại tăng lên xuống phía thành ống Trong đó, vị trí xa nguồn nhiệt ứng suất dư lại có xu hướng giảm chủ yếu xét từ bề mặt xuống thành ống Khi hàn nhiều đường, nhiều lớp ứng suất dư tập trung đường hàn phía (đường hàn lót), chân mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt có ứng suất cao Kiến nghị Bản luận án bỏ ngỏ số vấn đề chưa triển khai nghiên cứu, kiến nghị tác giả sau nghiên cứu tiếp vấn đề đây: Nghiên cứu ứng suất dư kết cấu giàn dạng ống chiều để ứng dụng kết cấu giàn không gian Nghiên cứu tác động ứng suất nút giàn với 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo tiếng Việt [1] Huỳnh Minh Sơn (2008), Bài báo: Nghiên cứu làm việc tính tốn liên kết hàn giàn thép ống tiết diện rỗng, chịu tải trọng tĩnh [2] Nguyễn Văn Đức cộng (2011), Nghiên cứu thiết kế chi tiết công nghệ chế tạo chân giàn khoan tự nâng 90 m nước, Công ty CP Chế tạo Giàn khoan Dầu khí [3] Trần Văn Địch (2004), Sổ tay thép giới, NXB KHKT, Hà Nội [4] Lê Đình Tâm (2003), Cầu thép, NXB Giao thơng vận tải, Hà Nội [5] Ngô Lê Thông (2007), Công nghệ hàn nóng chảy, Tập 1, NXB KHKT, Hà Nội [6] Vũ Huy Lân, (2013), Giáo trình Vật liệu hàn, NXB Bách khoa – Hà Nội [7] Nguyễn Đình Đức (2011), Sức bền vật liệu kết cấu, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [8] Nghiêm Hùng (2004), Vật liệu học, NXB KHKT - Hà Nội [9] Ngô Lê Thông (2007), Cơng nghệ hàn nóng chảy, Tập 2, NXB KHKT, Hà Nội [10] Đinh Quang Tuế, Nguyễn Tiến Dương, Xác định thơng số điều khiển q trình hàn hồ MIG/MAG ảo, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số năm 2014, Trang 88-93 [11] Nguyễn Tất Tiến (2004), Lý thuyết biến dạng dẻo, NXB Giáo dục Việt Nam [12] Nguyễn Thế Ninh (2008), Truyền nhiệt hàn ứng dụng, NXB Bách khoa, Hà Nội [13] Nguyễn Tiến Dương (2008), Tập giảng Truyền nhiệt vật hàn, Đại học Bách Khoa Hà Nội [14] Nguyễn Tiến Dương (2014), Tập giảng Mơ tính tốn hàn, Đại học Bách Khoa Hà Nội [15] Hoàng Tùng (2002), Sổ tay Công nghệ Hàn - NXB Giáo dục - Hà Nội [16] Trần Ích Thịnh (2007), Phương pháp phần tử hữu hạn, NXB KHKT, Hà Nội [17] Tập giảng Kết cấu hàn, Đại học Bách Khoa Hà Nội [18] Đỗ Thành Trung (2013), Ansys – Phân tích ứng suất biến dạng, NXB ĐHQG TP Hồ Chí Minh [19] Phạm Quang Huy, Trịnh Vũ Khuyên (2016), Giáo trình thực hành thiết kế khí với Solidworks, NXB Thanh niên [20] Phan Nguyên Di (2001), Cơ học môi trường liên tục, NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội [21] Vũ Đình Toại (2014), Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm – thép trình hàn TIG, Đại học Bách Khoa Hà Nội Tài liệu tham khảo tiếng Anh [22] Jeffrey Paker (2012), Hollow Structural Section Connections, American Institute of Steel Construction [23] J Wardenier (2001), Hollow sections in structural application, Delft University of Technology The Netherlands 114 [24] Zhao, X.L., Herion, S., Packer, J.A., Puthli, R.S., Sedlacek, G., Wardenier, J., Weynand, K., van Wingerde, A.M and Yeomans, N.F (2001), Design Guide for Circular and Rectangular Hollow Section Welded Joints under Fatigue Loading,CIDECT Design Guide No 8, CIDECT (Ed.) and Verlag TÜV Rheinland, Köln, Germany [25] International Institute of Welding (1984), Welding of Tubular Structures, Pergamon Press Office [26] Corus Tubes, Structural and Conveyance Business (2005), Design of SHS welded joints, pp 12 [27] I Ryan (1987), Welded Tubular Joint, Printed in France, ISBN 2-7108-05308 [28] P.W Marshall (1992), Design of Welded Tubular Connection, Basic and use of AWS Code Provision - Elsevier Science Ltd [29] Gang Zhao (2006), Finite Element Analysis and Design of Welded CHS Connections (Thesis), Raleigh, NC [30] AWS - D1.1 M: 2010, An American National Standard [31] C Heinze, C Schwenk, M Rethmeier (2011) Numerical calculation of residual stress development of multi-pass gas metal arc welding, Journal of Construcional Steel Research 72, pp 12-19 [32] Argyris, J.H.; Szimmat, J.; Willam, K.I (1985): Finite element analysis of arc welding processes [33] C Acevedo, A Nussbaumer, Residual Stress Estimation of Welded Tubular K-joints under Fatigue Loads [34] Dieter Radaj (1992), Heat effects of welding: Temperature field, residual stresses, Distortion, Springer – Verlag [35] Cynthia L Jenney and Annette O'Brien (Editor) (2001), Welding Handbook, Vol 1: Welding Science and Technology, American Welding Society; 9th edition [36] Editor Leonard P Connor (1987), Welding Handbook Volume 1: Welding Technology, American Welding Society [37] Owner’s Manual for Digital Inverter Series DP400/ DM350, Daihen Comporation, page 21, page 22 and page 25 [38] ESI Group, 99 Rue Des, Solets Silic 112 94513 Rungis Cedex FRANCE [39] EN ISO 5817: 2003 European Standard [40] Farid Vakili-Tahami, Finite Element Analysis of the In-service-Welding of T Joint Pipe Connections [41] Farong, Y.; Huadong, S.: Transient temperature fields and residual stress fields of metallic materials under welding [42] G Totten, M Howes, T Inoue (2002), Handbook of Residual stress and Deformation of Steel, Materials Park, Ohio [43] Nguyen, N.T., Ohta, A., Matsuoka, K., Suzuki, N., and Maeda, Y (1999) Analytical solutions for transient temperature of semi-infinite body subjected to 3-D moving heat sources Welding Journal Research Supplement, 265-274 [44] Karlsson, R.I and Josefson, B.L (1990) Three Dimensional Finite Element Analysis of Temperature and Stresses in a Single-Pass Butt-Welded Pipe, ASME Journal of Pressure Vessel Technology, Vol 112, pp 76-84 115 [45] Ueda, Y.; Yamakawa, T (1972): Thermal stress analysis of metals with temperature dependent mechanical properties In: Mechanical behavior of materials, Vo!' III, pp 10-20 Soc Mat Science, Jap [46] Gunaraj and Murugan, Prediction and control of weld bead geometry and shape relationships in submerged arc welding of pipes, J of Materials Processing Tech, Vol 168 2005, 478-487 [47] Zamiri Akhlaghi (2014), Welding Simulation and Fatigue Assessment of Tubular K-Joint in high Strength Steel (thesis No 6158) [48] M.Sc Bradáě J PhD Calibration of heat source model in numberical simulations of fusion welding [49] Andrzej Służalec, Theory of Thermomechanical Processes in Welding, 2005 [50] International Welding Engineer (2005), Welding processes and equipment, SLV Duisburg – Branch of GSI mbH [51] Ha Xuan Hung (2003), A study on the texture evolution and residual stress distribution during gas metal arc welding process, Seoul National University [52] Goldak, J., Chakravarti, A., and Bibby, M (1984) A new finite element model for welding heat source Metallurgical Transactions B, 15B, 299-305 [53] Guth, W.; Szimmat, J.: Numerical and experimental determination of residual stresses in multi-layer welds, pp 1025-1031 [54] John A.Goldak, Mehdi Akhlaghi (2005), Computational welding mechanics, Springer [55] Buchmayr, B.; Kirkaldy, 1.S (1990): Modeling of the temperature field, transformation behavior, hardness and mechanical response of low alloy steels during cooling from the austenite region J Heat Treat no 2, pp 127-136 [56] Josefson, L.; et a!.: Transient and residual stresses in a single-pass butt welded pipe, pp 497-503 [57] Karlsson, L (1986): Thermal stresses in welding In: Thermal stresses, Vol (Ed.: R.B Hetnarski), pp 299-389 Amsterdam: North-Holland [58] Kussmaul, K.; Guth, W.: Evaluation of residual stresses in multilayer welds, pp 612-618 [59] Koi Masubuchi (1980), Analysis of Welded Structures: Residual stress, Distortion, and their consequences, Pergamon Press [60] Kosistinen DP, Marburger RE A general equation prescribing extent of austenite–martensite transformation in pure Fe–C alloys and plain carbon steel Acta Metall 1959;7:50–60 [61] M Siddique, M Abid, H F Junejo and R A Mufti, 3-D Finite Element Simulation of Welding Residual Stresses in PipeFlange Joints: Effect of Welding Parameters [62] Sindo Kou (2003), Welding Metallurgy, Second Edition [63] Measurement of residual stresses by the hole-drilling strain-gage method Raleigh, N.C.: Measurement Groups 1986 [64] Yuriy KUDRYAVTSEV, Ultrasonic Measurement of Residual stresses in Welded Elements and structure [65] N.S Rossini et al, Method of measuring Residual stress in Components [66] ASTM-Standard E 837-85: Standard test method for determining residual stresses by the hole driling strain-gage method 116 [67] Oddy, A.S.; Goldak, J.A.; McDill, J.MJ.: Transformation effects in the 3d finite element analysis of welds, pp 97-101 [68] Dean Deng, FEM prediction of welding residual stress and distortion in carbon steel considering phase transformation effects No 30, Elsevier, pp 359–366 [69] Hyeong Yeon Lee (2006) Treatment of residual stress in failure assessment procedure, Engineering Fracture Mechanics 73 (2006) 1755–1771 [70] P Tekriwal, J Mazumder, (1991) ‘Transient and residual strain-stress analysis of GMAW’ J Mater Thecnol, 113, p.337-343 [71] Systein Grong (1997), Metallurgical modeling of welding, The Institute of Materials Tài liệu tham khảo tiếng nước khác [72] Дао Куанг Ке (1988), Намаляване и преразпределяне на остатъчните напрежения в заваръчния шев на тръбата чрез местно взривяване, Pyce [73] [Leroy07] Simulation numérique du soudage (2007): proposition d’un modèle de comportement mécanique et son analyse de sensibilité - Diplôme d’Etudes Approfondies, Génie Mécanique et Génie Civil Nguồn từ Internet [74] https://nguyen-duy-ninh.blogspot.com/ [75] http://www-it.jwes.or.jp/weld_simulator/en/cal4.jsp 117 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Hồng Thanh*, Hà Xuân Hùng, Nguyễn Tiến Dương (2014), Mô số trường nhiệt độ hàn liên kết chữ T thép A36 phương pháp hàn GMAW, Tạp chí khí Việt Nam, Trang 40 – 45, ISBN: 0866 - 7056 Nguyễn Hồng Thanh*, Hoàng Trọng Ánh, Nguyễn Tiến Dương, Hà Xuân Hùng (2016), Dự đoán ứng suất dư biến dạng liên kết hàn góc chữ T phương pháp phần tử hữu hạn Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật T.P Hồ Chí Minh, Trang 63 – 71, ISBN: 1859 - 1272 Nguyễn Hồng Thanh*, Nguyễn Tiến Dương, Hà Xuân Hùng (2016) Ảnh hưởng trình tự hàn đến phân bố ứng suất dư liên kết hàn ống chữ K, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Khoa học Toàn quốc lần thứ Cơ kỹ thuật tự động hóa, NXB Bách Khoa Hà Nội, Trang 454 – 460, ISBN: 978-604-95-0221-7 Nguyễn Hồng Thanh*, Hoàng Trọng Ánh, Nguyễn Tiến Dương, Hà Xuân Hùng (2016) Nghiên cứu ảnh hưởng trình tự hàn đến ứng suất dư biến dạng liên kết hàn giáp mối Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Công nghệ Tồn quốc Cơ khí - Động lực 2016, Tập 1, NXB Bách Khoa Hà Nội, Trang 276 – 281, ISBN: 978-604-95-0040-4 Lê Văn Phi, Hà Xuân Hùng, Nguyễn Hồng Thanh (2017), Ảnh hưởng gá kẹp đến ứng suất dư biến dạng liên kết hàn giáp mối hai thép không gỉ AISI 304, Tạp chí khí Việt Nam, Trang 43 – 48, ISBN: 0866 - 7056 Hoàng Trọng Ánh, Nguyễn Hồng Thanh*, Nguyễn Tiến Dương, Hà Xuân Hùng (2018) Phân bố ứng suất dư biến dạng hàn giáp mối hai thép khơng gỉ AISI 304, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật T.P Hồ Chí Minh, Trang 51 – 58, ISBN: 1859 - 1272 Nguyễn Hồng Thanh*, Nguyễn Tiến Dương, Hà Xuân Hùng (2018) Numerical simulation of temperature field during welding of K type pipe joint, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Bách Khoa Hà Nội, số 127B, Trang – 10, ISBN: 2354 - 1083 Nguyễn Hồng Thanh*, Hoàng Trọng Ánh, Nguyễn Tiến Dương, Hà Xuân Hùng (2018) Dự đoán ứng suất dư biến dạng hàn ống thép không gỉ 316L phần mềm Sysweld Hội nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc khí lần thứ V – VCME2018, Đại học công nghiệp Hà Nội, trang 61-69 ISBN: 978-604-671103-2 118 ... nhiệt độ ứng suất liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K - Đề biện pháp kỹ thuật, công nghệ để giảm ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Đối tượng nghiên cứu - Nút giàn dạng ống chữ... thiên thành phần ứng suất quy luật phân bố ứng suất dư, liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Xác định thông số chế độ hàn hợp lý liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, hàn nhiều lớp Áp dụng thành... hình thành ứng suất dư biến dạng hàn khơng phải q trình đảo ngược (nên ta gọi ứng suất biến dạng lại sau hàn ứng suất dư biến dạng dư) Ý nghĩa việc nghiên cứu trình hình thành ứng suất dư biến dạng