Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu trạng thái ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm xác định chế độ hàn GMAW và trình tự hàn hợp lý cho liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định trường nhiệt độ và ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: 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 Ngành: KỸ THUẬT VẬT LIỆU Mã số: 9520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2019
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Nguyễn Tiến Dương 2. TS Hà Xuân Hùng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU Kết cấu giàn gồm các thanh quy tụ và liên kết với nhau tại nút. So với các kết cấu kim loại khác thì kết cấu dạng giàn có những ưu điểm nổi trội như khả năng chịu lực tốt hơn, tiết kiệm vật liệu hơn, chịu được tác động của tải trọng sóng, gió tốt hơn, kết cấu gọn nhẹ hơn,... nên kết cấu giàn thường được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như: Giàn khoan dầu khí, cột điện cao áp, cần trục, các loại tháp (tháp truyền hình, tháp thông tin vô tuyến điện,...), các công trình công cộng (sân vận động, nhà thi đấu, nhà xưởng,...). Trong các kết cấu dạng giàn, kết cấu giàn dạng ống mà ở đó các thanh giàn chế tạo từ thép dạng ống có ưu điểm hơn bởi kết cấu gọn nhẹ, khả năng chịu tải (đặc biệt là tải trọng xoắn) tốt hơn. Nguyên nhân bởi tiết diện ống có bán kính quán tính lớn nên chúng có độ cứng vững và có độ ổn định cao, chịu nén tốt hơn so với các dạng tiết diện khác. Do vậy mà kết cấu giàn dạng ống đang ngày càng được nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng nhiều hơn so với kết cấu giàn tiết diện khác. Trước đây, khi công nghệ hàn chưa phát triển thì các kết cấu giàn thường được chế tạo bằng ghép bu lông hoặc đinh tán thông qua các thanh giằng và bản mã. Việc chế tạo các kết cấu giàn kiểu này tốn rất nhiều vật liệu và thời gian thi công, kết cấu nặng nề, tốn nhiều chi phí duy tu bảo dưỡng thường xuyên, hay bị gỉ sét,... Vì thế mà ngày nay hai phương pháp chế tạo này ít được sử dụng. Vài chục năm trở lại đây, do công nghệ hàn phát triển và đạt được những thành tựu quan trọng như: chế tạo được các kết cấu có tính thẩm mỹ và đạt độ bền cao, tiết kiệm vật liệu, giảm thời gian và chi phí thi công,... Nên công nghệ hàn đã và sẽ trở thành công nghệ chủ lực để chế tạo các kết cấu kim loại. Nằm trong xu thế đó, công nghệ hàn cũng được ứng dụng để chế tạo các kết cấu giàn kim loại nói chung và kết cấu giàn dạng ống nói riêng. Nhược điểm cơ bản của công nghệ Hàn là gây ra hiện tượng biến dạng và luôn tồn tại ứng suất dư trong kết cấu. Ứng suất dư lớn có thể gây ra nứt trong liên kết, dẫn đến kết cấu bị phá hủy khi chịu tải trọng (đặc biệt là tải trọng động). Thực tế cho thấy nếu không kiểm soát tốt ứng suất dư trong liên kết/ kết cấu hàn thì khả năng làm việc và tuổi thọ của kết cấu bị suy giảm nghiêm trọng. Do vậy, việc đầu tư nghiên cứu xác định ứng suất dư trong liên kết/ kết cấu hàn là cực kỳ quan trọng. Thông qua đó làm cơ sở để xác định chế độ hàn hợp lý và quy trình hàn tối ưu. Một trong những yêu cầu quan trọng khi chế tạo kết cấu giàn là các phần tử liên kết với nhau tại nút giàn phải đảm bảo đúng tâm để các thanh giàn không chịu uốn mà chỉ chịu kéo - nén. Khi áp dụng công nghệ hàn để chế tạo giàn, nếu không có trình tự hàn hợp lý và không hạn chế được ứng suất dư trong kết cấu thì kết cấu sẽ bị biến dạng lớn, các thanh giàn không còn đúng tâm và dẫn đến khả năng chịu tải của kết cấu bị suy giảm nghiêm trọng. Vì tầm quan trọng như thế nên hiện nay nhiều công ty chế tạo kết cấu giàn của Việt Nam (công ty CP Chế tạo Giàn Khoan Dầu Khí, công ty CP Thi công Cơ giới và Lắp máy Dầu 1
khí, công ty CP Kết cấu Kim loại và Lắp máy Dầu khí,…) cũng đang triển khai nghiên cứu biện pháp làm giảm ứng suất dư khi hàn các kết cấu có tiết diện dạng ống rỗng [1, 2]. Diễn biến hình thành ứng suất nói chung, ứng suất dư nói riêng trong kết cấu hàn là rất phức tạp, đặc biệt là đối với các kết cấu lớn với số lượng đường hàn nhiều. Việc xác định trường ứng suất bằng các phương pháp đo đạc truyền thống gặp rất nhiều khó khăn, đôi khi không thực hiện được. Do vậy, việc nghiên cứu tìm ra giải pháp mới để xác định ứng suất trong kết cấu hàn là hết sức cần thiết. Ngay nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử và các thuật toán mô phỏng thông qua các phần mềm chuyên dụng, có thể giải quyết các bài toán đa trường và tính toán chuỗi sự kiện nên việc xác định ứng suất trong kết cấu hàn trở nên thuận lợi và đạt độ chính xác cao. Từ những yếu tố nêu trên, đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống” là rất cần thiết và cấp bách. Nghiên cứu thành công sẽ là cơ sở khoa học quan trọng để tìm ra chế độ công nghệ và kỹ thuật hàn hợp lý áp dụng trong chế tạo các kết cấu giàn kim loại. Ở Việt Nam, đã có công trình khoa học nghiên cứu về vấn đề này [1, 2] và đạt được một số kết quả nhất định nhưng chưa có nghiên cứu cụ thể đi sâu vào xác định trạng thái, sự phân bố ứng suất dư trong hàn nút giàn dạng ống. Chính vì vậy, hiện nay ngành công nghiệp chế tạo kết cấu thép rất cần có được những nghiên cứu mang chiều sâu nhằm nâng cao chất lượng thành phẩm thông qua chất lượng các liên kết chế tạo. Mục đích nghiên cứu - Xác định chế độ hàn GMAW và trình tự hàn hợp lý cho liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. - Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định trường nhiệt độ và ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. - Đề ra các biện pháp kỹ thuật, công nghệ để giảm ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Đối tượng nghiên cứu - Nút giàn dạng ống chữ K với đường kính ống chính là 219mm, chiều dài 900mm, chiều dày 10mm; đường kính ống nhánh là 102mm, chiều dài 350mm, chiều dày 6mm. - Vật liệu thép A572 Grade50. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu, tìm hiểu các quá trình hàn đã và đang được áp dụng để chế tạo kết cấu giàn kim loại. - Nghiên cứu, xây dựng quy trình công nghệ hàn GMAW phù hợp với kết cấu nút giàn dạng ống chữ K. - Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng phương pháp phần tử hữu hạn. 2
- Mô phỏng tính toán trường nhiệt độ và ứng suất phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng phần mềm SYSWELD. - Kiểm chứng các kết quả tính toán mô phỏng ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng phương pháp khoan lỗ. Phương pháp nghiên cứu Do liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K có kết cấu tương đối phức tạp, mối hàn được thực hiện bởi nhiều lớp nên nếu chỉ áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn thuần thì sẽ gặp rất nhiều khó khăn. Đặc biệt là việc xác định ứng suất dư tại đường hàn lót và các vị trí góc hẹp. Trong khi đó, hiện tại có sẵn công cụ tính toán hiện đại (máy tính trạm và phần mềm SYSWELD chuyên dụng cho mô phỏng số quá trình hàn) nên tác giả lựa chọn phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa: nghiên cứu lý thuyết + tính toán mô phỏng + thực nghiệm kiểm chứng. Cụ thể như sau: - Nghiên cứu tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài nước qua đó tìm ra những nội dung mới mà luận án cần giải quyết. - Nghiên cứu lý thuyết về truyền nhiệt trong vật hàn và cơ chế hình thành ứng suất trong liên kết hàn. Ứng dụng vào đối tượng nghiên cứu là liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. - Xây dựng mô hình tính toán mô phỏng để xác định trường nhiệt độ, trường ứng suất tác động và ứng suất dư phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Trên cơ sở đó tìm ra trình tự hàn hợp lý khi hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng phương pháp hàn GMAW. - Sử dụng các trang thiết bị có sẵn phù hợp với điều kiện thực nghiệm để tiến hành thí nghiệm nhằm tạo ra liên kết hàn thực tế. - Sử dụng các thiết bị đo, phân tích để đo đạc và kiểm chứng các kết quả tính toán mô phỏng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 1. Ý nghĩa khoa học của luận án - Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định trường nhiệt độ và ứng suất trong kết cấu hàn nút giàn dạng ống, hàn nhiều lớp. Làm cơ sở phát triển ứng dụng nghiên cứu cho các kết cấu nút giàn khác. - Bổ sung cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành ứng suất trong kết cấu nút giàn dạng ống nói riêng, nút giàn không gian nói chung. - Xác định được ảnh hưởng của trình tự hàn đến độ lớn của ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống. 2. Ý nghĩa thực tiễn của luận án - Kết quả luận án có thể làm cơ sở để phát triển áp dụng vào chế tạo kết cấu giàn hàn dạng ống chữ K nhằm giảm ứng suất dư và tăng tuổi thọ cho các kết cấu giàn hàn. - Luận án mở ra một hướng mới trong đào tạo, nghiên cứu phát triển ngành công nghiệp chế tạo kết cấu hàn nói chung và kết cấu giàn hàn (giàn phẳng, 3
giàn không gian) nói riêng ở Việt Nam. Các đóng góp mới của luận án Thông qua quá trình nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số theo các nhiệm vụ nghiên cứu đã đề ra, luận án này có những đóng góp mới sau đây: 1. Xây dựng được phương pháp nghiên cứu và chương trình tính toán mô phỏng số bằng phần mềm SYSWELD áp dụng cho liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Có thể phát triển chương trình này để nghiên cứu trên các nút giàn dạng ống khác. 2. Đánh giá được ảnh hưởng của trình tự hàn đến ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Qua đó tìm ra được trình tự hàn hợp lý để có ứng suất dư nhỏ nhất. Đóng góp này nếu được áp dụng vào trong thực tiễn sản xuất sẽ tạo ra được kết cấu hàn có chất lượng cao. 3. Tìm ra được quy luật biến thiên của các thành phần ứng suất và quy luật phân bố của ứng suất dư, trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. 4. Xác định được bộ thông số chế độ hàn hợp lý đối với liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, hàn nhiều lớp. 5. Áp dụng thành công phương pháp khoan lỗ để đo ứng suất dư trong vùng ảnh hưởng nhiệt của liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Kết cấu của luận án Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 05 chương, cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Mô phỏng số xác định trường ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Chương 5: Kết quả nghiên cứu và bàn luận Kết luận chung của luận án và những kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo. Danh mục tài liệu tham khảo. Danh mục các công trình đã công bố của luận án. Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Thép là một trong hai loại vật liệu quan trọng nhất trong xây dựng ở Việt Nam hiện tại, cùng với vật liệu bê tông cốt thép. Từ rất lâu (khoảng hơn 100 năm) việc sử dụng thép đã phát triển nhanh chóng, thay thế cho bê tông cốt thép (BTCT) trong phần lớn nhà xưởng, nhà nhịp lớn và nhiều công trình công cộng khác. Ví dụ Nhà hát lớn Hà Nội, một công trình nổi tiếng hoàn thành vào thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20, có kết cấu được xây dựng hoàn toàn bằng gạch và thép, không sử dụng bê tông cốt thép. Mái vòm tròn là cupôn hình nón gồm các sườn hình tam giác, tựa trên gối đỡ. Mọi sàn nhà lớn, ban công, cầu thang đều 4
làm bằng dầm thép chủ tổ hợp đinh tán, các dầm thép hình và cuốn gạch tạo mặt sàn. Cấu tạo sàn kiểu dầm thép và cuốn gạch này được áp dụng trong hầu hết các mặt sàn và được áp dụng trong hầu hết các nhà tầng có tầng gác được xây dựng thời kỳ đó. Các nhà xưởng lớn được chế tạo bằng thép phải kể đến là: nhà máy xe lửa Gia Lâm, nhà máy rượu Hải Dương, các nhà ga máy bay ở Gia Lâm và Bạch Mai,... Công nghệ và hình thức của kết cấu phụ thuộc vào trình độ đương đại: thép cacbon thấp, liên kết đinh tán, thép cán cỡ nhỏ. Trước đây, việc thiết kế chế tạo các kết cấu thép sử dụng trong xây dựng dân dụng và công nghiệp chỉ đơn giản là tạo ra sản phẩm phục vụ nhu cầu của thị trường chứ chưa nghiên cứu phân tích đánh giá chất lượng hàn để sản phẩm sử dụng hiệu quả. Ở Việt Nam, cũng có một số nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề phân tích, đánh giá trường nhiệt độ, ứng suất dư và biến dạng hàn trong liên kết hàn dạng ống. Tuy nhiên cũng chỉ dừng lại ở việc tính toán khả năng chịu lực của một số liên kết nút giàn thép tiết diện rỗng và thiết kế quy trình hàn hoặc đi giải quyết bài toán về khả năng làm việc (giới hạn mỏi, tuổi thọ làm việc,..) của kết cấu hàn [1 - 4]. Tác giả Huỳnh Minh Sơn Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng: “Nghiên cứu sự làm việc và tính toán liên kết hàn các thanh giàn thép ống tiết diện rỗng, chịu tải trọng tĩnh” [1] là một minh chứng cho việc nghiên cứu kết cấu thép ở Việt Nam hiện nay. Trong nghiên cứu của mình, tác giả trình bày một số hình thức liên kết các thanh giàn thép ống tiết diện rỗng; phân tích các tiêu chí phá hủy và các điều kiện phá hủy đổi với một số kiểu nút giàn thông dụng. Trên cơ sở đó, tác giả phân tích tính toán độ bền của các liên kết nút giàn thép có tiết diện ống rỗng – CHS. Đồng thời tác giả cũng sử dụng phương pháp toán đồ thiết kế để thiết kế liên kết hàn cho các nút giàn thép tiết diện rỗng trên cơ sở tiêu chuẩn Eurocode 3 (Châu Âu) cho sẵn toán đồ thiết kế các nút giàn phổ biến và kiểm tra liên kết nút giàn thép ống rỗng. Tuy nhiên, ở nghiên cứu của mình, tác giả Huỳnh Minh Sơn chỉ dừng lại ở mức độ toán điều kiện làm việc của liên kết hàn tiết diện rỗng mà chưa đi sâu vào nghiên cứu sự phân bố ứng suất dư và biến dạng của nút giàn dạng ống. Nhóm kỹ sư của Công ty CP Kết cấu Kim loại và Lắp máy Dầu Khí thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam cũng đã nghiên cứu thiết kế chi tiết và công nghệ chế tạo chân giàn khoan tự nâng 90 m nước [2]. Đây cũng là bước đột phá lớn trong ngành chế tạo kết cấu thép ở Việt Nam và đã gặt hái được một số thành công nhất định. Trong nghiên cứu, tập thể kỹ sư của công ty chỉ xây dựng quy trình hàn (WPS) và người thợ bằng kinh nghiệm làm việc chế tạo ra sản phẩm. Và những sản phẩm này chỉ được kiểm tra các khuyết tật hàn (siêu âm, chụp ảnh phóng xạ, chỉ thị màu,..) mà chưa đánh giá được tuổi thọ làm việc cũng như dự đoán những hư hỏng có thể xảy ra trong quá trình làm việc của kết cấu để từ đó đề ra các biện pháp sửa chữa hàn theo thời gian làm việc hoặc làm tăng tuổi thọ của kết cấu. Việc giảm ứng suất dư và biến dạng trong quá trình hàn các liên kết trên chủ 5
yếu dựa vào kinh nghiệm không sử dụng các thiết bị đo hoặc thí nghiệm để so sánh, phân tích và đánh giá các kết quả đã đạt được. Vì thế, việc dự đoán tuổi thọ làm việc của kết cấu hàn khi chịu tác dụng của tải trọng biến đổi sẽ gặp rất nhiều khó khăn. 1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Như chúng ta đã biết kết cấu dạng ống rỗng (CHS) có tính ưu việt vượt trội so với các kết cấu có tiết diện mặt cắt ngang khác. Chính vì vậy trên thế giới có rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu đến dạng liên kết này [22-25, 29], từ việc thiết kế, chế tạo các kết cấu dạng CHS sao cho hiệu quả đến áp dụng công nghệ hàn vào từng trường hợp cụ thể. Ngoài việc sử dụng các công cụ toán học cho việc tính toán độ bền của các mối hàn, trường ứng suất và biến dạng hàn [26, 27, 59, 60], các nhà khoa học còn sử dụng các phần mềm mô phỏng công nghiệp chuyên dùng như ANSYS, SYSWELD, ABAQUS,... để mô phỏng trường nhiệt độ, trường ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết hàn nói chung và nút giàn dạng ống tiết diện rỗng nói riêng [18,21, 27, 28, 38, 50]. Kết luận chương 1 Thông qua tìm hiểu, phân tích các tài liệu và công trình nghiên cứu đã công bố ở trong nước và ngoài nước về các nội dung liên quan đến đề tài luận án, ta có thể rút ra được các kết luận sau đây: 1. Việc nghiên cứu trạng thái ứng suất trong liên kết hàn đã được nhiều tác giả tiến hành. Tuy nhiên, đối với liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K phẳng như đề tài luận án đề cập thì chưa có tác giả nào thực hiện. Do vậy, việc đặt vấn đề nghiên cứu của luận án này là mới. 2. Việc ứng dụng kỹ thuật tính toán mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định trường ứng suất phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K phẳng cũng chưa có tác giả nào thực hiện. Điều đó khẳng định rằng phương pháp nghiên cứu đề cập trong luận án này là mới. 3. Việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K phẳng bằng kỹ thuật khoan lỗ chưa có tác giả nào thực hiện. Do vậy, việc nghiên cứu áp dụng phương pháp khoan lỗ để xác định ứng suất dư trong liên kết hàn nghiên cứu như luận án đề cập là giải pháp khả thi trong điều kiện Việt Nam. 6
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giàn hàn và giàn hàn dạng ống 2.1.1 Kết cấu giàn Giàn thép là dạng kết cấu giàn không gian khá phổ biến trong quy trình xây dựng thực tế, gồm có nhiều thanh liên kết với nhau tại các nút [1-3]. Giàn có thanh biên trên và thanh biên dưới, các thanh còn lại nằm trong phạm vi thanh biên trên và thanh biên dưới gọi là các thanh giằng. Liên kết trong giàn thường sử dụng hàn, bu lông, đinh tán. Trước đây người ta hay sử dụng liên kết đinh tán (hình 2.1a) trong chế tạo kết cấu thép do khả năng chịu tải trọng động tốt. Liên kết bằng bu lông (hình 2.1b) khá phổ biến trong các kết cấu không gian vì độ an toàn và khả năng liên kết khá tốt. Tuy nhiên cả 2 phương pháp này đều tốn nguyên vật liệu, việc thi công và chế tạo khá phức tạp. Thêm vào đó tiết diện làm việc của thép bị giảm. Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo kết cấu ngành công nghệ hàn có những bước phát triển mạnh mẽ. Việc ứng dụng công nghệ hàn vào sản xuất các kết cấu thép đã mang lại nhiều thành quả to lớn. Đặc biệt là trong việc chế tạo các giàn thép phẳng, giàn không gian,... Đối với giàn thép ống tiết diện rỗng và tròn thì liên kết hàn vẫn rất phổ biến vì quá trình thi công đơn giản và liên kết trực tiếp, hạn chế được các bản gia cường và bản mã. Hình 2. 1 Kết cấu thép: a) Liên kết đinh tán; b) Liên kết hàn bán bu lông Hình 2. 2 Liên kết giàn hàn a) Tiết diện hình hộp; b) Tiết diện thép góc Ưu điểm: - Trọng lượng của kết cấu thép nhẹ hơn so với bê tông nên giúp giảm trọng 7
lượng của công trình đặc biệt những nơi có địa hình phức tạp. - Vận chuyển và lắp đặt khá dễ dàng, nên có thể thi công ở những nơi khác nhau. - Khả năng chịu lực lớn, mang đến những công trình bền vững sẵn sàng thách thức với điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Và đặc biệt an toàn hơn so với kết cấu bằng bê tông trong trường hợp có địa chấn xảy ra. - Tiết kiệm được vật liệu do tận dụng được sự làm việc của vật liệu. Hình thức nhẹ, đẹp, linh hoạt, phong phú, phù hợp yêu cầu chịu lực và sử dụng. Nhược điểm: - Giá thành của thép cao hơn so với các nguyên vật liệu khác. - Khả năng chịu nhiệt độ cao kém. - Thép dễ bị oxi hóa do ảnh hưởng của môi trường cũng như nhiệt độ bên ngoài. Điều này đã được khắc phục nhờ sử dụng sơn chống gỉ phủ lên bề mặt của kết cấu giàn thép giúp thép bền lâu hơn. Thông thường, độ bền của liên kết dù là bu lông hay hàn đều được xem xét dự tính kích thước kết cấu tổng thể công trình. Đánh giá các tiêu chí và ảnh hưởng của môi trường cũng như trọng tải tĩnh lên các liên kết hàn thép ống từ đó tính toán được khả năng chịu lực của toàn liên kết. Nội lực trong thanh giàn chủ yếu là lực dọc (nén hoặc kéo đúng tâm). 2.1.2 Giàn có tiết diện dạng rỗng Do có những ưu điểm nội trội và khả năng chịu lực của thép rỗng [1, 22-25] mà ngày nay liên kết hàn ống rỗng được sử dụng phổ biến trong ngành chế tạo kết cấu thép đặc biệt là kết cấu xa bờ. Hình 2. 3 Liên kết hàn ống chữ K phẳng Các mối ghép ống đa phương sử dụng nhiều trong chế tạo kết cấu. Hình 2.14 và hình 2.16 là mối ghép hàn ống chữ K được thực hiện ở nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng do đội ngũ kỹ sư và công nhân Việt Nam thiết kế và chế tạo. 8
Hình 2. 4 Liên kết hàn ống đa phương Dựa vào các kết quả nghiên cứu, phân tích và đánh giá hiệu quả sử dụng giàn phẳng cũng như giàn không gian, tiết diện mặt cắt ngang có thể dạng tròn, hình hộp chữ nhật, hình vuông. Nút giàn có kiểu chữ T, Y, K, N,... Tuy nhiên, tác giả nhận thấy việc nghiên cứu sự phân bố ứng suất dư nút giàn chữ K trong không gian 2 chiều có nhiều đặc điểm chung của các kiểu nút giàn đã đề cập ở trên. Thêm vào đó, việc sử dụng công cụ mô phỏng số để phân tích, tính toán, đánh giá sự phân bố ứng suất dư của nút giàn này được thực hiện dễ dàng, không đòi hỏi máy tính có cấu hình quá cao và thời gian tính toán không quá dài. Trong nghiên cứu này, tác giả lựa chọn liên kết hàn nút giàn phẳng (trong mặt phẳng không gian 2 chiều) dạng ống chữ K với đường kính ống chính  219mm; đường kính hai ống nhánh  102mm. 2.1.3 Ứng dụng của kết cấu giàn dạng rỗng Ngày nay, kết cấu rỗng (CHS – Circular Hollow Section) được sử dụng khá phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo do tính ưu việt của nó. Ngoài ra, nó còn mang tính thẩm mỹ cao và có thể được chế tạo với những hình dáng đặc biệt phù hợp với khả năng chịu lực của kết cấu. Trong phần này tác giả giới thiệu một số ứng dụng của kết cấu rỗng được sử dụng trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp 2.2 Các phương pháp hàn sử dụng để chế tạo kết cấu giàn hàn Hàn là công nghệ dùng để ghép nối hai hay nhiều phần tử (chủ yếu là kim loại) thành một liên kết liền khối (không thể tháo rời). 2.3 Hàn kết cấu giàn dạng ống bằng quá trình hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ 2.3.1 Nguyên lý và đặc điểm của quá trình hàn Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy hồ quang giữa đầu điện cực và vật hàn liên tục nung chảy mép hàn và điện cực [9]. Dây hàn được cấp vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây với tốc độ bằng tốc độ nóng chảy của điện cực (dây hàn). 9
Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý hàn GMAW [5] 2.3.2 Các thông số ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn Các thông số quan trọng của chế độ hàn là: Cường độ dòng điện hàn, điện áp hàn và tốc độ hàn [5, 9, 33, 35, 58]. Ngoài ra, các thông số khác cũng ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước mối hàn đó là: Đường kính dây hàn, mật độ dòng điện hàn, cực tính hàn, tư thế hàn, tầm với điện cực, góc nghiêng điện cực, thành phần khí bảo vệ, hình dạng và kích thước bề mặt rãnh hàn… 2.4 Cơ sở tính toán xác định trường nhiệt độ và ứng suất dư hàn Khi hàn các phần tử của kết cấu bị nung nóng không đồng đều ở nhiệt độ cao gây nên ứng suất và biến dạng [9, 18]. Tùy theo mức độ truyền nhiệt và cân bằng nhiệt độ, xảy ra sự thay đổi ứng suất và biến dạng một cách liên tục tại các điểm khác nhau của các chi tiết được hàn (hay nói cách khác, đó là sự thay đổi của trường ứng suất và biến dạng). So với trường nhiệt độ, trường ứng suất và biến dạng không hoàn toàn mất đi sau khi hàn, tức là quá trình hình thành ứng suất dư và biến dạng hàn không phải là các quá trình có thể đảo ngược được (nên ta gọi ứng suất và biến dạng còn lại sau khi hàn là ứng suất dư và biến dạng dư). 2.4.1 Tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Việc xác định trường nhiệt hàn [13, 14, 34], có hai yếu tố khác nhau đòi hỏi phải quan tâm, đó là loại nguồn nhiệt và phân tích nhiệt độ ở trạng thái đàn dẻo. Các yếu tố này ảnh hưởng tới việc phân tích tỷ số nguồn nhiệt với tốc độ di chuyển của nguồn nhiệt và chiều dày tấm hàn. Yếu tố thứ hai ảnh hưởng tới sự biến dạng tại nguồn nhiệt và sự phân bố nguồn nhiệt. 2.4.2 Sự hình thành ứng suất dư khi hàn Ứng suất dư [12, 17, 34, 41] có thể được định nghĩa như là ứng suất tồn tại trong vật liệu, vật thể sau chế tạo hoặc gia công mặc dù đã dỡ tải (tải có thể là lực, nhiệt,…), ứng suất dư trong kết cấu là không lường trước được. 2.5 Các phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn 2.5.1 Giới thiệu chung Ứng suất dư xuất hiện trong nhiều bộ phận và thành phần của chi tiết máy trong đó có kết cấu hàn. Có rất nhiều công trình nghiên cứu các phương pháp đo ứng suất dư nhằm mục đích kiểm soát tốt ứng suất dư, nâng cao tuổi thọ làm 10
việc các chi tiết máy. 2.5.2 Các phương pháp xác định ứng suất dư 2.5.2.1 Đo ứng suất dư bằng phương pháp khoan lỗ Phương pháp khoan lỗ để đo ứng suất [66, 68] là một phương pháp dùng khá phổ biến đối với hầu hết các vật liệu, nó là một trong những phương pháp phổ biến sử dụng kỹ thuật bán phá hủy để đo ứng suất dư phân bố trên chiều dày của vật hàn cả về cường độ và hướng. Đây là một kỹ thuật cho độ chính xác cao và độ tin cậy tốt thuận tiện khi chuẩn bị mẫu thử và cách thực hiện.. Đầu tiên, coi vật liệu có tính đẳng hướng, liên tục và có tính đàn hồi. Thứ hai, vật liệu đó có thể gia công cơ được, ví dụ như khoan lỗ mà không ảnh hưởng gì đến việc đo biến dạng. Phương pháp này xác định ứng suất macro. 2.5.2.2 Đo ứng suất dư bằng phương pháp nhiễu xạ tia X Phương pháp dùng tia X-quang [68] dựa trên nguyên lý khi có ứng suất thì cấu trúc mạng tinh thể sẽ thay đổi, xem hình 2.40. Sự thay đổi đó làm thay đổi chùm tia phản xạ của X-quang khi được chiếu vào. Trong khi đó, phương pháp khoan lỗ lại dựa vào nguyên lý khi cô lập một vùng vật liệu có ứng suất thì các ứng suất kéo, nén của nó sẽ thay đổi so với các giá trị ban đầu của vật liệu gốc. Quá trình đo được thực hiên đồng thời theo 3 phương tạo với nhau một góc bằng 120o. 2.5.2.3 Đo ứng suất dư bằng phương pháp nhiễu xạ Neutron Nhiễu xạ neutron [3, 51, 68] là phương pháp xác định cấu trúc nguyên tử hoặc từ của vật liệu. Nó cũng có chức năng áp dụng tốt khi nghiên cứu các tinh thể rắn, khí, lỏng hoặc chất vô định hình. Nhiễu xạ neutron là một dạng của tán xạ đàn hồi khi các neutron trong các thí nghiệm có nhiều hơn hoặc ít năng lượng hơn so với các neutron tới. Kỹ thuật tương tự là nhiễu xạ tia X nhưng khác loại tia bức xạ. Mẫu thí nghiệm cần được đặt trong chùm tia neutron lạnh và cường độ xung quanh mẫu cung cấp thông tin về cấu trúc vật liệu. Phương pháp này đòi hỏi sự kiểm soát nghiêm ngặt về an toàn và an ninh phóng xạ. Hiện nay, ở Việt Nam chưa có phòng thí nghiệm nào có thiết bị nhiễu xạ Neutron. 2.5.2.4 Đo ứng suất dư bằng phương pháp siêu âm Kỹ thuật đo ứng suất bằng siêu âm dựa trên ảnh hưởng của đàn hồi âm, tùy thuộc vào vận tốc của sóng âm lan truyền trong vật rắn. Phương pháp siêu âm [68] có nhiều ưu điểm như không phá huỷ kết cấu, có thể lặp lại các phép thử trên toàn bộ kết cấu, phát hiện được các khuyết tật nằm trong cấu kiện và đánh giá chất lượng trực tiếp trên công trình. Kết luận chương 2 Qua nghiên cứu, phân tích các nội dung trong chương 2 tác giả rút ra các kết luận sau: 1. Kết cấu giàn hàn dạng ống có những ưu việt hơn các kết cấu giàn khác 11
như khả năng chịu xoắn tốt, kết cấu gọn nhẹ, tiết kiệm vật liệu,... nên rất thích hợp để chế tạo...... 2. Ứng dụng quá trình hàn GMAW để chế tạo nút giàn dạng ống có tính khả thi cao, linh hoạt và đạt chất lượng tốt so với các phương pháp hàn khác. 3. Tác giả phân tích được cơ chế hình thành và các phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, chọn phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn dạng ống chữ K bằng phương pháp khoan lỗ. Do kỹ thuật này đạt độ tin cậy và có tính khả thi trong điều kiện Việt Nam. Chương 3. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT DƯ TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG CHỮ K 3.1 Đặt vấn đề Việc xác định chu trình nhiệt, ứng suất và biến dạng là rất khó khăn do sự phức tạp về hình dáng hình học, các điều kiện biên và các tính chất phi tuyến của vật liệu khi hàn. Tuy nhiên, thực tế đã chứng minh rằng khi mô phỏng trên máy tính ứng dụng ứng dụng phương pháp toán số để giải các bài toán truyền nhiệt, ứng xử cơ học và chuyển biến pha trong liên kết hàn mang lại hiệu quả kinh tế cao, kết quả tính toán nhanh và chính xác. Tuy nhiên, việc ứng dụng phương pháp mô phỏng để xác định các ứng xử cơ học và chuyển biến pha trong liên kết hàn không thể thay thế hoàn toàn các thực nghiệm. 3.2 Tính toán, mô phỏng trường ứng suất trong liên kết hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn - PTHH [16] được biết như là một công cụ hữu hiệu hỗ trợ kỹ thuật nghiên cứu, thử nghiệm để xác định hành vi và tương tác giữa các hiện tượng vật lý phức tạp trong quá trình hàn. Mô phỏng của quá trình hàn không phải là một nhiệm vụ dễ dàng do nó liên quan đến sự tương tác của nhiệt, cơ học và luyện kim [14, 21, 53]. Đối với quá trình hàn nóng chảy, đã thiết lập trên gói phần mềm mô phỏng chuyên dụng SYSWELD 2015 có thể thực hiện sự tính toán nhiệt và quá trình luyện kim, nó cũng có thể kiểm soát nhiệt độ, tỷ lệ pha và tính toán ứng xử cơ học (phụ thuộc không chỉ vào nhiệt độ mà còn vào tổ chức kim loại của phần tử). 3.3 Mô hình hóa và mô phỏng số liên kết nút giàn dạng ống chữ K Nhìn chung, quá trình mô phỏng bằng phương pháp PTHH bao gồm ba giai đoạn chính: - Giai đoạn 1: Xây dựng mô hình nghiên cứu; - Giai đoạn 2: Mô hình hóa PTHH và thiết lập các điều kiện tính toán; - Giai đoạn 3: Phân tích, xử lý số liệu và giải bài toán cơ nhiệt; - Giai đoạn 4: Hiển thị và phân tích kết quả tính toán. 3.3.1 Mô hình hóa liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Việc thiết kế mô hình Solid đối với những kết cấu đơn giản có thể được thực hiện ngay trên phần SYSWELD, VISUAL MESH. Tuy nhiên, với những kết 12
cấu phức tạp việc thiết kế trên phần mềm này gặp nhiều khó khăn. Do vậy người ta có thể thiết kế mô hình Solid từ các phần mềm khác như AutoCAD, SolidWorks, Inventor,... [17] với định dạng của các file dữ liệu là “*.*IGES”. 3.3.2 Mô hình nguồn nhiệt hàn GMAW Với nguồn nhiệt hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ điện cực nóng chảy, tổng công suất hiệu dụng P=.Uh.Ih (W), trong đó Uh-là điện áp hồ quang (V); Ih-là cường độ dòng điện hàn (A) và  là hiệu suất hồ quang hàn  = 0,8 [78-85]. 3.3.3 Các thông số của vật liệu Trong mô phỏng số hàn đòi hỏi phải có tính chất cơ nhiệt của vật liệu như: Độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng, khối lượng riêng,... [38]. SYSWELD sử dụng phần tử 2D để mô tả điều kiện biên về nhiệt độ. Sự mất nhiệt trong mô hình mô phỏng được định nghĩa là sự trao đổi và bức xạ nhiệt ra môi trường xung quanh. Các tính chất cơ học gồm: Mô đun Young, hệ số Poisson, giới hạn chảy và các dữ liệu về độ cứng,… Phần lớn các thuộc tính này đều phụ thuộc theo nhiệt độ và chuyển biến pha. 3.3.4 Các điều kiện biên và điều kiện đầu 3.3.4.1 Điều kiện trao đổi nhiệt của mô hình với môi trường xung quanh Trong SYSWELD người ta sử dụng phần tử 2D cho điều kiện biên nhiệt độ. Đó chính là lớp vỏ trao đổi nhiệt hình 3.34. Nó được tạo từ mô hình 3D của liên kết, và được thực hiện trên phần mềm VISUALMESH. Với mục đích là quá trình mô phỏng được thực hiện với các điều kiện gần giống thực nghiệm. 3.3.4.2 Thiết lập các đường hàn, đường dẫn Quỹ đạo đường hàn và đường dẫn, điểm bắt đầu hàn và kết thúc hàn được mô tả như hình 3.35. Các trường hợp khác thực hiện tương tự và phụ thuộc vào trình tự hàn mà điểm bắt đầu và kết thúc có thể khác. Kiểu phần tử sử dụng cho cả đường hàn và đường dẫn là 1D (hình 3.18a). 3.3.4.3 Thiết lập điều kiện gá kẹp khi hàn Liên kết ống chữ K được ngàm như hình 3.36, ống chính ngàm chặt theo 3 phương X, Y, Z; 2 ống nhánh chỉ ngàm theo phương Z (khống chế biến dạng góc của ống nhánh). 3.3.4.4 Các điều kiện ban đầu Khi chưa hàn nhiệt độ của toàn liên kết là 20oC; Ứng suất ban đầu của liên kết trước khi hàn đường hàn lót được coi như bằng 0; Nhiệt độ ban đầu của các đường hàn sau chính là trường nhiệt độ của đường hàn trước để lại. 3.4 Xác định chế độ hàn phù hợp cho liên kết nút giàn dạng ống chữ K 3.4.1 Tính toán xác định chế độ hàn sơ bộ Dựa vào quy cách mối ghép hàn, yêu cầu kỹ thuật đối với liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K [29], mối hàn được thiết kế như hình để đảm bảo chiều 13
sâu ngấu. Dựa vào kết quả nghiên cứu trong chương 2 và thiết lập thông số chế độ hàn sơ bộ trong chương 3, thấy rằng việc lựa chọn chế độ hàn đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành mối hàn cũng như hình dáng và kích thước vũng hàn. Bảng 3. 1 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết nút giàn dạng ống chữ K Đường hàn Ih (A) Uh (V) Vh (mm/s) Dd (mm) Lót (1, 2) 150 25 5 1,0 Phủ (3, 4) 170 26 5 1,0 Phủ (5, 6) 170 26 5 1,0 Trong đó: Vh: Vận tốc hàn (mm/s); Dd: Đường kính dây hàn (mm). 3.4.2 Thông số chế độ hàn mô phỏng Bảng 3. 2 Chế độ hàn mô phỏng liên kết nút giàn dạng ống chữ K Đường hàn Năng lượng đường (J/mm) Vận tốc hàn (mm/s) Lót (1, 2) 720 5 Phủ (3, 4) 880 5 Phủ (5, 6) 880 5 Nhiệt độ giữa các đường hàn là nhiệt độ lưu lại trong khoảng giữa hai đường hàn liên tiếp nhau khi hàn nhiều lớp. Cũng như nhiệt độ nung nóng sơ bộ, nhiệt độ giữa các đường hàn thường nằm trong phạm vi cho phép. Giá trị tối đa không được vượt quá nhiệt độ Ms (bắt đầu xuất hiện mactensit) của thép hoặc kim loại mối hàn [9, 34]. 3.4.3 Hiệu chỉnh mô hình nguồn nhiệt Đây là bước rất quan trọng vì dựa vào hình ảnh mặt cắt ngang của liên kết hàn so sánh với trường nhiệt độ khi mô phỏng để từ đó ta có thể hiệu chỉnh một vài thông số chế độ hàn (năng lượng đường, góc nghiêng mỏ hàn, các thông số af, ar, b và c) cho phù hợp với chiều sâu ngấu, chiều rộng vùng HAZ [66]. 3.5 Thiết lập trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K Với kết cấu ống chữ K như hình 3.15, ống nhánh có chiều dày 6 mm được vát mép, thứ tự thực hiện các đường hàn được bố trí như hình 3.17. Mỗi đường hàn kín chu vi ống nhánh thực hiện hàn hai nửa đường tròn, hình 3.42. Như vậy, để hàn hoàn thành liên kết này sẽ phải thực hiện tất cả 12 đường. 3.6 Kết quả tính toán mô phỏng 3.6.1 Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 3.6.1.2 Trường nhiệt độ phân bố trong tiết diện ngang khi hàn các đường Trong quá trình hàn, khi nguồn nhiệt hàn di chuyển dọc theo đường hàn thì trong liên kết hàn sẽ xuất hiện một trường phân bố nhiệt độ và ứng suất tức thời. Hình 3.44a thể hiện kết quả phân bố nhiệt độ trong liên kết hàn khi hàn đường thứ nhất với các thông số chế độ hàn như đã nêu ở bảng 3.7. Hình 3.44b là kết quả phân bố nhiệt độ trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K khi hàn 14
đường thứ hai, còn hình 3.44c là kết quả phân bố nhiệt độ trong liên kết hàn nghiên cứu khi hàn đường thứ 3 với thông số chế độ nhiệt như đã nêu ở bảng 3.7. Hình 3. 1 Trường nhiệt độ khi mô phỏng trường hợp hàn thứ nhất a) Đường hàn 1; b) Đường hàn 2; c) Đường hàn 3 3.6.1.3 Chu trình nhiệt hàn tại một số vị trí khảo sát Hình 3.47 thể hiện kết quả tính toán mô phỏng chu trình nhiệt tại nút 22526 thuộc đường hàn 1 khi hàn ống nhánh thứ nhất với ống chính. Tại giây thứ 208,856 nhiệt độ tại nút này đạt trên 3000 oC ứng với thời điểm tâm nguồn hàn đi qua nút đó. Khi hàn đến giây thứ 600 thì nhiệt độ tại nút 22526 đã giảm xuống đến 82oC và khi hàn đường hàn tiếp theo (đường hàn 3, theo thứ tự đánh số xem hình 3.17) thì nhiệt độ của nút này lại được tăng lên đến khoảng  1000 o C do nút này ở gần nguồn nhiệt khi hàn đường hàn thứ 3. Tại giây thứ 1000 do nguồn nhiệt lần nữa đi qua nút 22526 (khi hàn đường hàn thứ 5) nên một phần kim loại mối hàn 1 bị nóng chảy. Điều đó cho biết rằng các mối hàn 5 và 3 đã ngấu sang nhau nghĩa (nhiệt độ đạt 2850oC) là liên kết hàn không bị khuyết tật không ngấu hay chế độ hàn đã chọn là phù hợp. 3.6.2 Trường ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Hình 3. 2 Ứng suất tương đương 15
Kết quả tính toán mô phỏng trường ứng suất dư Von mises tổng trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tương ứng với 4 trình tự hàn đã xây dựng được thể hiện trên hình 3.51. Cũng trên hình này ta dễ dàng nhận thấy vị trí tập trung ứng suất dư lớn nhất ở điểm bắt đầu và kết thúc đường hàn. Ở trình tự hàn thứ 1, giá trị ứng suất dư tổng lớn nhất đạt được trong trường hợp này là 722,76MPa và nhỏ nhất là 0,58MPa. Qua sát phổ màu phân bố ứng suất ta thấy tại vùng góc hẹp ứng suất dư tổng đạt giá trị khoảng 280MPa, còn tại vùng góc lớn của liên kết thì ứng suất dư tổng đạt khoảng 200MPa, vùng hai bên cạnh thì ứng suất dư rất thấp có những vùng đạt giá trị dưới 50MPa. Trên hình 3.52 cũng cho chúng ta thấy rằng sự phân bố ứng suất dư trong liên kết hàn là rất phức tạp. Kết quả tính toán cũng cho thấy vùng ứng suất dư tập trung chủ yếu ở phía ống chính. Khi hàn ở trình tự hàn thứ 2 giá trị ứng suất dư tổng lớn nhất đạt được trong trường hợp này là 707,61MPa và nhỏ nhất là 0,36MPa. Qua sát phổ màu phân bố ứng suất ta thấy tại vùng góc hẹp ứng suất dư tổng đạt giá trị khoảng 290MPa, còn tại vùng góc lớn của liên kết thì ứng suất dư tổng đạt khoảng 230MPa, vùng hai bên cạnh thì ứng suất dư rất thấp có những vùng đạt giá trị dưới 50MPa. Quan sát trên hình 3.51b nhận thấy rằng ứng suất dư có giá trị cao phân bố chủ yếu ở khu vực mối hàn còn vùng lân cận thì ứng suất dư có giá trị nhỏ hơn. Thậm chí có một số vùng ứng suất dư rất nhỏ (0,36MPa). Đối với trình tự hàn 3 giá trị ứng suất dư tổng lớn nhất đạt được trong trường hợp này là 467,73MPa. Qua sát phổ màu phân bố ứng suất ta thấy tại vùng góc hẹp ứng suất dư tổng đạt giá trị khoảng 250MPa, còn tại vùng góc lớn của liên kết thì ứng suất dư tổng đạt khoảng 230MPa, vùng hai bên cạnh thì ứng suất dư rất thấp. Quan sát trên hình 3.51c nhận thấy rằng ứng suất dư có giá trị cao phân bố chủ yếu ở khu vực mối hàn còn vùng lân cận thì ứng suất dư có giá trị nhỏ hơn. Thậm chí có một số vùng ứng suất dư rất nhỏ (0,73MPa). Khi hàn với trình tự hàn 4 xem hình 3.51d dựa vào phổ màu cho thấy rằng ứng suất dư Von mises đạt giá trị (494,71MPa) và cũng tập trung tại điểm bắt đầu và điểm kết thúc đường hàn. Quan sát phổ màu ta dễ dàng nhận thấy rằng khi hàn theo trình tự hàn này thì ứng suất dư chỗ góc hẹp và góc rộng có giá trị tương đối gần nhau. Giá trị ứng suất dư đỉnh tập trung tại điểm bắt đầu và kết thúc đường hàn. So sánh các kết quả tính toán mô phỏng trường ứng suất dư tổng (Von mises) phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K ở 3 trình tự hàn nêu trên ta thấy rằng khi hàn theo trình tự hàn 3 thì ứng suất dư tổng tồn tại trong liên kết hàn đạt giá trị là nhỏ nhất (467,73MPa). Nghĩa là khi hàn theo trình tự này thì sẽ thu được liên kết hàn có khả năng làm việc tốt nhất. Chi phí cho việc xử lý khử bỏ ứng suất dư trong trường hợp này là thấp nhất. Nếu như không tính toán mô phỏng hoặc làm theo kinh nghiệm thì không xác định được trình tự hàn nào là hợp lý nhất và như vậy sẽ tạo ra một kết cấu hàn mà khả năng làm việc kém và chi phí sửa chữa bảo dưỡng lớn hơn. Qua 16
đây có thể khẳng định phương pháp tính toán mô phỏng để xác định trước ứng suất dư hàn là rất quan trọng và cần thiết. Công việc này cần phải được thực hiện trước khi chế tạo. Hình 3. 3 Phân bố ứng suất dư Von mises theo chiều dài ống chính Hình 3.65 thể hiện sự phân bố ứng suất dư dọc chiều dài ống chính từ trên bề mặt xuống thành dưới của ống (đường bề mặt, đường giữa, đường đáy). Dựa trên đồ thị ta thấy rằng, tại vị trí mối hàn ứng suất dư trên bề mặt ống (đường màu xanh nước biển) có giá trị nhỏ hơn ứng suất dư theo đường giữa (màu xanh lá cây) và thành dưới của ống (màu đỏ). Ứng suất dư đỉnh tại thành dưới của ống (thẳng vị trí mối hàn) vào khoảng 340 MPa. Tại vùng HAZ, ứng suất dư trên đường bề mặt đạt giá trị khoảng 310 MPa ở khu vực ống nhánh 2 (chỗ mũi tên màu trắng); còn ở vị trí tương tự bên phía ống nhánh 1 thì ứng suất dư chỉ vào khoảng 260 MPa. Kết luận chương 3 Ứng dụng các lý thuyết về truyền nhiệt, hình thành ứng suất trong liên kết hàn và lý thuyết phần phần tử hữu hạn, tác giả đã: 1. Mô hình hóa và thiết lập các điều kiện tính toán, mô phỏng liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. 2. Thiết lập các phương án hàn nút giàn dạng ống chữ K với các mô hình nguồn nhiệt, điều kiện hàn và làm nguội tương ứng. 3. Tính toán, mô phỏng trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tương ứng với các thông số chế độ hàn khảo sát. 4. Tính toán, mô phỏng trường ứng suất tác động phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tương ứng với các thông số chế độ hàn khảo sát. Xác định được trường ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tương ứng với các thông số chế độ hàn khảo sát. 5. Trên cơ sở tính toán mô phỏng số, tác giả đã tìm ra được trình tự hàn hợp 17
lý, có ứng suất dư nhỏ nhất đối với liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm là nhằm tạo ra một liên kết hàn dạng ống chữ K như thực tế. Trên cơ sở của những nghiên cứu lý thuyết ở các chương 1, chương 2 và mô phỏng ở chương 3. Việc nghiên cứu này còn nhằm kiểm chứng lại lý thuyết cũng như một số giả thiết khoa học mà tác giả đã đưa ra, đồng thời bổ sung lý thuyết về ứng suất và biến dạng hàn để làm sáng tỏ những luận điểm khoa học. Quá trình làm thực nghiệm hàn liên kết ống chữ K được thực hiện tại Trung tâm thực hành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. 4.2 Thực nghiệm hàn liên kết nút giàn dạng ống chữ K 4.2.1 Thiết bị hàn Dựa vào kết quả phân tích ở chương 2 tác giả chọn thiết bị hàn GMAW để làm thực nghiệm hàn liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K là máy hàn Panasonic KR2-350. Đây là loại thiết bị hàn có tính năng ưu việt như: 4.2.2 Vật liệu hàn Dựa vào thành phần của vật liệu của kim loại cơ bản cũng như phương pháp hàn đã lựa chọn ở trên lựa chọn dây hàn ER-70 S để thực nghiệm hàn liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Với thành phần hóa học được cho trong bảng 4.4, cơ tính cho trong bảng 4.5 4.2.3 Chuẩn bị mẫu hàn Thiết kế, chế tạo liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K (CHS) Hình 4. 1 Quy cách mối ghép chữ K tiết diện ống [29]) Hình 4.2 mô tả kiểu chuẩn bị mối ghép hàn khi hàn liên kết hàn dạng ống. Như chúng ta đã biết, mối hàn giữa ống nhánh và ống chính đóng vai trò hết sức quan trọng trong khả năng làm việc của liên kết hàn. Xuất phát từ điều kiện bền, theo khuyến cáo [29, 31] nên vát mép ống nhánh nếu góc 