BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VŨ VĂN BA
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN GIÁP MỐI MỘT PHÍA
ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU THỦY
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU
HÀ NỘI - 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VŨ VĂN BA
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN GIÁP MỐI MỘT PHÍA
ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU THỦY
Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
Mã số: 62520309
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà
2. PGS.TS. Bùi Văn Hạnh
HÀ NỘI - 2014
i
LỜI CAM ĐOAN
u ca riêng tôi. Các s liu, kt qu trình
bày trong Lun án này là trung thc ai công b trong bt c công trình
nào khác!
Hà Nội, ngày tháng năm 2014
Vũ Văn Ba
TP TH NG DN KHOA HC
PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà PGS. TS. Bùi Văn Hạnh
ii
LỜI CẢM ƠN
Tác gi xin trân trng cPGS.TS. Nguynh
tng dn, to mu king viên trong sut quá trình hc tp, nghiên cu
và hoàn thành lun án.
Tác gi trân trng cp th cán b ging viên B môn Hàn và Công ngh Kim
loi - Vin C - Ti hc Bách khoa Hà No u kin thun l
trong sut thi gian tác gi hc tp và nghiên cu.
Tác gi trân trng cp th cán b ging viên Vin Khoa hc và Công ngh Vt
liu - i hc Bách khoa Hà Nu kin thun l trong thi gian
tác gi hc tp và nghiên cu.
Tác gi trân trng cp th cán b ging viên B - Khoa C
và Trung tâm Thc hành - Ti hm K thuo mu
kin thun l trong sut thi gian tác gi hc tp và thc hin nghiên cu thc
nghim.
Tác gi trân trng cp th cán b Tng Công ty óng tàu Phà R
c d liu v thông s k thut, v. và tu kin thun li trong quá
trình nghiên cu ng dng vào thc t ch to v tàu.
Tác gi trân trng cThS. i, B môn Hàn và Công ngh Kim loi -
Vin C - Ti hc Bách khoa Hà Nng d vic mô phng s
quá trình hàn tn v tàu bng phn mm SYSWELD.
Cui cùng, tác gi xin bày t lòng bi
tu kin và chia s nht quá trình hc tp, nghiên cu và hoàn
thành lun án.
Tác giả luận án
Vũ Văn Ba
iii
MỤC LỤC
MC LC iii
DANH MC CÁC KÝ HIU VÀ CH VIT TT vi
DANH MC CÁC BNG BIU viii
DANH MC CÁC HÌNH TH x
M U 1
Ma lun án 2
ng và phm vi nghiên cu ca lun án 2
Đối tượng nghiên cứu: 2
Phạm vi nghiên cứu: 2
u 2
c và tính thc tin ca lun án 3
Ý nghĩa khoa học của luận án: 3
Ý nghĩa thực tiễn của luận án: 3
i ca lun án 3
Kt cu ca lun án 4
NG QUAN 5
1.1. Công ngh 5
1.1.1. Sơ lược về tình hình phát triển công nghệ đóng tàu 5
1.1.2. Công nghiệp tàu thủy ở Việt Nam 6
1.1.3. Công nghiệp tàu thủy ở nước ngoài 7
1.1.4. Công nghệ đóng tàu theo phương pháp tổng đoạn 9
1.2. Tình hình ng dng công ngh hàn mt phía trong ch to v tàu thy 11
1.2.1. Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu trong nước 13
1.2.2. Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu ở nước ngoài 14
Kt lun 1 15
HÀN GIÁP MI MY 17
m công ngh hàn giáp mi m 17
2.2. Vt liu ch to v tàu 18
2.2.1. Thép có độ bền bình thường 19
2.2.2. Thép độ bền cao 20
2.3. Công ngh hàn h quang dây lõi thu 21
2.3.1 Vật liệu hàn FCAW 23
2.3.2 Thiết bị hàn FCAW 26
2.3.3 Các thông số cơ bản của công nghệ hàn FCAW 27
iv
2.3.4 Các dạng dịch chuyển kim loại trong hàn FCAW 33
2.3.5 Đặc điểm hình thành mối hàn ở các vị trí hàn khác nhau 35
Kt lun 2 38
NGHIÊN CU NG CA CÁC THÔNG S CH N
HÌNH DC MI HÀN TN 39
M 39
3.1. Mô hình thc nghinh ng ca các thông s ch n hình
dng và c ca mi hàn 39
3.1.1. Các thông số công nghệ của mô hình thực nghiệm 39
3.1.2. Các thông số cơ bản của hệ thống thực nghiệm 41
3.2. Quy hoch thc nghinh mi quan h gia các thông s ch hàn vi
hình dng và kc ca mi hàn 45
3.2.1. Xây dựng mối quan hệ toán học 45
3.2.2. Khoanh vùng các thông số chế độ hàn 46
3.3. Quy trình thc nghim 48
3.4. Kt qu thc nghim và tho lun 48
3.4.1. Kết quả thực nghiệm 48
3.4.2. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến hình dạng và kích thước của đường
hàn đáy 55
3.4.3. Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy 55
3.4.4. Ảnh hưởng của tần số dao động đầu hàn đến hình dạng và kích thước của đường
hàn đáy 56
3.4.5. Ảnh hưởng của thời gian dừng dao động đầu hàn đến hình dạng và kích thước của
đường hàn đáy 56
3.4.6. Ảnh hưởng đồng thời giữa I
h
và V
h
đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy 57
3.4.7. Ảnh hưởng đồng thời giữa V
h
và t
d
đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy 57
3.5. Xánh b thông s ch c mong mun c 58
Kt lu 59
U NG CA V N HÌNH DNG VÀ
C MI HÀN TN 60
M 60
4.1. Mô hình và ch thc nghim 60
4.2. Quy hoch thc nghinh ng ca v n hình dng và kích
c ca mi hàn 63
4.2.1. Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số 63
4.2.2. Quy trình thực nghiệm 64
v
4.3. Kt qu thc nghim và tho lun 65
4.3.1. Kết quả thực nghiệm 65
4.3.2. Ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn tổng đoạn 68
Kt lun 4 71
U KHO SÁT NG SUT, BIN DNG VÀ T CHC T VI
LIÊN KT HÀN TN V TÀU 72
5.1. Nghiên cu quá trình truyn nhit, bii t chc kim loi, ng sut và bin dng
hàn bng pn t hu hn 72
5.1.1. Lý thuyết PTHH của bài toán nhiệt - đàn hồi - dẻo 72
5.1.2. Mô hình tính toán mô phỏng số quá trình hàn 76
5.1.3. Các điều kiện tính toán mô phỏng số 79
5.1.4. Phân bố trường nhiệt độ và chu trình nhiệt trong liên kết tổng đoạn 83
5.1.5. Biến đổi tổ chức kim loại trong liên kết hàn tổng đoạn 87
5.1.6. Ứng suất dư và biến dạng góc của liên kết hàn tổng đoạn 91
5.2. Thc nghim ch to liên kt hàn tn v tàu thy 95
n dng góc thc ca liên kt hàn tn 97
5.4. Kia liên kt hàn tn 100
5.4.1. Độ bền kéo ngang của liên kết hàn tổng đoạn 100
5.4.2. Độ bền uốn của liên kết hàn tổng đoạn 101
5.5. Phân tích cu trúc kim loi trong liên kt hàn tn 102
5.5.1 Cấu trúc thô đại của liên kết hàn tổng đoạn 102
5.5.2 Cấu trúc tế vi của liên kết hàn tổng đoạn 103
5.6. Thit lp b thông s công ngh hàn Auto - FCAW phù hp cho liên kt hàn tng
n v tàu 109
Kt lun 5 111
KT LUN CHUNG CA LUN ÁN 112
KIN NGH V NHNG NGHIÊN CU TIP THEO 113
TÀI LIU THAM KHO
DANH M CA LUN ÁN
PH LC
Ph lc 1: Quy hoch thc nghim ng ca các thông s ch n hình
dc mi hàn tn
Ph lc 2: Quy hoch thc nghim ng ca v n hình dng và kích
c mi hàn tn
Ph l qu ng hàn d
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu/Viết
Tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
ASME
American Society of Mechanical
Engineers
Hip hi k
ASTM
American Society for Testing
and Materials
Hip hi vt liu và kim tra vt liu
M
SAW
Submerged Arc Welding
Hàn t i lp thuc
AWS
American Welding Society
Hip hi hàn M
CAD
Computer Aided Design
Thit k vi s tr giúp ca máy tính
CAM
Computer Aided Manufactering
Ch to vi s tr giúp ca máy tính
CC
Constant Current
i
CIM
Computer Integrated
Manufactering
Sn xut tích hp vi s tr giúp ca
máy tính
CV
Constant Voltage
i
DNV
Det Norske Veritas
EBW
Electron Beam Welding
Hàn bng n t
EGW
Electro Gas Welding
n khí
EHS
Extra High Strength Steels
bn rt cao
ESW
Electro Slag Welding
n x
EU
European Union
Liên Minh Châu Âu
f
d
Wave welding Torch frequence
Tn s u hàn
FCAW
Flux Core Arc Welding
Hàn h quang dây lõi thuc
FCAW-G
Flux Core Arc Welding - Gas
Hàn h quang dây lõi thuc có khí bo
v
FCAW-S
Flux Core Arc Welding - Self
shield
Hàn h quang dây lõi thuc t bo v
FEM
Finite Element Method
n t hu hn
GMAW
Gas Metal Arc Welding
Hàn h quang kim loi nóng chy trong
ng khí bo v
GTAW
Gas Tungsten Arc Welding
Hàn h n cc worfram trong
ng khí bo v
HAZ
Heat Affect Zone
Vùng ng nhit
HS
High Strength Steels
bn cao
I
h
Welding Current
n hàn
vii
ISO
International Standardization/
Standards Organization:
T chc Tiêu chun Quc t
KLCB
Kim loi n
KLMH
Kim loi mi hàn
MAG
Metal Active Gas
n cc nóng chy trong môi
ng khí hot tính
MAW
Manual Arc Welding
Hàn h quang tay
MIG
Metal Inert Gas
n cc nóng chy trong môi
MRA
Multiple Regression Analysis
Hàm hi quy phc
MTS
Mismatched Thermal Strain
i xng
NS
Normal Strength Steels
bn trung bình
PSR
Penetration Size Factor
H s ngu
PTHH
Phn t hu hn
SMAW
Shield Metal Arc Welding
Hàn h quang que hàn thuc bc
TCS
Transverse Contraction Strain
ng sut co ngang
t
d
Stop time at ¼ and ¾ cycle of
wave
Thi gian dng 1/4 chu k và 3/4 chu
k ng
V
h
Welding Voltage
n áp hàn
DWT
Dead Weight Tonnage
Ti trng an toàn ca tàu
TEU
Twenty-foot Equivalent Units
n v c cha Container ca tàu
(i mt Container
tiêu chun khong 39 m
3
)
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bng 1- 1 Phân chia th ph gii 5
Bng 1- 2 Thc trng phát trin công nghit Nam [10] 6
Bng 1- 3 Thng kê chiu dài ng hàn trong thân tàu 11
Bng 2- 1 Thành phn hóa hi v bng [42]19
Bng 2- 2 Yêu cu chung v a 4 cp thép theo TCVN 6259-7:2003 [42] 19
Bng 2- 3 Thành phn hóa h bn cao [43] 20
Bng 2- 4 Tính ch bn cao [43] 21
Bng 2- 21
Bng 2- i mi hàn và c 24
Bng 2- 7 Công di dây hàn lõi thuc [46] 24
Bng 2- 8 Phân loi khí bo v theo thành phn khí [43] 26
Bng 2- 9 Ch i vi dây hàn E7XT-1 theo ngun [46] 30
Bng 2- 10 Ch i vi dây hàn E7XT-1 theo ngun [16] 31
Bng 3- 1 Thành phn hóa hc và quy cách kh ô xi c bn cao A36 41
Bng 3- bn cao A36 41
Bng 3- 3 Các tính cht ca dây hàn lõi thuc SF-71 (E 71T-1) 42
Bng 3- 4 Giá tr và khong bin thiên ca các thông s u vào 46
Bng 3- 5 Ma trn k hoch thc nghim [55] 47
Bng 3- 6 Kt qu thc nghim 53
Bng 3- 7 Kt qu thc nghim tâm 53
Bng 3- 8 H s hc t kt qu thc nghim chy trên phn mm Modde 5.0 54
Bng 3- 9 Phc mong mun c 59
Bng 3- 10 B thông s ch c mong mun c 59
Bng 4- 1 Các thông s công ngh cn thi 61
Bng 4- 2 Các thông s công ngh cn thit cho hàn lp ph 62
Bng 4- 3 Ma tru vào 63
Bng 4- 4 Bng ma tru ra 64
Bng 4- 5 Thông s c ca mng v trí mi hàn mi cung 65
Bng 4- 6 Giá tr u ra tính theo các hàm hi quy 69
Bng 5- 1 Giá tr thc nghim ca ngun nhi 81
Bng 5- 2 Giá tr thc nghim ca ngun nhit hàn các ly 81
Bng 5- 3 Ký hic ca các t chc kim loi khi hàn [58] 81
Bng 5- 4 Kt qu chuyn v co góc liên kt hàn tn 99
Bng 5- 5 Kt qu th kéo ngang liên kt hàn tn 100
ix
Bng 5- 6 Kt qu cng t vi ca liên kt hàn tn v tàu thy 109
Bng 5- 7 B thông s công ngh 109
Bng 5- 8 B thông s công ngh hàn các lp y hoc lp ph 110
x
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Lp ráp tn thân tàu [ZALIV SHIPYARD] 9
Hình 1. 2 tng quát ch to tn v tàu thy [13] 10
Hình 1. 3 Lp ráp các block thân tàu [Phà Rng] 10
v c s dng trong lp ráp thân tàu [15] 12
Hình 1. 5 M tiêu th vt liu hàn trong công nghip ch to [17] 12
Hình 1. 6 Th nghim hàn giáp mi mt phía v ng bng Auto-FCAW 13
p ca quá trình hàn FCAW so vi quá trình hàn GMAW và SMAW [18] 18
nguyên lý hàn FCAW-G [46] 22
nguyên lý hàn FCAW-S [46] 22
Hình 2. 4 Cu to ca dây lõi thuc [46] 23
trm hàn t ng h quang dây lõi thuc [46] 27
Hình 2. 6 Quan h gi n hàn vi vn tc cn cc [46] 28
Hình 2. 7. T c n hàn FCAW 28
Hình 2. 8 Hàn bng dây lõi thuc có khi bo v (a) và t bo v (b) [46] 29
Hình 2. 9 Quan h gia tm vn cc v n và vn tc cp dây 29
Hình 2. 10 Góc nghiêng m hàn khi hàn giáp mi [46] 32
ng ki 32
ng hình sin 32
ng vòng tròn lch 32
Hình 2. 14 Dch chuyn git ln [51] 33
Hình 2. 15 Dch chuyn tia [51] 34
Hình 2. 16 Hình d ngu cng hàn vi mi loi khí bo v [51] 34
Hình 2. 17 Các lc tác dng lên git kim loi n cc [54] 36
Hình 2. 18 Hàn bng 37
ng t i lên 37
ng t i lên 37
ng t trên xung 37
Hình 2. 22 Hàn ngang 37
Hình 2. 23 Hàn góc 37
Hình 2. 24 Hàn trn 38
Hình 3. 1 Hình d 40
Hình 3. 2 Lp ráp tn 40
Hình 3. 3 Mô hình mi ghép thc nghim theo AWS D1.1 40
Hình 3. 4: Robot hàn h quang AX-V6 42
xi
Hình 3. 5 Hp cp dây hàn 43
Hình 3. 6 Robot hàn h quang AX-V6 43
Hình 3. 7 Thông s mi ghép hàn 43
Hình 3. 8 Gm lót dùng trong hàn giáp mi mt phía 44
m hàn 44
u hàn theo ki 44
Hình 3. 11 Chun b liên kt hàn thc nghiêm 48
Hình 3. 12 Mu TN 1: 49
Hình 3. 13 Mu TN 2: 49
Hình 3. 14 Mu TN 3: 49
Hình 3. 15 Mu TN 4: 50
Hình 3. 16 Mu TN 5: 50
Hình 3. 17 Mu TN 6: 50
Hình 3. 18 Mu TN 7: 50
Hình 3. 19 Mu TN 8: 50
Hình 3. 20 Mu TN 9: 51
Hình 3. 21 Mu TN 10: 51
Hình 3. 22 Mu TN 11: 51
Hình 3. 23 Mu TN 12: 51
Hình 3. 24 Mu TN 13: 52
Hình 3. 25 Mu TN 14: 52
Hình 3. 26 Mu TN 15: 52
Hình 3. 27 Mu TN 16: 52
Hình 3. 28 Mu TN 17: 52
Hình 3. 29 ng c c c 55
Hình 3. 30 ng ca vn tc c 55
Hình 3. 31 ng ca tn s c c 56
Hình 3. 32 ng ca thi gian du hàn hai mép liên kt hàn 56
Hình 3. 33 ng thi ca I
h
và V
h
n hình dc c 57
Hình 3. 34 ng thi ca V
h
và t
d
n hình dc c. 58
Hình 4. 1 nh tn tàu [12] 60
Hình 4. 2 Mô hình thc nghim hàn giáp mi mt phía khi ghép ni tn v tàu 60
Hình 4. 3 Các thông s c mi hàn 61
Hình 4. 4 Mi ghép hàn thc nghim 61
Hình 4. 5 Liên kt hàn thc nghim 64
xii
Hình 4. 6 Mô hình v ng vi mi cung 64
Hình 4. 7 Hình dc mi hàn v trí hàn trn
1
66
Hình 4. 8 Hình dc mi hàn cung
2
66
Hình 4. 9 Hình dc mi hàn cung
3
66
Hình 4. 10 Hình dc mi hàn cung
4
67
Hình 4. 11 Hình dc mi hàn v ng (
5
) 67
Hình 4. 12 ng ca v trí hc mi hàn 69
Hình 4. 13 Phm vi góc quay trng hàn 70
Hình 5. 1 Mô hình mi ghép hàn tn v tàu 77
Hình 5. 2 Mô hình PTHH vùng mi hàn theo tit din ngang (2D) và v trí ca các nút
kho sát 77
Hi các PTHH (3D) ca toàn b liên kt hàn nghiên cu 78
Hình 5. 4 Qu ng ngang cng hàn ph (phi) 78
u kii nhit vng xung quanh 79
Hình 5. 6 Mô hình ngàm chu liên kt hàn tn 79
Hình 5. 7 Mô hình ngun nhit rút gn hàn MMA/TIG/GMAW/FCAW/SAW theo Goldak 80
Hình 5. 8 Các tính ch lý kim loi hc ca thép A36 [60] 82
ng nhit tc th 83
Hình 5. 10 ng nhi tc thng hàn ph 83
Hình 5. 11 ng nhi tc thi phân b trên liên k 84
Hình 5. 12 ng nhi tc thi phân b trên liên kt hàn khi hàn lp ph 84
Hình 5. 13 Chu trình nhi ti nút 8636 85
Hình 5. 14 Chu trình nhi ti nút 7727 86
Hình 5. 15 Chu trình nhi ti nút 7323 86
Hình 5. 16 Phân b t chc kim loi trong liên kt hàn ti thm 6500 [giây] 87
Hình 5. 17 Chu trình nhit th chuyn bin pha ti nút 8636 88
Hình 5. 18 th i nhi & chuyn bin pha ti nút 7727 89
Hình 5. 19 th i nhi & chuyn bin pha ti nút 7323 90
Hình 5. 20 ng sug ngang (x-x) sau khi hàn 91
Hình 5. 21 ng suc (y-y) sau khi hàn 91
Hình 5. 22 Phân b ng sung (S
eqv
) trong liên kt hàn 92
th i ng sung (S
eqv
) ti các nút 8636, 7727 và 7323 92
th ng sut pháp, ng sung (S
eqv
) ti mt ct ngang gia mi hàn . 93
th bin dng góc, ng sut pháp, ng sung (S
eqv
) ti mt ct dc
gia mi hàn 94
xiii
Hình 5. 26 Bin dng góc ca liên kt hàn 95
Hình 5. 27 Phay vát mép vt hàn 95
Hình 5. 28 Liên kt hàn thc nghim 95
ng vi tm v 95
o mi ghép tn 96
Hình 5. 31 Hàn ni tn 96
Hình 5. 32 Mt hàn tn v tàu 97
Hình 5. 33 Mt trên liên kt hàn tn v tàu 97
Hìnn dng góc bc 97
n dng góc 97
Hình 5. 36 V trí và giá tr c z liên kt hàn tn 05 98
Hình 5. 37 V trí và giá tr c z liên kt hàn tn 02 98
Hình 5. 38 V trí và giá tr c z liên kt hàn tn 07 99
Hình 5. 39 Mu th kéo mi hàn tn v tàu 100
Hình 5. 40 Máy kéo nén WEW-600D 100
Hình 5. 41 Mu phá hy sau khi th kéo ngang 100
Hình 5. 42 Biên bn th kéo ngang mu 2-04 101
Hình 5. 43 Kt qu un mt mi hàn 102
Hình 5. 44 Kt qu un chân mi hàn 102
Hình 5. 45 Ci ca liên kt hàn tn 102
Hình 5. 46 Cu trúc t vi c 104
Hình 5. 47 Cu trúc t vi ci v trí D2 (x500) 104
Hình 5. 48 Cu trúc t vi ca vùng gianh gii ging hàn 105
Hình 5. 49 Cu trúc t vi ca vùng gianh gii ging hàn ti v trí G2 (x500) 106
Hình 5. 50 Cu trúc t vi cng hàn ph 107
Hình 5. 51 Cu trúc t vi cng hàn ph ti v trí T2 (x500) 108
Hình 5. 52 cng t vi ca liên kt hàn 108
1
MỞ ĐẦU
Vit Nam là mt quc gia bin, có mt na biên gii giáp vi bi ông t phía
m 3.260 km b bin, nm ngay bên tuyn hàng hi Quc t
nhn nhp th hai ca th gii; Vi
2
bin ni thu, vùng lãnh hc
quyn kinh t và thm la cùng v0m ln nh. Tính
chung, bin Vit Nam có khong 1 triu Km
2
, thuc khu v phát trin kinh
t nhanh và ng nht Th gii. ng tito ln cho chic phát
trin kinh t bin.
Hi ngh ln th Ban Chng (khoá X) ã ra Ngh quyt 09 -
NQ/ TW ngày 9-2-2007 v chic bin Vit Nam nhn m
k c Th gii xem là th k cc gia có biu rt quan
n bin và coi trng vic xây dng chic bin. Khu vc bi
vùng bin Vit Nam, có v a kinh t a chính tr ht sc quan trng. Mc tiêu tng
c ta tr thành quc gia mnh v bin, làm giàu t
bin, bm vng chc ch quyn, quyn ch quyn Quc gia trên bio, góp phn
quan trng trong s nghip công nghip hoá, hic giàu mnh [1].
Xut phát t ch nh ngành công nghi
mt trong nhng ngành công nghip nn tng và then cht trong vic thc hin chic
bin Vit Nam; Chính Ph Quy nh s: -TTg
2013 v quy hoch tng th phát trin ngành công nghip tàu thy Vi
, nhng yêu cu phát trin kinh t bin phù hp
vi Chic bin Vi và phc v nhu cu phát trin kinh t - xã
hi; góp phn cng c quc phòng, an ninh và bo v ch quyn quc gia trên các vùng
bin và ho ca T quc [2].
thc hin thành công chic phát trin kinh t bim bo an ninh quc
phòng, ngành công nghip tàu thng các nhà máy mi và nâng
cp mt s nhà máy hin có ng b v trang thit b, hii v công ngh, tin tt
chun công nghip Th gii; có áp dng các công ngh tiên tin
t k và ch to thân tàu theo tn (Module).
Công ngh hàn chim mt t trng ln trong tng khng công vi
vy, vic nghiên cu phát trin và ng dng các quá trình hàn tiên tit cao, cht
ng tt và nh bng các h thng thit b hàn bán t ng, t ng và Robot hàn,
vào quá trình ch to thân tàu là mt v rt cp thit. Trong quá trình ch to v tàu,
liên kt hàn giáp mi mt phía chim khong t 9 10 % khng công vic hànc
bin ch to và ln, tn ca thân tàu. Hin nay trên
Th gii, khi hàn mt phía, khng hàn h quang tay (SMAW) ngày càng gim, thay
hàn tiên tic áp dng vào công ngh i hiu qu
hàn t i lp thuc (SAW), hàn h quang kim loi nóng chy
ng khí bo v (GMAW), hàn h quang dây lõi thuc (FCAW), n khí
Hin nay, Vit Nam ng dng ngày càng
nhiu các quá trình hàn SAW, GMAW và FCAW hàn giáp mi m yu
các v trí hàn thuân li (hàn bng, hàn ngang). Tuy nhiên vi liên kt hàn tng n có
biên dng phc tp và v trí khó hàn nên ng s dng công hoc
bán t t thp và chng không nh.
Vì vy, vic nghiên cu ng dng công ngh hàn thích h hàn liên kt giáp mi
mt phía ni tnn v tàu là rt cn thic ti
tác gi xut nghiên cu áp dng công ngh hàn t ng h quang dây lõi thuc Auto-
2
FCAW vào hàn ni tnv tàu và trin khai nghiên c tài “Nghiên cứu
công nghệ hàn giáp mối một phía ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu thủy”.
Mục đích của luận án
Nghiên cu ng ca các thông s ch hàn chính Auto-FCAW n hình dng
c ca mi hàn giáp mi mt phía ni tn v tàu.
Nghiên cu ng ca v trí n hình d c và kh
thành mi hàn giáp mi mt phía ni tn v tàu bng quá trình hàn Auto-FCAW.
Nghiên cu ng sut, bin dng và t chc t vi kim loi liên kt hàn giáp mi mt
phía ni tn v tàu.
Thit lp b thông s công ngh hàn phù hp vi liên kt hàn giáp mi mt phía ni
tn v tàu bng quá trình hàn Auto-FCAW.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tƣợng nghiên cứu:
Lun án tp trung nghiên cu liên kt hàn giáp mi mt phía ni tn v tàu (gi
tt là liên kt hàn tn).
Phạm vi nghiên cứu:
Liên kt hàn giáp mi mt phía ni tn thân tàu ti trng trung bình. S dng
quá trình hàn t ng h quang dây lõi thuc (Auto-FCAW). Vt lin là thép ch
to v tàu cp A, mác A36, phm vi chiu dày t 10 n 25 mm. Quy mô nghiên cu ca
lunh trong phm vi phòng thí nghim.
Phƣơng pháp nghiên cứu
thc hic mu ca lun án, tác gi s dng các
nghiên cu sau:
- Thu thp, phân tích và tng hp các công trình nghiên cc liên
tài nghiên cu v công ngh hàn giáp mi mt phía b
n ngh quyt, quynh cc v chic phát trin
công nghi Vit Nam; các tài liu v công ngh T nh rõ
nhc công b và tìm ra nhng ni dung mi mà lun án cn phi gii quyt.
- Phân tích và h thng hóa các kin thc lý thuyt v công ngh ng
n; các quá trình công ngh hàn ng dng trong ch to v m công ngh hàn
giáp mi mt phía; thit b, vt liu, các thông s công nghc dch chuyn kim
loi trong quá trình hàn h quang dây lõi thuc (FCAW) lý thuy tài.
- Kho sát hing t dng các k
thut quan sát trc tip, ghi chép, hi ý kin chuyên gia, chp tìm hiu v công
ngh n, tn (Block); công ngh hàn nn và tng
n v tàu. T các thông tin v ng nghiên c cho vic
xây dng mô hình thc nghim.
- S dg pháp quy hoch thc nghim xây dng mi quan h gia các
thông s ch hàn t ng h quang dây lõi thuc và v trí hàn vi hình dng và kích
c mi hàn giáp mi mt phía ni tn v tàu. Bao gm vic phân tích, la chn
nh các yu t ng chính; lp k hoch, tin hành thc nghim và thu nhn
thông tin. Xây dng và kinh mô hình b nht và
3
phân tích h nh giá tr ca các h s trong mô hình hi
c. Ki c.
- S dng k thung nhi hàn; kho sát quá trình truyn nhit; phân
tích phân b ng sut, bin dng và t chc kim loi, ca liên kt hàn giáp mi mt phía
ni tn v tàu trên phn mm chuyên dng SYSWELD.
- S dng các trang thit b sn có phù hp vu kin thc nghi ch to liên
kt hàn ni tn v tàu; tin dng thc, ki
chc t vi ca kim loi liên kt hàn tnn trong phm vi phòng thí nghim.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học của luận án:
hân tích và h thng hóa kin thc công ngh, thit b, vt liu hàn, các thông s
công nghc dch chuyn kim lom hình thành mi hàn các v trí
hàn khác nhau trong không gian vi quá trình hàn h quang dây lõi thuc
s khoa hc cho vic xây dng mô hình thc nghim hàn giáp mi mt phía.
Bng quy hoch thc nghihit lp mi quan h gia các thông s ch hàn
Auto-FCAW n hàn I
h
, t hàn V
h
, tn s u hàn f
h
, thi
gian du hàn) vi hình dc a mi hàn giáp
mi mt phía ni t n v tàu thép cp A. ng thi ánh giá c m nh
ng ca các thông s ch hàn chính n hình dng và c ca mi hàn. T
c b thông s ch hàn theo c c ca .
Bng thc nghihit lp mi quan h toán hc và ng
ca v trí hàn trong không gian (góc nghiêng trc i theo góc
t 0 2.09 radian) n hình dc ca mi hàn giáp mi mt phía ni tng
n v tàu thép cp A bng quá trình hàn t ng h quang dây lõi thuc (Auto-FCAW).
Kt hp mô phng s vi thc nghim nhm nâng cao hiu qu nghiên
cu ng sut, bin dng và bii t chc kim loi ca liên kt hàn giáp mi mt phía
ni tn v tàu thép cp A36 bng quá trình hàn FCAW. Kt qu nghiên cu này
có th c áp dng vào nghiên cu ng sut, bin dng và bii t chc kim loi
liên kt hàn tn v tàu vi các cp thép khác.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
Kt qu nghiên cu c c b thông s công ngh hàn và quy
trình hàn giáp mi tn v tàu thép bng quá trình hàn t ng h quang dây lõi
thuc. Kt qu u c tài có th vn dng vào thc tin ch to
và lp ghép n, tn nht và chng v tàu ti Vit
Nam. Ngoài ra, các kt qu nghiên cu này có th ng dng trong hàn giáp mi các kt cu
c ln khác : kho ni, giàn khoan, bn b, v.v.
Các đóng góp mới của luận án
Thông qua quá trình nghiên cu lý thuyt, thc nghim và mô phng s theo các
nhim v nghiên cu ra, lun án này có nh:
B ch thc nghim hai mc 4 yu t c lp trong min
kht lc mô hình toán hc biu din mi quan h gia các thông s ch
4
hàn (I
h
, V
h
, f
d
, t
d
) vc cng hàn (h
d
, b
d
, b
d1
) trong liên kt hàn giáp mi
tn v tàu thép A36. T c b thông s ch hàn theo c
c cng hàn .
2. Bng thc nghit lc mi quan h gia v trí hàn trong không gian
vi hình dc ca mi hàn giáp mi tn v tàu thép cp A bng quá
trình hàn Auto-FCAW.
3. Kt qu thc nghim cho thy rng: v trí hàn trn bng
quá trình hàn Auto-FCAW thì không cn phi hàn bng gm. B thông s
công ngh nh không thích h v trí trn. Vì vy cn
thit phi s dng quá trình hàn SMAW ho các lp hàn
tip theo hàn bng quá trình hàn FCAW.
4- ã phân tích và la chc mô hình ngun nhit ouble ellipsoidp
vi hàn giáp mi tn v tàu thép cp A. ng thã
xây dc 1 module mã lnh mô t ng m hàn kin
m thc hin bài toán mô phng quá trình hàn Auto-FCAW.
5- ng nhit hàn, chu trình nhit, quá trình
bii t chc kim loi mi hàn, ng sun dng ca liên kt hàn giáp mi tng
n v tàu. Kim chng các kt qu mô phng vi kt qu thc nghim cho thy mô hình
u kin tính toán mô phng s là phù hp vi mô hình thc nghim.
6. Da trên các kt qu nghiên cu lý thuyt, mô phng s và thc nghim có th xác
c b thông s công ngh hàn h hàn ni tn v tàu thép cp A bng
quá trình hàn t ng h quang dây lõi thuc Auto-FCAW.
Kết cấu của luận án
Ngoài phn m u và các mnh, ni dung nghiên cu ca luc
trình bày trong 05 phn ni dung chính và kt lun chung ca lun án và kin ngh:
1. Nghiên cu tng quan.
2. Công ngh hàn m.
3. Nghiên cu ng ca các thông s ch n hình dng và kích
c mi hàn tn.
4. Nghiên cng ca v n hình dc mi hàn
tn.
5. Nghiên cu ng sut, bin dng và t chc t vi liên kt hàn tn.
Kt lun chung ca lun án và kin ngh v nhng nghiên cu tip theo
Danh mc tài liu tham kho.
Danh m ca lun án.
5
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Công nghệ đóng tàu
1.1.1. Sơ lƣợc về tình hình phát triển công nghệ đóng tàu
Ngành công nghi gii th hin qua mt s c
1956, c Tây Âu (EU) c xem là cái nôi c gii và h
v trí quán quân trong nhiu th k mi b Nht Bt lên, mc
dù c EU vn luôn gi c v trí du v các loi tàu có công ngh và giá tr gia
[3].
i vi Nht Bn, sau th chin th hai, nn kinh t vt cht gt qu
trái li h có ngun nhân lc rt di dào. Nh n tranh, bng vic
tri hoch phát trit Bn
u th gii, ch m c 20% th ph chin
40% th ph gii [4].
Hàn Qu thành mt trong nhng ngành tr
hoch phát trin các ngành công nghip nng và hoá chu thp niên
1970. Tuy nhiên, Hàn Quã phi m c 7% th phn
c 21,5% th phn và h thành v trí quán quân
thay th v trí s mt ca Nht Bn [5].
i vi Trung Quc, trong su- c
khong 3% th phn và mc 11,7% th phn. Khác vi Nht Bn và
Hàn Quc thì Trung Quc có li th rt ln là th ng na khng l. D kin trong
thp k ti, Trung Quc s t qua Hàn Qu gi v trí quán quân [7].
Hia th gi c Nht Bn, Hàn
Quc và Trung Quc chin 85% tng sng, EU ch c còn li
chi giá tr, EU li là khu vc chim mt t l doanh thu ln
nht (gn 30%) do h tp trung vào nhng loi tàu cao c khí lng và tàu
ch c chii tàu ch container, tàu ch du.
Nht Bn tp trung vào tàu ch hàng khô, tàu ch khí lng. Còn Trung Qu gng
chit c nhng gì có th. Mt th c k vng s tip tc
trong mc. Vi mc sng 40 triu tn vào cu báo
ng tàu toàn cu s vào khong 50 triu tn/[6]. S phân chia th
ph gic th hin trong Bng 1- 1
Bảng 1- 1 Phân chia thị phần đóng tàu thế giới
Nht Bn
Hàn Quc
Trung Quc
EU
c khác
1938*
14.9%
NA
NA
81.6%
3.5%
1956*
20.5%
NA
NA
75.3%
4.1%
1964
38.7%
NA
NA
55.0%
6.2%
1974
50.4%
0.9%
NA
41.2%
7.5%
1984
53.0%
8.0%
1.8%
23.1%
14.1%
1994
44.0%
21.5%
5.5%
21.9%
7.1%
2000
37.9%
38.6%
5.2%
14.3%
4.0%
2004
36.1%
36.6%
11.7%
11.2%
4.5%
6
* Nước khác chỉ là Hoa Kỳ, NA không có số liệu
c tiêu ca Hàn Quc là du hành trình thiên niên k, chim
40% th phn. Còn mc tiêu ca Trung Quc du th gii, vi 35% th phn. Nht Bn
thì tp trung vào các loi tàu có công ngh cao, siêu trng. EU du nhn
th ng cao cp vi doanh thu 40 t USD, gp 3 ln hin nay. Nc
c sn xut toàn cu s l nhu cu ít nht t 10% - 20% [6].
Hin nay, Trung Qu các yu t phát trii vi
nhc ch có li th nhân công mà không có kh n các ngành ph tr,
không có th ng na ln, r tc ch ng trong ngành công nghip
cnh tranh vi Trung Quc [6].
1.1.2. Công nghiệp tàu thủy ở Việt Nam
i vi Vit Nam liu có th t B c;
theo Quy hoch tng th phát trin mi công nghip tàu thu Vi
2010 - u chnh phát trin Tng công ty
Công nghip Tàu thu Vin 2005 - n 2015
-TTg, ngày 18/10/2005) [8]. Vi chi c phát tri t Nam tr
thành qunh trong khu vc và th gii; t l ni vi các
sn phm tàu bii; có kh i tàu ch hàng 80.000 dwt, tàu ch du
300.000 dwt, tàu vn ti container 3.000 TEU, sa chc tàu 400.000 dwt; có th t
ch tc các loi tàu ti trn 50.000 dwt; tng st 3 triu tn/
vi tng kim ngch xut kht 1 t u tn, chim khong
10% th ph gii) [10].
Bảng 1- 2 Thực trạng phát triển công nghiệp đóng tàu Việt Nam [10]
Thc trng
Công nghiVit Nam
V k thut
- Không có kh t k, ch yu phi mua thit k cc ngoài
- Rt hn ch trong nghiên cu và phát trin (R&D)
- Ch yu i tàu nh
- Thi o chuyên sâu
V vn hành
và th ng
- Quá trình sn xut th công là ch yu, da vào k
- ng thp
- Nguyên vt liu ch yu là nhp khu
- h tng nghèo nàn, khó phát trin các ngành ph tr
- Qun lý dây chuyn cung cp kém hiu qu
- Chi phí nhân công r
- Th ng na nh
- Có th mi gc, Nht Bn
i
Phát trin mt ngành công nghinh
Thách thc
- Kh cnh tranh s to ra mt s lãng phí khng l
- Gim kh i phát trin vì
thiu v
7
c m ra, tng v n 2005-2010 cho Vinashin
khong 3 t USD; ngày 04/11/2005, Chính ph Vi n toàn b 750 triu
USD phát hành trái phiu quc t l trin khai k ho
vy vi mn ch và dàn tr
th ln, hing b v kh t
chu gi c các loi tàu ti trng ln t 100,000 tn
tr lên, bên cn trang thit b cng ngh và vt liu nhp ngoi nên chi
phí sn sut ln, công nghip ph tr kém phát trin dn t l na hóa th
khó có th cc vc, Hàn Quc,
Vi tình hình thc t Vit Nam hin nay, vic xây dng và phát trin các ngành
công nghip ph tr, nht là ngành thép, t ng hoá, ch to máy tàu là r
Nhìn vào Bng 1- 2 m mm yi, thách th
thy rõ thc trng và công ngh Vit Nam qua mt s nét [10].
Cách hiu qu là Vi p trung vào các cm công nghip
n li th tán hu ht các vùng ming thi ch chn nhng
n phù hng tt c các ngành ph tr na, thay vì hn ch
ch cho thành lp các liên doanh và m cc ngoài (nht là Hàn Quc và Nht
Bn) thành lp các doanh nghip 100% vn ca h và khuyn khích khu vc kinh t
nhân tham gia vào ngành công nghiy s c các li th
c s ti cng vi li th nhân công r Viy s sm xây dc mt
nh có kh cnh tranh cao [10].
1.1.3. Công nghiệp tàu thủy ở nƣớc ngoài
Theo kt qu nghiên cu ca c công ngh ch to (Manufacturing
Technology - MANTECH) ca Cc nghiên cu Hi quân M kt hp v
quc gia nghiên cu phát tri (NSRP) cùng tài tr cho vic phát trin
các công nghn xut, các thc tin có th làm cho vic thit k và
u qu n hành mt nghiên cu
riêng v m công ngh c s dng t
cnh tranh nht châu Á; m công ngh c phân thành 5 m
sau [11]:
Mc 1: Phn ánh thc t m công ngh ca nhà máy trong nhu thp
k 60. Nhà máy có mt vài cu tàu, cn trc sc nâng thp và m i hóa rt thp.
Lt thit b phn ln thc hin trên tàu sau khi h thy. H thng tác nghing và
th công. Tóm li, nhà máy ch gm nhng trang thit b ti thiu, công ngh n và
cách làm vic lc hu [11].
Mc 2: Là công ngh c hii hóa hoc xây dng mi
cui nhu 70. S dng ít c có mt , cn trc có sc nâng
l c dùng trong mt s h thng tác
nghip và dùng trong thit k. Mn th so
vi chun công nghip th gii hin ti [11].
Mc 3: Là thc tin vào cui nhc ca nhng
i xây dng hoc nâng cp toàn din ca M, châu Âu, Hàn quc và
Nht. Nhà máy có mt hoc bãi lp ráp có trang b cn cu sc nâng ln, m i
hóa rt cao trong gia công kt cu thép và s dng máy tính trong tt c c ch
to [11].
Mc 4: Là mc ca các nhà máy tip tc phát trin công ngh àu trong nhng
t , bo v ng tt, th
8
ngt cao, gia công phn trang thit b, máy móc sm; kt hp ch to v vi lp
ráp trang thit b; h thu hành sn xut và h thng CAD/CAM nh phát
trin rt mnh [11].
Mc 5: Mc công ngh i ca nhn lên t mc 4
vi vic t i máy hóa trong tt c n, có kh c
hiu qu và tích hc h thu hành sn xun sut tích hp có s tr giúp
ca máy tính CAD/CAM/CIM (Computer Integrated Manufacturing). Thit k và ch to
v tàu theo module. Mc công ngh i kh n lý vu
qu nh máy tính và có h thm bo chnh, hiu qu. Tóm li
mc này có công ngh, h thu hành kinh doanh, trang thit b, các h thng tác
nghip, qun lý và lng nhân công hii nht [11].
công ngh Nht Bn và Hàn Quc [11], ch to thân
tàu gc v ch to v; (2)
ch to trang thit b và kho bãi; (3) chun b lp
ráp trang thit b; (5) b trí nhà máy và ng; (6) thit k, k thut và k thut sn
xut; (7) các h thng t chu hành sn xut. Tuy nhiên ph trình
bày chi tit v m công ngh ca mt s n ch tn công ngh
tài quan tâm:
- n lp ráp các cm chi tit phng (Flat Unit Assembly) [11], mc công ngh
t 4.0 5.0. Các nhà máy mu dùng h thi hoá có các thit b hàn,
nh v ng. Hai trong các nhà máy khi máy bán thông
minh thay cho các máy hàn bán t ng, các nhà máy khu hàn lp trên
các tay máy nhiu trc gn trên các cng trc hoc tay cn co rút có tính linh hot cao nên
có th c các mi hàn tt c các v trí không gian khác nhau. Hai trong các nhà
máy trên có dây chuyn hàn np t i máy bán thông minh.
- n lp ráp các cm chi tit cong, khi (Curved and Three-Dimensional Unit
Assembly) vi mc công ngh t 3.5 4.5 [11]. Các nhà máy kho sát dùng b
chnh t t b khuôn t có th hàn t ng
tt nhà máy dùng h thng vn chuyn có giá chuyng.
- n lng tng (Superstructure Unit Assembly) vi mc công ngh:
4.0 4.5 [11]ng các nhà máy giao toàn b ng tng cho các nhà thu ph
có khi các nhà máy ch giao thu các khng tng nh còn khi ln nht nhà máy t
ng tc ch to ngoài bãi lp ráp không có mái che. Dùng ph bin
quá trình hàn t ng và bán t ng.
- n ln (Block Assembly) vi mc công ngh t 4.0 5.0 [11].
Vic ln trong các nhà máy mc thc hing dành
riêng theo th t phân chia phân tn ca tàu. Hàn ch yu bng k thut hàn mt
phía vi các máy hàn t ng và bán t ng. Các thit b c lp sn
mc t c. Các thit b i chuyên dng lên v trí làm vic
s dng m c t c chính xác
t nhà máy mu dùng mt h thng vn chuyn chuyên dùng cho
n, mt nhà máy khác dùng h th chuyn ln.
- n lp ráp thân tàu, mc công ngh t 4.0 4.5 [11]. Tt c các nhà máy
m và có các cn cu sc nâng l lp ráp phân, tn.
i 4 tàu cùng mt lúc ti mt khu vc. Ti mi có cn cu sc nâng ti
thiu là 400 tn; nhà máy còn có các bin pháp bo v ng tng phn hoc toàn b.
9
- n lp ráp nh (Erection and Fairing) vi mc công ngh t
4.0 4.5 [11]. Các nhà máy mu thc hin toàn b vic lp ráp tàu t n ln,
lp ráp tn. Gin bng
thit b ngm quang hc, k c thit b laser. Không dùng nhiu các thit b nh t
ng chuyên dng hoc các thit b h tr chính xác cn
cao nên vic ln không mt nhiu công.
- n hàn (Welding) vi mc công ngh t 4.0 5.0 [11]. Trong các nhà máy
mu, tt c các mi hàn (ngay c các mi hàn ngng máy hàn t ng. S
dng ch yu công ngh hàn mt phía bng các máy hàn t ng cho mi hàn bng, hàn
bán t ng. Các m v ng c hàn bng thit b hàn leo t
Auto-n khí (EGW). Các rô bt hàn h quang nhiu trc s dng
mt phn này.
1.1.4. Công nghệ đóng tàu theo phƣơng pháp tổng đoạn
Kt cu thân tàu thu rc ln, hình dng phc tp và khng
ln, Vic phân chia thân tàu thành các phân n, tn sao cho khoa hc, hp lý,
thun li trong quá trình ch to và lp ráp. Công ngh n và tri qua
to v tàu bao gn (chi tit liên khp);
n (hình chóp, xây tng, ch kim, ); n [12].
n là nhu truyn thng có tính chuyên môn hóa và t
ng hóa thp (lc hu), ch phù hp vi trng nht và chng
ch to v tàu thn (Module)
chia thân tàu thành nhng tn hp lý d thun ln
ch to và lp ráp tn ng chuyên dHình 1. 1.
Hình 1. 1 Lắp ráp tổng đoạn thân tàu [ZALIV SHIPYARD]
Vic lp ráp thân tàu t các tn trên nó t sn các trang thit b c nh
n ch to phân, tn phm b chính xác cao. Nhà máy phi
u ki vt chn m nhng b gia khâu thit k công
ngh và thi công; phc trang b công ngh t ng hoá ti thin khai tôn v
10
bng phn mm chuyên dùng kt hp vi vic trang b các trang thit b :
c ln c m module ln nht cng trên
300 ti vi tàu c tôn, máy hàn t ng, bãi l tiêu
chun [13], Công ngh c tóm t tng quát Hình 1. 2.
Hình 1. 2 Sơ đồ tổng quát chế tạo tổng đoạn vỏ tàu thủy [13]
Trình t lp ráp các tn tu thun lên tri
Nn lên t hai phía, thì lu tiên là tn gia và lt ra dn
hai phía; nu t mt phía thì trình t lt tu thuc vào cách h thu và
ng vào Hình 1. 3.
Hình 1. 3 Lắp ráp các block thân tàu [Phà Rừng]