tàu thủy
Hàn là một trong những cụng việc quan trọng nhất, chiếm tới 60% khối lƣợng cụng việc chế tạo một con tàu. Theo thống kờ của Cụng ty Đúng tàu Phà Rừng, tổng chiều dài đƣờng hàn trong một con tàu tƣơng ứng nhƣ sau [25]:
Bảng 1- 3 Thống kờ chiều dài đường hàn trong thõn tàu
Loại tàu Loại liờn kết/ Vị trớ thực hiện Chiều dài đƣờng hàn (m) Tàu chở hàng
rời,
Tải trọng 20.000 tấn
1/ Mối hàn gúc nằm ngang/ khi đúng khối đỏy 10,584
2/ Mối hàn gúc nằm ngang/ đúng khối mạn & boong 15,120
3/ Mối hàn giỏp mối vị trớ đứng/ khi đấu đà 388
4/ Mối hàn giỏp mối vị trớ nằm ngang/ khi đấu đà 980
Tổng cộng 27,072
Tàu chở hàng rời,
Tải trọng 34.000 tấn
1/ Mối hàn gúc nằm ngang/ khi đúng khối đỏy 10,819
2/ Mối hàn gúc nằm ngang/ đúng khối mạn & boong 23,781
3/ Mối hàn giỏp mối vị trớ đứng/ khi đấu đà 1,310
4/ Mối hàn giỏp mối vị trớ nằm ngang/ khi đấu đà 830
Tổng cộng 36,740
Cỏc mối hàn này cú chiều dài lớn và nằm ở cỏc vị trớ hàn gúc nằm ngang, hàn giỏp mối ngang và hàn giỏp mối ở vị trớ đứng thớch hợp cho việc tự động hoỏ. Qua bảng trờn ta cú thể thấy tổng chiều dài đƣờng hàn khi chế tạo tàu chở hàng cú tải trọng 20.000 tấn là 27 km và tàu cú tải trong 34.000 tấn là gần 37 km. Điều này cú nghĩa rất lớn về mặt năng suất và chất lƣợng nếu cỏc mối hàn này đƣợc thực hiện tự động.
12 Theo tài liệu [14] khi chế tạo tàu chở dầu 200.000 tấn, tổng chiều dài của cỏc liờn kết hàn là 340.000 m, trong đú liờn kết hàn giỏp mối chiếm 15% (51.000 m), trong đú cú khoảng 22.000 m thớch hợp cho hàn giỏp mối một phớa. Nhƣ vậy khoảng 45% chiều dài liờn kết hàn giỏp mối cú thể thực hiện bằng cụng nghệ hàn một phớa. Hiện nay mức độ ứng dụng cụng nghệ hàn một phớa cũn vƣợt hơn 70%; do cụng nghệ hàn một phớa ngày càng hoàn thiện, mức độ tự động húa quỏ trỡnh hàn ngày càng cao, thiết bị hàn tự động bỏn thụng minh và Robot hàn nhiều trục đƣợc sử dụng trong quỏ trỡnh hàn một phớa đặc biệt là liờn kết hàn giỏp mối nối tổng đoạn vỏ tàu khi đấu đà.
Hỡnh 1. 4 Sơ đồ vị trớ và cỏc phương phỏp hàn được sử dụng trong lắp rỏp thõn tàu [15]
Cụng nghệ hàn một phớa đƣợc thực hiện bằng nhiều quỏ trỡnh hàn khỏc nhau phụ thuộc vào từng trƣờng hợp cụ thể; hàn hồ quang tay (MAW), hàn tự động dƣới lớp thuốc (SAW), hàn tự động và bỏn tự động trong mụi trƣờng khớ bảo vệ (GMAW), hàn điện cực khụng núng chảy trong mụi trƣờng khớ bảo vệ (GTAW), hàn hồ quang với dõy lừi thuốc (FCAW), hàn điện khớ (EGW),v.v... Hỡnh 1. 4 minh họa cỏc vị trớ và cỏc phƣơng phỏp hàn đƣợc ứng dụng để hàn cỏc liờn kết hàn trong đúng tàu [15].
13 Trong cỏc quỏ trỡnh hàn kể trờn, thỡ FCAW là quỏ trỡnh hàn chủ đạo, chiếm tỷ trọng lớn khối lƣợng cụng việc hàn trong chế tạo thõn tàu; dõy hàn lừi thuốc ngày càng đƣợc nghiờn cứu và phỏt triển đa dạng về chủng loại phự hợp với cỏc cấp thộp khỏc nhau trong cụng nghiệp chế tạo kết cấu hàn; điều này đƣợc khẳng định qua thống kờ mức độ tiờu thụ vật liệu hàn ở Nhật Bản năm 2005 nhƣ trong Hỡnh 1. 5.
Hỡnh 1. 6 Thử nghiệm hàn giỏp mối một phớa ở vị trớ đứng bằng Auto-FCAW (Phà Rừng)
Nhà mỏy đúng tàu Phà Rừng đó đầu tƣ một số mỏy hàn Auto-FCAW của hóng ESAB Thụy Điển, cho hàn thử nghiệm nhƣ trờn Hỡnh 1. 6. Tuy nhiờn cho đến nay thiết bị hàn Auto–FCAW này chƣa đƣợc ỏp dụng một cỏch hiệu quả vào sản suất do chƣa nghiờn cứu một cỏch bài bản, đầy đủ để cú thể xõy dựng đƣợc quy trỡnh hàn hợp lý khi hàn nối tổng đoạn vỏ tàu. Xuất phỏt từ những khú khăn tồn tại và những thuận lợi đó đƣợc phõn tớch ở phần trờn đề tài lựa chọn quỏ trỡnh hàn Auto-FCAW để nghiờn cứu, ứng dụng cụ thể vào mối hàn nối tổng đoạn vỏ tàu nhằm nõng cao năng suất và chất lƣợng.
1.2.1. Cụng nghệ hàn một phớa nối tổng đoạn vỏ tàu trong nƣớc
Cho đến nay ở Việt Nam đó cú nhiều cụng trỡnh nghiờn cứu về việc tự động húa cỏc quỏ trỡnh hàn ứng dụng trong đúng tàu nhằm nõng cao năng suất và chất lƣợng vỏ tàu; nổi bật là cỏc đề tài nghiờn cứu khoa học cấp nhà nƣớc trong giai đoạn từ 2001 đến 2011 cụ thể nhƣ đề tài [19] “Nghiờn cứu cụng nghệ hàn tự động trong khụng gian nhiều chiều cú điều khiển theo chƣơng trỡnh số phục vụ cho việc hàn vỏ tàu và thiết bị hoỏ dầu” do TS. Hoàng Văn Chõu-Viện Nghiờn cứu Cơ khớ chủ trỡ. Đề tài đó đƣợc nghiệm thu năm 2005 và đó thu đƣợc một số kết quả thực nghiệm ban đầu về cụng nghệ hàn tự động trong khụng gian nhiều chiều cú sử dụng đầu dũ quỹ đạo đƣờng hàn bằng Laser. Tuy nhiờn đối với liờn kết hàn ở vị trớ khú khăn nhƣ mối nối tổng đoạn vỏ tàu thỡ việc sử dụng cụng nghệ hàn tự động dƣới lớp thuốc là rất hạn chế và hầu nhƣ khụng thể thực hiờn đƣợc. [20] Đề tài nghiờn cứu “Một giải phỏp nhằm nõng cao năng suất và chất lƣợng của cụng đoạn hàn vỏ tàu với Robot tự hành trờn đƣờng ray”của cỏc tỏc giả Ngạc Bảo Long và Lờ Hoài Quốc sử dụng phƣơng phỏp dũ đƣờng hàn bằng cỏc cảm biến bỏm theo dải băng dớnh dỏn song song với đƣờng hàn trờn vỏ tàu, Robot đƣợc kộo lờn bằng tời để thực hiện hết đƣờng hàn. Trong cụng trỡnh này nhúm tỏc giả chủ yếu đi sõu nghiờn cứu tỡm biện phỏp tự động hoỏ quỏ trỡnh hàn tàu thuỷ mà khụng nghiờn cứu về cụng nghệ hàn một phớa. [21] Cụng trỡnh “Nhận dạng vết và điều khiển chuyển động của Robot hàn tự hành trờn đƣờng ray ứng dụng trong
14 ngành đúng tàu”của tỏc giả Nguyễn Xuõn Quang và Lờ Hoài Quốc sử dụng một cảm biến siờu õm để dũ tỡm mộp hàn. Theo phƣơng phỏp này, tại một số mặt cắt ngang của đƣờng hàn cho cảm biến siờu õm di chuyển hết chiều rộng mộp hàn để tỡm điểm cú độ sõu lớn nhất và gỏn điểm đú làm điểm của trục đƣờng hàn tại mặt cắt đú. Tập hợp một số điểm lấy mẫu nhƣ vậy sẽ đƣợc quỹ đạo đƣờng hàn. Phƣơng phỏp này mất nhiều thời gian cho việc dũ tỡm vết hàn vỡ phải thực hiện dũ tỡm càng nhiều mặt cắt thỡ càng chớnh xỏc, hơn nữa do trờn thực tế khi ghộp nối cỏc tổng đoạn khe hở hàn đạt đƣợc là khụng đồng đều nờn việc gỏn điểm cú độ sõu lớn nhất làm tõm mộp hàn là khụng thoả đỏng. Chớnh vỡ vậy phƣơng ỏn này cũng chỉ mới đƣa vào thử nghiệm tại cỏc nhà mỏy đúng tàu ở phớa nam. [22] Đề tài nghiờn cứu “Nghiờn cứu cỏc thiết bị và phƣơng phỏp cụng nghệ cơ bản phục vụ cho đúng tàu thuỷ cỡ lớn”. Đề tài chỉ đƣa ra kết quả ở dạng đầu tƣ cụng nghệ, trang thiết bị cần thiết phục vụ đúng tàu cỡ lớn. [23] Dự ỏn KC.06.DA12.CN “Hoàn thiện cụng nghệ tự động trong chế tạo, lắp rỏp, hàn vỏ tàu thuỷ nhằm nõng cao chất lƣợng đúng tàu thuỷ cỡ lớn” Cụng ty Cụng nghiệp Tàu thuỷ Nam Triệu. Một phần trong dự ỏn cú đề cập đến quy trỡnh hàn tự động, bỏn tự động phõn đoạn – tổng đoạn vỏ tàu. Tuy nhiờn nội dung chỉ phõn tớch đặc điểm cụng nghệ và phạm vi ứng dụng của một số cụng nghệ hàn thụng dụng nhƣ SAW, GMAW và trỡnh tự thực hiện cỏc liờn kết hàn tổng đoạn.
Gần đõy nhất, đề tài NCKH cấp Nhà nƣớc [25] “Nghiờn cứu, thiết kế và chế tạo robot hàn tự hành phục vụ ngành đúng tàu ở Việt Nam“, mó số KC.03.06/06-10, chủ nhiệm đề tài PGS.TS. Bựi Văn Hạnh, thuộc Chƣơng trỡnh KH & CN trọng điểm cấp Nhà nƣớc. Đề tài đó nghiờn cứu tớnh toỏn, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống thiết bị hàn tự động dựng cho ngành đúng tàu, bao gồm Robot tự hành, thiết bị tạo quỹ đạo khụng gian cho Robot chuyển động (ray dẫn hƣớng), thiết bị hàn, thiết bị tạo dao động dớch dắc đầu hàn, đƣợc điều khiển bằng lập trỡnh thụng qua phần mềm tớch hợp trong bộ điều khiển của Robot, cú cỏc chỉ tiờu và tớnh năng kỹ thuật tƣơng đƣơng với thiết bị cựng loại của cỏc nƣớc trong khu vực. Tuy nhiờn trong khuụn khổ đề tài, nhằm giảm thời gian nghiờn cứu và sớm đƣa sản phẩm ứng dụng vào thực tiễn, nhúm tỏc giả giới hạn Robot chỉ hàn cỏc mối hàn ở vị trớ đứng khi ghộp nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quỏ trỡnh hàn MAG (Hàn núng chảy trong mụi trƣờng khớ hoạt tớnh).
Núi chung cỏc đề tài nghiờn cứu trong nƣớc đó đạt đƣợc cỏc kết quả tốt trong việc đƣa ra cỏc giải phỏp cụng nghệ hàn và thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động, ứng dụng vào quỏ trỡnh hàn vỏ tàu, nhằm nõng cao năng suất và chất lƣợng chế tạo ở Việt Nam. Cho đến nay, cỏc đề tài nghiờn cứu trong nƣớc chƣa tập trung nghiờn cứu đầy đủ về cụng nghệ hàn giỏp mối một phớa nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quỏ trỡnh hàn Auto-FCAW.
Xuất phỏt từ những khú khăn tồn tại và những thuận lợi đó đƣợc phõn tớch ở phần trờn đề tài lựa chọn quỏ trỡnh hàn Auto-FCAW để nghiờn cứu, ứng dụng cụ thể vào mối hàn nối tổng đoạn vỏ tàu gúp phần nõng cao năng suất và chất lƣợng chế tạo phục vụ chiến lƣợc phỏt triển ngành cụng nghiệp đúng tàu Việt nam.
1.2.2. Cụng nghệ hàn một phớa nối tổng đoạn vỏ tàu ở nƣớc ngoài
Trờn thế giới, lĩnh vực đúng tàu đang hết sức phỏt triển với sự đúng gúp của nhiều cụng trỡnh nghiờn cứu trờn mọi lĩnh vực. Cụng nghệ hàn chiếm một vị trớ quan trọng thiết yếu đối với ngành đúng tàu, vỡ vậy xu thế phỏt triển của cụng nghệ hàn ảnh hƣởng trực tiếp đến sự phỏt triển của cụng nghiệp đúng tàu; với quy mụ sản xuất ngày càng gia tăng nờn việc cơ khớ húa, tự động húa cỏc quỏ trỡnh hàn đó và đang đƣợc nghiờn cứu chế tạo và ỏp dụng vào cụng nghiệp chế tạo vỏ tàu ngày càng mạnh mẽ. Cỏc hệ thống thiết bị hàn hồ quang tự động tiờn tiến đó đƣợc nghiờn cứu và ỏp dụng vào quỏ trỡnh hàn giỏp mối một phớa trong chế tạo vỏ tàu từ hàng chục năm qua nhƣ: hàn tự động trong mụi trƣờng khớ bảo
15 vệ (Auto-GMAW), hàn tự động dƣới lớp thuốc (Auto-SAW), hàn tự động hồ quang dõy lừi thuốc Auto-FCAW, Hàn điện khớ EGW; gần đõy là cụng nghệ hàn lai ghộp Laser-MIG,... Để ỏp dụng cú hiệu quả cỏc quỏ trỡnh hàn tự động kể trờn vào chế tạo cỏc kết cấu hàn, đặc biệt là liờn kết hàn giỏp mối một phớa thỡ cỏc nghiờn cứu về xỏc định cỏc thụng số cụng nghệ, thiết lập cỏc quy trỡnh hàn hợp l đối với cỏc cấp thộp khỏc nhau, liờn kết hàn trong cỏc lĩnh vực dầu khớ, đúng tàu, nhiệt điện,.. cũng đƣợc nghiờn cứu rất mạnh mẽ đƣợc thể hiện qua cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu sau:
Raveendra and Parmar [26] và Kannan and Murugan [27] xõy dựng mụ hỡnh toỏn học nghiờn cứu ảnh hƣởng của cỏc thụng số chế độ hàn FCAW (điện ỏp hồ quang, dũng điện hàn, tốc độ hàn, gúc độ mỏ hàn và khoảng cỏch từ đầu mỏ hàn đến vật hàn,..) đến hỡnh dạng và kớch thƣớc của đƣờng hàn (Độ ngấu, bề rộng, chiều cao, với hệ số ngấu và tỷ lệ kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn) khi hàn đắp trờn bề mặt tấm thộp ở vị trớ bằng. [28] H.R. Ghazvinloo and A. Honarbakhsh Raouf đó xõy dựng mụ hỡnh toỏn học biểu diễn mối quan hệ giữa cỏc thụng số chế độ hàn FCAW (dũng điện hàn, điện ỏp, tốc độ hàn, khoảng cỏch từ đầu mỏ hàn tới bề mặt vật hàn và gúc nghiờng dõy điện cực) đến bề rộng đƣờng hàn và khả năng chịu kộo của kim loại mối hàn thộp cỏc bon thấp khi hàn ở vị trớ bằng. [29] By V. Vasantha Kumar1* and N. Murugan2 năm2011 đó nghiờn cứu xõy dựng bài toỏn quy hoạch thực nghiệm, thiết lập mối quan hệ toỏn học đỏnh giỏ mức độ ảnh hƣởng của cỏc thụng số chế độ hàn đến kớch thƣớc của đƣờng hàn đắp trờn bề mặt tấm thộp kết cấu IS:2062 ở vị trớ bằng với dõy điện cực austenitic stainless steel wire 317L đƣờng kớnh 1.2 mm (AWS: A5-22-95; EN 12073) bằng hệ thống hàn tự động. [30] Z Zhang, A W Marshall, G B Holloway đó nghiờn cứu hiệu suất của cỏc quỏ trỡnh hàn đối với thộp ống P91; thụng qua thực nghiệm đó rỳt ra đƣợc cỏc kết quả về thụng số cụng nghệ và quy trỡnh hàn, so sỏnh, đỏnh giỏ và lựa chọn quỏ trỡnh hàn FCAW hợp lý khi hàn nối ống thộp P91. [31] Gullco nghiờn cứu ứng dụng hệ thống hàn tự động dõy lừi thuốc (Auto-FCAW) vào lĩnh vực đúng tàu khi hàn nối phõn đoạn, tổng đoạn vỏ tàu thộp thộp khụng gỉ 316LN khi hàn; hạn chế của nghiờn cứu ứng dụng này là chƣa đƣa ra đƣợc cỏc yếu tố cụng nghệ hợp l nhƣ thiết kế mối ghộp, thụng số cụng nghệ hàn, quy trỡnh hàn tƣơng ứng với từng vị trớ hàn.
Cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41] đó tiến hành quy hoạch thực nghiệm và thiết lập cỏc hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ ảnh hƣởng của cỏc thụng số chế độ hàn (Tốc độ cấp dõy, tốc độ hàn, độ dài thũ ra của dõy điện cực, dũng điện hàn, điện ỏp hàn, và đƣờng kớnh dõy điện cực,..) đến hỡnh dạng, kớch thƣớc, độ ngấu, cơ tớnh, vựng ảnh hƣởng nhiệt,.. của mối hàn đắp trờn bề mặt tấm thộp và mối hàn giỏp mối một phớa bằng quỏ trỡnh hàn SAW. Cỏc đề tài này đó xỏc định đƣợc cỏc thụng số chế độ hàn và quy trỡnh hàn hợp lý. Tuy nhiờn hạn chế của quỏ trỡnh hàn SAW là khụng ứng dụng đƣợc vào hàn cỏc liờn kết hàn giỏp mối ở cỏc vị trớ hàn đứng, ngang, trần nhƣ liờn kết hàn nối tổng đoạn vỏ tàu thủy.
Kết luận chƣơng 1
Thụng qua kết quả phõn tớch tài liệu, cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu trong và ngoài nƣớc về cụng nghệ đúng tàu, cụng nghệ hàn núi chung và cụng nghệ hàn một phớa núi riờng trong chế tạo vỏ tàu rỳt ra đƣợc cỏc kết luận sau:
1. Ngành cụng nghiệp đúng tàu đúng một vai trũ then chốt trong chiến lƣợc phỏt triển kinh tế xó hội và an ninh quốc phũng của đất nƣớc. Chiến lƣợc phỏt triển ngành cụng nghiệp đúng tàu Việt Nam lớn mạnh trong khu vực và trờn thế giới là rất cấp bỏch.
16 2. Việc nghiờn cứu phỏt triển và ỏp dụng cụng nghệ đúng tàu hiện đại, tiờn tiến đƣợc triển khai mạnh mẽ ở Việt Nam nhằm nõng cao năng suất, chất lƣợng và hạ giỏ thành chế tạo thõn tàu gúp phần nõng cao hiệu quả kinh tế xó hội.
3. Trong lĩnh vực đúng tàu, cụng nghệ hàn đúng vai trũ chủ đạo và chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng khối lƣợng cụng việc chế tạo vỏ tàu; đặc biệt là cụng nghệ hàn một phớa trong chế tạo và lắp rỏp phõn đoạn, tổng đoạn của thõn tàu; chất lƣợng liờn kết hàn nối tổng đoạn thõn tàu khi đấu đà là một trong những yếu tố quyết định đến chất lƣợng của thõn tàu. 4. Cỏc nghiờn cứu trong nƣớc cho đến nay đó đƣa ra cỏc giải phỏp cụng nghệ hàn tự động; thiết kế và chế tạo cỏc hệ thống hàn tự động ứng dụng trong đúng tàu. Tuy nhiờn cỏc đề tài này chƣa nghiờn cứu cụ thể về cụng nghệ hàn một phớa nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quỏ trỡnh hàn Auto-FCAW.
5. Ở nƣớc ngoài đó nghiờn cứu và ứng dụng mạnh quỏ trỡnh hàn Auto-FCAW vào hàn vỏ tàu. Tuy nhiờn cho đến nay, cỏc thụng tin về cụng nghệ hàn một phớa nối tổng đoạn vỏ tàu thủy bằng quỏ trỡnh hàn Auto-FCAW khụng đầy đủ và khú ỏp dụng vào điều kiện đúng tàu ở Việt Nam.
17
CHƢƠNG 2. CễNG NGHỆ HÀN GIÁP MỐI MỘT PHÍA TRONG ĐểNG TÀU THỦY
2.1. Đặc điểm cụng nghệ hàn giỏp mối một phớa trong đúng tàu
Cụng nghệ hàn giỏp mối một phớa là kỹ thuật hàn tiếp cận hàn từ một phớa. Cụng nghệ