nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu

- i -

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: HOÀNG VĂN TRÁNG Lớp: 50DT – 2
Ngành: Kỹ thuật tàu thủy Chuyên ngành: Đóng tàu thủy
Tên đề tài: Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn
tấm tôn bao vỏ tàu.
Số trang: 50 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 07
Hiện vật: - 2 bộ thuyết minh và 2 đĩa CD

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN








Kết luận:

Nha Trang, ngày……tháng.… năm 2012
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)


THS. BÙI VĂN NGHIỆP
- ii -

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DATN

Họ và tên Sinh viên: HOÀNG VĂN TRÁNG Lớp: 50DT – 2
Ngành: Kỹ thuật tàu thủy Chuyên ngành: Đóng tàu thủy
Tên đề tài: Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi
hàn tấm tôn bao vỏ tàu.
Số trang: 50 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 07
Hiện vật: - 2 bộ thuyết minh và 2 đĩa CD

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN






Điểm phản biện:

Nha Trang, ngày……tháng……năm 2012
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)






Nha Trang, ngày……tháng……năm 2012
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)

ĐIỂM CHUNG
Bằng số
Bằng chữ


- iii -

LỜI CẢM ƠN

Sau hơn 03 tháng tích cực nghiên cứu và xây dựng đồ án tốt nghiệp:
“Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn
bao vỏ tàu” với bao vất vả, khó khăn và những trở ngại gặp phải trong quá
trình thực hiện đồ án, đến nay, tôi đã hoàn thành tốt các nội dung đồ án tốt
nghiệp của mình. Đồ án không chỉ là sự cố gắng, nỗ lực của bản thân mà còn
được sự giúp đỡ, động viên rất lớn của quý thầy cô, gia đình, bạn bè.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban Chủ Nhiệm Khoa Kỹ Thuật
Giao Thông – Trường Đại Học Nha Trang, quý Thầy Cô trong Bộ Môn Đóng
tàu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện tốt đồ án.
Chân thành cảm ơn Thầy ThS. Bùi Văn Nghiệp – người đã trực tiếp
hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của gia
đình, bạn bè, anh em đồng nghiệp đã động viên, tạo mọi điều kiện cho tôi học
tập, nghiên cứu trong suốt khóa học và trong quá trình thực hiện đồ án.
Tôi xin chân thành cảm ơn!





- iv -

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ 2
1.1. Lý do lựa chọn đề tài 2
1.2. Tổng quan vấn đề biến dạng hàn tàu thủy 3
1.3. Mục tiêu, phương pháp và giới hạn nội dung nghiên cứu 6
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu 6
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu 6
1.3.3. Giới hạn nội dung nghiên cứu 7
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8
2.1. Vấn đề biến dạng góc 8
2.2. Phương pháp tính biến dạng góc 11
2.2.1. Phương pháp đo biến dạng góc 14
2.2.2. Công thức tính biến dạng góc của Giáo sư Okerblom 16
2.2.3. Kết quả mô phỏng của tiến sĩ Artem Pilipenko 16
2.2.4. Công thức tính biến dạng góc theo đề xuất của Watanabe and Satoh 17
2.3. Các phương pháp khắc phục biến dạng góc 18
2.3.1. Biện pháp kết cấu 18
2.3.2. Biện pháp công nghệ khi hàn 19
2.3.3. Biện pháp công nghệ sau khi hàn 21
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 23
3.1. Nghiên cứu biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu với phương
pháp hàn hồ quang tay và thép dày 8 mm 23
3.1.1. Quy trình hàn nghiên cứu 23
- v -

3.1.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 24
3.1.3. Mô tả thí nghiệm 24
3.1.4. Phương pháp đo biến dạng góc 25
3.1.5. Kết quả nghiên cứu 27
3.1.5.1. Kết quả hàn thí nghiệm trên phôi mẫu 27
3.1.5.2. So sánh kết quả nghiên cứu 30
3.1.5.3. Kết luận sơ bộ 35
3.2. Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm
tôn bao vỏ tàu với phương pháp hàn hồ quang tay và thép dày 8 mm 35
3.2.1. Cơ sở đề xuất giải pháp 35
3.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 36
3.2.3. Mô tả thí nghiệm 37
3.2.4. Phương pháp đo biến dạng góc 38
3.2.5. Kết quả nghiên cứu 40
3.2.5.1. Kết quả khắc phục biến dạng hàn trên mẫu 40
CHƯƠNG 4
THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT 42
4.1. Kết luận 42
4.2. Thảo luận kết quả 42
4.3. Kiến nghị 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO 48
PHỤ LỤC 49





- vi -

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1. Danh mục các bảng
Trang
Bảng 3.1. Kết quả biến dạng góc hàn thí nghiệm trên mẫu 28
Bảng 3.2. Kết quả biến dạng góc hàn trên mẫu theo nghiên cứu của Ths. Bùi
Văn Nghiệp 32
Bảng 3.3. Các biến số và cấp độ của quá trình hàn 33
Bảng 3.4. Kết quả nghiên cứu biến dạng góc của một số nhà khoa học 33
Bảng 3.5. Kết quả khắc phục biến dạng góc hàn thí nghiệm trên mẫu 40
2. Danh mục các chữ viết tắt
VR: Vietnam Register – Cục Đăng kiểm Việt Nam
DNV: Det Norske Veritas – Cục Đăng kiểm Nauy
SAW: Submerged Arc Welding – Hàn hồ quang dưới lớp thuốc
GMAW: Gas Metal Arc Welding – Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy
trong môi trường khí bảo vệ
SMAW: Shielded Metal Arc Welding – Hàn hồ quang tay


- 1 -

MỞ ĐẦU
Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi đặc biệt, hoạt động trong môi
trường rất khắc nghiệt, chịu tác động của rất nhiều yếu tố như: sóng, gió, khí
tượng, thủy văn… Vì vậy, ngoài việc thiết kế tàu để đảm bảo các thông số
hình dáng ra thì việc chế tạo, hàn lắp ghép tấm tôn vỏ với nhau và liên kết
tấm tôn vỏ các kết cấu khung giàn để đảm bảo độ kín khít, bền chung của con
tàu cũng là vấn đề vô cùng quan trọng.
Trong quá trình hàn nối các tấm tôn bao vỏ tàu với nhau, có rất nhiều
biến dạng xảy ra đặc biệt là biến dạng góc. Biến dạng góc ảnh hưởng rất lớn

đến chất lượng của mối hàn, chất lượng sản phẩm… Do đó, nghiên cứu về
biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu là rất quan trọng và cần thiết.
Với mong muốn nghiên cứu biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu
cũng như đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ
tàu để nâng cao chất lượng của mối hàn, chất lượng của sản phẩm. Nên tôi đã
thực hiện đề tài với nội dung: “Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục
biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu”.
Do thời gian có hạn, kiến thức còn hạn chế, chưa có nhiều kinh nghiệm
thực tế. Nên trong quá trình thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiết sót. Đề
tài rất mong được sự góp ý của quý Thầy, các bạn đồng nghiệp.
Nha Trang, ngày 25 tháng 06 năm 2012
Sinh viên thực hiện:



Hoàng Văn Tráng
- 2 -

CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Lý do lựa chọn đề tài
Hiện nay, công nghệ hàn được ứng dụng rất phổ biến và rộng rãi trong
ngành đóng tàu. Đối với kết cấu thân tàu, công việc hàn được quy định rất
chặt chẽ và kiểm tra rất khắt khe, điều này được thể hiện qua các tiêu chuẩn,
quy định và quy trình hàn.
Tuy nhiên, trong quá trình hàn tàu dù có áp dụng phương pháp nào đi
nữa thì cũng không thể tránh khỏi được ứng suất dư và biến dạng dư, thực tế
đã chứng minh điều đó.
Trong quá trình hàn các tấm tôn bao vỏ tàu lại với nhau, có rất nhiều
biến dạng xảy ra nhưng biến dạng thể hiện rõ nhất là biến dạng góc. Biến

dạng góc làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mối hàn, chất lượng sản
phẩm. Nếu góc biến dạng quá lớn thì làm hỏng chi tiết kết cấu. Do đó, việc
nghiên cứu về biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu là rất quan trọng và
cần thiết.
Trong lịch sử nghiên cứu cũng đã có rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu
về ứng suất và biến dạng hàn tàu thủy như: Koichi, Masubuchi, Giáo sư
Okerblom, Artem Pilipenko, Sivakumar, Gunaraj, Sorensen… Tuy nhiên
những kết quả nghiên cứu này không khái quát hết các vấn đề phức tạp của
biến dạng hàn tàu thủy, ví dụ như từ kết quả nghiên cứu của Ths. Bùi Văn
Nghiệp kết quả nghiên cứu với phương pháp hàn SAW, thép dày 20 mm, I
(1700÷2000) A thì biến dạng góc nằm trong khoảng (3.53÷5.08
0
), kết quả này
cao hơn rất nhiều so với kết quả nghiên cứu của GS Okerblom (2.03÷2.38
0
).
- 3 -

Từ vấn đề thực tế trên, với mong muốn nghiên cứu rộng hơn về chiều
dày thép khác nhau, phương pháp hàn khác nhau xem thử kết quả biến dạng
góc như thế nào, đồng thời cũng đề xuất phương án khắc phục biến dạng góc
khi hàn nối hai tấm tôn bao vỏ tàu cho một chiều dày tấm nhất định.
Với những lý do hết sức thực tiễn nêu trên nên việc lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn
bao vỏ tàu” là thật sự ý nghĩa và cần thiết.
1.2. Tổng quan vấn đề biến dạng hàn tàu thủy
Lịch sử phát triển của ngành công nghiệp đóng tàu gắn liền với lịch sử
phát triển của công nghệ hàn. Năm 1802, nhà bác học Nga Pê-tơ-rốp đã tìm ra
hiện tượng hồ quang điện và chỉ rõ khả năng sử dụng nhiệt năng của nó để
làm nóng chảy kim loại, mở ra thời kỳ hàn hồ quang tay trong ngành công

nghiệp đóng tàu.
Vào năm 1887, nhà khoa học người Nga Nikolai Bernados đã phát
minh ra phương pháp sử dụng hồ quang của điện cực các bon để hàn các chi
tiết bằng công nghệ hàn tay và phương pháp này được áp dụng rộng rãi ở
Châu Âu và Châu Mỹ với phạm vi sáng chế do sử dụng điện áp và cường độ
dòng điện quá cao (100 – 300V và 600 – 1000A). Vào thời điểm này ngành
công nghiệp đóng tàu vỏ thép phát triển ở các nước Anh, Mỹ, Nga, Nauy,…
cũng bắt đầu phát triển theo và ứng dụng hàn hồ quang điện cực các bon.
Đến năm 1907, Oscar kjellberg (Người Thụy Điển) đã đưa ra ý tưởng
hàn hồ quang tay bằng que hàn có vỏ bọc. Và cũng từ đây công nghệ hàn
được sử dụng rất rộng rãi để hàn vỏ tàu thép của các nước trên thế giới.
- 4 -

Trong những năm 1910 – 1920, nhằm phục vụ cho thế chiến thứ nhất
mà công nghệ đóng tàu trên thế giới đã được đầu tư và phát triển mạnh mẽ,
kết cấu hàn được áp dụng hầu hết các tàu trên thế giới nhưng thời điểm đó chỉ
là tàu cỡ nhỏ và các tàu phục vụ cho thế chiến thứ nhất.
Thời kỳ phát triển cao của công nghệ hàn trong ngành công nghiệp
đóng tàu được mở ra khi viện sĩ Paton (Người Nga) ứng dụng thành công
công nghệ hàn dưới lớp thuốc vào năm 1939.
Năm 1919 Roberts và Van Nuys thử nghiệm dùng khí bảo vệ hồ quang
hàn nhưng mãi đến năm 1940 phương pháp hàn sử dụng khí trơ để bảo vệ hồ
quang mới thành công. Những năm 1940 thế giới đã sản xuất hàng loạt các
loại tàu lớn áp dụng hàn kết cấu, dùng chở hàng và các két chứa… Từ những
ứng dụng kỹ thuật mới, ngành công nghiệp đóng tàu đã trở lên phát triển hơn
bao giờ hết. Loạt tàu “Tự do – Liberty” nổi tiếng, được đóng thành công đã
chứng minh điều này.
Nhưng không may, những chiếc tàu mang tên “Tự do” này không chỉ
nổi tiếng vì thời gian chế tạo ra ngắn, ứng dụng nhiều phương pháp hàn mà
rất nhiều trong số đó đã bị gẫy làm đôi trong khi vận hành, nhấn chìm toàn bộ

hàng hóa và thủy thủ. Nguyên nhân chính là do sự tập trung ứng suất và lỗi kỹ
thuật trong quá trình chế tạo, lắp ráp và hàn các chi tiết kết cấu lại với nhau.
Từ sau thảm họa này, các nhà khoa học trên thế giới đã quan tâm hơn rất
nhiều và có những công trình nghiên cứu về vấn đề ứng suất và biến dạng
hàn. Những ảnh hưởng của ứng suất và biến dạng cũng như đưa ra rất nhiều
các biện pháp để giảm thiểu ứng suất và biến dạng đến mức thấp nhất.
Hiện nay, công nghệ hàn càng ngày càng phát triển, rất nhiều các
phương pháp hàn tàu được áp dụng, chất lượng mối hàn ngày càng được nâng
- 5 -

cao, giảm chi phí sản xuất, nâng cao hiệu quả kinh tế… Tuy nhiên, trong quá
trình đóng tàu mặc dù đã có rất nhiều các phương pháp hàn được ứng dụng
nhưng không thể tránh khỏi được ứng suất dư và biến dạng dư.
Ứng suất dư trong kết cấu hàn kết hợp với ứng suất sinh ra do ngoại lực
tác dụng trong quá trình làm việc, ứng suất tổng hợp này là nguy cơ làm giảm
khả năng làm việc của kết cấu và tạo khả năng xuất hiện những vết nứt, gãy
trong chúng.
Biến dạng hàn thường làm sai lệch hình dáng và kích thước của kết
cấu, gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mối hàn, gây hư hỏng kết cấu.
Theo Koichi và Masubuchi, biến dạng hàn được chia ra:
v Biến dạng trong mặt phẳng tấm (In-plane Distortion) gồm:
1) Biến dạng do co ngang (Transverse Shrinkage)
2) Biến dạng do co dọc (Longitudinal Shrinkage)
3) Biến dạng do xoay (Rotational Distortion)
v Biến dạng ngoài mặt phẳng tấm (Out-of-Plane Distortion) gồm:
1) Biến dạng góc (Angular Distortion)
2) Biến dạng xoắn (Buckling Distortion)
3) Biến dạng dọc (Longitudinal Bending Distortion)
4) Biến dạng cục bộ (Features of Buckling Distortion)
- 6 -

Hình 1.1. Các kiểu biến dạng hàn
Đi đôi với biến dạng hàn là các biện pháp khắc phục biến dạng hàn.
Hiện nay, người ta đã có rất nhiều biện pháp như: các biện pháp kết cấu, các
biện pháp công nghệ khi hàn và sau khi hàn để làm giảm ứng suất và biến
dạng hàn đến mức tối thiểu, nâng cao chất lượng của mối hàn, chất lượng của
sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế.
1.3. Mục tiêu, phương pháp và giới hạn nội dung nghiên cứu
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu với phương pháp
hàn hồ quang tay, thép tấm dày 8 mm đồng thời cũng đề xuất giải pháp khắc
phục biến dạng trong trường hợp này.
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở lý thuyết về vấn đề ứng suất biến
dạng hàn và kết hợp với thực nghiệm trên phôi mẫu.
- 7 -

1.3.3. Giới hạn nội dung nghiên cứu
Từ ý nghĩa thực tiễn của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đề tài thực hiện
trong phạm vi như sau:
1. Nghiên cứu biến dạng góc khi hàn nối tấm tôn bao vỏ tàu với
phương pháp hàn hồ quang tay, thép dày 8 mm.
2. Đề xuất giải pháp khắc phục biến dạng góc khi hàn tấm tôn bao vỏ
tàu với phương pháp hàn hồ quang tay, thép dày 8 mm.
3. Thảo luận kết quả và đề xuất ý kiến.

- 8 -

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Vấn đề biến dạng góc
Biến dạng hàn làm sai lệch hình dáng và kích thước của kết cấu. Khi
hàn tấm tôn bao vỏ tàu lại với nhau có rất nhiều kiểu biến dạng xảy ra như
(biến dạng do co ngang, biến dạng do co dọc, biến dạng xoắn, biến dạng do
xoay, biến dạng dọc…). Tuy nhiên, những biến dạng này rất nhỏ, biến dạng
góc là biến dạng được thể hiện rõ nhất so với các kiểu biến dạng khác. Biến
dạng góc được quan tâm rất đặc biệt trong quá trình hàn các mối hàn giáp
mối.
Nguyên nhân xuất hiện biến dạng góc là do độ co ngót của kim loại
không đều theo tiết diện mối hàn khi hàn các mối hàn giáp mối vát mép chữ
V và khi hàn mối hàn góc.

Hình 2.1. Biến dạng góc
Trong quá trình hàn, ngoài biến dạng góc còn có ứng suất dư. Ứng suất
và biến dạng hoàn toàn đối lập nhau. Nếu chúng ta cố gắng giảm biến dạng
góc bằng cách hạn chế sẽ dẫn tới làm cho ứng suất dư tăng lên. Mà ứng suất
ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của kết cấu, là nguyên nhân gây nứt,
- 9 -

gãy trong chúng. Tuy nhiên, biến dạng góc có thể được giảm bằng cách cung
cấp góc biến dạng ban đầu theo hướng ngược lại nếu độ lớn của góc biến
dạng là dự đoán được. Nếu biết được chính xác độ lớn góc biến dạng thì sau
khi hàn kết quả sẽ không có biến dạng xảy ra. Tuy nhiên, dự đoán được góc
biến dạng là điều không dễ dàng. Vì vậy, để biết được góc biến dạng là bao
nhiêu thì cần có quá trình nghiên cứu những ảnh hưởng của các thông số biến
dạng góc để đưa ra các con số thống kê về biến dạng góc.

Hình 2.2. Các dạng biến dạng góc
a. Liên kết giáp mối b. Liên kết chữ T
Để dễ dàng hình dung sự hình thành biến dạng góc khi hàn giáp mối,
chúng ta có thể xem hình 2.3 dưới dạng định tính. Trên hình này thể hiện các
đường đẳng nhiệt với nhiệt độ kim loại mềm trên bề mặt tấm T*0 (đường liền
đậm) và dưới đáy tấm T*h (đường nét đứt). Dùng một mặt cắt ngang dx,
chúng ta thấy mặt cắt ngang này có ba vùng đặc tính.
Vùng 1: là vùng kim loại mềm nằm bên trong đường đẳng nhiệt T*.
Vùng 2: là vùng gữa T* và T0 đây là vùng nhiệt độ nguội dần từ nhiệt
độ mềm xuống nhiệt độ ban đầu T0.
- 10 -

Vùng 3: là vùng nguội, không có sự thay đổi nhiệt độ rõ ràng, vùng này
bao quanh vùng ảnh hưởng nhiệt và không cho phép vùng ảnh hưởng nhiệt
giãn nở.

Hình 2.3. Sự phát triển của biến dạng góc
Giai đoạn 1 – ngay sau khi nguồn hàn đi qua;
Giai đoạn 2 – sau khi giảm gradient nhiệt độ trên chiều dày tấm;
Giai đoạn 3 – nguội hoàn toàn.
Mặt cắt ngang dx đi qua cả ba vùng, hình 2.3. Vùng nguội (vùng 3) bao

quanh những vùng khác, nó không cho phép mặt cắt ngang giãn nở. Vì vậy,
kim loại bị đốt nóng ở vùng 1 và vùng 2 có xu hướng giãn nở về phía gần tâm
mối hàn hơn. Đây là nguyên nhân gây ra nén ở vùng 1 kể cả sự biến dạng dẻo
dư.
Vì kim loại liền kề trên bề mặt tấm bị đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn
nên những điểm thuộc vùng này có xu hướng dịch chuyển về gần tâm mối
hàn hơn những điểm thuộc bề mặt đáy của tấm. Trên hình 2.3 bên phải, thể
- 11 -

hiện các giai đoạn hình thành biến dạng góc, mặt cắt ngang được chia thành
các hình chữ nhật nhỏ.
Trong giai đoạn 1, thể hiện sự dịch chuyển không đồng nhất trên cả hai
hướng: hướng chiều dày và hướng chiều ngang. Những điểm liền kề bề mặt
trên của tấm bị dịch chuyển nhiều hơn về phía tâm mối hàn so với những
điểm trên bề mặt đáy của tấm, đây là nguyên nhân làm thay đổi hình chữ nhật
ban đầu thành hình thang.
Trong giai đoạn 2, các hình thang này một lần nữa quay trở lại thành
hình chữ nhật nhưng với độ rộng khác nhau (trừ vị trí gần tâm mối hàn). Khi
điều này xảy ra, các mặt của tấm bị uốn cong tại vị trí nối với nhau, hình
thành nên một góc β.
Giai đoạn 3 là giai đoạn nhiệt độ cân bằng nhau theo phương ngang,
khi đó cũng theo phương ngang toàn bộ tấm đồng nhất co lại một đoạn Δtr.
Lúc này các hình chữ nhật đã trở lại đúng hình dạng ban đầu của nó ngoại trừ
vùng bị biến dạng dẻo cũng là vùng kim loại mềm.
2.2. Phương pháp tính biến dạng góc
Các ứng xử của biến dạng góc trong suốt quá trình hoàn thành mối hàn
giáp mối được thể hiện trên hình 2.4, đồng thời cũng chứng minh rằng góc β
thay đổi như thế nào theo thời gian.
Trong giai đoạn đầu của quá trình đốt nóng, một phần của tấm gần
nguồn nhiệt có xu hướng giãn nở mạnh hơn các vùng khác. Điều này dẫn đến

hiện tượng các mép ngoài của tấm bị võng xuống. Nhưng vùng giãn nở không
thể giãn nở tự do mãi, các vùng còn lại của tấm khống chế nó, đây là nguyên
nhân biến dạng dẻo của vùng bị đốt nóng.
- 12 -

v Mức độ biến dạng góc phụ thuộc vào:
1. Mối quan hệ giữa chiều rộng (B) và độ sâu (H) của mối hàn với
chiều dày (h) của tấm (The width and depth of the fusion zone relative to plate
thickness)
2. Kiểu hàn (Type of joint)
3. Quy trình hàn (The weld sequence)
4. Đặc tính của vật liệu (Material properties)
5. Biến số điều khiển quá trình hàn (The welding process control
variables)

Hình 2.4. Các ứng xử của biến dạng góc khi hàn giáp mối
H là độ sâu mối hàn, B là chiều rộng mối hàn
Hình dạng của mối hàn trong quá trình thay đổi phụ thuộc vào sự tập
trung những đặc tính khác của nguồn hàn.
Để xác định biến dạng góc trong mối hàn giáp mối, A.S. Kuzminov đã
nghiên cứu theo phương án xấp xỉ, kết quả thí nghiệm được thể hiện trên biểu
đồ (hình 2.5).
- 13 -


Hình 2.5. Độ co góc Δβ phụ thuộc vào lượng nhiệt trên một
đơn vị chiều dài hàn q
w
/h
2

Theo biểu đồ hình 2.5, khi bắt đầu nếu tăng thông số q
w
/h
2
thì góc β
tăng theo và đạt đến giá trị cực đại khi q
w
/h
2
≈ 10 J.mm
-3
, sau khi đạt được giá
trị cực đại, biến dạng góc sẽ giảm.
Giá trị góc β nhỏ ở phần bên trái của biểu đồ có thể giải thích rằng
nguồn nhiệt thấp không đủ làm mềm kim loại cả chiều dày tấm. Lúc này tấm
còn nguội nên đủ cứng để chống lại lực gây uốn cong. Sự giảm góc β bên
phần phải của biểu đồ là do sự biến mất gradient nhiệt độ thông qua hướng
chiều dày tấm. Trong trường hợp này, các lớp vật liệu của tấm có thể giãn nở
theo chiều ngang y, có ít sự ngăn cản và kết quả là giảm biến dạng góc.
Đối với mối hàn giáp mối vát mép chữ V, biến dạng góc chắc chắn sẽ
xảy ra do sự co lại của vật liệu điền đầy. Và chúng ta cũng thừa nhận rằng
hình dạng mối hàn trùng với hình dạng góc vát chữ V.
Điều này có thể đưa ra công thức đơn giản để tính góc β.
- 14 -

  








Trong đó: α là hệ số giãn nở nhiệt
T* là nhiệt độ vật liệu mềm (thép mềm T* ≈ 600
0
C)
θ là góc vát mép
2.2.1. Phương pháp đo biến dạng góc
Khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu với nhau có rất nhiều biến dạng xảy ra như:
biến dạng do co ngang, biến dạng do co dọc, biến dạng do xoay, biến dạng
dọc, biến dạng xoắn và biến dạng cục bộ nhưng những biến dạng này rất khó
xác định vì kích thước xảy ra rất nhỏ. Trong khi đó, sai số do quá trình chế
tạo kết cấu thân tàu cũng tương đối lớn. Hơn nữa, phương pháp đo và dụng cụ
đo cũng hạn chế nên nội dung thí nghiệm chỉ dừng lại ở việc đo biến dạng
góc.
Phương pháp đo độ lớn biến dạng góc có thể được tiến hành theo hai
cách như sau:
Cách thứ nhất: Tiến hành đo độ lớn biến dạng góc theo đề xuất của
Ths. Bùi Văn Nghiệp như sau:
Ø Dùng thước thẳng đặt ngang qua bề mặt mẫu, dùng thước đo khe hở
đặt vào giữa bề mặt mẫu và bề mặt thước, cho ta kích thước độ hở e. (Vì tại vị
trí tâm mối hàn cao hơn vị trí khác một khoảng bằng chiều cao mối hàn, nên
thước đo khe hở được đặt bên cạnh mối hàn và thêm một bước tính toán hình
học ta được kích thước e).
Ø Dùng kích thước e này đi tính góc biến dạng β.
- 15 -

Hình 2.6. Phương pháp đo khe hở biến dạng e
Sau khi có khe hở biến dạng e, tính góc biến dạng β theo công thức 2.2
(Hình 2.7).
β = 2.sin (e/b).180/π (2.2)
Trong đó: β là góc biến dạng (độ)
e là khe hở biến dạng góc
b = W/2 (W là chiều rộng mẫu)

Hình 2.7. Phương pháp xác định độ biến dạng góc
Cách thứ hai: Tiến hành đo độ lớn biến dạng góc theo phương pháp
như sau:
Ø Đặt mẫu thử lên bề mặt chuẩn, sau đó dùng thước đo độ tiến hành
đo. Trước khi đo, điều chỉnh thước đo độ sao cho tâm của mối hàn trùng với
tâm của thước (vạch 0
0
) và tiến hành đo. Góc giữa bề mặt chuẩn và mẫu hàn
đo được trên thước đo độ cho ta góc biến dạng cần tìm.
- 16 -


Hình 2.8. Phương pháp đo biến dạng góc
Kết quả nghiên cứu được so sánh với kết quả tính toán biến dạng theo
công thức của Giáo sư Okerblom.
2.2.2. Công thức tính biến dạng góc của Giáo sư Okerblom
Giáo sư Okerblom đề nghị công thức tính biến dạng góc (2.3) như sau:
  





Trong đó: I: là cường độ dòng điện [A]
U: là hiệu điện thế [V]
S: là tốc độ hàn [mm.s
-1
]
h: là chiều dày tấm [mm]
2.2.3. Kết quả mô phỏng của tiến sĩ Artem Pilipenko
Tiến sĩ Artem Pilipenko đã mô phỏng biến dạng nhiệt do hàn tấm gây
ra dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng phần mềm ABAQUS.
Mô hình tính của Artem Pilipenko là mô hình 3D có các thông số kích
thước là 500x500x20mm.
- 17 -


Hình 2.9. Mô hình mô phỏng biến dạng của Artem Pilipenko dưới dạng 3D
Tiến sĩ Artem Pilipenko đã so sánh kết quả nghiên cứu của mình với
giáo sư Okerblom và Ông kết luận, kết quả mô phỏng của ông nghiên cứu có
độ biến dạng góc thấp hơn của giáo sư Okerblom là 8%.
2.2.4. Công thức tính biến dạng góc theo đề xuất của Watanabe and
Satoh
  




















Trong đó: h : là chiều dày tấm [mm]
S : là tốc độ hàn [mm.s
-1
]
C
1
, C
2
, m: là hằng số
Từ công thức (2.3) và (2.4) ta thấy tốc độ hàn ảnh hưởng rất lớn đến
biến dạng góc, nếu tăng tốc độ hàn, kết quả sẽ giảm biến dạng góc và ngược
lại.
- 18 -

2.3. Các phương pháp khắc phục biến dạng góc
Khi hàn các tấm tôn bao vỏ tàu lại với nhau, biến dạng góc thể hiện rõ
rệt hơn nhất so với các biến dạng khác vì khi hàn tấm tôn bao vỏ tàu dùng
mối hàn chủ yếu là mối hàn giáp mối vát mép kiểu chữ V và khi hàn mối hàn
góc.
Biến dạng góc làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm, gây sai

lệch hình dáng, kích thước của chi tiết kết cấu. Để đảm bảo chất lượng của
sản phầm, vấn đề đưa ra là phải đưa ra biện pháp khắc phục biến dạng góc,
giảm biến dạng góc tới mức tối thiểu. Muốn vậy buộc chúng ta phải tiến hành
các biện pháp để giảm ứng suất và biến dạng trước, trong và sau khi hàn.
2.3.1. Biện pháp kết cấu
Một trong những vấn đề cơ bản của các biện pháp kết cấu là việc lựa
chọn kim loại cơ bản và cực điện khi thiết kế. Kim loại cơ bản cần tránh
không có khuynh hướng dễ bị tôi khi nguội ở ngoài không khí. Còn điện cực
thì phải có tính dẻo không nhỏ hơn kim loại cơ bản.
- Hàn cân đối làm giảm mức độ biến dạng góc (Hình 2.10).

Hình 2.10. Hàn cân đối
Hình 2.11. Giảm khối lượng kim loại mối
hàn
- 19 -

- Giảm khối lượng kim loại mối hàn, hàn một lượt (Hình 2.11).
- Khi hàn các mối hàn giáp mối nếu chiều dày của hai tấm không bằng
nhau cần phải vát mép tấm có chiều dày hơn. Và điều này quy định kích
thước vát mép của Đăng kiểm rất rõ ràng.

Hình 2.12. Vát mép hai tấm có độ dày chênh lệch lớn hơn 3mm
2.3.2. Biện pháp công nghệ khi hàn
Dựa vào đặc tính của mối hàn, dạng kết cấu, phương pháp hàn, chế độ
hàn, cơ tính và hóa tính của kim loại, người ta thường dùng những biện pháp
công nghệ sau để giảm biến dạng góc.
- Khi hàn các tấm dày, các loại thép dễ bị tôi thì phải gia nhiệt trước
khi hàn.
- Khi hàn các chi tiết bị kẹp chặt, dễ sinh ứng suất lớn, trình tự hàn
trước sau phải đảm bảo cho vật hàn luôn ở trạng thái tự do, nhất là đối với

mối hàn giáp mối. Khi hàn phải hàn một chiều, không hàn từ hai đầu vào.
- Các đồ gá kẹp phải đặt cách xa và không đặt trên mặt cắt ngang mối
hàn.

a) Đúng
b) Sai