Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn tự động nối ống không quay

1

A. GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Đường ống luôn đóng vai trò quan trọng trong các công trình xây dựng
thủy điện, dầu khí, giao thông, hoá chất…Nâng cao năng suất, chất lượng mối
hàn nối các ống dẫn luôn là vấn đề cấp bách được nhiều nhà khoa học quan
tâm nghiên cứu và đã ứng dụng công thành công các nghệ tiên tiến tích hợp
điều khiển tự động vào công nghệ hàn để tạo ra các thiết bị hàn tự động với độ
tin cậy cao thay thế con người hay cải tiến các thiết bị cũ để tăng năng suất lao
động gấp nhiều lần so với trước đây.
Tại Nhật Bản, việc nghiên cứu ứng dụng triển khai công nghệ hàn tự
động nối ống ở trạng thái không quay đang được chú trọng đặc biệt. Hệ thống
thiết bị hoàn chỉnh và đồng bộ gồm các công đoạn gá lắp định tâm, hàn, chụp
X-ray, siêu âm, xử lý nhiệt khử ứng suất dư, bọc lớp bảo vệ với tên gọi
phương pháp SPREAD đã được nghiên cứu và đưa vào sản xuất trên thực tiễn.
Vào năm 1996 các nhà nghiên cứu tại SUMITOMO METAL INDUSTRIES
đã triển khai một hệ thống thiết bị hàn tự động nối ống không quay dùng đồng
thời 2 xe hàn chạy vòng quanh ống để hàn toàn bộ các đường hàn một cách tự
động có sự trợ giúp của máy tính theo một công nghệ được lập trình trước và
đã thu được các kết quả khả quan về chất lượng cũng như năng suất hàn [1].
Vì thế đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn tự động nối ống
không quay” do nghiên cứu sinh lựa chọn có tính cấp thiết và khả năng ứng
dụng cao ở Việt Nam.
2. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu
a) Mục tiêu: Mục tiêu của đề tài luận án là nghiên cứu làm chủ công
nghệ và tích hợp điều khiển thiết bị hàn tự động nối ống thép đường kính lớn
từ 20 inch (529 mm) đến 240 inch (6.096 mm) với chiều dày thành ống từ 14
mm đến 30 mm ở trạng thái không quay và đưa vào ứng dụng thực tiễn trên
các công trình xây dựng nhà máy thủy điện và dầu khí ở Việt Nam.
b) Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu xây dựng mô hình thí nghiệm tích

hợp hệ thống thiết bị, đồ gá và công nghệ hàn tự động nối ống không quay để
thiết lập bộ thông số chế độ hàn thích hợp đối với mỗi một vị trí tương ứng
trong 12 cung hàn quy ước trên đường tròn theo mặt cắt ngang ống ở phương
thẳng đứng. Đồng thời đề xuất phương pháp kiểm định chất lượng mối hàn nối
trên toàn bộ chu vi ống, làm cơ sở khoa học cho việc minh chứng bộ thông số
công nghệ hàn phù hợp với từng vị trí của 12 cung hàn quy ước.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu, tìm hiểu về công nghệ và hệ thống thiết bị hàn nối ống tự
động ống có đường kính lớn ở trạng thái không quay của các nước trong khu
vực và ở các nước công nghiệp tiên tiến trên thế giới;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm;
2


- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn đến chất lượng
mối hàn khi hàn nối ống đường kính lớn ở trạng thái không quay tại mỗi vị trí
trong số 12 cung hàn quy ước. Phân tích, lựa chọn các bộ thông số chế độ hàn
chính ảnh hưởng đến chiều sâu ngấu của đường hàn và khoảng biến thiên của
chúng;
- Đánh giá kết quả thí nghiệm, xây dựng phương trình hồi quy mô tả
mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn và chiều sâu ngấu tại từng cung hàn
quy ước, từ đó xác định chế độ hàn hợp lý để đảm bảo chiều sâu ngấu cũng
như chất lượng các đường hàn đồng đều trên tất cả 12 cung hàn được khảo sát;
- Từ các bộ thông số chế độ hàn tìm được tại từng vị trí cung hàn quy
ước, thiết lập các hàm hồi quy toán học mô tả sự phụ thuộc của từng thông số
chế độ hàn theo vị trí mối hàn trên ống trong hệ tọa độ cực;
- Ứng dụng kết quả nghiên cứu của đề tài luận án để bố trí thực hiện các
thí nghiệm tại từng cung trên toàn bộ chu vi ống trong trường hợp cụ thể trên
thực tiễn hiện trường hàn nối ống dẫn nước vào tuốc bin nhà máy thủy điện có
đường kính 72 inch (1.828,8 mm), chiều dày 18 mm ở trạng thái không quay.

3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và
thực nghiệm. Về mặt lý thuyết, tiến hành nghiên cứu các loại vật liệu hàn, vật
liệu phụ trợ cho quá trình hàn; nghiên cứu các phương pháp kiểm tra chất
lượng mối hàn, qui trình đảm bảo chất lượng mối hàn; nghiên cứu các báo cáo
khoa học đã công bố trên các tạp chí quốc tế về lĩnh vực hàn tự động nối ống
thép. Về mặt thực nghiệm, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực
giao để thực hiện các thí nghiệm.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
a) Ý nghĩa khoa học
1) Giới thiệu được phương pháp hàn nối ống đường kính lớn không
quay tự động điều khiển một số thông số công nghệ chính. Từ đó xác định mô
hình thí nghiệm và phương pháp thực nghiệm hàn nối ống không quay trong
quy mô phòng thí nghiệm;
2) Bằng thực nghiệm đã xác định được các bộ thông số hàn theo 12
cung hàn quy ước theo chiều kim đồng hồ trên mô hình thí nghiệm ở 4 vùng
hàn chính phù hợp với đặc tính của từng vùng cần hàn: Hàn ngửa; Hàn leo đi
xuống; Hàn trần (hàn sấp); Hàn leo đi lên;
3) Sử dụng phần mềm xử lý số liệu thực nghiệm chuyên dùng và đưa ra các
mô hình toán học đánh giá chất lượng hàn phụ thuộc vào từng vị trí cung hàn quy
ước trên mô hình thí nghiệm trong hệ toạ độ cực làm cơ sở khoa học cho việc tự
động hoá điều khiển vô cấp các thông số công nghệ trong quá trình hàn.
b) Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án đã được ứng dụng
trong hàn đường ống cấp nước Nhà máy thủy điện Nậm Khánh – Bắc Hà –
Lào Cai đạt yêu cầu kỹ thuật của dự án.
3

5. Đóng góp mới của tác giả luận án: là các mục 1; 2; 3 phần ý nghĩa khoa
học và đóng góp về thực tiễn nêu trên. Đặc biệt là:
1. Đã xây dựng các mô hình toán học thực nghiệm mô tả ảnh hưởng của

các thông số công nghệ hàn trong hệ tọa độ cực tới hàm mục tiêu chiều sâu ngấu
mối hàn, tương ứng với bảng số liệu và các đồ thị mô phỏng trực quan như:
a) Dòng điện hàn (A):
I
lớp1
= 184,755+23,558 φ – 32,47φ
2
+ 8,064φ
3
– 0,544.φ
4
; R = 0,995496 (4.1)
I
lớp2
= 205,591 + 22,485.φ – 33,364+8.254.φ
3
– 0,544.φ
4
; R = 0,998415 (4.2)
b) Điện áp hàn (V):
U
h
= 23,305 + 2,553.φ – 3,528.φ
2
+ 0,93.φ
3
– 0,068. φ
4
; R = 0,98382 (4.3)
c) Vận tốc hàn (m/h):

V
h
= 8,113 + 2,092.φ – 2,425.φ
2
+ 0,623.φ
3
– 0,046.φ
4
; R = 0,98816 (4.4)
2. Bằng các cách đánh giá hình thái bề mặt mối hàn, kiểm tra siêu âm
mối hàn để kiểm định chất lượng tổng hợp của mối hàn tại các vị trí 12 cung
hàn quy ước khác nhau. Ngoài ra, đã sử dụng phương pháp hiển vi quang
học để nghiên cứu khảo sát chụp ảnh tổ chức thô đại và tổ chức tế vi vật liệu
trong mối hàn và các vùng lân cận biên giới của nó với kim loại nền cơ bản
(cả hai phía mối hàn nối). Các ý kiến bàn luận về các kết quả thực nghiệm đã
minh chứng tốt cho các mức chất lượng mối hàn tùy thuộc vị trí cung hàn
không có sự khác nhau đáng kể;
3. Từ các kết quả thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm với 12 cung hàn
quy ước khác nhau trên chu vi tiết diện ngang ống thép, là cơ sở khoa học
đáng tin cậy cho việc đề xuất các bộ thông số công nghệ chính phù hợp với
điều kiện hàn nối ống thép ở trạng thái không quay trên quy mô hiện trường
các công trình thủy điện ở Việt Nam, đảm bảo chất lượng mối hàn đồng đều
và ổn định. Kết quả ứng dụng trên thực tiễn do Viện Nghiên cứu Cơ khí
chủ trì đạt yêu cầu của nhà đầu tư xây dựng nhà máy thủy điện Nậm Khánh
(Bắc Hà, Lào Cai).
6. Kết cấu luận án: Luận án ngoài phần Mở đầu (04 trang), được trình bày
trong 5 chương với 130 trang: Chương 1: Tổng quan về hàn nối ống thép
không quay và giới hạn nội dung nghiên cứu (35 trang); Chương 2: Xây
dựng mô hình thí nghiệm, phương pháp nghiên cứu và kiểm tra chất lượng
mối hàn nối ống thép đường kính lớn không quay (29 trang); Chương 3: Ảnh

hưởng của chế độ hàn nối ống thép đường kính lớn không quay trên mô hình
thí nghiệm đến tính chất mối hàn (22 trang); Chương 4: Nghiên cứu đặc tính
mối hàn trên mẫu quy hoạch thực nghiệm (17 trang); Chương 5: Ứng dụng kết
quả xác định bộ thông số công nghệ thích hợp để hàn nối ống thép đường kính
lớn không quay trên công trÌnh thủy điện ở Việt Nam (19 trang); Kết luận
chung luận án (02 trang); Danh mục các công trình đã công bố (01 trang);
Danh mục tài liệu tham khảo 05 trang gồm có: 11 đề mục bằng tiếng Việt,
05 đề mục bằng tiếng Nga, 30 đề mục bằng tiếng Anh và các tiếng khác);
4


Phần phụ lục luận án gồm các bảng số liệu và phiếu báo kết quả thí nghiệm
(39 trang).
B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HÀN NỐI ỐNG THÉP KHÔNG QUAY VÀ
GIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1.1. Khái quát về công nghệ hàn nối ống không quay
Hai phương án công nghệ hàn nối ống đường kính lớn không quay điển
hình cho trên hình 1.1 và hình 1.2 và một số đề tài nghiên cứu khoa học được
thực hiện tại Viện Nghiên cứu Cơ khí gần đây là cơ sở khoa học để đề xuất
hướng phát triển tiếp theo trong luận án.


Hình
1
.1. Mô hình thi
ết bị h
àn t
ự động nối
ống không quay của hãng Falkewitch 1:

1) Động cơ; 2) Lô dây hàn; 3) Đầu hàn;

4) Xích truyền động; 5) Con lăn dẫn
hướng; 6) & 7) Bộ cấp dây hàn
Hình 1.2. Mô hình thi
ết bị HTĐ nối ống
không quay của hãng Styk – Nga (a) và ảnh
chụp kết cấu mô hình (b) 1: 1) Ống hàn;

2) Ray dẫn hướng; 3) Xe hàn; 4) Cơ cấu cấp
dây hàn; 5) Lô day hàn; 6) Dây có lõi thu
ốc;
7) Khuôn định dạng mối hàn.
1.2. Phân tích, lựa chọn, đánh giá tính hàn của vật liệu cơ bản
Đã phân tích và lựa chọn kim loại cơ bản là thép kết cấu thông dụng có
tính hàn tốt, thành phần hóa học và cơ tính của thép cần đạt các chỉ tiêu như
cho trong các bảng 1.1 và bảng 1.2.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của thép Q345B 4
Mác thép
Thành

ph
ần hóa học, % khối l
ư
ợng

C

Mn

Si

P

S

V

Nb

Q345B

0,2

1,0
-
1,6

0,55

0,04

0,02

0,015
-

0,06

0,02
-

0,2

Bảng 1.2. Cơ tính của thép Q345B 4
Mác thép
Cơ tính
Gi
ới hạn chảy,


s
, MPa
Độ bền kéo,

k
, MPa
Độ giãn dài,
, %
Công va đập
tại 20
o
C (J)
Q345B 325 470-630 21 34
1.3. Cơ sở lựa chọn công nghệ, vật liệu hàn nối ống thép không quay
1.3.1. Lựa chọn công nghệ hàn sử dụng trong thực nghiệm
Với ống thép đường kính 72 inch dày 18 mm được chế tạo từ thép kết
cấu Q345B có tính hàn tốt, NCS lựa chọn công nghệ hàn tự động với dây lõi
đặc, trong môi trường khí bảo vệ với đường kính dây hàn là 1,2 mm. Điều này

5

đảm bảo cho khả năng áp dụng phù hợp với hầu hết chiều dầy ống thép
(18 mm) của các loại thép làm ống trong thủy điện.
1.3.2. Các đặc điểm của công nghệ, vật liệu và thiết bị hàn
- Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi
trường khí bảo vệ cho trên hình 1.3 2.

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ
- Thành phần hóa học của dây hàn và cơ tính của kim loại mối hàn
đạt được xem trong bảng 1.4 và bảng 1.5. Ứng dụng các loại khí bảo vệ
trong bảng 1.6.
Bảng 1.4.Thành phần hóa học của dây hàn MG-51T 1
C (%)

Si (%)

Mn (%)

P (%)

S (%)

Cu

0,06

0,15 0,80

1,10 1,4


1,85
≤ 0,025 ≤ 0,03 ≤ 0,5
Bảng 1.5. Cơ tính đạt được của kim loại mối hàn khi sử dụng dây MG-51T
và khí bảo vệ CO
2
1
0.2 % OS
,
MPa

TS
,
MPa

EI
,
%

IV
,
J

470

560

32

70 J t

ại
-

29
o
C

Bảng 1.6. Các ứng dụng của một số loại khí bảo vệ 1, 2
Khí b
ảo vệ

Đ
ặc tính

Các
ứng dụng ti
êu chu
ẩn

Ar

Khí trơ

M
ọi kim loại, trừ thép

He

Khí trơ

H
ợp kim Al, Cu, Mg do công suất nhiệt
lớn và ít rỗ khí
Ar + 20 ÷ 30
%N
2

Khí trơ

H
ợp kim Al, Cu, Mg do công suất nhiệt lớn v
à
ít rỗ khí (tốt hơn 100 % He)
N
2

100 %

Công su
ất nh
i
ệt lớn, cho Cu

Ar + 25 ÷ 30
%N
2

t
ốt h
ơn 100 %

N
2

Công su
ất nhiệt lớn, cho Cu

Ar + 1 ÷ 2 %O
2
Ôxy hóa nh
ẹ

Thép h
ợp kim, một số hợp kim Cu đ
ã kh
ử
oxy
Ar + 3 ÷ 5 %O
2

Ôxy hóa

Thép cacbon và m
ột số thép hợp kim thấp

CO
2

Ôxy hóa

Thép cacbon và m

ột số thép h
ợp kim thấp

6


Ar +
20÷50%CO
2

Ôxy hóa

Các lo
ại thép khác nhau, chủ yếu cho
dạng dịch chuyển ngắn mạch
Ar + 10 %CO
2
+
5 %CO
2

Ôxy hóa

Các lo
ại thép

CO
2
+ 20 %O
2

Ôxy hóa

Các lo
ại thép

90 %He +7,5
%Ar + 2,5
%CO
2

Ôxy hóa

Thép h
ợp kim cao, dạ
ng d
ịch chuyển
ngắn mạch
60÷70 %He +
5÷35 %Ar
+ 4÷5 %CO
2

Ôxy hóa

Thép h
ợp kim thấp, dạng dịch chuyển
ngắn mạch

1.4. Cơ sở lý thuyết về sự ảnh hưởng của các thông số hàn chủ yếu tới chất

lượng mối hàn
Vì ống được hàn nối ở trạng thái không quay trong quá trình hàn, nên
trong công nghệ này có những vấn đề cơ sở lý thuyết cần được quan tâm một
cách đặc biệt:
1) Do khi hàn, vị trí hàn thay đổi từ hàn sấp đến hàn đứng (tụt), hàn trần
và từ hàn trần đến hàn đứng (leo), hàn sấp do đó việc hình thành mối hàn đảm
bảo đạt yêu cầu về chiều rộng mối hàn và chiều sâu ngấu là quan trọng nhất;
2) Khi vị trí hàn thay đổi, do trọng lực mà vũng hàn có xu hướng chảy
xuống, gây khó khăn cho sự hình thành mối hàn mà cụ thể là rất khó đảm bảo
mối hàn đủ ngấu và đủ rộng. Nếu chiều rộng mối hàn và chiều sâu ngấu đảm
bảo đạt yêu cầu và đồng đều trên toàn bộ chu vi ống thì chất lượng mối hàn sẽ
được đảm bảo vì với vật liệu cơ bản dễ hàn như thép Q345B và khi vật liệu
hàn đã được chọn hợp lý thì hình dáng và kích thước mặt cắt ngang mối hàn
có ý nghĩa quyết định;
3) Chiều rộng mối hàn chủ yếu phụ thuộc vào biên độ lắc đầu hàn do
đó tác giả đã chọn chiều sâu ngấu h (mm) làm thông số đầu ra để khảo sát. Do
vậy, để đi sâu vào lĩnh vực này, việc trước tiên là cần có đề xuất về mô hình
hàn nối ống không quay ở quy mô phòng thí nghiệm để khảo sát những đặc
điểm cơ bản khi hàn ở các vị trí khác nhau trong hệ tọa độ cực tương ứng với
điều kiện hàn nối ống đường kính lớn trên thực tế hiện trường;
4) Các yếu tố công nghệ hàn cần lưu ý goomg có:
1.4.1. Ảnh hưởng của dòng điện hàn I
h
(A):
Dòng điện hàn có ảnh hưởng lớn đến hình dáng kích thước và tổ chức
kim loại mối hàn, nên sẽ được nghiên cứu bằng quy hoặc thực nghiệm để tìm
bộ giá trị phù hợp cùng với điện áp hàn và vận tốc hàn (hình 1.4);
1.4.2. Ảnh hưởng của điện áp hàn U
h
(V): Điện áp hàn có ảnh hưởng lớn

đến dạng dịch chuyển nên sẽ được nghiên cứu bằng quy hoạch thực nghiệm để
tìm bộ giá trị phù hợp cùng với dòng điện hàn và vận tốc hàn (hình 1.5);
7

1.4.3. Ảnh hưởng của tốc độ hàn V
h
: Do tốc độ hàn có ảnh hưởng
quan trọng nên sẽ được nghiên cứu bằng quy hoặc thực nghiệm để tìm bộ giá
trị phù hợp cùng với dòng điện hàn và điện áp hàn(hình 1.6);
1.4.4. Ảnh hưởng của lưu lượng khí bảo vệ (Q): Đối với khí bảo vệ
thông thường, lưu lượng khí phải được đặt ở mức thích hợp (hình 1.7);
3.1.5. Ảnh hưởng của tầm với điện cực (D): tầm với điện cực sẽ được
thực nghiệm để tìm giá trị phù hợp và sẽ không thay đổi trong quá trình hàn
(hình 1.8);

Hình 1.4.
Ảnh h
ư
ởng của d
òng
đi
ện h
àn

Hình 1.5.
Ảnh h
ư
ởng của điện

áp hàn

Hình 1.6.
Ảnh h
ư
ởng tốc độ h
àn

Hình 1.8. T
ầm với điện cực D



Hình 1.7. S
ơ đ
ồ nguy
ên lý v
ị trí đầu h
àn khi hàn MAG









Hình 1.10. S
ơ đ

ồ biểu di
ên nguyên t
ắc
xác định sai số đường hàn Δ
Hình 1.11. Các lo
ại dao độn
g ngang khi hàn

Chi
ều dao động lắc

Δ
Sai s
ố đ
ư
ờng h
àn
Δ


8


1.4.6. Sai số đường hàn (Δ): Sai số đường hàn là chỉ tiêu quan trọng để
đánh giá chất lượng mối hàn, phụ thuộc vào việc sử dụng đầu dò trong quá trình
hàn có sai số đến mức độ nào là cho phép (hình 1.10);
1.4.7. Biên độ dao động đầu hàn (B): Biên độ dao động đầu hàn là đặc
trưng cho tác dụng đảm bảo chiều rộng của mối hàn (hình 1.11).
1.5. Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của thiết bị hàn nối ống
đường kính lớn không quay

1.5.1. Nguyên lý chung:

Các ch
ế độ công nghệ qua việc
thí nghiệm hàn nối ống không quay
trên mô hình ở quy mô Phòng thí
nghiệm ứng với các cung khác nhau
tùy theo tư thế ống nằm ngang đã
được đánh giá đảm bảo yêu cầu chất
lượng công nghệ hàn (hình 1.13)
gồm có: Xe hàn; Bộ cấp dây hàn; Cơ
cấu dao động đầu hàn; Bộ phận cấp
khí bảo vệ; Nguồn điện hàn; Bộ định
vị đầu hàn; Đồ gá định tâm đầu hàn;
Sơ đồ kết nối hệ thống thiết bị hàn;
Hình 1.13. H
ệ thống h
àn t
ự động nối
ống đường kính lớn không quay
1.5.2. Quy trình lắp đặt thiết bị thí nghiệm: gồm 13 bước quy định;
1.5.3. Phương pháp điều khiển và hiệu chỉnh các thông số công nghệ
Hiệu chỉnh các thông số công nghệ hàn được điều chỉnh bằng hai phương
pháp: 1) Phương pháp điều khiển bằng tay; 2) Phương pháp điều khiển tự
động. Sơ đồ điều khiển thông minh cho trên hnhf 1.16.

Hàn leo lên
Hàn tr
ần (h
àn s

ấp)


Hàn ngửa
Hàn leo xuống
Hình 1.16.
Ảnh s
ơ đ
ồ đ
i
ều khiển h
àn thông minh và linh ho
ạt (a) v
à sơ đ
ồ phân v
ùng
hàn theo mặt cắt đứng (b) khi hàn nối ống không quay
1.6. Giới hạn nội dung nghiên cứu của luận án
Nội dung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình
dáng và cấu trúc mối hàn khi hàn nối ống thép đường kính lớn không quay
ứng dụng trong các công trình xây dựng nhà máy thủy điện ở Việt Nam chủ
9

yếu nhằm vào việc khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến
hình dáng và cấu trúc mối hàn phải đạt chất lượng tổng hợp cao. Trình tự các
bước nghiên cứu cần thực hiện như sau:
+ Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số chế độ hàn đến hình dáng mối
hàn. Phân tích, lựa chọn các thông số chế độ hàn chính cần khảo sát và khoảng
biến thiên của chúng;
+ Mã hóa các thông số chế độ hàn, thiết lập ma trận thí nghiệm cho từng

cung hàn;
+ Thực hiện các thí nghiệm, ghi lại các kết quả, loại bỏ các sai số;
+ Từ kết quả thu được, sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất xác
định phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến
hình dáng mối hàn (ở đây là chiều sâu ngấu) tại từng cung hàn;
+ Từ phương trình hồi quy tìm được, xác định các bộ chế độ công nghệ
hàn hợp lý trên từng cung nhằm đảm bảo chiều sâu ngấu đồng đều trên toàn
bộ chu vi đường ống.
Kết luận chương 1
1) Đã trình bày tổng quan về vật liệu, công nghệ và thiết bị hàn nối
ống trong trường hợp ống không quay thoogn qua một số nghiên cứu ở trong
và ngoài nước;
2) Đã hệ thống hoá một cách khái quát về cơ sở lý thuyết về sự ảnh
hưởng của các thông số hàn chủ yếu tới chất lượng mối hàn làm tiền đề cho
việc lựa chọn phương án mô hình thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các
thông số công nghệ chính tới tính chất mối hàn;
3) Đã trình bày về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, sơ đồ kết nối và
nguyên lý điều khiển thiết bị hàn nối ống đường kính lớn không quay trên thực
tế và ứng dụng trên mô hình thí nghiệm để xác lập cơ sở khoa học cho việc
chọn bộ thông số công nghệ hàn phù hợp;
4) Đã đề xuất mục tiêu, các nội dung cần thực hiện cụ thể và giới hạn
phạm vi nghiên cứu của đề tài luận án.

Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM, PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU VÀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN NỐI ỐNG
THÉP ĐƯỜNG KÍNH LỚN KHÔNG QUAY
2.1. Xây dựng mô hình thí nghiệm hàn nối ống không quay
Mô hình thí nghiệm chuẩn bị cho nghiên cứu ảnh hưởng của một số
thông số công nghệ chính khi hàn nối ống đường kính lớn (ống không quay)
đơn giản nhất là chọn vị trí các ống hàn nối ở phương ngang. Khi đó, xét mặt

cắt hai đầu ống cấn hàn nối sẽ thẳng đứng và được quy ước chia thành các
phân vùng khác nhau tùy thuộc và khái niệm hàn sấp, hàn ngửa, hàn leo lên
hoặc hàn leo xuống (hình 1.16). Trong mỗi phân vùng đó lại chia thành các
cung hàn nỏ hơn như cho trên hình 2.2.
10


2.2. Phương pháp xây dựng kế hoạch thực nghiệm
2.2.1. Xác định các thông số chế độ
hàn ảnh hưởng chính và khoảng biến thiên
của chúng
Để đơn giản hóa các nghiên cứu định
hướng ban đầu cho quá trình hàn nối ống
thép đường kính lớn không quay trong công
trình luận nán này, đã chọn miền khảo sát
của 3 thông số công nghệ hàn chính như cho
trong bảng 2.2 dưới đây.
2.2.2. Lựa chọn các thông số công
nghệ hàn có thể giữ cố định trong kế hoạch
thực nghiệm
Cung
12h-1h
Cung
11h-12h
Cung
10h-11h
Cung
9h-10h
Cung
8h-9h

Cung
7h-8h
Cung
6h-7h
Cung
5h-6h
Cung
4h-5h
Cung
3h-4h
Cung
2h-3h
Cung
1h-2h

Hình 2.2. S
ơ đ
ồ chia cung theo
mặt cắt ngang ống hàn nối
Bảng 2.2. Khoảng biến thiên của các thông số công nghệ hàn cần khảo sát trên
từng dây cung
Cung
Kho
ảng biến thi
ên c
ủa các thông số công nghệ h
àn

I
h

(A)

U
h

(V)

V
h

(m/h)

1

2

3

4

C.I (11h ÷ 12h)

160 ÷ 180

18 ÷ 24

8 ÷ 10

C.II (12h ÷ 1h)

160 ÷ 180

18 ÷ 24

8 ÷ 10

C.III (1h ÷ 2h)

160

÷ 180

18 ÷ 24

8 ÷ 10

C.IV (2h
÷

3h)

160 ÷ 180

18 ÷ 24

8 ÷ 10

C.V (3h
÷

4h)

130 ÷ 160

18 ÷ 24

6 ÷ 8

C.VI (4h
÷

5h)

130 ÷ 160

18 ÷ 24

6 ÷ 8

C.VII (5h
÷

6h)

130 ÷ 160

18 ÷ 24

6 ÷ 8

C.VIII (6h
÷

7h)

130 ÷ 160

18 ÷ 24

6 ÷ 8

C
.
IX (
7h
÷
8h)

130 ÷ 160

18 ÷
24

6 ÷ 8

C.X (8h
÷
9h)

130 ÷ 160

18 ÷ 24

6 ÷ 8

C.XI (9h
÷
10h)

160 ÷ 180

18 ÷ 24

8 ÷ 10

C.XII (10h
÷
11h)

160 ÷ 180

18 ÷ 24

8 ÷ 10

Với các chế độ hàn còn lại, qua nghiên cứu các tài liệu tham khảo và từ
thực tế sản xuất đã lựa chọn và xây dựng miền khảo sát cho từng thông số
công nghệ cụ thể như sau:
1) Lưu lượng khí bảo vệ Q (l/ph): thí nghiệm với dải lưu lượng khí theo

bảng 2.3;
2) Tầm với điện cực D (mm): thí nghiệm với dải chiều cao điện cực
theo bảng 2.4;
3)Tần số lắc đầu hàn f (lần/ph): thí nghiệm với tần số lắc theo bảng 2.5;
4) Biên độ lắc B (mm): thí nghiệm với biên độ lắc theo bảng 2.6.
11

2.2.3. Mã số hóa các thông số chế độ hàn cần khảo sát (bảng 2.7);
2.2.4. Xây dựng các ma trận thí nghiệm tại từng cung hàn
Theo kết quả một số nghiên cứu trong và ngoài nước, chiều sâu ngấu
(h) phụ thuộc vào các thông số công nghệ hàn theo mô hình hàm phi tuyến:

ji
k
ji
ji
ij
k
i
ii
k
i
ii
xxaxaxaaY



#
1,1
2

1
0
(2.1)

trong đó: k  số thông số ảnh hưởng, k = 3; Y  mục tiêu cần khảo sát (chiều sâu
ngấu); x
i
, x
j
 các yếu tố ảnh hưởng, các thông số công nghệ hàn cần kháo sát.

 














m
i
i
m

i
yy
yy
R
1
2
1
2
2
(2.10)
Mã số hóa chế độ hàn cho ở bảng 2.9.
Bảng 2.8. Kế hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao với số thí nghiệm N = 15
S
ố thứ tự các
thí nghiệm
X
0
X
1
X
2
X
3
Y
i
1

+1

–

1

–
1

–
1

Y
i1

2

+1

+1

–
1

–
1

Y
i2

3

+1

–
1

+1

–
1

Y
i3

4

+1

+1

+1

–
1

Y
i4

5

+1

–

1

–
1

+1

Y
i5

6

+1

+1

–
1

+1

Y
i
6

7

+1

–

1

+1

+1

Y
i7

8

+1

+1

+1

+1

Y
i8

9

+1

–

α

0

0

Y
i9

10

+1

+ α

0

0

Y
i10

11

+1

0

–

α

0

Y
i11

12

+1

0

+ α

0

Y
i12

13

+1

0

0

–

α

Y
i13

14

+1

0

0

+ α

Y
i14

15

+1

0

0

0

Y
i15

2.3. Phương pháp chuẩn bị mẫu thí nghiệm hàn nối ống không quay

2.3.1. Chuẩn bị mép hàn: Theo tiêu chuẩn ASME B31.3 của Hiệp hội cơ
khí Mỹ;
2.3.2. Lắp đặt, kiểm tra và vận hành thiết bị: gồm các bước: 1) Kiểm tra
lại toàn bộ hệ thống thiết bị; 2) Lắp đặt hệ thống thiết bị.
2.4. Phương pháp thí nghiệm hàn nối ống đường kính lớn không quay
2.4.1. Thứ tự thao tác: theo quy trình chỉ dẫn trong luận án;
2.4.2. Theo dõi và quan sát trong khi hàn: theo quy trình chỉ dẫn trong
luận án;
12


2.4.3. Theo dõi quan sát hoạt động chung của hệ thống thiết bị: theo chỉ
dẫn trong luận án;
2.5. Các phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn
2.5.1. Phân loại khuyết tật hàn: gồm có: Khuyết tật ngoài (hình 2.3);
Khuyết tật nằm bên trong mối hàn như (hình 2.4) trong bản luận án;
2.5.2. Kiểm tra mối hàn bằng phương pháp không phá huỷ
Các phương pháp kiểm tra không phá hủy (thường dùng cho các kết
cấu công trình) có thể sử dụng như sau: 1) Phương pháp thanh tra kỹ thuật;

2) Phương pháp quan sát; 3) Phương pháp phát quang và chỉ thị mầu; 4)
Phương pháp kiểm tra độ kín; 5) Phương pháp phóng xạ;6) Phương pháp siêu
âm; 7) Phương pháp kiểm tra bột từ;
2.5.3. Kiểm tra mối hàn bằng phương pháp phá huỷ:
1) Phương pháp kiểm tra trình độ sản xuất cho phép đánh giá chất lượng
và số lượng các khuyết tật cục bộ bên trong và bên ngoài mối hàn, cũng như
xác định chất lượng của dây hàn, khí bảo vệ, mức độ tối ưu của chế độ hàn;
2) thông qua xác định độ cứng tế vi thường dùng để xác định cơ tính của
mối hàn và kết cấu hàn như thử kéo, thử nén, thử uốn, thử dai va đập (hình
2.15). Các mẫu thử được cắt tách ra từ sản phẩm hoặc chúng được hàn cùng

loại vật liệu, cùng chế độ, cùng điều kiện làm việc so với sản phẩm;
3) Phương pháp thử kim tương và cấu trúc: dùng để kiểm tra tổ chức kim
loại, xác định chiều sâu ngấu, kích thước chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt và
các khuyết tật bên trong của mối hàn. Mẫu thử được cắt tách ra từ kết cấu hàn.
Chúng được cắt theo tiết diện ngang hoặc dọc của mối hàn
Kết luận chương 2
1) Khái quát về công nghệ và thiết bị sử dụng trong nghiên cứu xác lập
mô hình thí nghiệm tương đương với hàn nối ống thép đường kính lớn (D =
1828,8 mm) dày 18 mm ở vị trí ống nằm ngang và xét các cung hàn theo mặt
cắt ngang ống. Từ đó đề xuất các điều kiện quy hoạch thực nghiệm kahor sát
3 yếu tố công nghệ chính tới chất lượng mối hàn thoogn qua hàm mục tiêu độ
ngấu và cấu trúc kim loại mối hàn;
2) Trình bày về thiết bị sử dụng trong thí nghiệm là hệ thống hàn ống tự
động do Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ hàn và Xử lý bề mặt chế tạo
bao gồm các bộ phận chính như: xe hàn, bộ cấp dây hàn, đầu hàn, bộ phận
cấp khí bảo vệ, nguồn hàn, đồ gá định tâm ống hàn Đồng thời đưa ra quy
trình thực hiện thí nghiệm tương ứng;
3) Đưa ra khái niệm về khuyết tật hàn ngoài và khuyết tật hàn trong,
nguyên nhân và sự ảnh hưởng đến kết cấu hàn và các phương pháp kiểm tra
khuyết tật và đánh giá chất lượng mối hàn. Từ đó có thể chọn phương pháp
kiểm tra chất lượng mối hàn phục vụ cho các thí nghiệm của mình một cáh
phù hợp với điều kiện thiết bị kiểm định hiện có ở Việt Nam.

13

.Chương 3. ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN NỐI ỐNG THÉP ĐƯỜNG
KÍNH LỚN KHÔNG QUAY TRÊN MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐẾN TÍNH
CHẤT MỐI HÀN
3.1. Chuẩn bị mô hình thí nghiệm và điều kiện hàn nối ống không quay
Trên hình 3.1 là ảnh chụp một số mẫu ở công tác chuẩn bị mô hình thí

nghiệm hàn nối tại các dây cung ứng với vị trí phân vùng cung hàn khác nhau.

a)
b)
Hình 3.1.
Ảnh chụp quá tr
ình chu
ẩn bị phôi h
àn n
ối theo mô h
ình thí nghi
ệm đề xuất:
a) các đoạn dây cung được ghép sơ bộ tại 12 phân vùng thí nghiệm hàn; b) Mô hình
hàn thử nghiệm sau lắp ghép sơ bộ với đường kính đường tròn ngoại tiếp D = 915
mm (1/2 đường kính ống thép hàn nối trên thực tế)

3.2. Kết quả hàn thử nghiệm trên mô hình: Kết quả hàn thử nghiệm cho
trong các bảng 3.1  3.12 luận án với đầy đủ số liệu thực nghiệm thể hiện mối
quan hệ giữa các thông số chủ yếu khi hàn trên mô hình thí nghiệm nối ống
không quay và hàm mục tiêu lựa chọn là chiều sâu ngấu của mối hàn (h, mm).
3.3. Phân tích kết quả thực nghiệm
Trên các hình 3.3 là một ví dụ ảnh chụp kết quả hàn thử nghiệm trên mẫu
thí nghiệm tại cung hàn 1 h  3 h, còn hình 3.4 – tại cung hàn 3 h  5 h quy ước
trên mô hình thí nghiệm đề xuất và chế độ hàn nối tương ứng. Chất lượng mối
hàn tổng hợp qua 3 lớp hàn đều tốt.

a) Hàn một lớp

b) Hàn 2 lớp

c) Hàn 3 lớp
Hình 3.3. Ảnh chụp mẫu thí nghiệm hàn nối tương ứng với cung hàn 1 h

3 h


a) Hàn một lớp

b) Hàn 2 lớp

c) Hàn 3 lớp
Hình 3.4. Ảnh chụp mẫu thí nghiệm hàn nối tương ứng với cung hàn 3 h

5 h
14


3.4. Kết quả kiểm tra cơ tính mối hàn:
Kết quả kiểm tra mẫu thử tại các cung hàn thí nghiệm đều đạt yêu cầu.
3.5. Xác định bộ thông số chế độ hàn hợp lý cho thử nghiệm hiện trường
Đã sử dụng phần mềm chuyên dụng để xử lý số liệu thực nghiệm để tìm
hàm hồi quy mô tả ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến chiều sâu ngấu
đối với 12 cung hàn xác định ở những vị trí quy ước khác nhau và có các
phương trình ở dạng bậc 2 tương ứng.
Đánh máy lại một vài PT cơ bản !!

Kết luận chương 3
1) Để nghiên cứu công nghệ hàn nối ống tự động ống không quay ứng
dụng nối các đường ống trong các công trình thủy điện, dầu khí (đường kính
lớn từ 529 mm đến 6096 mm và chiều dày 14

30mm), cần tiến hành thực
hiện hàn thử trên mô hình thí nghiệm (thu nhỏ bằng 1/2 kích thước ống trên
thực tế) nhằm khảo sát đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn
tới tính chất mối hàn;
2) Đã khảo sát đánh giá chiều sâu ngấu và hình thái bề mặt mối hàn tại
từng cung hàn quy ước khác nhau trên toàn bộ chu vi ống và xác định cơ tính
mối hàn nhận được ở những vị trí đó nhận được khi hàn thử trên mô hình thí
nghiệm đạt yêu cầu về độ kín và độ bền;
3) Từ kết quả thực nghiệm và tính toán mô hình toán học mô tả quy luật
ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến chiều sâu ngấu tại từng cung trên
toàn bộ chu vi ống, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc đề xuất chế độ hàn hợp
lý áp dụng cho quá trình hàn nối ống thép không quay trên quy mô hiện
trường các công trình thủy điện.

15

Chương 4. NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH TỔ CHỨC KIM LOẠI MỐI HÀN
TRÊN MẪU QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM
4.1. Nghiên cứu đặc điểm tổ chức thô đại kim loại mối hàn
Dưới đây là một số ảnh chụp tổ chức thô đại của vật liệu mối hàn trong
vùng có ảnh hưởng của nhiệt khi hàn đối với một số mẫu quy hoạch thực
nghiệm điển hình được cho trên hình 4.2 làm ví dụ.

a) Cung hàn 12 h ÷ 1 h

b) Cung hàn 1 h ÷ 2 h

c) Cung hàn 2 h ÷ 3 h

d) Cung hàn 9 h ÷ 10 h

e) Cung hàn 5 h ÷ 6 h

f) Cung hàn 6 h ÷ 7 h

g) Cung hàn 9 h ÷ 10 h

h) Cung hàn 9 h ÷ 10 h
Hình 4.2.
Ảnh chụp tổ chức thô đại của mối h
àn sau khi k
ết thúc 3 lớp tr
ên
một số mẫu thí nghiệm hàn thử tại các cung hàn có vị trí quy ước khác nhau.

1) Biên giới kim loại giữa vật liệu mối hàn lớp lót (lớp 1) và các lớp
vật liệu cơ bản hàn nối rất tốt, không ngậm khuyết tật, đảm bảo kín và độ bền
tốt (hình 4.1 a, b). Điều đó chứng tỏ chế độ hàn nối thử nghiệm đã chọn là khá
thích hợp;
2) Một số mẫu sau khi hàn lớp điền đầy (lớp 2) lên trên lớp lót (lớp 1)
còn có một ít khuyết tật hàn cục bộ, có thể cho là ở dạng ngậm xỉ (hình 4.1 c,
d và hình 4.2 f), nhưng không đáng kể. Điều đó tuy làm giảm chất lượng mối
hàn, song với kích thước khuyết tật nhỏ và phân bố cục bộ, nên vẫn đảm bảo
16


được độ kim của mối hàn nối ống. Những khuyết tật này là kết quả của việc
hàn ở những vị trí khó, ví dụ như ở cung hàn thuộc vùng hàn leo xuống (4 h ÷
5 h; 5 h ÷ 6 h) và ở các cung hàn leo lên (6 h ÷ 7 h hoặc 7 h ÷ 8 h), hoặc là do
việc làm sạch bề mặt lớp hàn lót (lớp 1) chưa tốt (hình 4.2 e);
3) Ở các vị trí của cung hàn khác trên mô hình thí nghiệm, biên giới
giữa vật liệu mối hàn và các kim loại cơ bản (chụp ảnh tổ chức cả 3 lớp hàn
nối) đều đạt được ở mức rất tốt, điều đó chứng tỏ mối hàn rất ngấu, kín khít và
có độ bền cao. các chế độ hàn thử nghiệm trong quy hoạch thực nghiệm ở
những mẫu thí nghiệm trên mô hình này được cho là trong vùng hợp lý, tương
ứng với mỗi chế độ hàn ứng với vị trí cung hàn quy ước cụ thể.
Như vậy, qua việc phân tích tổ chức thô đại mối hàn nối trên các mẫu
quy hoạch thực nghiệm theo mô hình thí nghiệm đề xuất của luận án cho thấy
định hướng lựa chọn và điều chỉnh phạm vi thay đổi của các thoogn số công
nghệ chính khi hàn nối ống không quay ở các vị trí cung hàn quy ước là hợp
lý, có thể đảm bảo được chất lượng mối hàn nối ống thép khá tốt.
4.2. Nghiên cứu đặc điểm tổ chức tế vi kim loại mối hàn trên biên giới với
kim loại cơ bản
Sơ đồ quy ước các vùng phân tích khảo sát và chụp ảnh tổ chức tế vi vật
liệu mối hàn và kim loại cơ bản trên các mẫu thép hàn nối theo mô hình thí

nghiệm được cho trên các hình 4.3 (lớp hàn lót 1), hình 4.5 (lớp hàn lót 1 +
lớp hàn điền đầy +lớp hàn phủ 3). Kết quả điển hình cho trên hình 4.8.

Hình 4.3. Quy
ư
ớc v
ùng phân tích l
ớp
hàn (1) trên mẫu thí nghiệm mô h
ình
bằng kính hiển vi quang học
Hình 4.5. Quy
ư
ớc v
ùng phân tích 3 l
ớp
hàn (1+2+3) trên mẫu thí nghiệm mô hình
bằng kính hiển vi quang học
Phân tích kết quả cho trên hình 4.8 cho thấy:
- Biên giới giữa lớp vật liệu hàn (mối hàn) và kim loại cơ bản (thép
nền), tương ứng với vùng phân tích cho trên hình 4.3 của mẫu có ký hiệu số 3
- 2, có tổ chức đồng đều gần giống nhau kể cả hai phía bên trái (hình 4.8 a) và
bên phải (hình 4.8 b) của mối hàn. Chất lượng mối hàn trong lớp hàn lót (3) tại
vị trí cung hàn leo đi xuống (2 h  3 h) ở trường hợp này được đánh giá cũng
đạt ở mức rất tốt, điều đó chứng tỏ chế độ hàn đã chọn là hợp lý;
- Cũng giống như mẫu có ký hiệu số 2 - 1 ở hình 4.7 trên đây, kích
thước hạt tinh thể của kim loại cơ bản (hình 4.8 c) nhỏ hơn so với kích thước
hạt của vật liệu mối hàn kết tinh lại (hình 4.8 d).
17

a) No.3-2, x100
b) No.3-2, x100
a) No.3-2, x200

d) No.3-2, x200
Hình 4.8.
Ảnh chụp tổ chức tế vi kim loại mối h
àn và kim lo
ại c
ơ b
ản ở chế độ h
àn
tương ứng với cung hàn 8 h  9 h (lớp hàn 3): a) Biên giới trái; b) Biên gi
ới phải;
c) Kim loại cơ bản; d) Kim loại mối hàn
Các kết quả thực nghiệm ở những vị trí cung hàn quy ước khác đạt
tương tự như trên và cho phép khẳng định các chế độ công nghệ hàn thử
nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm đã đạt yêu cầu về chất lượng tổng hợp
giữa hình thái hình học, chiều sâu ngấu, độ bền cơ học, tổ chức thô đại và tổ
chức tế vi vật liệu kim loại cơ bản và mối hàn. Do đó, dựa trên các số liệu thực
nghiệm có thể xây dựng mô hình toán học mô tả hàm mục tiêu chất lượng mối
hàn tại các vị trí khác nhau quy ước trên toàn bộ chu vi ống hàn thông qua chỉ
tiêu độ ngấu mối hàn phụ thuộc vào 3 thông số công nghệ chính là I
h
, U
h
và
V
h
, nhằm phục vụ cho hàn thử nghiệm nối ống thép đường kính lớn không

quay trên công trình thủy điện ở Việt Nam.
4.3. Xây dựng mô hình toán học chế độ hàn nối ống thép đường kính lớn
không quay trong hệ tọa độ cực:
Qua các kết quả thực nghiệm hàn thử nghiệm trên mô hình thí nghiệm
đã trình bày ở chương 3 và việc đánh giá chất lượng mối hàn ở phần trên có
thể đề xuất bộ thông số xác định chế độ công nghệ hàn hợp lý áp dụng cho
hàn nối các ống thép đường kính lớn ở trạng thái ống không quay như số liệu
cho trong bảng 4.1 và bảng 4.2 dưới đây.
18


Bảng 4.1. Bộ thông số công nghệ chính khi hàn lớp lót trên từng cung hàn
quy ước
Cung hàn Φ, độ Φ, rad I
h
, A
U
h
,
V
V
h
,
m/s
Chi
ều sâu ngấu
thực tế, mm
12h
–

1h

15

0.26166667

190

24

8.6

6.1

1h
–

2h

45

0.785

185

23

8.4

6.0

2h
–

3h

75

1.30833333

175

22.5

7.8

6.
0

3h
–

4h

105

1.83166667

165

21.5

7.3

6.1

4h
–

5h

135

2.355

150

20

6.5

5.9

5h
–

6h

165

2.87833333

140

19

5.8

6.0

6h
–

7h

195

3.40166667

130

18

5.3

5.9

7h
–

8h

225

3.925

135

19

5.5

5.8

8h
–

9h

255

4.44833333

145

20.5

6.5

5.9

9h
–

10h

285

4.97166667

1
60

21.5

7.2

6.0

10h
–

11h

315

5.495

175

23

7.8

6.0

11h
–

12h

345

6.01833333

190

25

8.6

6.1

Bảng 4.2. Bộ thông số công nghệ chính khi hàn lớp điền đầy và lớp phủ trên
từng cung hàn quy ước
Cung hàn
φ

(độ)
φ (rad)

I
h

(A)
U
h

(V)
V
h
(m/s)
1

2

3

4

5

6

12h
–

1h

15

0.26166667

210

24

8.6

1h
–

2h

45

0.785

205

23

8.4

2h
–

3h

75

1.30833333

195

22.5

7.8

3h
–

4h

105

1.83166667

180

21.5

7.3

4h
–

5h

135

2.355

165

20

6.5

5h
–

6h

165

2.87833333

155

19

5.8

6h
–

7h

195

3.40166667

145

18

5.3

7h
–

8h

225

3.925

150

1
9

5.5

8h
–

9h

255

4.44833333

160

20.5

6.5

9h
–

10h

285

4.97166667

175

21.5

7.2

10h
–

11h

315

5.495

195

23

7.8

11h
–

12h

345

6.01833333

210

24

8.6


Việc tính toán xây dựng mô hình toán học xác định chế độ công nghệ
hàn phụ thuộc vị trí mối hàn được quy ước trong tọa độ cực, sử dụng phương
pháp bình phương nhỏ nhất với mô hình toán học đa thức trực giao. Từ đồ thị
dựng được xác định được dạng tổng quát của mô hình thực nghiệm cần tìm.
Trên các hình 4.12, 4.13, 4.14 dưới đây là đồ thị mô tả sự phụ thuộc của các

thông số công nghệ hàn được khảo sát vào vị trí mối hàn.
19


Hình 4.12.
Đ
ồ thị mô tả mối quan hệ giữa c
ư
ờng độ d
òng
đi
ện h
àn và v
ị trí mối h
àn
trong tọa độ cực

Hình 4.13.
Đ
ồ thị mô tả mối quan hệ giữa điện áp h
àn và v
ị trí mối h
àn trong

tọa độ cực

Hình 4.14.
Đ
ồ thị mô tả mối quan hệ giữa vận tốc h
àn và v

ị trí mối h
àn trong
tọa độ cực
Từ các đồ thị trên, nhận thấy các thông số chế độ hàn phụ thuộc vào vị
trí mối hàn trong tọa độ cực theo dạng hàm đa thức bậc ba hoặc bậc bốn. Dựa
theo số liệu trên bảng 4.1 và bảng 4.2, sử dụng phần mềm tính toán ta có mô
hình toán học mô tả mối quan hệ giữa từng thông số chế độ hàn và vị trí mối
hàn trong tọa độ độc cực như sau:
1) Dòng điện hàn (A):
I
hlớp 1
= 184,755+ 23,558 φ  32,47φ
2
+ 8,064φ
3
 0,544.φ
4
; R = 0,995496 (4.1)
I
hlớp 2
= 205,591+ 22,485.φ  33,364 + 8,254.φ
3
 0,544.φ
4
; R = 0,998415 (4.2)
20


2) Điện áp hàn (V):
U

h
= 23,305 + 2.553.φ  3,528.φ
2
+ 0,93.φ
3
 0,068. φ
4
; R = 0,98382 (4.3)
3) Vận tốc hàn (m/h):
V
h
= 8,113 + 2,092.φ  2,425.φ
2
+ 0,623.φ
3
 0,046.φ
4
; R = 0,98816 (4.4)
(trong đó: φ tính theo đơn vị radian).
Kết luận chương 4
Đã nghiên cứu khảo sát và chụp ảnh tổ chức thô đại, tổ chức tế vi
vùng lân cận mối hàn giữa hai đầu kim loại hàn nối cơ bản và vật liệu trong
mối hàn trên kính hiển vi quang học (với độ phóng đại x 100, x 200). Từ đó đã
phân tích đánh giá chất lượng mối hàn thông qua việc tổng hợp các tiêu chí
chính như tổ chức hạt tinh thể của vật liệu tại các vùng phân tích đối với các
mẫu thí nghiệm trên mô hình ở nhiều vị trí cung hàn đặc trưng nhất khác nhau
(hàn trần đi xuống, hàn leo đi xuống, hàn ngửa đi lên, hàn leo đi lên) để so
sánh với tiêu chí chiều sâu ngấu của mối hàn tương ứng, kết quả đạt yêu cầu
kỹ thuật cần thiết;
2) Từ các kết quả thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm và sử dụng

phương pháp bình phương nhỏ nhất đã xây dựng được mô hình toán học (hàm
hồi quy) mô tả ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính khi hàn nối ống
không quay đến hình dáng mối hàn thông qua chỉ tiêu chiều sâu ngấu tại từng
cung hàn. Kết quả cho thấy giữa tính toán lý thuyết từ phương trình hồi quy
và kết quả thực nghiệm không có sự chênh lệch đáng kể. Nhờ đó có thể điều
khiển vô cấp chế độ hàn giúp thuận lợi hơn cho quá trình điều khiển quá trình
hàn đảm bảo chất lượng cao và ổn định;
3) Kết quả tính toán và lựa chọn bộ thông số công nghệ hàn nối ống
không quay phù hợp, đảm bảo được chiều sâu ngấu tại từng cung hàn trên
toàn bộ chu vi ống đạt giá trị tốt nhất, điều đó làm cơ sở khoa học cho việc
xác định chế độ hàn hợp lý, nâng cao chất lượng mối hàn theo đặc tính cơ lý,
tổ chức tế vi vật liệu mối hàn, cũng như chiều sâu ngấu đạt độ đồng đều cao
trên toàn bộ chu vi ống. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở chương 3 và
chương 4 được đề xuất áp dụng trong hàn nối các đường ống thép có đường
kính lớn và không quay trên các công trình thủy điện (chương 5).
Chương 5. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ THÍCH HỢP ĐỂ HÀN NỐI ỐNG THÉP ĐƯỜNG KÍNH
LỚN KHÔNG QUAY TRÊN CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM
5.1. Hàn nối ống thép đường kính lớn không quay trên hiện trường và
đánh giá kết quả
Trên hình 5.3 là một trong các ảnh chụp quá trình chuẩn bị đồ gá hàn
cùng với việc kiểm tra các phôi thép ống cần hàn nối, còn hình 5.4 – tích hợp
điều khiển PLC cho hệ thống máy hàn tự động nối ống đường kính lớn không
quay ở hiện trường công trình nhà máy thủy điện ở Việt Nam. Hình 5.4; 5.6;
5.7; 5.9 và hình 5.10 là ví dụ một số trong các ảnh tư liệu chụp quá trình hàn
21

nối ống thép trên công trình và các mối hàn tương ứng tại các vị trí cung hàn
quy ước.
a)

b)
Hình 5.3.
Ảnh chụp việc điều chỉnh bộ phận cấp dây h
àn đ
ể h
àn th
ử nghiệm nối ống
thép đường kính lớn không quay tại hiện trường

a)

b)

Hình 5.4. Tích h
ợp điều khiển PLC theo các chế độ h
àn n
ối ống

đư
ờng kính lớn
không quay áp dụng ở quy mô công trình thủy điện Việt Nam

a) Vị trí cung hàn 1 h ÷ 2 h
b)Vị trí cung hàn 1 h ÷ 2 h
Hình 5.6. Ảnh chụp quá trình hàn nối ống đường kính lớn không quay tại hiện trư
ờng
công trình thủy điện: a) Cung hàn trần đi xuống; b) Mối hàn tương ứng
Kết quả phân tích đánh giá chất lượng tổng hợp các mối hàn tại tất cả
các cung hàn ở 12 vị trí phân vùng khác nhau theo quy ước trên chu vi ống

thép hàn nối ở trạng thái ống không quay, đã thực hiện hàn theo các chế độ
22


đề xuất dựa trên cơ sở xây dựng mô hình toán học mô tả hàm mục tiêu độ
ngấu phụ thuộc vào chế độ hàn tương ứng với mỗi vị trí (I
h
, U
h
, V
h
) đã cho
kết quả tốt, mối hàn đảm bảo yêu cầu cần thiết của công trình.
a) Vị trí cung hàn 2 h ÷ 3 h

b) Vị trí cung hàn 2 h ÷ 3 h

Hình 5.7.
Ảnh chụp quá tr
ình hàn n
ối ống đ
ư
ờng kính lớn không quay tại hiện
trường công trình thủy điện: a) Cung hàn leo đi xuống; b) Mối hàn tương ứng
a) Vị trí cung hàn 4 h ÷ 5 h

b) Vị trí cung hàn 4 h ÷ 5 h
Hình 5.9.
Ảnh chụp quá tr
ìn

h hàn n
ối ống đ
ư
ờng kính lớn không quay tại hiện
trường công trình thủy điện: a) Cung hàn ngửa đi xuống; b) Mối hàn tương ứng
a) Vị trí cung hàn 5 h ÷ 6 h


b) Vị trí cung hàn 5 h ÷ 6 h
Hình 5.10.
Ảnh chụp quá tr
ình hàn n
ối ống đ
ư
ờng kính lớn không qu
ay t
ại hiện
trường công trình thủy điện: a) Cung hàn ngửa đi xuống; b) Mối hàn tương ứng
23

5.2. Kiểm định chất lượng mối hàn nối ống thép đường kính lớn không
quay trên hiện trường
Qua kết quả kiểm tra chất lượng mối hàn cho thấy: Chế độ hàn nối các
ống thép đường kính lớn không quay tại hiện trường công trình nhà máy thủy
điện Nậm Khánh được đề xuất dựa trên cơ sở khoa học của đề tài luận án là
hợp lý, đảm bảo chất lượng mối hàn nối đạt yêu cầu kỹ thuật của nhà đầu tư.
Với mô hình đề xuất có thể mở rộng phạm vi ứng dụng cho việc hàn nối các
loại ống thép có gam đường kính khác, lần đầu tiên ứng dụng thành công ở
Việt Nam và là đóng góp mới về mặt lý luận khoa học trong lĩnh vực chuyên
ngành hàn của tác giả luận án.

Kết luận chương 5
1) Đã tổ chức thực hiện ứng dụng kết quả nghiên cứu của đề tài luận án
với đề xuất các chế độ hàn thích hợp cho việc hàn thử nghiệm các ống thép có
đường kính lớn ở trạng thái ống không quay trên quy mô hiện trường công trình
nhà máy thủy điện Nậm Khánh (Bắc Hà, Lào Cai) đạt kết quả khả quan, chất
lượng mối hàn được đánh giá qua xem xét hình thái bề mặt và kiểm tra bằng
phương pháp siêu âm cho thấy đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của nhà đầu tư;
2) Việc lấy mẫu nghiên cứu khảo sát và chụp ảnh tổ chức tế vi kim loại
mối hàn trên các ống thép được hàn nối của công trình thủy điện nói trên là
không thực hiện được, tuy vậy có thể đánh giá bằng cách so sánh với đặc điểm
cấu trúc tế vi mối hàn đã nhận được ở cùng vị trí cung hàn quy ước thự hiện
trên các mẫu hàn nối theo mô hình thí nghiệm đã nêu trong chương 4 để suy
ra đặc tính cấu trúc của kim loại trong mối hàn cũng như biên giới giữa các
lớp hàn lót (1), hàn điền đầy (2) và hàn phủ (3) với nhau và với kim loại cơ
bản trên hai đầu ống thép được hàn nối;
3) Công nghệ hàn nối ống thép đường kính lớn không quay được đề
xuất từ những kết quả xây dựng mô hình toán học thực nghiệm mô tả ảnh
hưởng của các chế độ hàn khác nhau tại từng vị trí cung hàn quy ước trên
toàn bộ chu vi ống đến chất lượng mối hàn qua tiêu chí độ ngấu đã giúp cho
việc giảm thiểu các công việc hàn nối ống lớn không quay trên quy mô hiện
trường công trình thủy điện ở Việt Nam là đóng góp mới về mặt khoa học và
thực tiễn của tác giả luận án này.
KẾT LUẬN CHUNG
Từ những nội dung đề cập trong công trình luận án này, có thê rút ra các
kết luận như sau:
1) Đã trình bày khái quát về các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm bao gồm:vật liệu, công nghệ và thiết bị hàn nối ống không quay ở
trong và ngoài nước, từ đó phân tích đánh giá nguyên lý hoạt động, các đặc
điểm vận hành hệ thống hàn tự động nối ống không quay nói chung và giới
hạn nội dung nghiên cứu của đề tài luận án;

2) Đã đề xuất mô hình để thực hiện các thí nghiệm theo quy hoạch
thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn chính
(dòng điện hàn, điện áp hàn, vận tốc hàn, lưu lượng khí bảo vệ, tầm với điện
cực, biên độ dao động đầu hàn, tần số dao động đầu hàn) đến chất lượng mối
24


hàn nối đường ống thép đường kính lớn ở trạng thái không quay và trình bày
các phương pháp kiểm định chất lượng mối hàn làm cơ sở khoa học cho việc
đánh giá các kết quả thực nghiệm của đề tài luận án;
3) Đã thực hiện hàn thử nghiệm theo các chế độ quy hoạch thực
nghiệm trực giao hai cấp ba thông số khảo sát và tính toán xây dựng các mô
hình toán học mô tả hàm mục tiêu chất lượng mối hàn (chiều sâu ngấu) phụ
thuộc vào 3 thông số công nghệ chính (dòng điện hàn, điện áp hàn, vận tốc
hàn) và đánh giá chất lượng tổng hợp của mối hàn thu nhận được ở các chế độ
hàn nối ống không quay trên 12 cung xác định vị trí hàn khác nhau, Kết quả
thực nghiệm là cơ sở khoa học đáng tin cậy cho việc đề xuất chế độ công nghệ
hàn hợp lý áp dụng để hàn nối ống thép đường kính lớn không quay trên quy
mô hiện trường các công trình thủy điện ở Việt Nam;
4) Đã nghiên cứu khảo sát và chụp ảnh tổ chức thô đại và tổ chức tế vi
vật liệu trong 03 lớp của mối hàn lót (1); hàn điền đầy (2) và hàn phủ (3) và
biên giới liên kết của vật liệu mối hàn với kim loại nền cư bản trên hai đầu
ống thép hàn nối ở trạng thái không quay của các mẫu quy hoạch thực nghiệm
nhận được khi hàn nối trên mô hình thí nghiệm với 12 cung hàn quy ước. Kết
quả nhận được là cơ sở khoa học góp phần luận giải các quan điểm đánh giá
chất lượng tổng hợp cùng với phương pháp kiểm tra khuyết tật bằng siêu âm
mối hàn nối các ống thép đường kính lớn không quay khi hàn trên công trình
thủy điện ở Việt Nam;
5) Từ kết quả thực nghiệm và tính toán xây dựng mô hình toán học hàm
hồi quy chiều sâu ngấu của mối hàn tương ứng với các cung hàn quy ước trong

hệ tọa độ cực, đã đề xuất các chế độ hàn hợp lý tại 12 cung hàn (thay cho mô
hình phân chia thành 4 cung hàn như hiện nay) với các mức điều chỉnh thông số
công nghệ hàn chính như: cường độ dòng hàn (I
h
); điện áp hàn (U
h
) và tốc độ di
chuyển đầu hàn (V
h
) ở các giá trị tầm với và dao động lắc của đầu hàn thích
hợp, đảm bảo chất lượng mối hàn tổng hợp về cơ tính và đặc điểm tính chất của
tổ chức tế vi kim loại lân cận vùng hàn tốt nhất;
6) Đã thực hiện việc ứng dụng kết quả nghiên cứu của đề tài luận án
trên mô hình thí nghiệm để áp dụng cho việc tự động vứi điều khiển vô cấp
quá trình hàn nối các ống thép không quay trên hiện trường các công trình
thủy điện ở Việt Nam, trong đó có nhà máy thủy điện Nậm Khánh (Bấc Hà,
Lào Cai) và đánh giá chất lượng mối hàn nối tương ứng với các phân vùng
khảo sát theo vị trí cung hàn quy ước đạt yêu cầu kỹ thuật của nhà đầu tư, góp
phần làm chủ công nghệ mới thuộc lĩnh vực hàn tiên tiến trong xây dựng các
công trình trọng điểm của Nhà nước, tiết kiệm ngoại tệ nhập khẩu công nghệ;
7) Góp phần tự đào tạo nâng cao trình độ công nghệ của nhóm nghiên cứu
tại Viện Nghiên cứu Cơ khí, sẵn sàng chuyển giao công nghệ cho đối tác có
nhu cầu đầu tư công nghệ và thiết bị hàn nối đường ống ở trạng thái ống
không quay trong công nghiệp và các công trình xây dựng trọng điểm.