nghiên cứu công nghệ hàn giáp mối một phía ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu thủy

1

MỞ ĐẦU
Mục đích của luận án
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn chính Auto-FCAW đến hình dạng và
kích thước của mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu.
Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng, kích thước và khả năng hình thành
mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW.
Nghiên cứu khảo sát ứng suất, biến dạng và tổ chức tế vi kim loại liên kết hàn giáp mối
một phía nối tổng đoạn vỏ tàu.
Thiết lập bộ thông số công nghệ hàn phù hợp với liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng
đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tƣợng nghiên cứu:
Luận án tập trung nghiên cứu liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu (gọi tắt
là liên kết hàn tổng đoạn).
Phạm vi nghiên cứu:
Liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn thân tàu tải trọng trung bình. Sử dụng quá
trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc (Auto-FCAW). Vật liệu cơ bản là thép chế tạo vỏ tàu
cấp A, mác A36, phạm vi chiều dày từ 10 đến 25 mm. Quy mô nghiên cứu của luận án được
xác định trong phạm vi phòng thí nghiệm.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Để thực hiện được mục đích nghiên cứu của luận án, tác giả sử dụng các phương pháp
nghiên cứu sau:
- Thu thập, phân tích và tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan
đến đề tài nghiên cứu về công nghệ hàn giáp mối một phía bằng phương pháp hàn FCAW; các
văn bản nghị quyết, quyết định của Đảng và Nhà nước về chiến lược phát triển công nghiệp
đóng tàu Việt Nam; các tài liệu về công nghệ đóng tàu; Từ đó xác định rõ những gì đã được
công bố và tìm ra những nội dung mới mà luận án cần phải giải quyết.
- Phân tích và hệ thống hóa các kiến thức lý thuyết về công nghệ đóng tàu theo tổng đoạn;
các quá trình công nghệ hàn ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu; đặc điểm công nghệ hàn giáp mối

một phía; thiết bị, vật liệu, các thông số công nghệ, phương thức dịch chuyển kim loại trong
quá trình hàn hồ quang dây lõi thuốc (FCAW) làm cơ sở lý thuyết cho đề tài.
- Khảo sát hiện trường tại các cơ sở đóng tàu trong nước, trong đó sử dụng các kỹ thuật
quan sát trực tiếp, ghi chép, hỏi ý kiến chuyên gia, chụp ảnh để tìm hiểu về công nghệ đóng
tàu, lắp ráp phân đoạn, tổng đoạn (Block); công nghệ hàn nối phân đoạn và tổng đoạn vỏ tàu.
Từ đó làm sáng tỏ các thông tin về đối tượng nghiên cứu, làm cơ sở cho việc xây dựng mô
hình thực nghiệm.
- Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng mối quan hệ giữa các thông
số chế độ hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc và vị trí hàn với hình dạng và kích thước mối
hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu. Bao gồm việc phân tích, lựa chọn và xác định các
yếu tố ảnh hưởng chính; lập kế hoạch, tiến hành thực nghiệm và thu nhận thông tin. Xây dựng
và kiểm định mô hình bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất và phân tích hồi quy, phân
tích phương sai để xác định giá trị của các hệ số trong mô hình hồi qui đa thức. Kiểm tra mô
hình theo độ tương thích và khả năng làm việc.
- Sử dụng kỹ thuật tính toán trường nhiệt độ hàn; khảo sát quá trình truyền nhiệt; phân tích
phân bố ứng suất, biến dạng và tổ chức kim loại, của liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng
đoạn vỏ tàu trên phần mềm chuyên dụng SYSWELD.
2

- Sử dụng các trang thiết bị sẵn có phù hợp với điều kiện thực nghiệm để chế tạo liên kết
hàn nối tổng đoạn vỏ tàu; tiến hành đo biến dạng thực, kiểm tra cơ tính và phân tích tổ chức tế
vi của kim loại liên kết hàn tổng đoạn trong phạm vi phòng thí nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiến của luận án
Ý nghĩa khoa học của luận án:
Đã phân tích và hệ thống hóa kiến thức công nghệ, thiết bị, vật liệu hàn, các thông số công
nghệ, phương thức dịch chuyển kim loại, đặc điểm hình thành mối hàn ở các vị trí hàn khác
nhau trong không gian với quá trình hàn hồ quang dây lõi thuốc FCAW làm cơ sở khoa học
cho việc xây dựng mô hình thực nghiệm hàn giáp mối một phía.
Bằng quy hoạch thực nghiệm đã thiết lập mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn Auto-
FCAW (cường độ dòng điện hàn I

h
, tốc độ hàn V
h
, tần số dao động đầu hàn f
h
, thời gian dừng
dao động đầu hàn ở ¼ và ¾ chu kỳ t
d
) với hình dạng và kích thước đường hàn đáy của mối hàn
giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A36. Đã xựng các đồ thị và đánh giá mức độ
ảnh hưởng độc lập và đồng thời của các thông số chế độ hàn đến hình dạng và kích thước của
mối hàn. Từ đó xác định được bộ thông số chế độ hàn phù hợp với phạm vi kích thước của
đường hàn đáy liên kết hàn giáp mối một phía thép cấp A ở vị trí hàn đứng.
Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã thiết lập mối quan hệ toán học và đánh giá
mức độ ảnh hưởng của vị trí hàn (góc nghiêng trục đường hàn thay đổi theo góc 
từ 0  2.09 radian) đến hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối một phía thép vỏ tàu cấp
A36 bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc Auto-FCAW.
Kết hợp phương pháp mô phỏng số với thực nghiệm nhằm nâng cao hiệu quả nghiên cứu
ứng suất, biến dạng và biến đổi tổ chức kim loại của liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng
đoạn vỏ tàu thép cấp A36 bằng quá trình hàn FCAW. Kết quả nghiên cứu này cũng có thể
được áp dụng vào nghiên cứu ứng suất, biến dạng và biến đổi tổ chức kim loại liên kết hàn
tổng đoạn vỏ tàu với các cấp thép khác.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
Kết quả nghiên cứu của đề tài đã xác định được bộ thông số công nghệ hàn và quy trình
hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc. Kết
quả và phương pháp nghiên cứu của đề tài có thể vận dụng vào thực tiễn chế tạo và lắp ghép
phân đoạn, tổng đoạn nhằm nâng cao năng suất và chất lượng vỏ tàu tại Việt Nam. Ngoài ra,
các kết quả nghiên cứu này có thể ứng dụng trong hàn giáp mối các kết cấu cỡ lớn khác như:
kho nổi, giàn khoan, bồn bể, v.v.
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. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm hai mức 4 yếu tố độc lập trong miền khảo
sát, đã thiết lập được mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn (I
h
,
V
h
, f
d
, t
d
) với kích thước của đường hàn (h
d
, b
d
, b
d1
) trong liên kết hàn giáp mối tổng đoạn vỏ
tàu thép A36. Từ đó xác định được bộ thông số chế độ hàn theo kích thước cho trước của
đường hàn đáy.
2. Bằng thực nghiệm đã thiết lập được mối quan hệ giữa vị trí hàn trong không gian với
hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A bằng quá trình hàn
Auto-FCAW.
3. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: Khi hàn đường hàn đáy ở vị trí hàn trần bằng quá
trình hàn Auto-FCAW thì không cần phải lót đáy mối hàn bằng gốm. Bộ thông số công nghệ
hàn đã xác định không thích hợp để hàn đường hàn đáy ở vị trí trần. Vì vậy cần thiết phải sử
dụng quá trình hàn SMAW hoặc GMAW để hàn đường hàn đáy, các lớp hàn tiếp theo được
hàn bằng quá trình hàn FCAW.
4- Đã phân tích và lựa chọn được mô hình nguồn nhiệt “Double ellipsoid” phù hợp với quá

trình hàn FCAW để hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A. Đồng thời cũng đã xây dựng
3

được 1 module mã lệnh mô tả dao động mỏ hàn kiểu răng cưa nhúng vào phần mềm Sysweld
để thực hiện bài toán mô phỏng quá trình hàn Auto-FCAW.
5- Đã tính toán mô phỏng và xác định được trường nhiệt hàn, chu trình nhiệt, quá trình
biến đổi tổ chức kim loại mối hàn, ứng suất dư và biến dạng của liên kết hàn giáp mối tổng
đoạn vỏ tàu. Kiểm chứng các kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình và
các điều kiện tính toán mô phỏng số là phù hợp với mô hình thực nghiệm.
6. Dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm, luận án đã xác
định được bộ thông số công nghệ hàn hợp lý để hàn nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A bằng quá
trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc Auto-FCAW.
Cấu trúc của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, 5 phần nội dung, các kết luận ở cuối mỗi phần nội dung và kết
luận chung, danh mục các công trình đã công bố, danh mục tài liệu tham khảo và phần phụ lục.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Công nghệ đóng tàu
1.1.1. Sơ lƣợc về tình hình phát triển công nghệ đóng tàu
Hiện nay, trung tâm đóng tàu của thế giới đang ở Đông Á với ba nước Nhật Bản, Hàn
Quốc và Trung Quốc chiếm đến 85% tổng sản lượng, EU chỉ có 11%. Các nước còn lại chiếm
hơn 4%. Tuy nhiên, xét về giá trị, EU lại là khu vực chiếm một tỷ lệ doanh thu lớn nhất (gần
30%) do họ tập trung vào những loại tàu cao cấp như: tàu chở khí lỏng và tàu chở khách.
Trong khi đó, Hàn Quốc chiếm lĩnh các loại tàu chở container, tàu chở dầu. Nhật Bản tập trung
vào tàu chở hàng khô, tàu chở khí lỏng. Còn Trung Quốc đang cố gắng chiếm lĩnh tất cả những
gì có thể. Đến năm 2015, mục tiêu của Hàn Quốc là dẫn đầu hành trình thiên niên kỷ, chiếm
40% thị phần. Còn mục tiêu của Trung Quốc dẫn đầu thế giới, với 35% thị phần. Nhật Bản thì
tập trung vào các loại tàu có công nghệ cao, siêu trọng. EU dẫn đầu ở những phân đoạn thị
trường cao cấp với doanh thu 40 tỷ USD, gấp 3 lần hiện nay. Nếu đúng theo các mục tiêu này
thì khi đó, năng lực sản xuất toàn cầu sẽ lớn hơn nhu cầu ít nhất từ 10% - 20%.
1.1.2. Công nghiệp tàu thủy ở Việt Nam

Với tình hình thực tế ở Việt Nam hiện nay, cách hiệu quả hơn cả là Việt Nam nên đầu tư
tập trung vào các cụm công nghiệp đóng tàu có sẵn lợi thế, đồng thời lựa chọn ngành công
nghiệp phụ trợ phù hợp để xây dựng và phát triển như: ngành thép, tự động hoá, hàn, Hơn
nữa, ngoài việc thành lập các liên doanh, cũng cần mở cửa cho nước ngoài (nhất là Hàn Quốc
và Nhật Bản) thành lập các doanh nghiệp 100% vốn của họ và khuyến khích khu vực kinh tế tư
nhân tham gia vào ngành công nghiệp đóng tàu. Mặc dù trải qua nhiều khó khăn, nhưng cho
đến nay ngành đóng tàu Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh, nhiều nhà máy đóng tàu
đã bước đầu áp dụng công nghệ đóng tàu tiên tiên như công nghệ đóng tàu theo tổng đoạn
(Modules) đóng thành công các tầu có tải trọng nhỏ và trung bình.
1.1.3. Công nghiệp tàu thủy ở nƣớc ngoài
Chương trình nghiên cứu NSRP, MANTECH đã tiến hành nghiên cứu về mức độ công
nghệ đóng tàu hiện đang được sử dụng tại các nhà máy đóng tàu cạnh tranh nhất ở châu Á và
phân ra 5 mức công nghệ. Các nhà máy đóng tàu hiện đại nhất ở mức 5 (là mức công nghệ
hiện đại nhất) được thể hiện qua một số nét như: Có mức độ tự động hóa và người máy hóa
trong tất cả các công đoạn; có khả năng làm việc hiệu quả và áp dụng hệ thống điều hành sản
xuất suất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CAD/CAM/CIM (Computer Integrated
Manufacturing). Thiết kế và chế tạo vỏ tàu theo modules; khả năng quản lý vật tư hiệu quả nhờ
máy tính và có hệ thống đảm bảo chất lượng hoàn căn chỉnh hiệu quả,
1.1.4. Công nghệ đóng tàu theo phƣơng pháp tổng đoạn
Phương pháp đóng tàu theo tổng đoạn (Modules) là phương pháp phân chia thân tàu thành
những tổng đoạn hợp lý dọc theo thân tàu để thuận lợi cho công đoạn chế tạo và lắp đặt sẵn
các trang thiết bị ở mức tối đa tại các phân xưởng chuyên dụng trước khi đấu đà.
4

1.2. Tình hình ứng dụng công nghệ hàn một phía trong chế tạo vỏ tàu thủy
Công nghệ hàn một phía được thực hiện bằng nhiều phương pháp hàn khác nhau phụ thuộc
vào từng trường hợp cụ thể; hàn hồ quang tay (MAW), hàn tự đông dưới lớp thuốc (SAW),
hàn tự động và bán tự động trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), hàn điện cực không nóng
chảy trong môi trường khí bảo vê (GTAW), hàn hồ quang với dây lõi thuốc (FCAW), hàn điện
khí (EGW),v.v Hình 1.1 minh họa mức độ ứng dụng của các quá trình hàn trong đóng tàu

cũng như trong các lĩnh vực công nghiệp khác.

Hình 1. 1 Mức độ tiêu thụ vật liệu hàn trong công nghiệp chế tạo
1.2.1. Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu trong nƣớc
Nói chung các đề tài nghiên cứu trong nước đã đạt được nhiều kết quả tốt trong việc đưa ra
các giải pháp công nghệ và thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động ứng dụng vào quá
trình hàn nối phân đoạn, tổng đoạn vỏ tàu ở Việt Nam. Tuy nhiên các đề tài này chưa tập trung
nghiên cứu đầy đủ về công nghệ hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình
hàn Auto-FCAW.
1.2.2. Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu ở nƣớc ngoài
Ở nước ngoài đã nghiên cứu phát triển và áp dụng nhiều công nghệ hàn tiên tiến vào đóng
tàu: Công nghệ hàn tự động với các quá trình hàn GMAW, FCAW; hàn điện khí EGW; gần
đây là công nghệ hàn lai ghép Hybird Laser-MIG; Tuy nhiên các thông tin về công nghệ hàn
một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thủy bằng quá trình hàn Auto-FCAW không đầy đủ và khó áp
dụng vào điều kiện đóng tàu ở Việt Nam.
Kết luận chƣơng 1
1. Ngành công nghiệp đóng tàu đóng một vai trò then chốt trong chiến lược phát triển kinh
tế xã hội và an ninh quốc phòng của đất nước. Chiến lược phát triển ngành công nghiệp đóng
tàu Việt Nam lớn mạnh trong khu vực và trên thế giới là rất cấp bách.
2. Việc nghiên cứu phát triển và áp dụng công nghệ đóng tàu hiện đại, tiên tiến được triển
khai mạnh mẽ ở Việt Nam nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và hạ giá thành chế tạo thân
tàu góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội.
3. Trong lĩnh vực đóng tàu, công nghệ hàn đóng vai trò chủ đạo và chiếm một tỷ trọng lớn
trong tổng khối lượng công việc chế tạo vỏ tàu; đặc biệt là công nghệ hàn một phía trong chế
tạo và lắp ráp phân đoạn, tổng đoạn của thân tàu; chất lượng liên kết hàn nối tổng đoạn thân
tàu khi đấu đà là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng của thân tàu.
4. Các nghiên cứu trong nước cho đến nay đã đưa ra các giải pháp công nghệ hàn tự động;
thiết kế và chế tạo các hệ thống hàn tự động ứng dụng trong đóng tàu. Tuy nhiên các đề tài này
chưa nghiên cứu cụ thể về công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn
Auto-FCAW.

5

5. Ở nước ngoài đã nghiên cứu và ứng dụng mạnh quá trình hàn Auto-FCAW vào hàn vỏ tàu.
Tuy nhiên cho đến nay, các thông tin về công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thủy bằng
quá trình hàn Auto-FCAW không đầy đủ và khó áp dụng vào điều kiện đóng tàu ở Việt Nam.
CHƢƠNG 2. CÔNG NGHỆ HÀN MỘT PHÍA TRONG ĐÓNG TÀU
2.1. Đặc điểm công nghệ hàn giáp mối một phía trong đóng tàu
Công nghệ hàn giáp mối một phía là quá trình hàn chỉ tiếp cận hàn từ một phía, dùng trong
hàn nối ống thép có đường kính trung bình và nhỏ, bồn bể chứa chựu áp lực, các kết cấu lớn
hạn chế xoay lật, đặc biệt là hàn nối các phân đoạn và tổng đoạn vỏ tàu, Công nghệ hàn một
phía được thể hiện ở một số đặc điểm: điều kiện thực hiện; điều kiện công nghệ; kỹ năng
người thợ; vị trí hàn, quá trình hàn, liên kết hàn và đặc điểm ứng dụng của các quá trình hàn
một phía trong đóng tàu,
2.2. Thép chế tạo vỏ tàu
Theo tiêu chuẩn Việt Nam, thép dùng để chế tạo vỏ tàu là thép hợp kim thấp độ bền cao
được chia làm các cấp sau đây: A32, D32, E 32, A 36, D36, E 36, A 40, D 40, E 40, F32, F36,
F40. Giới hạn bề chảy nhỏ nhất tương đương với thép cấp A32 là 315 MPa và giới hạn bề nhỏ
nhất là 450 MPa.
2.3. Công nghệ hàn FCAW trong đóng tàu
Hàn FCAW được chia thành hai phương pháp: Phương pháp hàn dây lõi thuốc có khí bảo
vệ (FCAW-G) và phương pháp hàn dây lõi thuốc tự bảo vệ (FCAW-S). Hàn FCAW kết hợp
được những ưu điểm tốt và khắc phục được những nhược điểm của quá trình hàn SMAW và
hàn GMAW.
2.3.1 Vật liệu hàn FCAW ứng dụng trong đóng tàu
Các loại dây thông dụng nhất, thường chứa khoảng 75 - 85% thép trong tổng khối lượng và
khoảng 75% tiết diện ngang của dây. Thành phần lõi thuốc có vai trò tạo lớp xỉ mỏng bảo vệ
kim loại lõng trong vũng hàn và sinh ra khí bảo vệ vùng hồ quang hàn; cung cấp các chất khử
Ô xi và ngăn chặn các phản ứng có hại trong vũng hàn; cung cấp các nguyên tố cần thiết cho
quá trình luyện kim và nâng cao cơ tính kim loại mối hàn; ổn định hồ quang hàn,
2.3.2 Thiết bị hàn FCAW

Về cơ bản thiết bị hàn FCAW giống như thiết bị hàn GMAW. Hầu hết các hãng chế tạo
thiết bị hàn đều thiết kế hệ thống thiết bị hàn GMAW có thể dùng cho cả quá trình hàn FCAW.
2.3.3 Các thông số công nghệ hàn FCAW
Các thông số cơ bản của quá trình hàn FCAW như: Dòng điện hàn, điện áp hàn, tốc độ cấp
dây hàn, tốc độ hàn, tấm với điện cực, lưu lượng khí bảo vệ, góc độ mỏ hàn,
2.3.4 Các phƣơng thức dịch chuyển kim loại trong hàn FCAW
Quá trình hàn FCAW có phương thức dịch chuyển chủ yếu là dịch chuyển giọt lớn (cầu),
còn dịch chuyển tia (phun) chỉ tạo ra được khi hàn với khí trộn và dòng điện xung tần số cao.
2.3.5. Đặc điểm hình thành mối hàn ở các vị trí hàn khác nhau
Đặc điểm dịch chuyển kim loại lỏng từ đầu dây điện cực vào vũng hàn phụ thuộc vào các
lực tác dụng lên giọt kim loại lỏng ở đầu mút dây điện cực (trọng lực, sức căng bề mặt, lực
điện trường, lực điện tĩnh, lực tác dụng của các hơi, ) và vị trí hàn trong không gian. Khi hàn
ở các vị trí hàn khác nhau, hướng dịch chuyển giọt kim loại lỏng cùng chiều hoặc ngược chiều
với các lực tác dụng lên nó, cũng như các lực tác dụng lên kim loại lỏng trong vũng hàn mà
điều kiện hình thành mối hàn sẽ thuận lợi hoặc khó khăn.
Kết luận chƣơng 2
Phần này đã phân tích đặc điểm công nghệ hàn giáp mối một phía; đặc điểm công nghệ hàn
hồ quang dây lõi thuốc FCAW, các thông số công nghệ cơ bản của quá trình, các yếu tố ảnh
hưởng đến phương thức và cơ chế dịch chuyển kim lỏng trong quá trình hàn, cũng như đặc
6

im hỡnh thnh mi hn cỏc v trớ hn trong khụng gian khỏc nhau vi quỏ trỡnh hn
FCAW,
õy l nhng c s lý thuyt quan trng xỏc nh cỏc thụng s cụng ngh hn FCAW
v xõy dng mụ hỡnh thc nghim nghiờn cu cụng ngh hn giỏp mi mt phớa ng dng
trong ch to tu thy, nhm xỏc nh b cỏc thụng s ch hn v xõy dng quy trỡnh cụng
ngh hn ni tng on v tu v trớ hn ng nh theo phm vi nghiờn cu ca ti.
CHNG 3. NH HNG CA CC THễNG S CH HN N HèNH
DNG V KCH THC MI HN TNG ON
Mc ớch

Chng ny tin hnh nghiờn cu nh hng cỏc thụng s ch hn chớnh (Cng
dũng in hn I
h
, vn tc hn V
h
(tc di chuyn m hn), tn s dao ng u hn f
hz
v
thi gian dng mộp liờn kt hn t
d
) ca quỏ trỡnh hn Auto-FCAW n hỡnh dng v kớch
thc ca mi hn giỏp mi mt phớa ni tng on v tu.
3.1. Mụ hỡnh thc nghim xỏc nh nh hng ca cỏc thụng s ch hn
n hỡnh dng v kớch thc ca mi hn
3.1.1. Cỏc thụng s cụng ngh ca mụ hỡnh thc nghim
Cỏc thụng s c trng cho hỡnh dng v kớch thc ca ng hn ỏy gm b rng mt
trờn b
d
, b rng mt ỏy b
1
, chiu cao ng hn h
d
nh Hỡnh 3.1 v kớch thc mi ghộp nh
Hỡnh 3.2.



Hỡnh 3. 1 Kớch thc ng hn ỏy
Hỡnh 3. 2 Mi ghộp TN
3.1.2. Cỏc thụng s c bn ca h thng thc nghim

Bao gm cỏc thụng s k thut c bn nh: kim loi c bn, vt liu hn, b gỏ hn MAC
PS-1F, liờn kt hn, lút ỏy mi hn, gúc m hn, thit b hn thc nghim,
3.2. Quy hoch thc nghim xỏc nh mi quan h gia cỏc thụng s ch
hn vi hỡnh dng v kớch thc ca mi hn
3.2.1. Xõy dng mi quan h toỏn hc
Cỏc thụng s ch hn chớnh c la chn cho nghiờn cu gm: I
h
[A], V
h
[cm/phỳt],
tn s dao ng u hn f
d
[Hz], thi gian dng hai mộp hn t
d
[s] l cỏc thụng s u vo.
Cỏc thụng s c trng cho hỡnh dng v kớch thc ca ng hn ỏy (h
d
, b
d
, b
d1
) l cỏc
thụng s u ra ca bi toỏn quy hoch thc nghim.
- Quy c ký hiu cỏc thụng s ch hn chớnh (u vo) nh sau::
x
1
- cng dũng in hn I
h
[A]
x

2
- vn tc hn (tc di chuyn m hn) V
h
[cm/ph]
x
3
- tn s dao ng u hn f
d
[Hz]
x
4
- thi gian dng 1/4 chu k v 3/4 chu k t
d
[s]
đ-ờng hàn đáy
Sứ lót
Vật hàn
13
bd1
hd
bd
13
150
250
13
6

7

- Quy ước ký hiệu các thông số đầu ra đặc trưng cho hình dạng và kích thước của đường

hàn đáy như sau:
y
1
- là chiều cao của đường hàn đáy (h
d
) [mm]
y
2
- bề rộng mặt trên của đường hàn đáy (b
d
) [mm]
y
3
- bề rộng mặt đáy của đường hàn đáy (b
d1
) [mm]
Theo kết quả của một số nghiên cứu được công bố và các tài liệu liên quan, sự tiên nghiệm
bằng kinh nghiệm, kết hợp thực nghiệm sơ bộ cho thấy các thông số kích thước của đường hàn
phụ thuộc tuyến tính và qua lại vào các thông số chế độ hàn, hàm số tương ứng là:




jiij
k
j
jji
xxaxaay
1
0

.
(1  i  j k) (3- 1)
3.2.2. Khoanh vùng các thông số chế độ hàn
Dựa trên cơ sở lý thuyết, kinh nghiệm và thực nghiệm sơ bộ xác định được khoảng biến
thiên của các thông số chế độ hàn như bảng dưới đây:
Bảng 3- 1 Giá trị và khoảng biến thiên của các thông số đầu vào
Mức thay đổi
Các thông số đầu vào
I
h
(A)
x
1

V
h
(Cm/phút)
x
2

f
h
(Hz)
x
3

t
d
(s)
x

4

Mức trên (Z
i
=+1)
135
28
2,8
0,8
Mức cơ bản (Z
i
=0)
130
25
3,0
0,6
Mức dưới (Z
i
=-1)
125
22
3,2
0,4
Khoảng biến thiên x
i
5
3
0,2
0,2
Mô hình có dạng tuyến tính nên ta bố trí số điểm thực nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm

toàn phần
1622
4

k
N
, với k là số biến cần khảo sát. Để tăng tính chính xác của mô hình
ta chọn thêm 1 thực nghiệm tại tâm, như vậy số thực nghiệm n = 17. Thiết lập bảng ma trận kế
hoạch thực nghiệm. Để thu được kết quả tin cậy và chính xác thì tại mỗi điểm thực nghiệm ta
sẽ tiến hành hàn thực nghiệm 3 lần. Như vậy sẽ thực hiện 3 lô thực nghiệm, mỗi lô gồm 17 liên
kết hàn, tổng số liên kết hàn tối thiểu cần chuẩn bị là 51.
3.3. Quy trình thực nghiệm
Bao gồm các nguyên công chính: chuẩn bị mối ghép, tiến hành hàn, xử lý lấy mẫu và khảo
sát kết quả.
3.4. Kết quả thực nghiệm và thảo luận
3.4.1. Kết quả thực nghiệm
Bảng 3- 2 Kết quả thực nghiệm
TT
Thông số công nghệ hàn
Kích thước mối hàn tương
ứng (mm)
Ghi
chú
I
h

[A]
V
h

[Cm/ph]
f
h

[Hz]
t
d

[s]
h
d
b
d
b
d1

1
125
22
3,2
0,4
10,1
12,8
8,2

2
135
22
3,2
0,4

9,4
11,7
10

3
125
28
3,2
0,4
9,5
11,8
9,7

4
135
28
3,2
0,4
9,2
11,6
9,9

5
125
22
2,8
0,4
9,3
11,5
8,6

6
135
22
2,8
0,4
7,9
11,2
11,3

7
125
28
2,8
0,4
7,8
11,0
11,1

8
135
28
2,8
0,4
7,7
10,9
11,2

9
125

22
3,2
0,8
10,4
13,2
7,5

10
135
22
3,2
0,8
10,1
12,6
8,6

8

11
125
28
3,2
0,8
9,5
12,0
9,5

12
135
28

3,2
0,8
9,0
11,0
10,2

13
125
22
2,8
0,8
10,3
13,1
7,9

14
135
22
2,8
0,8
10,0
12,6
9,5

15
125
28
2,8
0,8
9,0

11,3
9,7

16
135
28
2,8
0,8
8,7
11,1
10,8

Bảng 3- 3 Kết quả thực nghiệm ở tâm
TT
Thông số công nghệ hàn
Kích thước mối hàn ở tâm (mm)
I
h

[A]
V
h

[Cm/ph]
f
h

[Hz]
t
d

[s]
h
d
b
d
b
d1

1
130
25
3,0
0,6
9,0
10,8
10,3
2
130
25
3,0
0,6
9,5
11,2
9,9
3
130
25
3,0
0,6

10,1
12,0
9,2





Giá trị trung bình ở m lần đo)
9,4
11,8
9,8
Từ những kết quả thực nghiệm thu được trong Bảng 3- 2, sử dụng phần mềm xử lý số liệu
thực nghiệm tìm được các hệ số của phương trình hồi quy. Kiểm định sự có nghĩa các hệ số
của phương trình hồi quy, loại các hệ số không có nghĩa ta thiết lập được các phương trình hồi
quy biểu diễn sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ I
h
(x
1
), V
h
(x
2
), f
h
(x
3
), t
d
(x

4
) đến
thông số kích thước của mối hàn h
d
(y
1
), b
d
(y
2
), b
d1
(y
3
):
434321
281,0381,0406,0443,0243,0262,9 xxxxxxh
d

(3-2)
424321
262,0275,0250,0500,0250,0835,11 xxxxxxb
d

(3-3)
2143211
318,0393,0406,0656,0581,0617,9 xxxxxxb
d

(3-4)

Kiểm định độ lệch chuẩn R và tính tương thích của các phương trình hồi quy Q nhận được
R > [R = 0,95] và Q > [Q = 0,7]. Như vậy các phương trình hồi quy trên tương thích với thực
nghiêm. Từ phương trình hồi quy trên tiến hành dựng đồ thi xác nhận kết quả thực nghiệm.
3.4.2. Ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện hàn đến hình dạng và kích thƣớc của
đƣờng hàn đáy

Hình 3. 3 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến kích thước của đường hàn đáy
9

3.4.3. Ảnh hƣởng của tốc độ hàn đến hình dạng và kích thƣớc của đƣờng hàn đáy

Hình 3. 4 Ảnh hưởng của vận tốc hàn đến kích thước của đường hàn đáy
3.4.4. Ảnh hƣởng của tần số dao động đầu hàn đến hình dạng và kích thƣớc của
đƣờng hàn đáy

Hình 3. 5 Ảnh hưởng của f
h
đến kích thước của đường hàn đáy
3.4.5. Ảnh hƣởng của thời gian dừng dao động đầu hàn đến hình dạng và kích
thƣớc của đƣờng hàn đáy

Hình 3.6 Ảnh hưởng của t
d
đến kích thước của đường hàn đáy
10

3.4.6. Ảnh hƣởng đồng thời giữa I
h
và V
h

đến hình dạng và kích thƣớc của đƣờng
hàn đáy



Hình 3. 7 Ảnh hưởng đồng thời của I
h
và V
h
đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy
3.4.7. Ảnh hƣởng đồng thời giữa V
h
và t
d
đến hình dạng và kích thƣớc của đƣờng
hàn đáy

Hình 3.8 Ảnh hưởng đồng thời giữa V
h
và t
d
đến đến hình dạng và kích thước của đường hàn
11

3.5. Xác định bộ thông số chế độ hàn theo kích thƣớc mong muốn của
đƣờng hàn đáy
Theo tiêu chuẩn GL (2008) Part 3, Section 1 Welding of Hull Structures, Page 1–14 hướng
dẫn về việc kiểm tra Macro và đánh giá kết quả kiểm tra: Các mẫu thực nghiệm và các mẫu
kiểm tra Macro được đánh giá theo tiêu chuẩn ISO 5817, ở mức “B” xác định các thông số
kích thước mong muốn của đường hàn đáy.

Bảng 3- 4 Phạm vi kích thước mong muốn của đường hàn đáy
Chiều cao đường hàn h
d
(mm)
Bề rộng mặt trên b
d
(mm)
Bề rộng mặt đáy b
d1
(mm)
9  10
10  12
9  11
Sử dụng công cụ “Optimizer” của phần mềm Modde 5.0 để tìm ra bộ thông số chế độ hàn
theo với kích thước mong muốn của đường hàn đáy như trong Bảng 3- 5.
Bảng 3- 5 Bộ thông số chế độ hàn theo kích thước mong muốn của đường hàn đáy

Kết luận chƣơng 3
1. Dựa vào cơ sở khoa học được phân tích, hệ thống hóa ở chương 1 và chương 2 đã xây
dựng được mô mình thực nghiệm hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A36 bằng quá trình
hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc (Auto-FCAW).
2. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm hai mức 4 yếu tố độc lập trong miền khảo
sát, đã thiết lập được mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn (I
h
,
V
h
, f
d
, t

d
) với kích thước của đường hàn (h
d
, b
d
, b
d1
). Nhờ công cụ “Optimizer” của phần mềm
Modde 5.0 xác định được bộ thông số chế độ hàn theo kích thước cho trước của đường hàn
đáy.
3. Đã xây dựng được các đồ thị biểu diễn mối quan hệ và đánh giá được mức độ ảnh hưởng
của các thông số chế độ hàn (I
h
, V
h
, f
d
, t
d
) đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy (h
d
,
b
d
, b
d1
) trong mối hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu.
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA VỊ TRÍ HÀN ĐẾN HÌNH DẠNG
VÀ KÍCH THƢỚC MỐI HÀN TỔNG ĐOẠN
Mục đích

Để có cơ sở dữ liệu xây dựng quy trình hàn nối tổng đoạn vỏ tàu bằng công nghệ hàn
Auto–FCAW phần này của luận án sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng, kích
thước và khả năng hình thành mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu.
12

4.1. Mô hình và chế độ thực nghiệm
Mô hình thực nghiệm phải
đảm bảo được các yêu cầu: Độ
tương thích theo thực tế, thu thập
được kết quả nghiên cứu chính
xác và tin cậy, tính khả thi, dễ
thực hiện theo điều kiện trang
thiết bị hiện có, Robot hàn phải
có khả năng thực hiện hàn được
tất cả các liên kết hàn ở mỗi cung
trên mô hình thực nghiệm, Bản vẽ
mối ghép hàn tương ứng với mỗi
cung trên mô hình thực nghiệm
Hình 4.1.

Hình 4.1 Mô hình thực nghiệm vị trí hàn thay đổi


Hình 4. 2 Các thông số kích thước mối
hàn
Hình 4. 3 Liên kết hàn thực nghiệm

Dựa trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thu được ở phần 3 của đề tài và cơ sở lý thuyết công
nghệ hàn FCAW, thiết lập bảng thông số công nghệ hàn cần thiết tương ứng với mỗi lớp hàn
để làm thực nghiệm.

4.2. Quy hoạch thực nghiệm xác định ảnh hƣởng của vị trí hàn đến hình dạng
và kích thƣớc của mối hàn
4.2.1. Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số
Xác định các thông số đầu vào và các thông số đầu ra của bài toán quy hoạch thực nghiệm.
- Thông số đầu vào x: là đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi của vị trí hàn tương ứng với
mỗi cung:
1: vị trí hàn trần (4G), tương ứng góc radian = 0
2: vị trí hàn ở cung 6h  5h, tương ứng góc radian = 0.523599
3: vị trí hàn ở cung 5h  4h, tương ứng góc radian = 1.047198
4: vị trí hàn ở cung 4h 3h, tương ứng góc radian = 1.570797
5: vị trí hàn đứng (3G), tương ứng góc radian = 2.094396
- Các thông số đầu ra đặc trưng cho kích thước của mối hàn như Hình 4. 2
y
1
: là chiều cao mặt mối hàn (h),
y
2
: là chiều cao mặt đáy mối hàn (h
1
),
y
3
: là bề rộng mặt mối hàn (b),
y
4
: là bề rộng mặt đáy mối hàn (b
1
),
Áp dụng phương trình hồi quy bậc ba một biến mô tả mối quan hệ tuyến tính ảnh hưởng
của vi trí hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn có dạng như sau:

3
12
2
1110
xaxaxaay
i

(4- 1)
130
6

2
180
R=350
180
30°
6h
5h
4h
3h

3

4

5

1
130

180
13
6

13
h
1
2
b
l
h1
b
13

Các hệ số của phương trình hồi quy được xác định bằng phương pháp BPNN, với số thực
nghiệm
222
1

k
N
(k =1 do hàm chỉ phụ thuộc vào một biến đầu vào). Tuy nhiên để thu
được kết quả tập trung, chính xác và tin cậy thì số lần làm thực nghiệm tối thiểu tại mỗi điểm
là 3 lần. Tương ứng với mỗi vị trí hàn ở mỗi cung (
1
đến 
5
) như Hình 4.1 sẽ hàn thực nghiệm
3 liên kết hàn, như vậy 5 vị trí hàn sẽ hàn ít nhất 15 liên kết hàn.
Bảng 4- 1 Ma trận đầu vào

Giá trị đầu vào
x
i0

x
i
2
i
x

3
i
x

Cung 
1
(radian)
1
0
0
0
Cung 
2
(radian)
1
0.523599
0.274156
0.143548
Cung 
3

(radian)
1
1.047198
1.096624
1.148382
Cung 
4
(radian)
1
1.570797
2.467403
3.87579
Cung 
5
(radian)
1
2.094396
4.386495
9.187057
Bảng 4- 2 Ma trận đầu ra
y
1

y
2

y
3

y

4

b
h
b
1

h
1

4.2.2. Quy trình thực nghiệm
Bước 1: Chế tạo liên kết hàn theo bản vẽ như Hình 4. 3,
Bước 2: Chế tạo đồ gá hàn theo bản vẽ như trong hình Hình 4.1,
Bước 3: Ghá lắp các liên kết hàn lên đồ gá,
Bước 4: Dán sứ lót đáy,
Bước 5: Lắp đặt mô hình vào vị trí làm việc
Bước 6: Lập chương trình hàn đường hàn đáy ở các vị trí hàn từ cung 
1
đến cung 
5
,
Bước 7: Kiểm tra và hiệu chỉnh chương trình hàn lớp đáy,
Bước 8: Hàn lớp đáy,
Bước 9: Làm sạch và kiểm tra lớp hàn đáy,
Bước 10: Lập chương trình hàn đường hàn phủ ở các vị trí hàn từ cung 
1
đến cung 
5
,
Bước 11: Kiểm tra và hiệu chỉnh chương trình hàn lớp phủ,

Bước 12: Hàn lớp hàn phủ,
Bước 13: Làm sạch và kiểm tra mối hàn,
Bước 14: Tháo các mối hàn ra khởi đồ gá,
Bước 15: Lấy mẫu để đo, và khảo sát hình dạng, kích thước của mối hàn



Hình 4. 4 Liên kết hàn thực nghiệm
Hình 4. 5 Vị trí hàn trên mỗi cung
14

4.3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận
4.3.1. Kết quả thực nghiệm
Bảng 4- 3 Thông số kích thước của mối hàn tương ứng vị trí mối hàn ở mỗi cung
TT
Kích thước mối hàn
Vị trí mối hàn
b
(mm)
h
(mm)
b
1
(mm)
h
1
(mm)
Góc radian
1
Mối hàn cung 

1
(hàn trần)
16,2
0,0
8,0
- 3,2
0.0
2
Mối hàn ở cung 
2
(6h - 5h)
17,0
2,8
11,0
- 2,8
0.523599
3
Mối hàn ở cung 
3
(5h - 4h)
18,5
2,7
12,0
0,0
1.047198
4
Mối hàn ở cung 
4
(4h - 3h)
18,8

2,6
12,0
0,5
1.570797
5
Mối hàn ở cung 
5
(hàn đứng)
19,5
2,5
13,0
2,2
2.094396





Hình 4. 6 Mối hàn ở vị trí trần (

1
)
Hình 4. 7 Mối hàn ở cung

2

Hình 4. 8 Mối hàn ở cung

3
Hình 4. 9 Mối hàn ở cung

4
Hình 4. 10 Mối hàn đứng
4.3.2. Ảnh hƣởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thƣớc của mối hàn tổng
đoạn vỏ tàu
Từ các kết quả thực nghiệm thu được trên Bảng 4- 3, tiến hành xây dưng thuật toán và lập
trình chạy trên phần mềm để xác định các hệ số (a
0
, a
1
, a
11
, a
12
) của hàm số (4-1). Phân tích hồi
quy và phân tích phương sai kiểm nghiệm sự có nghĩa của các hệ số; đánh giá độ lệch chuẩn R,
tính tương thích của mô hình thực nghiệm Q và thiết lập các hàm hồi quy tương với thực
nghiệm:
xb 958.1150.16 
(4- 2)
32
684.1800.6051.8 xxxh 
(4- 3)
32
1

742.1774.6935.8986.7 xxxb 
(4- 4)
32
1
697.0371.2668.0340.3 xxxh 
(4- 5)
Từ các phương trình hồi quy trên dựng đồ thị xác nhận kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của
vị trí hàn đến hình dạng kích thước của mối hàn nối tổng đoạn.
15


Hình 4.11 Ảnh hưởng của vị trí hàn đến kích thước mối hàn
Bảng 4- 4 Giá trị đầu ra tính theo các hàm hồi quy
Kích thước mối hàn
Vị trí hàn
b
h
b
1

h
1

y
1

y
2

y

3

y
4

Mối hàn trần (
1
)
16.15
0.041
7.98
-3.34
Mối hàn 6h-5h (
2
)
17.20
2.63
11.05
-2.44
Mối hàn 5h-4h (
3
)
18.20
2.94
11.91
-0.24
Mối hàn 4h-3h (
4
)
19.00

2.43
12.05
0.85
Mối hàn đứng (
5
)
19.45
2.54
12.98
2.05
Theo tiêu chuẩn GL (2008) Part 3, Section 1 Welding of Hull Structures, Page 1–14 hướng
dẫn về việc kiểm tra Macro và đánh giá kết quả kiểm tra: Các mẫu thực nghiệm và các mẫu
kiểm tra Macro được đánh giá theo tiêu chuẩn ISO 5817, ở mức “B”. Ta xác định và đánh giá
hình dạng, kích thước, độ ngấu và sự kết tinh của kim loại mối hàn ở cùng một điều kiện và
các thông số công nghệ cho thấy răng:
- Mối hàn ở cung φ
1
(hàn trần): Hình dạng,
kích thước và độ ngấu không đạt chất lượng.
- Mối hàn ở cung φ
2
(6h-5h): Độ cao và bề
rộng mặt mối hàn đạt tiêu chuẩn; tuy nhiên mặt
đáy mối hàn bị lõm nên mối hàn không đạt độ
ngấu.
- Mối hàn ở cung φ
3
(5h-4h): Hình dạng,
kích thước và độ ngấu của mối hàn đạt tiêu
chuẩn chất lượng.

- Mối hàn ở cung φ
4
(4h-3h): Hình dạng,
kích thước và độ ngấu của mối hàn đạt tiêu
chuẩn chất lượng.
- Mối hàn ở cung φ
5
(vị trí đứng): Hình dạng,
kích thước và độ ngấu của mối hàn đạt tiêu
chuẩn chất lượng.

Hình 4. 12 Phạm vi góc quay trục đường hàn
16

Kết luận chƣơng 4
1. Đã xây dựng được mô hình thực nghiệm biểu diễn các vị trí hàn khác nhau ứng với 5
cung (φ
1
, φ
2
, φ
3
, φ
4
và φ
5
) theo múi giờ đồng hồ (6h, 6h  5h, 5h  4h, 4h  3h và 3h) nằm trên
góc chuyển tiếp từ đáy lên mạn tàu của liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A36 phục vụ
nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn tổng đoạn.
2. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã xây dựng được các hàm hồi quy biểu diễn

mối quan hệ giữa vị trí hàn (φ
1
, φ
2
, φ
3
, φ
4
và φ
5
) đến kích thước của mối hàn nối tổng đoạn vỏ
tàu thép A36 bằng phương pháp hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc E71T-1 đường kính 1,2
mm (bề rộng mặt trên b, chiều cao phần nhô mặt trên h, bề rộng mặt đáy b
1
, chiều cao phần
nhô mặt đáy h
1
):
xb 958.1150.16 

32
684.1800.6051.8 xxxh 

32
1
742.1774.6935.8986.7 xxxb 

32
1
697.0371.2668.0340.3 xxxh 

3. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: Khi hàn đường hàn đáy ở vị trí hàn trần bằng quá
trình hàn Auto-FCAW thì không cần phải lót đáy mối hàn bằng gốm. Bộ thông số công nghệ
hàn đã xác định không thích hợp để hàn đường hàn đáy ở vị trí trần. Vì vậy cần thiết phải sử
dụng quá trình hàn SMAW hoặc GMAW để hàn đường hàn đáy, các lớp hàn tiếp theo được
hàn bằng quá trình hàn FCAW.
CHƢƠNG 5. NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ TỔ CHỨC TẾ VI
LIÊN KẾT HÀN TỔNG ĐOẠN VỎ TÀU
5.1. Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, biến đổi tổ chức kim loại, ứng suất và
biến dạng hàn bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn
5.1.1. Lý thuyết PTHH của bài toán nhiệt - đàn hồi - dẻo
5.1.1.1 Bài toán truyền nhiệt khi hàn
* Mô hình nguồn nhiệt rút gọn được đề xuất bởi Goldak cho các quá trình hàn hồ quang
GMAW, FCAW,


    


























(5 - 1)
Đối tượng nghiên cứu mô phỏng ở đây là liên kết hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thủy. Vật
liệu cơ bản là thép A36 dày 13 mm; vật liệu hàn là E71T-1,  1.2 mm. Các thông số của mô
hình nghiên cứu được mô tả trên Hình 5.1 dưới đây.

Hình 5.1 Mô hình mối ghép hàn tổng đoạn vỏ tàu
500
250
300
800
13
150
A
10
17

* Phát triển mô hình lưới của mô hình hình học

Hình 5. 2 Mô hình PTHH của vùng mối hàn và vị trí của các nút khảo sát
5.1.3. Các điều kiện tính toán
- Điều kiện biên cơ học được xác định bởi sự kẹp chặt, như là sự ngàm cứng được minh
họa trong hình 5.3.

Hình 5. 3 Ngàm chặt hai đầu liên kết hàn tổng đoạn
- Các thông số về nguồn nhiệt đầu vào được xác định bằng thực nghiệm.
5.1.4. Phân bố trƣờng nhiệt độ và chu trình nhiệt khi hàn liên kết tổng đoạn
Trường nhiệt độ phân bố trong tiết diện ngang của liên kết hàn như Hình 5.4, vùng màu đỏ
thể hiện kích thước của vùng nóng chảy.

Hình 5.4 Trường nhiệt độ tức thời lớp hàn đáy và lớp hàn phủ
Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn được minh họa trên Hình 5.5. Dựa vào kích
thước dải phân bố màu ta có thể dự đoán trước rằng chế độ hàn đã chọn là phù hợp với liên kết
hàn này bởi vì bề rộng của vũng hàn vừa bằng bề rộng của mối hàn yêu cầu, nghĩa là mối hàn
sẽ không có nguy cơ bị cháy thủng, cháy cạnh, hoặc không ngấu.

Hình 5.5 Trường nhiệt độ tức thời phân bố trên toàn mô hình
18

Chu trình nhiệt chính xác tại một điểm nào đó trong liên kết hàn, giúp chúng ta đánh giá
được các khả năng chuyển biến pha, xuất hiện các ứng suất nhiệt hoặc các loại khuyết tật hàn
khác, cho phép đánh giá và tìm ra các thông số công nghệ hàn hợp lý trước khi chế tạo thật.
5.1.5. Biến đổi tổ chức kim loại trong liên kết hàn tổng đoạn
Hình 5. 6b là kết quả tính toán sự phân bố của tổ chức martensite. Dựa vào màu sắc của
các đường đồng mức và thang đo, cho thấy rằng liên kết hàn trong trường hợp này gần như
không xuất hiện tổ chức martensite (hàm lượng martensite tối đa chỉ là 0,19%). Kết quả tính
toán hàm lượng tổ chức bainite thể hiện trên Hình 5. 6c cũng rất nhỏ (tối đa là 0,44%). Tương
tự, hàm lượng austenite dư gần như không còn tồn tại sau khi kết thúc quá trình chuyển biến
pha như trên Hình 5. 6d. Như vậy, có thể kết luận rằng trong liên kết hàn nghiên cứu không

xuất hiện các tổ chức martensite, bainite hay austenite dư mà tổ chức kim loại nhận được chỉ là
hỗn hợp ferrite - pearlite.


a) Phân bố tổ chức Ferrite – Pearlite
b) Phân bố tổ chức Martensite


c) Phân bố tổ chức Bainite
d) Phân bố tổ chức Austenite dư
Hình 5. 6 Phân bố tổ chức kim loại trong liên kết hàn tại thời điểm 6500 [giây]

Hình 5. 7 Chu trình nhiệt & đồ thị chuyển biến pha tại nút 8636
19

Sysweld còn có thể tính toán và thể hiện kết quả một cách định lượng sự biến đổi tổ chức
kim loại mối hàn tại bất kỹ một điểm nào đó trong vùng mối hàn dưới dạng các đồ thị như
Hình 5.7 dưới đây.
5.1.6.Ứng suất dƣ và biến dạng góc của liên kết hàn tổng đoạn
Phần mềm Sysweld tính toán trường phân bố ứng suất cũng như biến dạng của mô hình
liên kết hàn tổng đoạn. Các kết quả được thể hiện trên các hình và đồi thị dưới đây.
- Giá trị ứng suất theo phương ngang lớn nhất trong liên kết hàn là 
x
= 375,59 Mpa thể
hiên trên Hình 5.8.
- Giá trị ứng suất pháp theo phương dọc y-y (
y
, 
22
) lớn nhất 

y
= 238 MPa nằm tại vùng
thuộc KLCB và sát với vùng HAZ thể hiên trên Hình 5.9.


Hình 5. 8 Ứng suất pháp theo phương ngang (x-x)
Hình 5. 9 Ứng suất pháp theo phương dọc (y-y)
- Trên Hình 5. 10 là trường phân bố ứng suất dư tổng (ứng suất tương đương 
e
, equivalent
stress) giá trị ứng suất dư tương đương lớn nhất trong liên kết hàn là 276,44 Mpa.

Hình 5. 10 Phân bố ứng suất dư tổng (S
eqv
) trong liên kết hàn

Hình 5. 11 Đồ thị ứng suất pháp, ứng suất dư tổng (S
eqv
) tại mặt cắt ngang giữa mối hàn
20

- Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của ứng suất pháp theo các phương (
x
, 
y
, 
z
) và ứng suất
dư tổng (S
eqv

) tại mặt cắt ngang ở giữa liên kết hàn tổng đoạn được thể hiện trên Hình 5.11.
- Trên Hình 5.12 biểu diễn kết quả biến dạng góc U
z
của liên kết hàn theo chiều dọc của
mối hàn (đường màu đỏ). Tại vị trí đầu mối hàn, biến dạng góc có giá trị nhỏ nhất U
z
= 0,08
mm, điều này cũng phản ánh đúng với lý thuyết do tại vị trí đầu nhiệt lượng truyền vào liên kết
hàn không lớn. Biến dạng góc U
z
tăng dần khi đi từ đầu mối hàn đến cuối mối hàn và đặt giá
trị lớn nhất tại vị trí cách điểm cuối đường hàn khoảng 16 mm với giá trị U
z
= 0,76 mm, điều
này cũng phản ánh đúng với lý thuyết do tại vị trí cuối nhiệt lượng truyền vào liên kết hàn lớn
nhất.

Hình 5. 12 Biến dạng góc, ứng suất pháp, ứng suất dư tổng (S
eqv
) tại mặt cắt dọc giữa mối hàn
5.2. Thực nghiệm chế tạo liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu thủy
Chế tạo đồ gá chông biến dạng co góc khi hàn mối hàn lấp góc giữa sườn với tấm vỏ như
Hình 5. 13. Gá lắp tạo liên kết hàn tổng đoạn đúng theo mô hình thực nghiệm và rà mặt phẳng
bằng bàn mát như Hình 5. 14 trước khi hàn nối tổng đoạn.


Hình 5. 13 Hàn sườn với tám vỏ
Hình 5. 14 Mối ghép tổng đoạn
Chế tạo đồ gá ngàm hai đầu bằng Ê tô để kẹp chặt hai đầu của liên kết hàn tổng đoạn nhằm
chống co ngang khi hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu như Hình 5. 15.

21



Hình 5. 15 Hàn nối tổng đoạn
Hình 5. 16 Mặt đáy mối hàn
Kết quả 07 liên kết hàn tổng đoạn đã được chế tạo thành công như Hình 5. 16.
5.3. Đo biến dạng góc thực của liên kết hàn tổng đoạn
Khảo sát biến dạng góc trên 3 mô hình thực nghiệm thật số 02, 05 và 07; phương pháp đo
bằng đầu đo 3 tọa độ lắp trên máy CNC 5 trục DMU 50. Vùng khảo sát biến dạng góc mối hàn
là vùng giữa hai sườn của liên kết hàn tổng đoạn.

Hình 5.17 Đo biến dạng góc bằng đầu đo 3D
Giá trị co góc trung bình trên trên 3 mẫu khảo sát (mẫu 02, 07, 05) là 

 

. So sánh kết
quả biến dạng góc xác định bằng mô phỏng SYSWELD và đo trên mô hình thật như trong
Bảng 5- 1.
Bảng 5- 1 Kết quả chuyển vị và độ co góc liên kết hàn tổng đoạn
Biến dạng góc
Mô phỏng bằng SYSWELD
Đo trên mô hình thật
Chuyển vị theo trục z (mm)
0,76 mm
0,857 mm
Độ co góc β
tb
(

0
)
0,37
0,413
Từ kết quả như trên cho thấy rằng khi hàn nối tổng đoạn với cùng một bộ thông số công
nghệ hàn tương ứng với đường hàn đáy và đường hàn phủ đã được nghiên cứu và xác định tạo
ra biến dạng góc nhỏ, nằm trong phạm vi cho phép của quy phạm đăng kiểm vỏ tàu.
5.4. Kiểm tra cơ tính của liên kết hàn tổng đoạn
- Kết quả thử kéo: Cả 3 mẫu thử đều đứt ở vùng kim loại cơ bản tiếp giáp với vùng HAZ
của liên kết hàn. Kết quả này trừng hợp với kết quả tính toán mô phỏng số ứng suất trên phần
mềm Sysweld.
- Các mẫu uốn mặt và uốn chân mối hàn đều được uốn cong đến góc lớn hơn 150
0
, nhưng
mặt và chân mối hàn không bị nứt, gãy.


Hình 5. 18 Uốn mặt mối hàn
Hình 5. 19 Mẫu sau khi thử kéo
22

5.5. Phân tích cấu trúc kim loại trong liên kết hàn tổng đoạn
5.5.1 Cấu trúc thô đại của liên kết hàn tổng đoạn



Hình 5. 20 Các vùng khảo sát của mối hàn tổng đoạn
5.5.2 Cấu trúc tế vi của liên kết hàn tổng đoạn
Cấu trúc tế vi ở 3 vùng đặc trưng của mối hàn được thể hiện trên Hình 5.20. Trong đó vùng
D1, D2, D3 thuộc vùng đáy của mối hàn; vùng G1, G2, G3 thuộc vùng giữa mối hàn; vùng T1,

T2, T3 thuộc vùng trên của mối hàn. Kết quả phân tích kim tương học tại 3 vùng này cho thấy
rằng kim loại liên kết hàn chỉ có tổ chức ferrite – pearlite với hình dạng và cỡ hạt khác nhau.
5.6. Bộ thông số công nghệ hàn Auto-FCAW hợp lý
Bộ thông số công nghệ hàn hợp lý khi hàn giáp mối một phía nhiều lớp có lót đáy, thép các
bon thấp hoặc thép hợp kim thấp A36, dày 13 mm
Bảng 5- 2 Bộ thông số công nghệ hàn đường hàn đáy
TT
Thông số
Giá trị
Dung sai
Ghi chú
1
Vật liệu cơ bản: Thép chế tạo vỏ tàu cấp A

2
Dây hàn: E 71T-1, đường kính  1,2 mm
3
Các thông số mối ghép

Góc rãnh hàn α
45
0
 1
0

Khe hở mối ghép a
6 mm
- 1

Phạm vi chiều dày t
10  25 mm


4
Góc độ mỏ hàn


Góc di chuyển mỏ hàn 
75
0
- 5
0

Góc làm việc mỏ hàn β
90
0

 1
0
5
Vị trí hàn

Hàn đứng từ dưới lên (3G-u)
6
Dao động đầu hàn

Dao động đầu hàn theo kiểu răng cưa

Tần số dao động f

h
2,8 Hz
 0,2

Thời gian dừng ở hai biên độ
t
d
0,6 s
+ 0,2

Biên độ dao động đầu hàn a
h
2  3 mm
 0.1
7
Khí bào vệ CO
2





Lưu lượng khí lít/phút
10 (lít/phút)
+ 2, - 1

8
Tầm với điện cực (mm)
25 (mm)

9
Dòng điện hàn




Cực tính dòng điện hàn
DCEP (DC
+
)



Dòng điện hàn I
h

125 (A)
+ 5

10
Điện áp hàn U
h
22 (V)
+ 1

11
Vận tốc di chuyển đầu hàn V
h
25 (cm/phút)

 2

12
Lót đáy mối hàn bằng gốm
8 x 1,2 mm




a
t
23

Bảng 5- 3 Bộ thông số công nghệ hàn đường hàn phủ (lớp phủ)
TT
Thông số
Giá trị
Dung sai
Ghi chú
1
Vật liệu cơ bản: Thép chế tạo vỏ tàu cấp A

2
Dây hàn: E 71T-1, đường kính  1,2 mm
3
Các thông số của mối ghép

Góc rãnh hàn α
45
0

 1
0

Khe hở mối ghép a
6 mm
- 1


Phạm vi chiều dày t
10  25 mm

4
Góc độ mỏ hàn

Góc di chuyển mỏ hàn 
80
0
- 5
0

Góc làm việc mỏ hàn β
90
0

 1
0
5
Vị trí hàn

Hàn đứng từ dưới lên (3G-u)
6
Dao động đầu hàn

Dao động đầu hàn theo kiểu răng cưa

Tần số dao động f
h
2,0 Hz
- 0,2

Thời gian dừng ở hai biên độ t
d
0,8 s
+ 0,2

Biên độ dao động đầu hàn a
h
4  5 mm
+0,5
7
Khí bảo vệ CO
2




Lưu lượng khí lít/phút
12 (lít/phút)
+ 2, - 2

8
Tầm với điện cực (mm)
25 (mm)
- 5
9
Dòng điện hàn




Cực tính dòng điện hàn
DCEP (DC
+
)



Dòng điện hàn I
h

140 (A)
+ 5

10
Điện áp hàn U
h
23 (V)
+ 1

11

Vận tốc hàn di chuyển đầu V
h
25(cm/phút)
 2

Kết luận chƣơng 5
1- Đã phân tích và lựa chọn được mô hình nguồn nhiệt “Double ellipsoid” phù hợp với quá
trình hàn FCAW để hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A. Đồng thời cũng đã xây dựng
được 1 module mã lệnh mô tả dao động mỏ hàn kiểu răng cưa nhúng vào phần mềm Sysweld
để thực hiện bài toán mô phỏng quá trình hàn Auto-FCAW.
2- Đã tính toán mô phỏng và xác định trường nhiệt hàn, chu trình nhiệt, quá trình biến đổi
tổ chức kim loại, ứng suất và biến dạng của liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu. Kiểm chứng các kết
quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm về biến dạng góc và biến đổi tổ chức kim loại mối hàn
cho thấy rằng mô hình và các điều kiện tính toán trong mô phỏng số là phù hợp với mô hình
thực nghiệm.
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN
Đề tài đã đạt được mục tiêu và các kết quả chính như sau:
1- Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm hai mức 4 yếu tố độc lập trong miền khảo
sát, đã xây dựng được mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các thông số chính của chế độ
hàn (I
h
, V
h
, f
d
, t
d
) với kích thước của đường hàn đáy (h
d
, b

d
, b
d1
) trong liên kết hàn giáp mối
một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thép A36.
434321
281,0381,0406,0443,0243,0262,9 xxxxxxh
d


424321
262,0275,0250,0500,0250,0835,11 xxxxxxb
d


2143211
318,0393,0406,0656,0581,0617,9 xxxxxxb
d



a
t
24

Mặt khác bằng phần mềm Modde 5.0 xác định được bộ thông số chế độ hàn theo kích
thước cho trước của đường hàn đáy.
2- Bằng thực nghiệm đã thiết lập được mối quan hệ giữa vị trí hàn trong không gian với
hình dạng và kích thước của mối hàn tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW như
sau:

xb 958.1150.16 

32
684.1800.6051.8 xxxh 

32
1
742.1774.6935.8986.7 xxxb 

32
1
697.0371.2668.0340.3 xxxh 

3- Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: Khi hàn đường hàn đáy ở vị trí hàn trần bằng quá
trình hàn Auto-FCAW thì không cần phải lót đáy mối hàn bằng gốm. Bộ thông số công nghệ
hàn đã xác định không thích hợp để hàn đường hàn đáy ở vị trí trần. Vì vậy cần thiết phải sử
dụng quá trình hàn SMAW hoặc GMAW để hàn đường hàn đáy, các lớp hàn tiếp theo hàn
bằng quá trình hàn FCAW.
4- Đã phân tích và lựa chọn được mô hình nguồn nhiệt “Double ellipsoid” phù hợp với quá
trình hàn FCAW để hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A. Đồng thời cũng đã xây dựng
được 1 module mã lệnh mô tả dao động mỏ hàn kiểu răng cưa nhúng vào phần mềm Sysweld
để thực hiện bài toán mô phỏng quá trình hàn Auto-FCAW.
5- Đã tính toán mô phỏng và xác định được trường nhiệt hàn, chu trình nhiệt, quá trình
biến đổi tổ chức kim loại mối hàn, ứng suất dư và biến dạng của liên kết hàn giáp mối tổng
đoạn vỏ tàu. Kiểm chứng các kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình và
các điều kiện tính toán mô phỏng số là phù hợp với mô hình thực nghiệm.
6- Kết quả nghiên cứu của đề tài đã xác định được bộ thông số công nghệ hàn và quy trình
hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc. Kết
quả và phương pháp nghiên cứu của đề tài có thể vận dụng vào thực tiễn chế tạo và lắp ghép
phân đoạn, tổng đoạn nhằm nâng cao năng suất và chất lượng vỏ tàu tại Việt Nam. Ngoài ra,

các kết quả nghiên cứu này có thể ứng dụng trong hàn giáp mối các kết cấu cỡ lớn khác như:
kho nổi, giàn khoan, bồn bể, v.v.
KIẾN NGHỊ
Để tiếp tục phát triển và hoàn thiện các kết quả nghiên cứu và áp dụng một cách có hiệu
quả vào thực tiễn sản suất, tác giả kiến nghị một số nội dung nghiên cứu tiếp sau đây:
Nghiên cứu xây dựng ngân hàng dữ liệu các thông số chế độ hàn để tự động điều khiển quá
trình hàn Auto-FCAW theo yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng của mối hàn giáp mối
một phía ở các vị trí hàn trong không gian.
PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Quy hoạch thực nghiệm ảnh hƣởng của các thông số chế độ hàn
đến hình dạng và kích thƣớc mối hàn tổng đoạn
Phụ lục 2: Quy hoạch thực nghiệm ảnh hƣởng của vị trí hàn đến hình dạng
và kích thƣớc mối hàn tổng đoạn
Phụ lục 2: Module chƣơng trình con dao động đầu hàn theo kiểu răng cƣa