Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn tự động dưới lớp thuốc đến độ bền mối hàn giáp mối trong kết cấu tàu thép

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2014<br /> <br /> KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC<br /> ĐẾN ĐỘ BỀN MỐI HÀN GIÁP MỐI TRONG KẾT CẤU TÀU THÉP<br /> THE ASSESSMENT EFFECTS ON SUBMERGED - ARC WELDING MODES<br /> TO THE STRENGTH OF BUTTED PLATE IN STEEL SHIP<br /> Ngô Hùng1, Huỳnh Văn Vũ2<br /> Ngày nhận bài: 18/3/2014; Ngày phản biện thông qua: 06/5/2014; Ngày duyệt đăng: 01/12/2014<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo công bố kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của việc lựa chọn chế độ hàn tự động dưới lớp thuốc (chỉ xét ba thông<br /> số là cường độ dòng điện I, điện áp hàn U và vận tốc hàn V) đến độ bền mối hàn kết cấu tấm giáp mối trong tàu thép. Thông<br /> qua kết quả kiểm tra độ bền của 21 loạt mẫu thí nghiệm mối hàn giáp mối theo quy định của Quy phạm TCVN 6259-6:2010<br /> với các chế độ hàn khác nhau được tính toán bằng lý thuyết, kết luận rằng chế độ hàn với cường độ dòng điện I = 1000(A),<br /> điện áp U = 35(V) và vận tốc hàn V = 27(m/h) cho kết quả tốt nhất.<br /> Từ khóa: chế độ hàn, hàn tự động dưới lớp thuốc, thông số hàn<br /> <br /> ABSTRACT<br /> This paper performs the result of effects on submerged-arc welding modes (including three parameters: amperage<br /> welding I, voltage welding U and velocity welding V) to the strength of butted plate in steel ship. Through the strength<br /> testing of specimens according to the rule TCVN 6259-6:2010, the 21 experiment specimens conducted by submerged-arc<br /> welding with some different modes, it concludes that the welding mode (amperage welding I = 1000(A), voltage welding<br /> U = 35(V) and velocity welding V = 27(m/h)) is the best.<br /> Keywords: welding mode, submerged-arc welding, welding parameters<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Công nghệ hàn là một trong các lĩnh vực phức<br /> tạp, cần phải có sự phối hợp của các lĩnh vực khoa<br /> học khác như: Vật lý, hóa học, luyện kim, cơ khí,<br /> tự động hóa, kỹ thuật điện và điện tử. Chính vì<br /> thế chất lượng mối hàn phụ thuộc vào nhiều yếu<br /> tố khách quan, chủ quan trong khi chế tạo các sản<br /> phẩm bằng phương pháp hàn. Trong các phương<br /> pháp hàn khác nhau, các yếu tố công nghệ cũng có<br /> những ảnh hưởng rất khác nhau. Công nghệ hàn hồ<br /> quang dưới lớp thuốc hay còn gọi là hàn hồ quang<br /> chìm SAW là phương pháp hàn dây điện cực nóng<br /> chảy dưới lớp thuốc bảo vệ đã được sử dụng ở các<br /> nước có nền công nghiệp phát triển [1].<br /> Công nghệ hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW)<br /> được ứng dụng rộng rải ở các nước phát triển [2, 6].<br /> Tuy nhiên ở Việt Nam nói chung và trong các nhà<br /> máy đóng tàu nói riêng và đặc biệt là trong các cơ sở<br /> 1<br /> 2<br /> <br /> dạy nghề, công nghệ này của tỉnh Khánh Hòa ít<br /> được chú trọng, bước đầu có tính thăm dò, chưa<br /> hình thành quy trình ổn định và phát triển mạnh. Vì<br /> vậy phương pháp hàn hồ quang tự động dưới lớp<br /> thuốc phát triển mạnh khi ngành công nghiệp đóng<br /> tàu trong nước phát triển.<br /> Việc lựa chọn chế độ hàn trước đây chủ yếu<br /> dựa theo yêu cầu của nhà sản xuất hoặc chí ít cũng<br /> là kinh nghiệm được du nhập từ những nước có<br /> nền đóng tàu phát triển và cá biệt có những trường<br /> hợp không được coi trọng. Điều này rõ ràng chưa<br /> phù hợp với điều kiện môi trường, con người, thiết<br /> bị,… tại Việt Nam và ảnh hưởng không tốt đến chất<br /> lượng sản phẩm.<br /> Sau thời gian tham gia trực tiếp sản xuất, đào<br /> tạo công nhân hàn qua đặt hàng của các cơ sở<br /> đóng tàu trong việc cung cấp nguồn nhân lực về vấn<br /> đề này và qua tìm hiểu những nghiên cứu trước,<br /> <br /> Ngô Hùng: Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2011 - Trường Đại học Nha Trang<br /> TS. Huỳnh Văn Vũ: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 149<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> nhận thấy việc lựa chọn các chế độ hàn hợp lý<br /> nhằm đảm bảo chất lượng các mối hàn chưa được<br /> đặt ra và quan tâm một cách đúng mức. Đặc biệt<br /> trong những trường hợp hàn có yêu cầu chất lượng<br /> cao như hàn các kết cấu tàu thép.<br /> Chính vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của<br /> các thông số công nghệ đến chất lượng, tạo dáng<br /> mối hàn và quá trình hàn là việc làm cần thiết và<br /> cấp bách. Dựa trên các tài liệu đã có trong nước và<br /> nước ngoài, của các hãng thiết bị hàn trên thế giới<br /> đã thu thập và tập hợp được các thông số tối ưu về<br /> lý thuyết, từ đó bằng thực nghiệm nghiên cứu trên<br /> các mẫu tác giả tiến hành lựa chọn được các thông<br /> số thực nghiệm cho phù hợp với điều kiện của Việt<br /> Nam. Trong quá trình hàn khi khảo sát một yếu tố<br /> thì các yếu tố khác được giữ nguyên. Từ đó cho các<br /> yếu tố đầu ra: hình dạng mối hàn, độ bền mối hàn<br /> và biến dạng hàn.<br /> <br /> Hình 1. Quy cách tấm hàn thử nghiệm<br /> <br /> Phương pháp hàn là hồ quang tự động dưới<br /> lớp thuốc SAW, với máy hàn hiệu KOBELCO,<br /> số hiệu DW-S43G của Việt Nam sản xuất, dây<br /> hàn thép cacbon AWS-A5.17-EH14 đường kính<br /> F4.0mm, thuốc bảo vệ AN-348-A của Nga sản<br /> xuất. Quá trình hàn thử nghiệm được tiến hành tại<br /> xưởng Cơ khí của Trường Trung cấp nghề Ninh<br /> Hòa, kiểm tra độ bền uốn, kéo của kim loại cơ bản<br /> <br /> Hình 3. Biểu đồ lực kéo – giãn dài thép cơ bản<br /> <br /> 150 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Số 4/2014<br /> Dựa trên các kết quả thí nghiệm đánh giá được<br /> rằng khi các thông số hàn thay đổi thì hình dạng mối<br /> hàn, độ bền mối hàn và biến dạng hàn thay đổi thế<br /> nào, dẫn đến cơ tính của chúng bị tác động ra sao.<br /> Từ đó đi đến kết luận về việc lựa chọn các thông số<br /> cơ bản của công nghệ hàn hồ quang dưới lớp thuốc<br /> SAW một cách tối ưu, để đảm bảo chất lượng mối<br /> hàn tốt nhất áp dụng trong đào tạo và sản xuất tại<br /> Việt Nam.<br /> II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 1. Đối tượng nghiên cứu<br /> Đối tượng nghiên cứu là ảnh hưởng của ba<br /> thông số cường độ dòng điện hàn I(A), điện áp hàn<br /> U(V), tốc độ hàn V(m/h) đến chất lượng mối hàn<br /> giáp mối của tấm kết cấu tàu thép theo quy định của<br /> Quy phạm TCVN 6259-6:2010 (hình 1) [7].<br /> <br /> Hình 2. Vị trí cắt mẫu kiểm tra độ bền<br /> <br /> và các mẫu thử mối hàn tại phòng thí nghiệm cơ<br /> tính của Viện Chế tạo tàu thủy - Trường Đại học<br /> Nha Trang.<br /> Tấm phôi thép nguyên liệu AH-36 được xác<br /> định độ bền kéo như hình 3 (ứng suất kéo lớn nhất<br /> σU= 545 kN/mm2, ứng suất chảy σY= 366 kN/mm2,<br /> độ giãn dài Dl = 26.7%) và độ bền uốn như hình 4<br /> (lực uốn lớn nhất Fm=56.59 kN).<br /> <br /> Hình 4. Biểu đồ lực uốn – giãn dài thép cơ bản<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2014<br /> <br /> và khả năng tài chính cho phép thì việc kiểm tra tất<br /> 2. Phương pháp nghiên cứu<br /> cả các mẫu là tốt nhất, tuy nhiên ở đây chỉ chọn<br /> Chọn chế độ hàn ứng với thép AH-36 có chiều<br /> những phôi hàn tốt nhất theo kiểm tra sơ bộ chất<br /> dày 16mm, đặt tên là loạt mẫu X1 có các thông số<br /> lượng bên ngoài để giảm bớt thời gian, kinh tế,<br /> cụ thể là I = 1000(A), U = 35(V), V = 27(m/h) [1, 3].<br /> công sức thực nghiệm và cũng thỏa mãn điều kiện<br /> Sau đó thay đổi giá trị của ba thông số bằng cách<br /> quy hoạch thực nghiệm.<br /> tăng lên hoặc giảm đi 20% so với giá trị tiêu chuẩn<br /> Phôi sau khi lựa chọn được cắt thành các mẫu<br /> ở trên, được đặt tên từ loạt mẫu X2 đến X7. Lần lượt<br /> thử tiêu chuẩn theo các vị trí quy định như hình 2<br /> các giá trị của các thông số tương ứng với nhóm<br /> để xác định các thông số độ bền như ứng suất kéo<br /> mẫu hàn thực nghiệm được trình bày ở bảng 1.<br /> lớn nhất, ứng suất chảy, lực uốn lớn nhất, biến dạng<br /> Với mỗi loạt mẫu Xi tiến hành hàn 3 phôi (Mj, Mj+1,<br /> dài, … Chẳng hạn hình ảnh phôi lựa chọn để thử<br /> Mj+2) vào các thời điểm khác nhau, sau đó lựa chọn<br /> nghiệm của loạt mẫu X1 (để đơn giản gọi là mẫu X1)<br /> 1 phôi có hình dạng tốt nhất đem phân tích đánh<br /> giá. Tất nhiên nếu điều kiện thời gian thí nghiệm<br /> như hình 5.<br /> Bảng 1. Chế độ hàn của 21 mẫu thử nghiệm<br /> TT<br /> <br /> I (A)<br /> <br /> U (V)<br /> <br /> V (m/h)<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 35<br /> <br /> 27<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> 4<br /> 5<br /> 6<br /> 7<br /> 8<br /> 9<br /> 10<br /> 11<br /> 12<br /> 13<br /> 14<br /> 15<br /> 16<br /> 17<br /> 18<br /> 19<br /> 20<br /> 21<br /> <br /> 1200<br /> <br /> 35<br /> <br /> 27<br /> <br /> 800<br /> <br /> 35<br /> <br /> 27<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 42<br /> <br /> 27<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 28<br /> <br /> 27<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 35<br /> <br /> 32.4<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 35<br /> <br /> 21.6<br /> <br /> Tên mẫu<br /> <br /> M1<br /> M2<br /> <br /> M3<br /> M4<br /> M5<br /> M6<br /> M7<br /> M8<br /> M9<br /> M10<br /> M11<br /> M12<br /> M13<br /> M14<br /> M15<br /> M16<br /> M17<br /> M18<br /> M19<br /> M20<br /> M21<br /> <br /> Loạt mẫu<br /> <br /> X1<br /> <br /> X2<br /> <br /> X3<br /> <br /> X4<br /> <br /> X5<br /> <br /> X6<br /> <br /> X7<br /> <br /> Hình 5. Phôi lựa chọn để thử nghiệm của loạt mẫu X1<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 151<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2014<br /> <br /> Kết quả thử nghiệm độ bền của mẫu X1 so với giá trị của tấm thép cơ bản như bảng 2. Rõ ràng các giá trị<br /> về độ bền của mối hàn ở mẫu X1 đều tốt hơn vật liệu cơ bản, điều đó chứng tỏ rằng chế độ hàn của mẫu X1<br /> đạt yêu cầu.<br /> Bảng 2. So sánh giá trị độ bền của mẫu X1 với kim loại cơ bản<br /> Đại lượng<br /> <br /> Ứng suất kéo (MPa)<br /> <br /> Lực uốn (kN)<br /> <br /> Ứng suất chảy (MPa)<br /> <br /> Độ giãn dài (%)<br /> <br /> Mẫu kim loại cơ bản (KLCB)<br /> <br /> 545<br /> <br /> 56.59<br /> <br /> 366<br /> <br /> 26.7<br /> <br /> Mẫu thử X1 (MT)<br /> <br /> 540<br /> <br /> 56.50<br /> <br /> 360<br /> <br /> 28.4<br /> <br /> Tên<br /> <br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> Sau khi thực hiện xác định các thông số độ bền từ các mẫu thử cắt từ các phôi lựa chọn của loạt mẫu X1<br /> đến X7 nêu trên, kết quả thực nghiệm được tổng hợp ở bảng 3 như sau:<br /> Bảng 3. Tổng hợp kết quả độ bền của các mẫu thí nghiệm<br /> Loạt mẫu<br /> <br /> X1<br /> <br /> X2<br /> <br /> X3<br /> <br /> X4<br /> <br /> X5<br /> <br /> X6<br /> <br /> X7<br /> <br /> r (mm)<br /> Chiều rộng mối hàn<br /> <br /> 30<br /> <br /> 35<br /> <br /> 25<br /> <br /> 40<br /> <br /> 25<br /> <br /> 23<br /> <br /> 35<br /> <br /> h (mm)<br /> Chiều cao mối hàn<br /> <br /> 3<br /> <br /> 3<br /> <br /> 4<br /> <br /> 1.5<br /> <br /> 5<br /> <br /> 5<br /> <br /> 4.5<br /> <br /> σU (kN/mm2)<br /> Ứng suất kéo lớn nhất<br /> <br /> 540<br /> <br /> 532<br /> <br /> 435<br /> <br /> 532<br /> <br /> 435<br /> <br /> 532<br /> <br /> 465<br /> <br /> σY (kN/mm2)<br /> Ứng suất chảy<br /> <br /> 360<br /> <br /> 355<br /> <br /> 303<br /> <br /> 355<br /> <br /> 303<br /> <br /> 355<br /> <br /> 303<br /> <br /> Fm (kN)<br /> Lực uốn<br /> <br /> 56.50<br /> <br /> 45.75<br /> <br /> 28.63<br /> <br /> 52.92<br /> <br /> 45.75<br /> <br /> 45.75<br /> <br /> 52.92<br /> <br /> ∆l (%)<br /> Độ giãn dài<br /> <br /> 28.4<br /> <br /> 26.7<br /> <br /> 27.5<br /> <br /> 26.7<br /> <br /> 27.5<br /> <br /> 26.7<br /> <br /> 27.5<br /> <br /> I (A)<br /> Cường độ dòng điện<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 1200<br /> <br /> 800<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 1000<br /> <br /> U (V)<br /> Điện áp hàn<br /> <br /> 35<br /> <br /> 35<br /> <br /> 35<br /> <br /> 42<br /> <br /> 28<br /> <br /> 35<br /> <br /> 35<br /> <br /> V (m/h)<br /> Vận tốc hàn<br /> <br /> 27<br /> <br /> 27<br /> <br /> 27<br /> <br /> 27<br /> <br /> 27<br /> <br /> 32.4<br /> <br /> 21.6<br /> <br /> Từ kết quả ở bảng 3, so với giá trị độ bền của<br /> <br /> ứng với các mẫu X2 đến X7 đều không đạt yêu cầu.<br /> <br /> vật liệu cơ bản (σU= 545 kN/mm2, σY= 366kN/mm2,<br /> <br /> Ngoài ra, từ bảng 3, có thể biểu diễn mối tương<br /> <br /> ∆l = 26.7%, Fm= 56.59 kN), có thể nhận thấy rằng độ<br /> <br /> quan giữa các thông số U, I, V với các thông số hình<br /> <br /> bền tại vị trí mối hàn của các mẫu từ X2 đến X7 đều<br /> <br /> học r, h, ∆l của 7 mẫu lựa chọn như đồ thị hình 6 và<br /> <br /> nhỏ hơn. Điều đó chứng tỏ rằng chế độ hàn tương<br /> <br /> các thông số độ bền σU, σY, Fm như đồ thị hình 6.<br /> <br /> 152 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2014<br /> <br /> Hình 6. Mối tương quan giữa U, V với các thông số hình học r, h, ∆l<br /> <br /> Qua đồ thị ở hình 7, nhận thấy rằng:<br /> - Mẫu X1 có độ giãn dài lớn nhất, chứng tỏ độ<br /> dẻo dai của mẫu thử tốt nhất.<br /> - Khi tăng điện áp hàn U thì chiều rộng mối hàn r<br /> <br /> tăng theo, chiều cao mối hàn h giảm đi (mẫu X4) và<br /> ngược lại (mẫu X5).<br /> - Khi tăng vận tốc hàn V thì chiều rộng mối hàn<br /> r giảm (mẫu X6) và ngược lại (mẫu X7).<br /> <br /> Hình 7. Mối tương quan giữa U, I, V với các thông số độ bền σU, σY, Fm<br /> <br /> Qua đồ thị ở hình 6, nhận thấy rằng:<br /> <br /> IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ<br /> <br /> - Mẫu X1 có độ bền lớn nhất.<br /> <br /> 1. Kết luận<br /> <br /> - Khi tăng điện áp hàn U hoặc tốc độ hàn V thì<br /> <br /> Như vậy, qua tính toán lý thuyết để xác định các<br /> <br /> độ bền mối hàn tăng lên (mẫu X4, X6) và ngược lại<br /> <br /> thông số của chế độ hàn tiêu chuẩn, sau đó dùng<br /> <br /> (mẫu X5, X7), tuy nhiên vẫn không đạt độ bền như<br /> <br /> thực nghiệm để hàn các loạt phôi mẫu bằng cách<br /> <br /> mẫu X1.<br /> <br /> thay đổi các thông số đã có trong phạm vi 20%,<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 153<br /> <br />