3.2.1 Kim loại hàn
Là nguyên liệu và cũng là kết quả sản phẩm lao động của người thợ hàn. Vật liệu sẽ quyết định đến thông số của quy trình hàn cũng như đánh giá được quy trình hàn có đạt yêu cầu của Đăng kiểm hay không.
Quy trình cần kiểm tra Thợ hàn thực hiện
trên phôi hàn
Kiểm tra cơ tính của mối hàn Chấp nhận quy trình Đạt Không đạt
Thép là hợp kim của sắt (Fe) và cacbon (C) trong đó hàm lượng cacbon dưới 2% . Theo yêu cầu của chủ tàu thì vật liệu chính của tàu là thép thường “A”. Thép được sự chấp nhận của Đăng kiểm ABS.
Các yêu cầu về vật liệu hàn rất cao cần có chứng nhận của tổ chức Đăng kiểm về thành phần hoá học có trong thép và các lực kéo và uốn giới hạn của loại vật liệu này.
Ta có bảng thông số về thành phần thép “A” :
Hình 3-1. Bảng thông số thành phần thép ABA
3.2.2 Tính toán chế độ hàn
Trong quy trình này mối hàn tự động sử dụng đệm lót là mối hàn lót bằng phương pháp hàn CO2, chiều cao mối của mối hàn lót bằng chiều cao khe hở đáy. Ta tính chế độ hàn cho các lớp hàn tự động tiếp theo như sau:
Hình 3-2. Kích thước và thứ tự các lớp hàn
Diện tích tiết diện ngang kim loại đắp của toàn bộ mối hàn xác định theo công thức: ( ) as bc tg h Fd ≈ 2. β/2 + . +0,75. . Trong đó:
- h: chiều cao mối hàn, h = s – p = 20 – 2 = 18 (mm) - a: chiều rộng khe hàn, a = 6 (mm)
- b: chiều rộng mối hàn, có thể tính gần đúng b = a + 2h.tg(β/2) + 2 = 24 (mm) - c: chiều cao mối hàn, c = b/ψm = 24/10 = 2,4 (mm), ψm = (7 ÷ 10) là hệ số hình dáng mối hàn.
- β: góc vát mép: β = 50o
Các thông số a, p, β chọn theo tiêu chuẩn.
⇒Fd ≈182.tg(50/2)+6.18+0,75.24.2,4=302 (mm2) Cụ thể tính toán như sau:
Tính chế độ hàn cho lớp thứ nhất.
1. Chọn đường kính dây hàn theo tiêu chuẩn, d = 4 (mm)
2. Theo đường kính dây hàn đã chọn, tính I và U theo công thức đã biết sau:
U = 20 + 50.I.10-3/d0,5± 1 (1)
ψn =k’.(19 – 0,01.I).d.(U/I) (2) Khi hàn bằng dòng xoay chiều k’ = 1
Thay các giá trị vào và giải hệ hai phương trình (1) và (2) ta được: I = 453 (A) và U = 31 (V)
3. Tính tốc độ hàn. Để bảo đảm điều kiện kết tinh tốt của vũng hàn, tỷ số giữa chiều dài và chiều rộng của vũng hàn phải không đổi. Theo lý thuyết truyền nhiệt, ta sẽ có: v.I = A = const.
Tức là v = A/I (m/h)
d [mm] 1,6 2 3 4 5 6
A[.103A.m/h] 5 ÷ 8 8 ÷ 12 12 ÷ 16 16 ÷ 20 20 ÷ 25 25 ÷ 30
Với d = 4 [mm], chọn A = 16.103[A.m/h] ⇒ v = 16000/453 = 35 (m/h) 4. Xác định chiều sâu chảy theo cường độ dòng điện.
I = (80 ÷ 100).h ⇒ h = I/80 = 453/80 = 5,7 (mm) 5. Xác định chiều rộng mối hàn.
b = h.ψn = 5,7.2 = 11,4 (mm)
6. Xác định chiều đắp lớp thứ nhất co. Diện tích đắp lớp thứ nhất có thể xem là diện tích hình thang cân có đáy lớn là chiều rộng lớp hàn thứ nhất, đáy nhỏ là chiều rộng khe đáy và chiều cao là co, co = b’/tg(β/2), b’ là cạnh của tam giác vuông giới hạn bởi một nửa góc vát mép.
b’ = (b – a)/2 = (11,4 - 6)/2 = 2,7 (mm)
⇒ co = 2,7/tg(50/2) = 5,8 (mm)
Như vậy diện tích kim loại đắp lớp thứ nhất
F1’ = (a + b).co/2 = (6 + 11,4).5,8/2 = 50,5 (mm2) 7. Xác định số lớp hàn.
Xem diện tích các lớp hàn bằng nhau thì số lớp hàn n = Fd/F1 = 302/50,5 = 5,98
⇒ Chọn số lớp hàn bằng 6.
Trong thực tế việc chọn số lớp hàn cần phải đảm bảo mối hàn có hình dáng và cơ tính tốt nhất và mang lại tính kinh tế trong sản xuất. Do vậy có thể thay đổi số lớp hàn khác với giá trị tính toán để đáp ứng được yêu cầu đề ra.
Tính toán chế độ hàn cho các lớp tiếp theo tương tự như trường hợp tính cho lớp thứ nhất. Đối với hàn nhiều lớp thì mối hàn sẽ ngấu hoàn toàn do vậy hệ số ngấu
ψn > 2, lớn hơn so với mối hàn một lớp. Đặc biệt, đối với lớp hàn phủ chiều rộng mối hàn lớn do vậy để đáp ứng giá trị của hệ số ngấu đã chọn thì chiều sâu ngấu h phải lớn. Khi chiều sâu ngấu h lớn thì cường độ dòng điện phải tăng để đáp ứng được chiều sâu ngấu h.
Theo lý thuyết ở chương 2, mục ảnh hưởng của điện áp hàn đối với hình dạng và kích thước mối hàn, khi điện áp hàn tăng sẽ làm tăng chiều rộng mối hàn. Do đó, có thể tăng điện áp hàn trên cơ sở giá trị đã tính đối với lớp hàn thứ nhất.
Tính toán chế độ hàn cho lớp cuối cùng (lớp phủ) như sau: 1. Xác định chiều sâu ngấu h.
Chọn ψn = 3, từ chiều rộng mối hàn b = 24 (mm), (đã tính ở trên)
⇒ h = b/ψn = 24/3 = 8 (mm) 2. Xác định cường độ dòng điện. I = 80.h = 80.8 = 640 (A) 3. Xác định tốc độ hàn v = A/I = 20.10-3/640 = 31 (m/h) 4. Xác định điện áp hàn. U = 20 + 50.I.10-3/d0,5± 1 = 20 + 50.640.10-3/2 = 36 (V)
Giá trị các thông số của chế độ các lớp trung gian lấy trong giới hạn lớp thứ nhất và lớp cuối cùng.
Các giá trị thông số của chế độ hàn đã tính ở trên sẽ được đề cập trong nội dung chi tiết của quy trình. Các thông số trong quy trình sẽ biến thiên trong phạm vi hẹp cho phụ hợp với điều kiện thực tế để mang lại mối hàn chất lượng cao và hiệu quả kinh tế tốt nhất.
3.2.3 Dây hàn và thuốc hàn
1) Dây hàn
Đáp ứng được yêu cầu của tổ chức đăng kiểm hay không, mối hàn có cơ tính tốt hay không thì tất cả phụ thuộc vào thành phần dây hàn.
Mỗi loại dây hàn tương ứng với một loại thành phần hoá học khác nhau. Trong quy trình công nghệ hàn này loại dây hàn sử dụng dây hàn UC – 43 của nhà sản xuất CHOSUN – Hàn Quốc, được hầu hết các tổ chức Đăng Kiểm trên thế giới chứng nhận với các thông số cơ bản như sau:
Đường kính dây hàn Ф = 4,0 (mm) Khối lượng cuộn dây: 25 kg
2) Thuốc hàn
Đối với hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc thì mỗi loại dây hàn tương ứng với một loại thuốc hàn được Đăng kiểm quy định và hầu hết các loại dây hàn và thuốc hàn tương ứng đều theo tiêu chuẩn của hiệp hội hàn Mỹ AWS.
Đi cùng với dây hàn UC – 43 là thuốc hàn CA – 514.
Đặc điểm của thuốc hàn CA – 514 và dây hàn UC – 43.
Tên: CA – 514 x UC – 43.
Ứng dụng: Hàn một lớp và nhiều lớp cho thép thường và thép có độ bền cao, hàn một phía.
Tiêu chuẩn: AWS : F7A4-EL8 AWS : F7A4-EL12 Thành phần hóa học (%): C Mn Si P S Ghi chú Vật liệu cơ bản PT (mm) 0,08 1,58 0,31 0,021 0,015 SM41 25 0,07 1,41 0,42 0,016 0,010 SM50A 30
SM41, SM50A: Ký hiệu vật liệu PT (Plate thickness): Chiều dày vật liệu
Đặc điểm cơ học: YP (N/mm2) TS (N/mm2) EL (%) CVN (J) Ghi chú -20oC -29oC Vật liệu cơ bản PT (mm) PWHT 462 546 30 165 96 SM41 25 N/A - 560 - 125 - SM50A 30 N/A
YP (Yield point): Sức bền chảy TS (Tensile strength): Sức bền kéo EL (Elongation): Độ giãn dài tươg đối
CVN (Charpy V-Notch testing): Thử độ dai va đập PWHT (Post weld heat treatment): Ủ nhiệt sau khi hàn
Thông tin kỹ thuật:
Phân cấp Thành phần Đơn vị Vật liệu Chung Đặc tính cơ học Tiêu chuẩn Đường kính dây Kiểu thuốc Hạt YP TP EL Công nhận N/mm2 N/mm2 (%) 2,4/3,2/4,0/4,8 Kiểu tích tụ 12x60 462 545 32 ABS, DNV, LR, KR, NK, GL, BV
3.3 THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÀN3.3.1 Xác định chi tiết hàn 3.3.1 Xác định chi tiết hàn
Chi tiết hàn là tôm tấm phẳng đã được Đăng kiểm ABS cấp phép sử dụng để chế tạo tầu dầu Aframax 104000 DWT, cấp thép: ABS/A có thành phần hóa học và cơ tính như sau:
• Thành phần hóa học (%): C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu 0,14 0,17 0,87 0,15 0,007 0,01 0,01 0,01 0,01 • Cơ tính YP (N/mm2) T.S (N/mm2) E.L (%) 265 430 31,5
3.3.2 Vật liệu quy cách của quá trình kiểm tra cơ tính
Theo yêu cầu tổ chức Đăng kiểm ABS để quy trình hàn được sử dụng trong sản xuất thì quy trình hàn phải được kiểm tra theo các yêu cầu của Đăng kiểm trên phôi thử quy trình được quy định trong Quy phạm.
Phôi thử quy trình là tôn tấm phẳng có kích thước như sau: L x B x H = 1000 x 200 x 22 (mm)
3.3.3 Chuẩn bị trước khi hàn
Để có thể thực hiện được quá trình hàn thì việc chuẩn bị cho quá trình hàn là việc rất cần thiết đối với bất cứ một phương pháp hàn nào.
Phương pháp hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc mang đặc điểm của nền công nghiệp phát triển với sự hỗ trợ gần như hoàn toàn của máy móc hiện đại. Vì vậy, thiết bị không thể thiếu trong phương pháp hàn này là máy hàn tự động. Để quá trình hàn thực hiện tốt, đem lại năng suất cao việc đầu tiên là chuẩn bị nguồn điện ổn định, nguồn điện xoay chiều 3 pha nguồn hàn (1 chiều hoặc xoay chiều) với dải hiệu điện thế phù hợp máy hàn, ở đây chúng ta có thể sử dụng máy hàn MZ – 1000 (E) của hãng WEIDA.
Đặc tính kỹ thuật của nguồn hàn ZP5(E) – 1000: - Nguồn vào: 3 pha, 380V/50Hz
- Chế độ làm việc: 100% - Điện áp không tải: 55V - Dòng hàn max: 1000A - Điện áp làm việc: 44V
- Khoảng điều chỉnh dòng điện: 40 – 1000A - Công suất: 69KVA
- Dòng sơ cấp: 80,5A
- Kích thước: LxWxH: 774x598x1430 mm - Trọng lượng: 460 kg
Đặc tính kỹ thuật xe hàn A2 – E:
- Hộp điều khiển: PEH (Thụy Điển) - Đường kính dây hàn: 2 – 6 mm
- Chế độ mồi hồ quang: quẹt và cố định - Tốc độ hàn: 15 – 160 cm/phút
- Dòng hàn định mức: 1000A - Tốc độ ra dây: 20 – 900 cm/phút - Khoảng điều chỉnh đầu hàn: 100 mm - Khối lượng cuộn dây hàn: 25kg
- Kích thước LxWxH: 950x500x770 mm - Khối lượng: 50kg
Đồng bộ gồm: 01 nguồn hàn, 01 xe hàn, 01 cáp hàn, cáp điều khiển 15m, 01 cáp mát, kẹp mát, 02 ray, 03 bép hàn.
Các thành phần không thể thiếu khác đó là vật liệu hàn bao gồm dây hàn và thuốc hàn. Loại dây hàn và thuốc hàn đươc sử dụng như đã nêu ở trên.
Bên cạnh đó cần phải trang bị những phụ kiện cần thiết khác như: ray dẫn hướng cho xe tự hành, kìm bấm dây hàn, thiết bị hút thuốc hàn thừa,…
Kiểm tra lại máy hàn đặc biệt hệ thống đường dây dẫn điện, máy móc đảm bảo trong quá trình làm việc dòng điện luôn ổn định.
Kiểm tra các trang thiết bị cần thiết phục vụ cho quá trình hàn như: vật dụng trang bị cho thợ hàn bao gồm găng tay da, búa gõ xỉ, sứ lót tiêu chuẩn.
Đối với vật liệu đảm bảo yêu cầu đầy đủ của tổ chức Đăng kiểm, cần vạch dấu theo bản vẽ chế tạo.
Quy cách vát mép của vật liệu cơ bản:
3.3.4 Tiến hành lập quy trình công nghệ hàn
Trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu ở chương 2 và các thông số của chế độ hàn đã tính ở trên cộng với kiến thức cùng những số liệu có được trong thời gian thực tập tại nhà máy đóng tàu Dung Quất. Dựa trên những quy trình mẫu đã được Đăng kiểm Việt Nam (Việt Nam Register) chứng nhận đang áp dụng tại nhà máy em tiến hành lập quy trình hàn tự động sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép như sau:
Trong quá trình hàn tự động nối tôn phẳng cho các phân đoạn của tàu sử kỹ thuật lót đáy bằng mối hàn lót đáy với công nghệ hàn bán tự động (CO2) có dán sứ. Do vậy, trong quy trình hàn này có đề cập đến công nghệ hàn bán tự động (CO2). Các thông số của chế độ hàn cho mối hàn lót bằng CO2 được lấy từ quy trình mẫu.
Những nội dung cần xác định trong quy trình: 1. Vật liệu cơ bản (Base metal categories) 2. Vật liệu hàn (Filler metal)
3. Quy cách vát mép (Edge preparation) 4. Thứ tự hàn (Weld sưpuence)
5. Kỹ thuật hàn (Technique)
6. Đặc tính dòng điện (Electrical characteristics) 7. Các thông số hàn (Welding parameter)
8. Các yêu cầu kỹ thuật khác (Other technical requires) 9. Phạm vi ứng dụng (Scope of application)
Ký hiệu trong quy trình:
- AWS (American Welding Society): Tiêu chuẩn hàn của Mỹ; - GMAW (Gas metal arc welding): Hàn dưới lớp khí bảo vệ;
- SAW (Submerged arc welding): Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc; - PWHT (Post weld heat treatment): Ủ nhiệt sau khi hàn;
- N/A: Không đề cập đến.
3.3.5 Nội dung chi tiết của quy trình:
3.4 ỨNG DỤNG QUY TRÌNH VÀO CHẾ TẠO MỘT PHÂN ĐOẠN CỦA TÀU ĐANG ĐÓNG TẠI NHÀ MÁY THAM GIA THỰC TẬP
3.4.1 Giới thiệu chung về tàu đang đóng
Tàu đang chế tạo là tàu dầu Aframax (Dung Quất 01) thực hiện theo thiết kế của Ba Lan với đơn đặt hàng của Công ty vận tải tàu biển Viễn Dương.
Các kích thước chính của tàu:
Chiều dài lớn nhất : 245 (m) Chiều dài thiết kế : 236 (m) Chiều rộng : 43 (m) Chiều cao mạn : 20 (m) Chiều chìm thiết kế : 11,7 (m) Chiều chìm tính toán : 14,1 (m) Chiều cao toàn bộ : 47,6 (m) Chức năng của tàu:
- Kiểu tàu: Chở dầu với buồng máy và không gian sinh hoạt ở phía lái - Hàng chuyên chở: Dầu thô và dầu sản phẩm (trắng và đen).
- Phạm vi hoạt động: không hạn chế. Trọng tải:
Trọng tải của tàu tại chiều chìm 14,1m là 104.000T.
Trọng tải của tàu tại chiều chìm 11,7m là khoảng 81000 T.
3.4.2 Lựa chọn phân đoạn chế tạo
Phạm vi ứng dụng của phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc là chỉ sử dụng cho mối hàn giáp mối tư thế hàn sấp (1G) và mối hàn mối hàn góc chữ T tư thế (1F và 2F). Tuy nhiên, khi thực hiên mối hàn chữ T thường không mang lại hiệu quả kinh tế cao do gặp khó khăn trong lắp ghép, canh chỉnh,…Vì vậy tại các nhà máy đóng tàu chỉ dùng phương pháp hàn hồ quang tự động để thực hiện mối hàn giáp mối tư thế sấp (1G) còn tất cả các mối hàn và tư thế khác thì dùng phương pháp hàn hồ quang tay và bán tự động (CO2). Với đặc điểm của tàu Aframax thì hầu hết các phân
đoạn là phân đoạn phẳng do đó quy trình hàn hồ quang tự động được áp dụng để hàn nối các tấm tôn của các phân đoạn phẳng đó.
Do vậy, đối tượng áp dụng quy trình là cụm chi tiết phẳng bao gồm các tấm tôn nối lại với nhau. Cụ thể là cụm chi tiết tôn đáy của phân đoạn đáy 11-0531.
3.4.3 Công tác chuẩn bị
1) Chuẩn bị vật liệu
Tôn tấm phải được cấp chứng chỉ và mời Đăng kiểm kiểm tra trước khi tiến hành phun cát. Phun cát làm sạch tôn theo tiêu chuẩn SA.25 hoặc phun bi trên hệ thống phun bi tự động của Italy.
Tiến hành sơn lót. Lớp sơn này phải có chứng chỉ về tính không ảnh hưởng đến chất lượng hàn. Công đoạn phun cát và sơn lót có thể tiến hành sau khi lắp ráp xong phân đoạn nếu có sự đồng ý của đăng kiểm và chủ tàu.
2) Công tác hàn
Thợ hàn tự động: phải có chứng chỉ Operator
Vật liệu hàn: yêu cầu phải có chứng chỉ của đăng kiểm ABS. Có thể sử dụng vật liệu hàn của công ty Vật liệu hàn Nam Triệu sau đây có chứng chỉ của ABS:
Hàn CO2: sử dụng dây hàn NA70S, khí CO2
Hàn tự động dưới lớp thuốc: dây hàn L8, thuốc hàn S707 Sứ hàn: không yêu cầu phải có chứng chỉ của Đăng kiểm
Áp dụng quy trình hàn một phía lót sứ có nhiều lợi điểm: năng suất cao, giảm công vận chuyển và cẩu lật. Tuy nhiên khi tiến hành hàn CO2 ở ngoài trời nên sử dụng một hộp che gió làm bằng cót ép để giảm tối đa ảnh hưởng của gió.
Thuốc hàn phải được sấy khô ở nhiệt độ 2500C trước khi hàn ít nhất là 1h.