Nghiên cứu trạng thái ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN HỒNG THANH

NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT DƯ
TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN HỒNG THANH

NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT DƯ
TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG

Ngành: KỸ THUẬT VẬT LIỆU
Mã số: 9520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương
2. TS. Hà Xuân Hùng

Hà Nội – 2019

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng ai công bố trong bất cứ công
trình nào khác.
TM. TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội, ngày ...tháng.... năm 2019
Người cam đoan

PGS. TS Nguyễn Tiến Dương

i


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS. TS Nguyễn Tiến Dương và TS. Hà Xuân
Hùng đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện và động viên trong suốt quá trình học
tập, nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Vũ Đình Toại và các thầy, cô Bộ môn Hàn và
Công nghệ kim loại – Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và động
viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa cơ khí, Trung tâm thực hành
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định và các bạn thân hữu cùng các thầy cô
giáo Bộ môn Cơ khí hàn, đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi
và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án này. Tác giả
xin chân thành cảm ơn ThS. Vũ Văn Đạt, ThS. Vũ Mạnh Hùng, ThS. Vũ Văn Khánh
đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án.
Tác giả xin cảm ơn Phòng thí nghiệm phá hủy Học viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp
đỡ tác giả thực hiện việc đo ứng suất dư liên kết hàn tiết diện ống dạng chữ K.
Tác giả xin chân thành cảm ơn công ty TNHH ESI Việt Nam (đặc biệt là kỹ sư

CAE Lương Vũ Nam) đã có những đóng góp ý kiến về mô phỏng giúp tác giả hoàn
thành bản luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thế Ninh, HRL Technology Group Pty
Ltd đã có những đóng góp quý báu giúp tác giả hoàn thành phần mô phỏng liên kết
hàn nút giàn dạng ống chữ K.
Cuối cùng, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố, mẹ kính yêu và vợ Nguyễn
Thị Như Hoa; hai con: Nguyễn Hồng Sơn và Nguyễn Phương Linh cùng toàn thể các
thành viên trong gia đình đã giành những tình cảm đặc biệt cùng lời động viên và tạo
mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này.
Tác giả luận án

Nguyễn Hồng Thanh

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................. ix
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Mục đích nghiên cứu ................................................................................................ 2
Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................... 2
Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................. 2
Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................................ 3
Các đóng góp mới của luận án ................................................................................ 3

Kết cấu của luận án .................................................................................................. 4
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ................................ 5
1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ..................................................................... 5
1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài .................................................................. 6
Kết luận chương 1..................................................................................................... 8
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 10
2.1 Giàn hàn và giàn hàn dạng ống ....................................................................... 10
2.1.1 Kết cấu giàn................................................................................................. 10
2.1.2 Giàn có tiết diện dạng rỗng ......................................................................... 11
2.1.3 Ứng dụng của kết cấu giàn dạng rỗng......................................................... 18
2.2 Các phương pháp hàn sử dụng để chế tạo kết cấu giàn hàn ........................ 20
2.3 Hàn kết cấu giàn dạng ống bằng quá trình hàn hồ quang điện cực nóng chảy
trong môi trường khí bảo vệ .................................................................................. 21
2.3.1 Nguyên lý và đặc điểm của quá trình hàn ................................................... 21
2.3.2 Các thông số ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn ........................................ 22
2.4 Cơ sở tính toán xác định trường nhiệt độ và ứng suất dư hàn .................... 29
2.4.1 Tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K ...... 30
2.4.2 Sự hình thành ứng suất dư khi hàn .............................................................. 33
2.5 Các phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn ......................... 40
2.5.1 Giới thiệu chung .......................................................................................... 40
2.5.2 Các phương pháp xác định ứng suất dư ...................................................... 41
Kết luận chương 2................................................................................................... 45
Chương 3. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT DƯ TRONG
LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG CHỮ K ........................................... 47
3.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................... 47
iii


3.1.1 Mô phỏng tính toán bài toán cơ - nhiệt trong liên kết hàn .......................... 47
3.1.2 Mô phỏng tính toán quá trình chuyển biến pha trong liên kết hàn ............ 48

3.2 Tính toán, mô phỏng trường ứng suất trong liên kết hàn bằng phương pháp
phần tử hữu hạn ..................................................................................................... 53
3.2.1 Tính toán mô phỏng bài toán nhiệt - đàn hồi - dẻo bằng phương pháp phần
tử hữu hạn ............................................................................................................. 53
3.2.2 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng tính toán liên kết
hàn ........................................................................................................................ 57
3.3 Mô hình hóa và mô phỏng số liên kết nút giàn dạng ống chữ K .................. 59
3.3.1 Mô hình hóa liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K .................................... 62
3.3.2 Mô hình nguồn nhiệt hàn GMAW .............................................................. 70
3.3.3 Các thông số của vật liệu ............................................................................ 71
3.3.4 Các điều kiện biên và điều kiện đầu ........................................................... 74
3.4 Xác định chế độ hàn phù hợp cho liên kết nút giàn dạng ống chữ K .......... 75
3.4.1 Tính toán xác định chế độ hàn sơ bộ........................................................... 75
3.4.2 Thông số chế độ hàn mô phỏng .................................................................. 79
3.4.3 Hiệu chỉnh mô hình nguồn nhiệt ................................................................. 79
3.5 Thiết lập trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K ........................................... 79
3.5.1 Các trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K .................................................. 79
3.5.2 Thời gian hàn và thời gian làm nguội khi hàn các đường ........................... 80
3.6 Kết quả tính toán mô phỏng ............................................................................ 81
3.6.1 Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K ....... 81
3.6.2 Trường ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K .................... 86
3.6.3 Chuyển biến pha của kim loại mối hàn ....................................................... 96
Kết luận chương 3................................................................................................... 98
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ...................................................... 99
4.1 Mục đích ............................................................................................................ 99
4.2 Thực nghiệm hàn liên kết nút giàn dạng ống chữ K ..................................... 99
4.2.1 Thiết bị hàn ................................................................................................. 99
4.2.2 Vật liệu hàn ............................................................................................... 100
4.2.3 Chuẩn bị mẫu hàn...................................................................................... 100
4.2.4 Quy trình thực nghiệm .............................................................................. 101

4.2.5 Kiểm tra ngoại dạng liên kết hàn .............................................................. 104
4.3 Xác định ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng kỹ thuật
khoan lỗ ................................................................................................................. 105
4.3.1 Thiết bị đo ................................................................................................. 105
4.3.2 Các bước tiến hành .................................................................................... 106
Kết luận chương 4................................................................................................. 110
Chương 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN ................................... 111
iv


5.1 Kích thước vũng hàn ...................................................................................... 111
5.2 Ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tại một số vị trí khảo
sát ........................................................................................................................... 111
5.2.1 Tại vị trí 1 .................................................................................................. 111
5.2.2 Tại vị trí 2 .................................................................................................. 113
5.2.3 Tại vị trí 3 .................................................................................................. 114
5.2.4 Tại vị trí 4 .................................................................................................. 115
5.3 Kiểm chứng kết quả tính toán mô phỏng ứng suất dư trong liên kết nút giàn
dạng ống chữ K ..................................................................................................... 117
5.3.1 Tại vị trí 1 .................................................................................................. 117
5.3.2 Tại vị trí 2 .................................................................................................. 117
5.3.3 Tại vị trí 3 .................................................................................................. 118
5.3.4 Tại vị trí 4 .................................................................................................. 118
5.4 Đề xuất các biện pháp làm giảm ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng
ống chữ K .............................................................................................................. 119
5.4.1 Các biện pháp kết cấu ............................................................................... 119
5.4.2 Các biện pháp công nghệ .......................................................................... 120
Kết luận chương 5................................................................................................. 120
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 122
Kết luận ................................................................................................................. 122

Kiến nghị ............................................................................................................... 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 123
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 128

v


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu/ Viết tắt
AWS
SAW

Đơn vị

GMAW
GTAW
SMAW
FCAW
HAZ
KLCB
KLMH
PP-PTHH
CHS
CJP
PJP
CP
DT
S, d
vh
Uh

Ih
B
ddh
x
Von misses stress
Stress XX
Stress YY
Stress ZZ
T
TCXDVN
LKH
FZ
A
Ltt
a
c
C.R


mm
mm/s
V
A
mm
mm
MPa
MPa
MPa
MPa
MPa

o
C

mm2
mm
W/m độ
J/kg.K
o
Cs-1

Ý nghĩa
Hiệp hội hàn Mỹ
Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc
Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi
trường khí bảo vệ
Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong
môi trường khí bảo vệ
Hàn hồ quang que hàn thuốc bọc
Hàn hồ quang day hàn lõi thuốc
Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone)
Kim loại cơ bản
Kim loại mối hàn
Phương pháp phần tử hữu hạn
Tiết diện rỗng dạng ống
Hàn ngấu hoàn toàn
Hàn ngấu một phần
Cổ phần
Phá hủy
Chiều dày vật hàn
Vận tốc hàn

Điện áp hồ quang
Dòng điện hàn
Tầm với điện cực
Đường kính điện cực
Ứng suất dư
Ứng suất tương đương
Ứng suất pháp theo phương X
Ứng suất pháp theo phương Y
Ứng suất pháp theo phương Z
Sự chênh lệch nhiệt độ
Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam
Liên kết hàn
Vùng nóng chảy
Diện tích làm việc của mối hàn
Chiều dài tính toán đường hàn
Độ dẫn nhiệt
Nhiệt dung riêng
Tốc độ nguội
Hiệu suất hồ quang
vi


Hm-Hc
k
Pr
Q
q0
c
Re
T

t
T0
Tc
Δt8/5
m

J/mm3
W/mmoC
W
J/mm
J/mm3oC
o

C
s
o
C
o
C
s
l/phút

Gia số Enthalpy
Hệ số dẫn nhiệt
Hệ số Prandtl
Nhiệt lượng tỏa ra
Năng lượng đường
Nhiệt dung khối
Hệ số Reynolds
Nhiệt độ tại thời điểm khảo sát

Thời gian
Nhiệt độ ban đầu
Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu
Thời gian nguội từ 800oC ÷ 500oC
Lưu lượng khí bảo vệ

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1 So sánh giới hạn bền xoắn của một số tiết diện đặc trưng ...................... 14
Bảng 2. 2 Tốc độ cấp dây và cường độ dòng điện khi hàn trong khí bảo vệ CO2 ... 24
Bảng 2. 3 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn ....................... 27
Bảng 2. 4 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn ................ 28
Bảng 2. 5 Một số thông số hàn tiêu biểu dùng cho hàn thép.................................... 28
Bảng 3. 1 Nhiệt độ chuyển biến pha của thép S355J2G3 ........................................ 51
Bảng 3. 2 Thông số mối ghép chữ K ........................................................................ 65
Bảng 3. 3 Mô hình nguồn nhiệt hàn thực nghiệm theo Goldak ............................... 71
Bảng 3. 4 Chế độ hàn sơ bộ 1 ................................................................................... 77
Bảng 3. 5 Chế độ hàn sơ bộ 2 ................................................................................... 77
Bảng 3. 6 Chế độ hàn sơ bộ 3 ................................................................................... 78
Bảng 3. 7 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết nút giàn dạng ống chữ K ..................... 79
Bảng 3. 8 Chế độ hàn mô phỏng liên kết nút giàn dạng ống chữ K ......................... 79
Bảng 3. 9 Thời gian hàn và thời gian làm nguội ...................................................... 80
Bảng 3. 10 Kí hiệu quy ước các tổ chức kim loại khi hàn ....................................... 96
Bảng 4. 1 Bảng thông số kỹ thuật của máy hàn series KR....................................... 99
Bảng 4. 2 Thành phần hóa học của dây hàn ........................................................... 100
Bảng 4. 3 Cơ tính của dây hàn ER 70S .................................................................. 100
Bảng 4. 4 Thành phần hóa học của kim loại cơ bản............................................... 101
Bảng 4. 5 Cơ tính của thép A572 Grade 50............................................................ 101

Bảng 4. 6 Chế độ hàn liên kết hàn chữ K tiết diện ống .......................................... 101
Bảng 5. 1 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 1 .................................. 111
Bảng 5. 2 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 2 .................................. 113
Bảng 5. 3 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 3 .................................. 114
Bảng 5. 4 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 4 .................................. 116
Bảng 5. 5 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 1 .................................................. 117
Bảng 5. 6 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 2 .................................................. 118
Bảng 5. 7 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 3 .................................................. 118
Bảng 5. 8 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 4 .................................................. 119
Bảng 5. 9 Bảng so sánh kết quả mô phỏng và đo ứng suất bằng khoan lỗ ............ 119

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 2. 1 Kết cấu thép: a) Liên kết đinh tán; b) Liên kết hàn bán bu lông .............. 10
Hình 2. 2 Liên kết giàn hàn a) Tiết diện hình hộp; b) Tiết diện thép góc ................ 10
Hình 2. 3 Các loại giàn ............................................................................................ 11
Hình 2. 4 Các loại nút giàn ....................................................................................... 12
Hình 2. 5 Các thông số hình học của mối ghép chữ K ............................................. 12
Hình 2. 6 Kiểu tiết diện ống rỗng trong tự nhiên .................................................... 13
Hình 2. 7 Ứng dụng kết cấu dạng ống ..................................................................... 13
Hình 2. 8 Sơn bảo vệ bề mặt thép (a); Cây cầu Fifth of Forth (b) .......................... 14
Hình 2. 9 Ảnh hưởng của áp lực gió (chất lỏng) đến loại tiết diện ngang .............. 14
Hình 2. 10 Một số ví dụ về giàn .............................................................................. 15
Hình 2. 11 Liên kết hàn bán bu lông – đai ốc .......................................................... 16
Hình 2. 12 Liên kết bằng hàn thông qua bản mã ...................................................... 16
Hình 2. 13 Một số kiểu ghép liên kết hàn dạng ống ................................................ 17
Hình 2. 14 Liên kết hàn ống chữ K phẳng ............................................................... 17
Hình 2. 15 Một số loại mối ghép kết cấu rỗng đa phương ...................................... 18

Hình 2. 16 Liên kết hàn ống đa phương ................................................................... 18
Hình 2. 17 Một số kết cấu sử dụng vật liệu ống ...................................................... 19
Hình 2. 18 Kết cấu rỗng trong xây dựng ................................................................. 20
Hình 2. 19 Sơ đồ nguyên lý hàn GMAW ................................................................ 21
Hình 2. 20 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn ......... 23
Hình 2. 21 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn ............. 24
Hình 2. 22 Ảnh hưởng của điện áp hàn đến hình dạng mối hàn ............................. 25
Hình 2. 23 Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng mối hàn ............................... 26
Hình 2. 24 Tầm với điện cực (a) và Quan hệ dòng điện – Tầm với điện cực (b) ... 26
Hình 2. 25 Tầm với điện cực khi dịch chuyển ngắn mạch (a); Tầm với điện cực khi
dịch chuyển tia dọc trục (b) ..................................................................................... 27
Hình 2. 26 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn ...................... 27
Hình 2. 27 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn .............. 27
Hình 2. 28 Lưu lượng khí phụ thuộc đường kính chụp khí và dòng điện hàn ........ 28
Hình 2. 29 Tương quan giữa vị trí và nhiệt độ ........................................................ 31
Hình 2. 30 Ba trạng thái cơ bản trong hàn hồ quang ................................................ 32
Hình 2. 31 Mô hình nguồn nhiệt di động ................................................................. 33
Hình 2. 32 Biến dạng đàn hồi và dẻo đơn trục của vật liệu .................................... 35
Hình 2. 33 Lý tưởng hóa đường cong ứng suất – biến dạng .................................... 36
Hình 2. 34 Quá trình hình thành ứng suất dư trong hàn .......................................... 38
Hình 2. 35 Sự phân bố ứng suất dư trong liên kết hàn giáp mối (a) Hàn liên tục; (b)
Hàn phân đoạn .......................................................................................................... 39
Hình 2. 36 Sự phân bố ứng suất trong liên kết hàn góc .......................................... 39
Hình 2. 37 Phân bố ứng suất dư dọc và ngang trong liên kết hàn góc .................... 40
Hình 2. 38 Cảm biến để xác định biến dạng dư ....................................................... 42
Hình 2. 39 Sự phân bố ứng suất dư a) Ứng suất phân bố đều ; b) Ứng suất phân bố
không đều ................................................................................................................. 42
Hình 2. 40 Nguyên lý nhiễu xạ tia X ....................................................................... 43
Hình 2. 41 Thiết bị siêu âm ..................................................................................... 45

ix


Hình 3. 1 Sơ đồ cơ học tính toán trong hàn ............................................................. 47
Hình 3. 2 Các vấn đề chính trong thiết kế và kiểm tra mối hàn (QA/QC – là đảm bảo
chất lượng, kiểm soát chất lượng) ............................................................................ 48
Hình 3. 3 Quan hệ giữa các phương pháp tính và thực nghiệm .............................. 48
Hình 3. 4 Đồ thị chuyển biến pha ............................................................................ 49
Hình 3. 5 Giản đồ pha sắt – các bon ........................................................................ 50
Hình 3. 6 Cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt ................................................. 51
Hình 3. 7 Cấu trúc tế vi khi hàn 1 lớp (a); nhiều lớp (b) ......................................... 52
Hình 3. 8 Mối quan hệ giữa các trường khác nhau trong phân tích hàn ................. 53
Hình 3. 9 Các bước xây dựng dạng hình học tính toán ........................................... 58
Hình 3. 10 Một số mô hình vật thể lý tưởng ........................................................... 58
Hình 3. 11 Trình tự lựa chọn quá trình mô phỏng ................................................... 59
Hình 3. 12 Các chương trình con trong mô phỏng hàn ........................................... 60
Hình 3. 13 Khả năng tính toán của SYSWELD ....................................................... 61
Hình 3. 14 Trình tự thực hiên mô phỏng hàn ........................................................... 63
Hình 3. 15 Quy cách thiết kế mối ghép chữ K tiết diện rỗng .................................. 64
Hình 3. 16 Mô hình 3D liên kết hàn chữ K .............................................................. 64
Hình 3. 17 Bố trí đường hàn, lớp hàn ....................................................................... 65
Hình 3. 18 Kiểu lưới phần tử a) Phần tử 1-D; (b, c) Phần tử 2-D; d) Phần tử 3-D .. 66
Hình 3. 19 Định đoạn và chia lưới ống chính .......................................................... 66
Hình 3. 20 Kích thước lưới vùng mối hàn và vùng HAZ......................................... 67
Hình 3. 21 Chia lưới hoàn chỉnh trên ống chính ...................................................... 67
Hình 3. 22 Chia lưới 2 ống nhánh ............................................................................ 68
Hình 3. 23 Chia lưới mối hàn ................................................................................... 68
Hình 3. 24 Nút thuộc các phần tiếp xúc nhau .......................................................... 68
Hình 3. 25 Mô hình hoá liên kết hàn chữ K ............................................................. 69
Hình 3. 26 Điểm bắt đầu và kết thúc đường hàn ...................................................... 70

Hình 3. 27 Mô hình nguồn nhiệt hàn GMAW ......................................................... 70
Hình 3. 28 Khối lượng riêng của thép S355J2G3 .................................................... 71
Hình 3. 29 Hệ số dẫn nhiệt của thép S355J2G3 ....................................................... 72
Hình 3. 30 Nhiệt dung riêng của thép S355J2G3 ..................................................... 72
Hình 3. 31 Giới hạn chảy của thép S355J2G3 ........................................................ 73
Hình 3. 32 Đồ thị CCT của thép S355J2G3 ............................................................ 73
Hình 3. 33 Đường cong hóa bền – biến dạng .......................................................... 74
Hình 3. 34 Mô hình vỏ trao đổi nhiệt ....................................................................... 74
Hình 3. 35 Quỹ đạo đường hàn và đường dẫn ......................................................... 75
Hình 3. 36 Vị trí kẹp chặt liên kết hàn ống chữ K khi mô phỏng ............................ 75
Hình 3. 37 Thiết kế mối ghép .................................................................................. 76
Hình 3. 38 Hình ảnh mối hàn chế độ hàn 1 .............................................................. 77
Hình 3. 39 Hình ảnh mối hàn chế độ hàn 2 .............................................................. 78
Hình 3. 40 Hình ảnh mối hàn chế độ hàn 3 .............................................................. 78
Hình 3. 41 Hiệu chỉnh mô hình nguồn nhiệt ............................................................ 79
Hình 3. 42 Trình tự thực hiện các đường hàn........................................................... 80
Hình 3. 43 Kỹ thuật Contour Display of Activated Elements trên Sysweld 2015 ... 81
Hình 3. 44 Trường nhiệt độ khi mô phỏng trường hợp hàn thứ nhất a) Đường hàn 1;
b) Đường hàn 2; c) Đường hàn 3 .............................................................................. 82
x


Hình 3. 45 Hình dạng vũng hàn và các đường đẳng nhiệt khi hàn đường 2 ............ 82
Hình 3. 46 Trường hợp các nút không trùng nhau ................................................... 83
Hình 3. 47 Chu trình nhiệt tại nút 22526 thuộc đường hàn lót trường hợp hàn 1 .... 84
Hình 3. 48 Chu trình nhiệt hàn vùng HAZ trường hợp hàn 1 .................................. 84
Hình 3. 49 Chu trình nhiệt của các nút theo chiều dày thành ống chính.................. 85
Hình 3. 50 Đồ thị nhiệt độ tại nút 66879 .................................................................. 85
Hình 3. 51 Ứng suất tương đương ............................................................................ 86
Hình 3. 52 Ứng suất pháp theo phương X ................................................................ 87

Hình 3. 53 Ứng suất pháp theo phương Y ................................................................ 89
Hình 3. 54 Ứng suất dư tập trung tại điểm đầu và cuối đường hàn ......................... 89
Hình 3. 55 Phân bố ứng suất khi hàn đường 1 ống nhánh 1 .................................... 90
Hình 3. 56 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 2 ống nhánh 1 .............................. 90
Hình 3. 57 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 3 ống nhánh 1 .............................. 90
Hình 3. 58 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 1 ống nhánh 2 .............................. 91
Hình 3. 59 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 2 ống nhánh 2 .............................. 91
Hình 3. 60 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 6 ................................................... 92
Hình 3. 61 Sự phân bố ứng suất dư sau khi hàn 2400s ............................................ 92
Hình 3. 62 Sự phân bố ứng suất dư sau khi hàn 4000s ............................................ 93
Hình 3. 63 Phân bố ứng suất Von mises trên bề mặt ống chính .............................. 93
Hình 3. 64 Phân bố ứng suất dư trên bề mặt ống chính theo phương X trường hợp hàn
4 ................................................................................................................................ 93
Hình 3. 65 Phân bố ứng suất dư Von mises theo chiều dài ống chính ..................... 94
Hình 3. 66 Sự phân bố ứng suất dư vùng HAZ theo chiều dày thành ống............... 94
Hình 3. 67 Đường lấy kết quả ứng suất dư theo chiều dày thành ống ..................... 95
Hình 3. 68 Phân bố ứng suất dư theo đường Đ2 và Đ5 ........................................... 95
Hình 3. 69 Phân bố ứng suất dư theo đường Đ3 và Đ6 ........................................... 96
Hình 3. 70 Phân bố ứng suất dư theo đường Đ1 và Đ3 ........................................... 96
Hình 3. 71 Chuyển biến pha trong khi hàn a) Pha Mactensit; b) Pha Bainite; c) Pha
Mactensit ram; d) Pha Ostenite dư ........................................................................... 97
Hình 4. 1 Thiết bị hàn GMAW ................................................................................. 99
Hình 4. 2 Quy cách mối ghép chữ K tiết diện ống ................................................ 100
Hình 4. 3 Thiết kế mối hàn .................................................................................... 100
Hình 4. 4 Chuẩn bị mối ghép hàn thực nghiệm ...................................................... 101
Hình 4. 5 Gá đính phôi hàn liên kết ống chữ K ...................................................... 102
Hình 4. 6 Điều chỉnh chế độ hàn ............................................................................ 102
Hình 4. 7 Hàn lớp lót, đường hàn thứ nhất ............................................................. 102
Hình 4. 8 Hàn lớp phủ, đường hàn thứ 2 ................................................................ 103
Hình 4. 9 Hàn lớp phủ, đường hàn thứ 3 ................................................................ 103

Hình 4. 10 Liên kết hàn chữ K hoàn thiện ............................................................. 104
Hình 4. 11 Đường hàn thứ nhất .............................................................................. 104
Hình 4. 12 Đường hàn thứ 2 ................................................................................... 104
Hình 4. 13 Đường hàn thứ 3 ................................................................................... 105
Hình 4. 14 Thiết bị đo ứng suất và biến dạng - P3 ................................................. 105
Hình 4. 15 Lá đo điện trở ....................................................................................... 106
Hình 4. 16 Các loại mũi khoan ............................................................................... 106
Hình 4. 17 Vị trí đặt lá đo điện trở trên mẫu .......................................................... 107
xi


Hình 4. 18 Kết nối với thiết bị đo ........................................................................... 107
Hình 4. 19 Định vi đồ gá trên mẫu đo .................................................................... 107
Hình 4. 20 Hiệu chỉnh tâm lỗ khoan....................................................................... 108
Hình 4. 21 Hiệu chỉnh thiết bị đo ........................................................................... 108
Hình 4. 22 Lắp đặt máy khoan trên bộ định vị ....................................................... 108
Hình 4. 23 Khoan lỗ ............................................................................................... 109
Hình 4. 24 Lỗ đã khoan hoàn thành ....................................................................... 109
Hình 4. 25 Kết quả đo biến dạng ............................................................................ 109
Hình 5. 1 So sánh kích thước vũng hàn giữa mô phỏng và thực nghiệm............... 111
Hình 5. 2 Vị trí lỗ khoan 1 ...................................................................................... 111
Hình 5. 3 Phân bố ứng suất chính tại vị trí 1 .......................................................... 112
Hình 5. 4 Phân bố ứng suất theo phương X và Y tại vị trí 1 .................................. 112
Hình 5. 5 Vị trí lỗ khoan 2 ...................................................................................... 113
Hình 5. 6 Phân bố ứng suất chính tại vị trí 2 .......................................................... 113
Hình 5. 7 Phân bố ứng suất theo phương X và Y tại vị trí 2 .................................. 114
Hình 5. 8 Vị trí lỗ khoan 3 ...................................................................................... 114
Hình 5. 9 Phân bố ứng suất chính tại vị trí 3 .......................................................... 115
Hình 5. 10 Phân bố ứng suất theo phương X và Y tại vị trí 3 ................................ 115
Hình 5. 11 Vị trí lỗ khoan 4 .................................................................................... 115

Hình 5. 12 Phân bố ứng suất chính tại vị trí 4 ........................................................ 116
Hình 5. 13 Phân bố ứng suất theo phương X và Y tại vị trí 4 ................................ 116
Hình 5. 14 Vị trí đo ứng suất dư: (a) trên mô hình và (b) trên mẫu (VT 1) .......... 117
Hình 5. 15 Vị trí đo ứng suất dư trên mẫu và mô hình mô phỏng (VT 2) ............. 117
Hình 5. 16 Vị trí đo ứng suất dư trên mẫu và mô hình mô phỏng (VT 3) ............. 118
Hình 5. 17 Vị trí đo ứng suất dư trên mẫu và mô hình mô phỏng (VT 4) ............. 118

xii


MỞ ĐẦU
Kết cấu giàn gồm các thanh quy tụ và liên kết với nhau tại nút. So với các kết cấu
kim loại khác thì kết cấu dạng giàn có những ưu điểm nổi trội như khả năng chịu lực
tốt hơn, tiết kiệm vật liệu hơn, chịu được tác động của tải trọng sóng, gió tốt hơn, kết
cấu gọn nhẹ hơn,... nên kết cấu giàn thường được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực
công nghiệp như: Giàn khoan dầu khí, cột điện cao áp, cần trục, các loại tháp (tháp
truyền hình, tháp thông tin vô tuyến điện,...), các công trình công cộng (sân vận động,
nhà thi đấu, nhà xưởng,...).
Trong các kết cấu dạng giàn, kết cấu giàn dạng ống mà ở đó các thanh giàn chế tạo
từ thép dạng ống có ưu điểm hơn bởi kết cấu gọn nhẹ, khả năng chịu tải (đặc biệt là
tải trọng xoắn) tốt hơn. Nguyên nhân bởi tiết diện ống có bán kính quán tính lớn nên
chúng có độ cứng vững và có độ ổn định cao, chịu nén tốt hơn so với các dạng tiết
diện khác. Do vậy mà kết cấu giàn dạng ống đang ngày càng được nghiên cứu ứng
dụng trong công nghiệp và dân dụng nhiều hơn so với kết cấu giàn tiết diện khác.
Trước đây, khi công nghệ hàn chưa phát triển thì các kết cấu giàn thường được chế
tạo bằng ghép bu lông hoặc đinh tán thông qua các thanh giằng và bản mã. Việc chế
tạo các kết cấu giàn kiểu này tốn rất nhiều vật liệu và thời gian thi công, kết cấu nặng
nề, tốn nhiều chi phí duy tu bảo dưỡng thường xuyên, hay bị gỉ sét,... Vì thế mà ngày
nay hai phương pháp chế tạo này ít được sử dụng.
Vài chục năm trở lại đây, do công nghệ hàn phát triển và đạt được những thành

tựu quan trọng như: chế tạo được các kết cấu có tính thẩm mỹ và đạt độ bền cao, tiết
kiệm vật liệu, giảm thời gian và chi phí thi công,... Nên công nghệ hàn đã và sẽ trở
thành công nghệ chủ lực để chế tạo các kết cấu kim loại. Nằm trong xu thế đó, công
nghệ hàn cũng được ứng dụng để chế tạo các kết cấu giàn kim loại nói chung và kết
cấu giàn dạng ống nói riêng.
Nhược điểm cơ bản của công nghệ Hàn là gây ra hiện tượng biến dạng và luôn tồn
tại ứng suất dư trong kết cấu. Ứng suất dư lớn có thể gây ra nứt trong liên kết, dẫn
đến kết cấu bị phá hủy khi chịu tải trọng (đặc biệt là tải trọng động). Thực tế cho thấy
nếu không kiểm soát tốt ứng suất dư trong liên kết/ kết cấu hàn thì khả năng làm việc
và tuổi thọ của kết cấu bị suy giảm nghiêm trọng. Do vậy, việc đầu tư nghiên cứu xác
định ứng suất dư trong liên kết/ kết cấu hàn là cực kỳ quan trọng. Thông qua đó làm
cơ sở để xác định chế độ hàn hợp lý và quy trình hàn tối ưu.
Một trong những yêu cầu quan trọng khi chế tạo kết cấu giàn là các phần tử liên
kết với nhau tại nút giàn phải đảm bảo đúng tâm để các thanh giàn không chịu uốn
mà chỉ chịu kéo - nén. Khi áp dụng công nghệ hàn để chế tạo giàn, nếu không có trình
tự hàn hợp lý và không hạn chế được ứng suất dư trong kết cấu thì kết cấu sẽ bị biến
dạng lớn, các thanh giàn không còn đúng tâm và dẫn đến khả năng chịu tải của kết
cấu bị suy giảm nghiêm trọng. Vì tầm quan trọng như thế nên hiện nay nhiều công ty
chế tạo kết cấu giàn của Việt Nam (công ty CP Chế tạo Giàn Khoan Dầu Khí, công
ty CP Thi công Cơ giới và Lắp máy Dầu khí, công ty CP Kết cấu Kim loại và Lắp
máy Dầu khí,…) cũng đang triển khai nghiên cứu biện pháp làm giảm ứng suất dư
khi hàn các kết cấu có tiết diện dạng ống rỗng [1, 2].
Diễn biến hình thành ứng suất nói chung, ứng suất dư nói riêng trong kết cấu hàn
là rất phức tạp, đặc biệt là đối với các kết cấu lớn với số lượng đường hàn nhiều. Việc
xác định trường ứng suất bằng các phương pháp đo đạc truyền thống gặp rất nhiều
khó khăn, đôi khi không thực hiện được. Do vậy, việc nghiên cứu tìm ra giải pháp
1


mới để xác định ứng suất trong kết cấu hàn là hết sức cần thiết. Ngay nay, nhờ sự

phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử và các thuật toán mô phỏng thông qua các
phần mềm chuyên dụng, có thể giải quyết các bài toán đa trường và tính toán chuỗi
sự kiện nên việc xác định ứng suất trong kết cấu hàn trở nên thuận lợi và đạt độ chính
xác cao.
Từ những yếu tố nêu trên, đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất dư trong liên
kết hàn nút giàn dạng ống” là rất cần thiết và cấp bách. Nghiên cứu thành công sẽ
là cơ sở khoa học quan trọng để tìm ra chế độ công nghệ và kỹ thuật hàn hợp lý áp
dụng trong chế tạo các kết cấu giàn kim loại.
Ở Việt Nam, đã có công trình khoa học nghiên cứu về vấn đề này [1, 2] và đạt
được một số kết quả nhất định nhưng chưa có nghiên cứu cụ thể đi sâu vào xác định
trạng thái, sự phân bố ứng suất dư trong hàn nút giàn dạng ống. Chính vì vậy, hiện
nay ngành công nghiệp chế tạo kết cấu thép rất cần có được những nghiên cứu mang
chiều sâu nhằm nâng cao chất lượng thành phẩm thông qua chất lượng các liên kết
chế tạo.

Mục đích nghiên cứu
- Xác định chế độ hàn GMAW và trình tự hàn hợp lý cho liên kết hàn nút giàn
dạng ống chữ K.
- Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định trường nhiệt độ và ứng suất trong
liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K.
- Đề ra các biện pháp kỹ thuật, công nghệ để giảm ứng suất dư trong liên kết hàn
nút giàn dạng ống chữ K.

Đối tượng nghiên cứu
- Nút giàn dạng ống chữ K với đường kính ống chính là 219mm, chiều dài 900mm,
chiều dày 10mm; đường kính ống nhánh là 102mm, chiều dài 350mm, chiều dày
6mm.
- Vật liệu thép A572 Grade50.

Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu, tìm hiểu các quá trình hàn đã và đang được áp dụng để chế tạo kết
cấu giàn kim loại.
- Nghiên cứu, xây dựng quy trình công nghệ hàn GMAW phù hợp với kết cấu nút
giàn dạng ống chữ K.
- Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K
bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
- Mô phỏng tính toán trường nhiệt độ và ứng suất phân bố trong liên kết hàn nút
giàn dạng ống chữ K bằng phần mềm SYSWELD.
- Kiểm chứng các kết quả tính toán mô phỏng ứng suất dư trong liên kết hàn nút
giàn dạng ống chữ K bằng phương pháp khoan lỗ.

Phương pháp nghiên cứu
Do liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K có kết cấu tương đối phức tạp, mối hàn
được thực hiện bởi nhiều lớp nên nếu chỉ áp dụng phương pháp nghiên cứu thực
nghiệm đơn thuần thì sẽ gặp rất nhiều khó khăn. Đặc biệt là việc xác định ứng suất
dư tại đường hàn lót và các vị trí góc hẹp. Trong khi đó, hiện tại có sẵn công cụ tính
toán hiện đại (máy tính trạm và phần mềm SYSWELD chuyên dụng cho mô phỏng
số quá trình hàn) nên tác giả lựa chọn phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa: nghiên
cứu lý thuyết + tính toán mô phỏng + thực nghiệm kiểm chứng. Cụ thể như sau:
2


- Nghiên cứu tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài
nước qua đó tìm ra những nội dung mới mà luận án cần giải quyết.
- Nghiên cứu lý thuyết về truyền nhiệt trong vật hàn và cơ chế hình thành ứng suất
trong liên kết hàn. Ứng dụng vào đối tượng nghiên cứu là liên kết hàn nút giàn dạng
ống chữ K.
- Xây dựng mô hình tính toán mô phỏng để xác định trường nhiệt độ, trường ứng
suất tác động và ứng suất dư phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K.
Trên cơ sở đó tìm ra trình tự hàn hợp lý khi hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng phương

pháp hàn GMAW.
- Sử dụng các trang thiết bị có sẵn phù hợp với điều kiện thực nghiệm để tiến hành
thí nghiệm nhằm tạo ra liên kết hàn thực tế.
- Sử dụng các thiết bị đo, phân tích để đo đạc và kiểm chứng các kết quả tính toán
mô phỏng.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
1. Ý nghĩa khoa học của luận án
- Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định trường nhiệt độ và ứng suất trong
kết cấu hàn nút giàn dạng ống, hàn nhiều lớp. Làm cơ sở phát triển ứng dụng nghiên
cứu cho các kết cấu nút giàn khác.
- Bổ sung cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành ứng suất trong kết cấu nút giàn
dạng ống nói riêng, nút giàn không gian nói chung.
- Xác định được ảnh hưởng của trình tự hàn đến độ lớn của ứng suất dư trong liên
kết hàn nút giàn dạng ống.
2. Ý nghĩa thực tiễn của luận án
- Kết quả luận án có thể làm cơ sở để phát triển áp dụng vào chế tạo kết cấu giàn
hàn dạng ống chữ K nhằm giảm ứng suất dư và tăng tuổi thọ cho các kết cấu giàn
hàn.
- Luận án mở ra một hướng mới trong đào tạo, nghiên cứu phát triển ngành công
nghiệp chế tạo kết cấu hàn nói chung và kết cấu giàn hàn (giàn phẳng, giàn không
gian) nói riêng ở Việt Nam.

Các đóng góp mới của luận án
Thông qua quá trình nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số theo các
nhiệm vụ nghiên cứu đã đề ra, luận án này có những đóng góp mới sau đây:
1. Xây dựng được phương pháp nghiên cứu và chương trình tính toán mô phỏng
số bằng phần mềm SYSWELD áp dụng cho liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K.
Có thể phát triển chương trình này để nghiên cứu trên các nút giàn dạng ống khác.
2. Đánh giá được ảnh hưởng của trình tự hàn đến ứng suất dư trong liên kết hàn

nút giàn dạng ống chữ K. Qua đó tìm ra được trình tự hàn hợp lý để có ứng suất dư
nhỏ nhất. Đóng góp này nếu được áp dụng vào trong thực tiễn sản xuất sẽ tạo ra được
kết cấu hàn có chất lượng cao.
3. Tìm ra được quy luật biến thiên của các thành phần ứng suất và quy luật phân
bố của ứng suất dư, trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K.
4. Xác định được bộ thông số chế độ hàn hợp lý đối với liên kết hàn nút giàn dạng
ống chữ K, hàn nhiều lớp.
5. Áp dụng thành công phương pháp khoan lỗ để đo ứng suất dư trong vùng ảnh
hưởng nhiệt của liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K.

3


Kết cấu của luận án
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án
được trình bày trong 05 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3: Mô phỏng số xác định trường ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn
dạng ống chữ K.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
Chương 5: Kết quả nghiên cứu và bàn luận
Kết luận chung của luận án và những kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo.
Danh mục tài liệu tham khảo.
Danh mục các công trình đã công bố của luận án.

4


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Thép là một trong hai loại vật liệu quan trọng nhất trong xây dựng ở Việt Nam
hiện tại, cùng với vật liệu bê tông cốt thép. Từ rất lâu (khoảng hơn 100 năm) việc sử
dụng thép đã phát triển nhanh chóng, thay thế cho bê tông cốt thép (BTCT) trong
phần lớn nhà xưởng, nhà nhịp lớn và nhiều công trình công cộng khác. Ví dụ Nhà hát
lớn Hà Nội, một công trình nổi tiếng hoàn thành vào thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20,
có kết cấu được xây dựng hoàn toàn bằng gạch và thép, không sử dụng bê tông cốt
thép. Mái vòm tròn là cupôn hình nón gồm các sườn hình tam giác, tựa trên gối đỡ.
Mọi sàn nhà lớn, ban công, cầu thang đều làm bằng dầm thép chủ tổ hợp đinh tán,
các dầm thép hình và cuốn gạch tạo mặt sàn. Cấu tạo sàn kiểu dầm thép và cuốn gạch
này được áp dụng trong hầu hết các mặt sàn và được áp dụng trong hầu hết các nhà
tầng có tầng gác được xây dựng thời kỳ đó. Các nhà xưởng lớn được chế tạo bằng
thép phải kể đến là: nhà máy xe lửa Gia Lâm, nhà máy rượu Hải Dương, các nhà ga
máy bay ở Gia Lâm và Bạch Mai,... Công nghệ và hình thức của kết cấu phụ thuộc
vào trình độ đương đại: thép cacbon thấp, liên kết đinh tán, thép cán cỡ nhỏ. Trước
đây, việc thiết kế chế tạo các kết cấu thép sử dụng trong xây dựng dân dụng và công
nghiệp chỉ đơn giản là tạo ra sản phẩm phục vụ nhu cầu của thị trường chứ chưa
nghiên cứu phân tích đánh giá chất lượng hàn để sản phẩm sử dụng hiệu quả.
Ở Việt Nam, cũng có một số nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề phân tích, đánh
giá trường nhiệt độ, ứng suất dư và biến dạng hàn trong liên kết hàn dạng ống. Tuy
nhiên cũng chỉ dừng lại ở việc tính toán khả năng chịu lực của một số liên kết nút
giàn thép tiết diện rỗng và thiết kế quy trình hàn hoặc đi giải quyết bài toán về khả
năng làm việc (giới hạn mỏi, tuổi thọ làm việc,..) của kết cấu hàn [1 - 4].
Tác giả Huỳnh Minh Sơn Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng: “Nghiên
cứu sự làm việc và tính toán liên kết hàn các thanh giàn thép ống tiết diện rỗng, chịu
tải trọng tĩnh” [1] là một minh chứng cho việc nghiên cứu kết cấu thép ở Việt Nam
hiện nay. Trong nghiên cứu của mình, tác giả trình bày một số hình thức liên kết các
thanh giàn thép ống tiết diện rỗng; phân tích các tiêu chí phá hủy và các điều kiện phá
hủy đổi với một số kiểu nút giàn thông dụng. Trên cơ sở đó, tác giả phân tích tính
toán độ bền của các liên kết nút giàn thép có tiết diện ống rỗng – CHS. Đồng thời tác

giả cũng sử dụng phương pháp toán đồ thiết kế để thiết kế liên kết hàn cho các nút
giàn thép tiết diện rỗng trên cơ sở tiêu chuẩn Eurocode 3 (Châu Âu) cho sẵn toán đồ
thiết kế các nút giàn phổ biến và kiểm tra liên kết nút giàn thép ống rỗng. Tuy nhiên,
ở nghiên cứu của mình, tác giả Huỳnh Minh Sơn chỉ dừng lại ở mức độ toán điều
kiện làm việc của liên kết hàn tiết diện rỗng mà chưa đi sâu vào nghiên cứu sự phân
bố ứng suất dư và biến dạng của nút giàn dạng ống.
Nhóm kỹ sư của Công ty CP Kết cấu Kim loại và Lắp máy Dầu Khí thuộc Tập
đoàn Dầu khí Việt Nam cũng đã nghiên cứu thiết kế chi tiết và công nghệ chế tạo
chân giàn khoan tự nâng 90 m nước [2]. Đây cũng là bước đột phá lớn trong ngành
chế tạo kết cấu thép ở Việt Nam và đã gặt hái được một số thành công nhất định.
Trong nghiên cứu, tập thể kỹ sư của công ty chỉ xây dựng quy trình hàn (WPS) và
người thợ bằng kinh nghiệm làm việc chế tạo ra sản phẩm. Và những sản phẩm này
chỉ được kiểm tra các khuyết tật hàn (siêu âm, chụp ảnh phóng xạ, chỉ thị màu,..) mà
chưa đánh giá được tuổi thọ làm việc cũng như dự đoán những hư hỏng có thể xảy ra
trong quá trình làm việc của kết cấu để từ đó đề ra các biện pháp sửa chữa hàn theo
5


thời gian làm việc hoặc làm tăng tuổi thọ của kết cấu.
Việc giảm ứng suất dư và biến dạng trong quá trình hàn các liên kết trên chủ yếu
dựa vào kinh nghiệm không sử dụng các thiết bị đo hoặc thí nghiệm để so sánh, phân
tích và đánh giá các kết quả đã đạt được. Vì thế, việc dự đoán tuổi thọ làm việc của
kết cấu hàn khi chịu tác dụng của tải trọng biến đổi sẽ gặp rất nhiều khó khăn.

1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Như chúng ta đã biết kết cấu dạng ống rỗng (CHS) có tính ưu việt vượt trội so với
các kết cấu có tiết diện mặt cắt ngang khác. Chính vì vậy trên thế giới có rất nhiều
nhà khoa học quan tâm nghiên cứu đến dạng liên kết này [22-25, 29], từ việc thiết kế,
chế tạo các kết cấu dạng CHS sao cho hiệu quả đến áp dụng công nghệ hàn vào từng
trường hợp cụ thể. Ngoài việc sử dụng các công cụ toán học cho việc tính toán độ bền

của các mối hàn, trường ứng suất và biến dạng hàn [26, 27, 59, 60], các nhà khoa học
còn sử dụng các phần mềm mô phỏng công nghiệp chuyên dùng như ANSYS,
SYSWELD, ABAQUS,... để mô phỏng trường nhiệt độ, trường ứng suất và biến dạng
khi hàn liên kết hàn nói chung và nút giàn dạng ống tiết diện rỗng nói riêng [18,21,
27, 28, 38, 50].
Sau đây là một số công trình nghiên cứu tiêu biểu của các nhà khoa học trên thế
giới đã nghiên cứu về kết cấu giàn dạng CHS và đề tài khoa học của NCS.
1. Tác giả Đào Quang Kế với luận án tiến sĩ kỹ thuật: Làm giảm và phân bố lại
ứng suất dư hàn trong mối hàn vòng của (các) ống bằng gia công nổ cục bộ, Trường
Đại học kỹ thuật “A. Kanchev” – Ruse [94].
Trong luận án này tác giả đã nêu lên được ảnh hưởng của ứng suất dư hàn và biến
dạng đối với chất lượng của mối hàn vòng giáp mối dạng ống. Đồng thời, tác giả cũng
đã nghiên cứu sự phân bố ứng suất dư trong mối hàn vòng dạng ống. Tuy nhiên trong
nghiên cứu của mình tác giả chưa đề cập đến nút giàn dạng chữ T, Y, K,...
Cũng trong luận án này tác giả cũng đã đưa ra một số phương pháp làm giảm và
phân bố lại ứng suất dư trong hàn, như là:
- Ram;
- Làm lạnh cục bộ;
- Cơ nhiệt;
- Nung nóng sơ bộ.
và các biện pháp làm giảm biến dạng hàn
- Rèn;
- Cán;
- Rung;
- Siêu âm;
- Tải tĩnh;
- Gia công xung bằng nổ
2. Tác giả J. Wardenier với tài liệu Hollow Sections in Structure Application [23]
Trong cuốn sách này tác giả đã nêu được một số vấn đề sau:
- Tổng quan về tình hình sử dụng thép rỗng (CHS) trong ngành công nghiệp xây

dựng dân dụng.
- Quy trình chế tạo thép CHS.
- Ảnh hưởng của các thông số, chế độ hàn tới độ bền của liên kết hàn CHS.
- Mỏi trong liên kết hàn ống rỗng: Trong mục này tác giả trình bày cơ chế, nguyên
nhân hình thành mỏi cơ học. Đồng thời đưa ra một số định nghĩa cũng như các yếu
6


tố ảnh hưởng tới tuổi thọ của kết cấu hàn.
- Công nghệ hàn nối các chi tiết CHS
3. Donald R. Sherman. Connecting CHS,
Trong tài liệu này tác giả đã trình bày được
- Các dạng liên kết chữ K trong hệ giàn CHS.
- Một số hư hỏng thường xảy ra với liên kết hàn kiểu chữ K.
4. Jeffrey Packer, Hollow Structural Section Connections, American Institute of
Steel Construction [22].
Trong cuốn sách này Jeffrey Packer và cộng sự đã:
- Giới thiệu các tiêu chuẩn thiết kế và chế tạo cũng như kỹ thuật hàn áp dụng trong
liên kết CHS. Bên cạnh đó cuốn sách cũng giới thiệu ưu điểm của kết cấu giàn dạng
rỗng và ứng dụng của nó trong ngành công nghiệp xây dựng và dân dụng;
- Các dạng tiết diện mặt cắt ngang thường sử dụng trong kết cấu giàn;
- Các loại mối hàn thường sử dụng trong kết cấu giàn tiết diện rỗng (kiểu mối ghép,
hàn ngấu (CJP) hay không ngấu (PJP), có vát mép hay không;
- Các phương pháp kiểm tra đánh giá chất lượng hàn;
- Ảnh hưởng của kích thước mối hàn góc và chiều dài đường hàn đến điều kiện
làm việc của kết cấu hàn;
- Các dạng phá hủy thường gặp;
- Tính toán thiết kế nút giàn hàn kiểu chữ K (có khe hở và chồng lấp), N,… dưới
tác dụng của tải trọng tĩnh và tải trọng biến đổi;
- Tính toán thiết kế nút giàn hàn kiểu chữ K (có khe hở và chồng lấp), N,… dưới

tác dụng của mô men, lực kéo – nén;
- Tính toán thiết kế nút giàn hàn bán bu lông kiểu chữ T, Y, K.
Trong nghiên cứu của mình, Jeffrey Packer và cộng sự cũng chưa có những phân
tích, tính toán và đánh giá về sự phân bố ứng suất dư và biến dạng hàn khi hàn nút
giàn dạng rỗng. Đồng thời cũng chưa công bố dữ liệu về trường nhiệt độ khi hàn nút
giàn dạng rỗng để làm cơ sở tính toán ứng suất dư và biến dạng hàn.
5. Gang Zhao, Finite Element Analysis and Design of Welded CHS Connections
(Thesis) [42].
Trong nghiên cứu của mình, Gang Zhao đã nêu được ưu nhược điểm của kết cấu
hình dạng rỗng (HSS – Hollow Structural Shapes) có tiết diện hình tròn hoặc hình
chữ nhất trong thiết kế, chế tạo kết cấu thép. Đồng thời tác giả sử dụng phần mềm
Ansys 9.0 để tính toán, phân tích và mô phỏng trường nhiệt độ, ứng suất và biến dạng
hàn liên kết hàn hộp rỗng kiểu chữ K không khe hở. Cũng trong nghiên cứu này, tác
giả có những phân tích, đánh giá tổng thể về sự ảnh hưởng của ứng suất dư đến mức
độ biến dạng của liên kết hàn. Tuy nhiên, trong báo cáo của mình, Gang Zhao chỉ
dừng lại ở mô phỏng số và kết quả đã đưa ra được hình ảnh, đồ thị sự phân bố ứng
suất dư và biến dạng hàn. Tuy nhiên, Gang Zhao chưa hàn thực nghiệm và đo ứng
suất dư cũng như biến dạng đối với liên kết hàn chữ K dạng hộp.
6. Farid Vakili-Tahami và cộng sự với nghiên cứu “Finite Element Analysis of the
Inservice Welding of T Joint Pipe Connections” [39]) đã:
- Mô phỏng số liên kết hàn ống kiểu chữ T, vật liệu là thép AISI 316 với hai thông
số chính, đó là: chiều dày thành ống và năng lượng nhiệt cấp vào vũng hàn. Với
nghiên cứu này, các tác giả đã đánh giá được ảnh hưởng của chiều dày thành ống
chính tới chiều sâu ngấu khi hàn;
7


- Ảnh hưởng của năng lượng nhiệt đến chiều sâu ngấu (nếu lớn quá sẽ bị cháy
thủng);
- Nếu hàn nhiều đường nhiều lớp sẽ hạn chế được khả năng cháy thủng;

- Để giảm hiện tượng cháy thủng khi hàn thì tính chất nhiệt của ống nhánh và ống
chỉnh phải tương đương nhau.
Nghiên cứu này tác giả mới chỉ mô phỏng và phân tích sự phân bố ứng suất dư khi
hàn ống chữ T thép AISI 316 khi hàn nhiều đường nhiều lớp, thay đổi chiều dày ống
chính cũng như ảnh hưởng của đường kính điện cực khi hàn.
7. S. Nadimi, R.J. Khoushemehr, Investigation and Analysis of Weld Induced
Residual Stresses in Two Dissimilar Pipes by Finite Element Modeling
Nhóm tác giả nghiên cứu, khảo sát và phân tích các biện pháp làm giảm ứng suất
dư khi hàn nối 2 ống, vật liệu khác nhau (thép không gỉ 304L với thép Cacbon A39)
bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
8. G. Sánchez Sarmiento - M.J. Mizdrahi. Heat Transfer, Thermal-Stress and Pipewhip Analysis in Steel Pipes of a Nuclear Power Plants by ABAQUS/ Standard
Mô phỏng quá trình truyền nhiệt, sự phân bố ứng suất dư trong hàn nối ống chữ T
bằng phần mềm ABAQUS.
9. Hyeong Yeon Lee, Farid R. Biglari, Robert Wimpory, Kamran M. Nikbin
Treatment of residual stress in failure assessment procedure [76]
Trong bài báo này, Hyeong Yeon Lee và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của
ứng suất dư đến sự phá hủy của liên kết hàn góc chữ T và ống kiểu chữ T. Đồng thời
cũng tính toán yếu tố hình dáng hình học của mối hàn có ảnh hưởng tới sự phân bố
ứng suất dư dưới tác dụng của tải trọng bằng cách sử dụng phương pháp Green.
10. Lincoln Electric. Procedures and Techniques, Welding Pressure Pipelines &
Piping Systems
Trong tài liệu này đã trình bày được:
- Các phương pháp chuẩn bị mối ghép hàn (vát mép, làm sạch vùng hàn,..)
- Kỹ thuật hàn lớp lót, lớp trung gian và lớp phủ bằng các phương pháp hàn khác
nhau (SMAW, GMAW, FCAW).
- Quy trình xử lý các khuyết tật xảy ra trong quá trình hàn.
- Vật liệu hàn sử dụng để hàn chi tiết dạng ống.
11. Ann Schumacher, Alain Nussbaumer. Experimental study on the fatigue
behaviour of welded tubular K-joints for bridges.
- Bài báo nghiên cứu sự ứng xử của liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K - (CHS)

đối với giới hạn mỏi. Tác giả cũng xây dựng quy trình thí nghiệm phá hủy (DT) đối
với nút giàn ống chữ K khi chịu tải trọng biến đổi.

Kết luận chương 1
Thông qua tìm hiểu, phân tích các tài liệu và công trình nghiên cứu đã công bố ở
trong nước và ngoài nước về các nội dung liên quan đến đề tài luận án, ta có thể rút
ra được các kết luận sau đây:
1. Việc nghiên cứu trạng thái ứng suất trong liên kết hàn đã được nhiều tác giả tiến
hành. Tuy nhiên, đối với liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K phẳng như đề tài luận
án đề cập thì chưa có tác giả nào thực hiện. Do vậy, việc đặt vấn đề nghiên cứu của
luận án này là mới.
2. Việc ứng dụng kỹ thuật tính toán mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn
để xác định trường ứng suất phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K
8


phẳng cũng chưa có tác giả nào thực hiện. Điều đó khẳng định rằng phương pháp
nghiên cứu đề cập trong luận án này là mới.
3. Việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn
nút giàn dạng ống chữ K phẳng bằng kỹ thuật khoan lỗ chưa có tác giả nào thực hiện.
Do vậy, việc nghiên cứu áp dụng phương pháp khoan lỗ để xác định ứng suất dư
trong liên kết hàn nghiên cứu như luận án đề cập là giải pháp khả thi trong điều kiện
Việt Nam.

9


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giàn hàn và giàn hàn dạng ống
2.1.1 Kết cấu giàn

Giàn thép là dạng kết cấu giàn không gian khá phổ biến trong quy trình xây dựng
thực tế, gồm có nhiều thanh liên kết với nhau tại các nút [1-3]. Giàn có thanh biên
trên và thanh biên dưới, các thanh còn lại nằm trong phạm vi thanh biên trên và thanh
biên dưới gọi là các thanh giằng. Liên kết trong giàn thường sử dụng hàn, bu lông,
đinh tán.
Trước đây người ta hay sử dụng liên kết đinh tán (hình 2.1a) trong chế tạo kết cấu
thép do khả năng chịu tải trọng động tốt. Liên kết bằng bu lông (hình 2.1b) khá phổ
biến trong các kết cấu không gian vì độ an toàn và khả năng liên kết khá tốt. Tuy
nhiên cả 2 phương pháp này đều tốn nguyên vật liệu, việc thi công và chế tạo khá
phức tạp. Thêm vào đó tiết diện làm việc của thép bị giảm. Ngày nay, cùng với sự
phát triển của ngành công nghiệp chế tạo kết cấu ngành công nghệ hàn có những bước
phát triển mạnh mẽ. Việc ứng dụng công nghệ hàn vào sản xuất các kết cấu thép đã
mang lại nhiều thành quả to lớn. Đặc biệt là trong việc chế tạo các giàn thép phẳng,
giàn không gian,... Đối với giàn thép ống tiết diện rỗng và tròn thì liên kết hàn vẫn
rất phổ biến vì quá trình thi công đơn giản và liên kết trực tiếp, hạn chế được các bản
gia cường và bản mã.

Hình 2. 1 Kết cấu thép: a) Liên kết đinh tán; b) Liên kết hàn bán bu lông

Hình 2. 2 Liên kết giàn hàn
a) Tiết diện hình hộp; b) Tiết diện thép góc

Ưu điểm:
- Trọng lượng của kết cấu thép nhẹ hơn so với bê tông nên giúp giảm trọng lượng
10


của công trình đặc biệt những nơi có địa hình phức tạp.
- Vận chuyển và lắp đặt khá dễ dàng, nên có thể thi công ở những nơi khác nhau.
- Khả năng chịu lực lớn, mang đến những công trình bền vững sẵn sàng thách thức

với điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Và đặc biệt an toàn hơn so với kết cấu bằng bê
tông trong trường hợp có địa chấn xảy ra.
- Tiết kiệm được vật liệu do tận dụng được sự làm việc của vật liệu.
Hình thức nhẹ, đẹp, linh hoạt, phong phú, phù hợp yêu cầu chịu lực và sử dụng.
Nhược điểm:
- Giá thành của thép cao hơn so với các nguyên vật liệu khác như gỗ hoặc sắt.
- Khả năng chịu nhiệt độ cao kém.
- Thép dễ bị oxi hóa do ảnh hưởng của môi trường cũng như nhiệt độ bên ngoài.
Điều này đã được khắc phục nhờ sử dụng sơn chống gỉ phủ lên bề mặt của kết cấu
giàn thép giúp thép bền lâu hơn.
Thông thường, độ bền của liên kết dù là bu lông hay hàn đều được xem xét dự tính
kích thước kết cấu tổng thể công trình. Đánh giá các tiêu chí và ảnh hưởng của môi
trường cũng như trọng tải tĩnh lên các liên kết hàn thép ống từ đó tính toán được khả
năng chịu lực của toàn liên kết.
Nội lực trong thanh giàn chủ yếu là lực dọc (nén hoặc kéo đúng tâm).
2.1.2 Giàn có tiết diện dạng rỗng
2.1.2.1 Các loại giàn hàn
Trong thực tế có rất nhiều các loại giàn tiết diện rỗng, xem hình 2.3. Giàn tiết diện
rỗng phải được thiết kế và chế tạo một cách đơn giản nhất [1, 22-25]. Điều đó có
nghĩa là số lượng các thanh là ít nhất như giàn Warren với kiểu ghép chữ K (hình
2.3a) được sử dụng nhiều hơn so với loại giàn Pratt với kiểu mối ghép chữ N (hình
2.3b).
Loại giàn Vierendeel (hình 2.3c) thường được sử dụng trong các trường hợp đòi
hỏi về mặt kiến trúc hoặc chức năng nào đó mà không cần phải sử dụng thanh giằng.
Loại giàn này thường có những thuộc tính sau: chiều dài (l); chiều cao (h); hình
dáng và khoảng cách giữa các nút. Chiều cao của giàn thường liên quan đến khẩu độ
và bằng (1/10 ÷ 1/16)l. Tuy nhiên, đển đảm bảo tính kinh tế và độ bền thì chiều cao
của giàn thường chọn 1/15×l.
Tùy thuộc vào cách lắp ghép mà ta có các loại giàn (hình 2.3) với các nút dạng chữ
X, T, Y, N, K hoặc KT.

Hình 2. 3 Các loại giàn [22]

Khi thiết kế các nút giàn kiểu chữ X, T, Y,... ngoài việc liên quan đến hình dáng,
kích thước mà còn phải kể đến khả năng chịu tải của kết cấu. Ví dụ: một mối ghép
11