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

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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội – 2019


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS Nguyễn Tiến Dương
2. TS Hà Xuân Hùng

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


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
1


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 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.
2


- 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:
- 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,
3


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.
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.

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
4


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 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
5


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].
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 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.

6


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
7


lượng 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.
- 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

Do có những ưu điểm nội trội và khả năng chịu lực của thép rỗng [1, 22-25]
mà ngày nay liên kết hàn ống rỗng được sử dụng phổ biến trong ngành chế tạo
kết cấu thép đặc biệt là kết cấu xa bờ.

Hình 2. 3 Liên kết hàn ống chữ K phẳng

Các mối ghép ống đa phương sử dụng nhiều trong chế tạo kết cấu. Hình 2.14
và hình 2.16 là mối ghép hàn ống chữ K được thực hiện ở nhà máy Nhiệt điện
Hải Phòng do đội ngũ kỹ sư và công nhân Việt Nam thiết kế và chế tạo.

8


Hình 2. 4 Liên kết hàn ống đa phương

Dựa vào các kết quả nghiên cứu, phân tích và đánh giá hiệu quả sử dụng
giàn phẳng cũng như giàn không gian, tiết diện mặt cắt ngang có thể dạng tròn,
hình hộp chữ nhật, hình vuông. Nút giàn có kiểu chữ T, Y, K, N,... Tuy nhiên,
tác giả nhận thấy việc nghiên cứu sự phân bố ứng suất dư nút giàn chữ K trong
không gian 2 chiều có nhiều đặc điểm chung của các kiểu nút giàn đã đề cập ở
trên. Thêm vào đó, việc sử dụng công cụ mô phỏng số để phân tích, tính toán,
đánh giá sự phân bố ứng suất dư của nút giàn này được thực hiện dễ dàng,
không đòi hỏi máy tính có cấu hình quá cao và thời gian tính toán không quá
dài.
Trong nghiên cứu này, tác giả lựa chọn liên kết hàn nút giàn phẳng (trong
mặt phẳng không gian 2 chiều) dạng ống chữ K với đường kính ống chính 
219mm; đường kính hai ống nhánh  102mm.
2.1.3 Ứng dụng của kết cấu giàn dạng rỗng

Ngày nay, kết cấu rỗng (CHS – Circular Hollow Section) được sử dụng khá

phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo do tính ưu việt của nó. Ngoài ra, nó
còn mang tính thẩm mỹ cao và có thể được chế tạo với những hình dáng đặc
biệt phù hợp với khả năng chịu lực của kết cấu. Trong phần này tác giả giới
thiệu một số ứng dụng của kết cấu rỗng được sử dụng trong ngành xây dựng
dân dụng và công nghiệp
2.2 Các phương pháp hàn sử dụng để chế tạo kết cấu giàn hàn

Hàn là công nghệ dùng để ghép nối hai hay nhiều phần tử (chủ yếu là kim
loại) thành một liên kết liền khối (không thể tháo rời).
2.3 Hàn kết cấu giàn dạng ống bằng quá trình hàn hồ quang điện cực
nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ
2.3.1 Nguyên lý và đặc điểm của quá trình hàn

Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy hồ quang
giữa đầu điện cực và vật hàn liên tục nung chảy mép hàn và điện cực [9]. Dây
hàn được cấp vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây với tốc độ bằng tốc
độ nóng chảy của điện cực (dây hàn).
9


Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý hàn GMAW [5]

2.3.2 Các thông số ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn

Các thông số quan trọng của chế độ hàn là: Cường độ dòng điện hàn, điện
áp hàn và tốc độ hàn [5, 9, 33, 35, 58]. Ngoài ra, các thông số khác cũng ảnh
hưởng đến hình dạng và kích thước mối hàn đó là: Đường kính dây hàn, mật độ
dòng điện hàn, cực tính hàn, tư thế hàn, tầm với điện cực, góc nghiêng điện cực,
thành phần khí bảo vệ, hình dạng và kích thước bề mặt rãnh hàn…
2.4 Cơ sở tính toán xác định trường nhiệt độ và ứng suất dư hàn

Khi hàn các phần tử của kết cấu bị nung nóng không đồng đều ở nhiệt độ
cao gây nên ứng suất và biến dạng [9, 18]. Tùy theo mức độ truyền nhiệt và cân
bằng nhiệt độ, xảy ra sự thay đổi ứng suất và biến dạng một cách liên tục tại các
điểm khác nhau của các chi tiết được hàn (hay nói cách khác, đó là sự thay đổi
của trường ứng suất và biến dạng).
So với trường nhiệt độ, trường ứng suất và biến dạng không hoàn toàn mất
đi sau khi hàn, tức là quá trình hình thành ứng suất dư và biến dạng hàn không
phải là các quá trình có thể đảo ngược được (nên ta gọi ứng suất và biến dạng
còn lại sau khi hàn là ứng suất dư và biến dạng dư).
2.4.1 Tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn nút giàn dạng ống
chữ K

Việc xác định trường nhiệt hàn [13, 14, 34], có hai yếu tố khác nhau đòi hỏi
phải quan tâm, đó là loại nguồn nhiệt và phân tích nhiệt độ ở trạng thái đàn dẻo.
Các yếu tố này ảnh hưởng tới việc phân tích tỷ số nguồn nhiệt với tốc độ di
chuyển của nguồn nhiệt và chiều dày tấm hàn. Yếu tố thứ hai ảnh hưởng tới sự
biến dạng tại nguồn nhiệt và sự phân bố nguồn nhiệt.
2.4.2 Sự hình thành ứng suất dư khi hàn

Ứng suất dư [12, 17, 34, 41] có thể được định nghĩa như là ứng suất tồn tại
trong vật liệu, vật thể sau chế tạo hoặc gia công mặc dù đã dỡ tải (tải có thể là
lực, nhiệt,…), ứng suất dư trong kết cấu là không lường trước được.
2.5 Các phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn
2.5.1 Giới thiệu chung

Ứng suất dư xuất hiện trong nhiều bộ phận và thành phần của chi tiết máy
trong đó có kết cấu hàn. Có rất nhiều công trình nghiên cứu các phương pháp
đo ứng suất dư nhằm mục đích kiểm soát tốt ứng suất dư, nâng cao tuổi thọ làm
10

việc các chi tiết máy.
2.5.2 Các phương pháp xác định ứng suất dư
2.5.2.1 Đo ứng suất dư bằng phương pháp khoan lỗ

Phương pháp khoan lỗ để đo ứng suất [66, 68] là một phương pháp dùng khá
phổ biến đối với hầu hết các vật liệu, nó là một trong những phương pháp phổ
biến sử dụng kỹ thuật bán phá hủy để đo ứng suất dư phân bố trên chiều dày
của vật hàn cả về cường độ và hướng. Đây là một kỹ thuật cho độ chính xác cao
và độ tin cậy tốt thuận tiện khi chuẩn bị mẫu thử và cách thực hiện.. Đầu tiên,
coi vật liệu có tính đẳng hướng, liên tục và có tính đàn hồi. Thứ hai, vật liệu đó
có thể gia công cơ được, ví dụ như khoan lỗ mà không ảnh hưởng gì đến việc
đo biến dạng. Phương pháp này xác định ứng suất macro.
2.5.2.2 Đo ứng suất dư bằng phương pháp nhiễu xạ tia X

Phương pháp dùng tia X-quang [68] dựa trên nguyên lý khi có ứng suất thì
cấu trúc mạng tinh thể sẽ thay đổi, xem hình 2.40. Sự thay đổi đó làm thay đổi
chùm tia phản xạ của X-quang khi được chiếu vào. Trong khi đó, phương pháp
khoan lỗ lại dựa vào nguyên lý khi cô lập một vùng vật liệu có ứng suất thì các
ứng suất kéo, nén của nó sẽ thay đổi so với các giá trị ban đầu của vật liệu gốc.
Quá trình đo được thực hiên đồng thời theo 3 phương tạo với nhau một góc
bằng 120o.
2.5.2.3 Đo ứng suất dư bằng phương pháp nhiễu xạ Neutron

Nhiễu xạ neutron [3, 51, 68] là phương pháp xác định cấu trúc nguyên tử
hoặc từ của vật liệu. Nó cũng có chức năng áp dụng tốt khi nghiên cứu các tinh
thể rắn, khí, lỏng hoặc chất vô định hình. Nhiễu xạ neutron là một dạng của tán
xạ đàn hồi khi các neutron trong các thí nghiệm có nhiều hơn hoặc ít năng
lượng hơn so với các neutron tới. Kỹ thuật tương tự là nhiễu xạ tia X nhưng

khác loại tia bức xạ. Mẫu thí nghiệm cần được đặt trong chùm
tia neutron lạnh và cường độ xung quanh mẫu cung cấp thông tin về cấu trúc
vật liệu.
Phương pháp này đòi hỏi sự kiểm soát nghiêm ngặt về an toàn và an ninh
phóng xạ. Hiện nay, ở Việt Nam chưa có phòng thí nghiệm nào có thiết bị nhiễu
xạ Neutron.
2.5.2.4 Đo ứng suất dư bằng phương pháp siêu âm

Kỹ thuật đo ứng suất bằng siêu âm dựa trên ảnh hưởng của đàn hồi âm, tùy
thuộc vào vận tốc của sóng âm lan truyền trong vật rắn.
Phương pháp siêu âm [68] có nhiều ưu điểm như không phá huỷ kết cấu, có
thể lặp lại các phép thử trên toàn bộ kết cấu, phát hiện được các khuyết tật nằm
trong cấu kiện và đánh giá chất lượng trực tiếp trên công trình.
Kết luận chương 2

Qua nghiên cứu, phân tích các nội dung trong chương 2 tác giả rút ra các kết
luận sau:
1. Kết cấu giàn hàn dạng ống có những ưu việt hơn các kết cấu giàn khác
11


như khả năng chịu xoắn tốt, kết cấu gọn nhẹ, tiết kiệm vật liệu,... nên rất thích
hợp để chế tạo......
2. Ứng dụng quá trình hàn GMAW để chế tạo nút giàn dạng ống có tính khả
thi cao, linh hoạt và đạt chất lượng tốt so với các phương pháp hàn khác.
3. Tác giả phân tích được cơ chế hình thành và các phương pháp xác định
ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, chọn phương pháp xác
định ứng suất dư trong liên kết hàn dạng ống chữ K bằng phương pháp khoan
lỗ. Do kỹ thuật này đạt độ tin cậy và có tính khả thi trong điều kiện Việt Nam.

Chương 3. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT DƯ
TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG CHỮ K
3.1 Đặt vấn đề

Việc xác định chu trình nhiệt, ứng suất và biến dạng là rất khó khăn do sự
phức tạp về hình dáng hình học, các điều kiện biên và các tính chất phi tuyến
của vật liệu khi hàn.
Tuy nhiên, thực tế đã chứng minh rằng khi mô phỏng trên máy tính ứng
dụng ứng dụng phương pháp toán số để giải các bài toán truyền nhiệt, ứng xử
cơ học và chuyển biến pha trong liên kết hàn mang lại hiệu quả kinh tế cao, kết
quả tính toán nhanh và chính xác. Tuy nhiên, việc ứng dụng phương pháp mô
phỏng để xác định các ứng xử cơ học và chuyển biến pha trong liên kết hàn
không thể thay thế hoàn toàn các thực nghiệm.
3.2 Tính toán, mô phỏng trường ứng suất trong liên kết hàn bằng
phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn - PTHH [16] được biết như là một công cụ
hữu hiệu hỗ trợ kỹ thuật nghiên cứu, thử nghiệm để xác định hành vi và tương
tác giữa các hiện tượng vật lý phức tạp trong quá trình hàn.
Mô phỏng của quá trình hàn không phải là một nhiệm vụ dễ dàng do nó liên
quan đến sự tương tác của nhiệt, cơ học và luyện kim [14, 21, 53]. Đối với quá
trình hàn nóng chảy, đã thiết lập trên gói phần mềm mô phỏng chuyên dụng
SYSWELD 2015 có thể thực hiện sự tính toán nhiệt và quá trình luyện kim, nó
cũng có thể kiểm soát nhiệt độ, tỷ lệ pha và tính toán ứng xử cơ học (phụ thuộc
không chỉ vào nhiệt độ mà còn vào tổ chức kim loại của phần tử).
3.3 Mô hình hóa và mô phỏng số liên kết nút giàn dạng ống chữ K

Nhìn chung, quá trình mô phỏng bằng phương pháp PTHH bao gồm ba giai
đoạn chính:
- Giai đoạn 1: Xây dựng mô hình nghiên cứu;

- Giai đoạn 2: Mô hình hóa PTHH và thiết lập các điều kiện tính toán;
- Giai đoạn 3: Phân tích, xử lý số liệu và giải bài toán cơ nhiệt;
- Giai đoạn 4: Hiển thị và phân tích kết quả tính toán.
3.3.1 Mô hình hóa liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K

Việc thiết kế mô hình Solid đối với những kết cấu đơn giản có thể được thực
hiện ngay trên phần SYSWELD, VISUAL MESH. Tuy nhiên, với những kết
12


cấu phức tạp việc thiết kế trên phần mềm này gặp nhiều khó khăn. Do vậy
người ta có thể thiết kế mô hình Solid từ các phần mềm khác như AutoCAD,
SolidWorks, Inventor,... [17] với định dạng của các file dữ liệu là “*.*IGES”.
3.3.2 Mô hình nguồn nhiệt hàn GMAW

Với nguồn nhiệt hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ điện cực nóng
chảy, tổng công suất hiệu dụng P=.Uh.Ih (W), trong đó Uh-là điện áp hồ quang
(V); Ih-là cường độ dòng điện hàn (A) và  là hiệu suất hồ quang hàn  = 0,8
[78-85].
3.3.3 Các thông số của vật liệu

Trong mô phỏng số hàn đòi hỏi phải có tính chất cơ nhiệt của vật liệu như:
Độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng, khối lượng riêng,... [38].
SYSWELD sử dụng phần tử 2D để mô tả điều kiện biên về nhiệt độ. Sự mất
nhiệt trong mô hình mô phỏng được định nghĩa là sự trao đổi và bức xạ nhiệt ra
môi trường xung quanh. Các tính chất cơ học gồm: Mô đun Young, hệ số
Poisson, giới hạn chảy và các dữ liệu về độ cứng,… Phần lớn các thuộc tính
này đều phụ thuộc theo nhiệt độ và chuyển biến pha.
3.3.4 Các điều kiện biên và điều kiện đầu
3.3.4.1 Điều kiện trao đổi nhiệt của mô hình với môi trường xung quanh

Trong SYSWELD người ta sử dụng phần tử 2D cho điều kiện biên nhiệt độ.
Đó chính là lớp vỏ trao đổi nhiệt hình 3.34. Nó được tạo từ mô hình 3D của liên
kết, và được thực hiện trên phần mềm VISUALMESH. Với mục đích là quá
trình mô phỏng được thực hiện với các điều kiện gần giống thực nghiệm.
3.3.4.2 Thiết lập các đường hàn, đường dẫn

Quỹ đạo đường hàn và đường dẫn, điểm bắt đầu hàn và kết thúc hàn được
mô tả như hình 3.35. Các trường hợp khác thực hiện tương tự và phụ thuộc vào
trình tự hàn mà điểm bắt đầu và kết thúc có thể khác.
Kiểu phần tử sử dụng cho cả đường hàn và đường dẫn là 1D (hình 3.18a).
3.3.4.3 Thiết lập điều kiện gá kẹp khi hàn

Liên kết ống chữ K được ngàm như hình 3.36, ống chính ngàm chặt theo 3
phương X, Y, Z; 2 ống nhánh chỉ ngàm theo phương Z (khống chế biến dạng
góc của ống nhánh).
3.3.4.4 Các điều kiện ban đầu

Khi chưa hàn nhiệt độ của toàn liên kết là 20oC;
Ứng suất ban đầu của liên kết trước khi hàn đường hàn lót được coi như
bằng 0;
Nhiệt độ ban đầu của các đường hàn sau chính là trường nhiệt độ của đường
hàn trước để lại.
3.4 Xác định chế độ hàn phù hợp cho liên kết nút giàn dạng ống chữ K
3.4.1 Tính toán xác định chế độ hàn sơ bộ

Dựa vào quy cách mối ghép hàn, yêu cầu kỹ thuật đối với liên kết hàn nút
giàn dạng ống chữ K [29], mối hàn được thiết kế như hình để đảm bảo chiều
13

sâu ngấu. Dựa vào kết quả nghiên cứu trong chương 2 và thiết lập thông số chế
độ hàn sơ bộ trong chương 3, thấy rằng việc lựa chọn chế độ hàn đóng vai trò
quan trọng trong việc hình thành mối hàn cũng như hình dáng và kích thước
vũng hàn.
Bảng 3. 1 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết nút giàn dạng ống chữ K
Đường hàn

Ih (A)

Uh (V)

Vh (mm/s)

Dd (mm)

Lót (1, 2)
150
25
5
1,0
Phủ (3, 4)
170
26
5
1,0
Phủ (5, 6)
170
26
5

1,0
Trong đó: Vh: Vận tốc hàn (mm/s); Dd: Đường kính dây hàn (mm).
3.4.2 Thông số chế độ hàn mô phỏng
Bảng 3. 2 Chế độ hàn mô phỏng liên kết nút giàn dạng ống chữ K
Đường hàn

Năng lượng đường (J/mm)

Vận tốc hàn (mm/s)

Lót (1, 2)
720
5
Phủ (3, 4)
880
5
Phủ (5, 6)
880
5
Nhiệt độ giữa các đường hàn là nhiệt độ lưu lại trong khoảng giữa hai đường
hàn liên tiếp nhau khi hàn nhiều lớp. Cũng như nhiệt độ nung nóng sơ bộ, nhiệt
độ giữa các đường hàn thường nằm trong phạm vi cho phép. Giá trị tối đa
không được vượt quá nhiệt độ Ms (bắt đầu xuất hiện mactensit) của thép hoặc
kim loại mối hàn [9, 34].
3.4.3 Hiệu chỉnh mô hình nguồn nhiệt

Đây là bước rất quan trọng vì dựa vào hình ảnh mặt cắt ngang của liên kết
hàn so sánh với trường nhiệt độ khi mô phỏng để từ đó ta có thể hiệu chỉnh một
vài thông số chế độ hàn (năng lượng đường, góc nghiêng mỏ hàn, các thông số
af, ar, b và c) cho phù hợp với chiều sâu ngấu, chiều rộng vùng HAZ [66].

3.5 Thiết lập trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K

Với kết cấu ống chữ K như hình 3.15, ống nhánh có chiều dày 6 mm được
vát mép, thứ tự thực hiện các đường hàn được bố trí như hình 3.17. Mỗi đường
hàn kín chu vi ống nhánh thực hiện hàn hai nửa đường tròn, hình 3.42. Như
vậy, để hàn hoàn thành liên kết này sẽ phải thực hiện tất cả 12 đường.
3.6 Kết quả tính toán mô phỏng
3.6.1 Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống
chữ K
3.6.1.2 Trường nhiệt độ phân bố trong tiết diện ngang khi hàn các đường

Trong quá trình hàn, khi nguồn nhiệt hàn di chuyển dọc theo đường hàn thì
trong liên kết hàn sẽ xuất hiện một trường phân bố nhiệt độ và ứng suất tức
thời. Hình 3.44a thể hiện kết quả phân bố nhiệt độ trong liên kết hàn khi hàn
đường thứ nhất với các thông số chế độ hàn như đã nêu ở bảng 3.7. Hình 3.44b
là kết quả phân bố nhiệt độ trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K khi hàn
14


đường thứ hai, còn hình 3.44c là kết quả phân bố nhiệt độ trong liên kết hàn
nghiên cứu khi hàn đường thứ 3 với thông số chế độ nhiệt như đã nêu ở bảng
3.7.

Hình 3. 1 Trường nhiệt độ khi mô phỏng trường hợp hàn thứ nhất
a) Đường hàn 1; b) Đường hàn 2; c) Đường hàn 3
3.6.1.3 Chu trình nhiệt hàn tại một số vị trí khảo sát

Hình 3.47 thể hiện kết quả tính toán mô phỏng chu trình nhiệt tại nút 22526
thuộc đường hàn 1 khi hàn ống nhánh thứ nhất với ống chính. Tại giây thứ
208,856 nhiệt độ tại nút này đạt trên 3000 oC ứng với thời điểm tâm nguồn hàn

đi qua nút đó. Khi hàn đến giây thứ 600 thì nhiệt độ tại nút 22526 đã giảm
xuống đến 82oC và khi hàn đường hàn tiếp theo (đường hàn 3, theo thứ tự đánh
số xem hình 3.17) thì nhiệt độ của nút này lại được tăng lên đến khoảng  1000
o
C do nút này ở gần nguồn nhiệt khi hàn đường hàn thứ 3. Tại giây thứ 1000 do
nguồn nhiệt lần nữa đi qua nút 22526 (khi hàn đường hàn thứ 5) nên một phần
kim loại mối hàn 1 bị nóng chảy. Điều đó cho biết rằng các mối hàn 5 và 3 đã
ngấu sang nhau nghĩa (nhiệt độ đạt 2850oC) là liên kết hàn không bị khuyết tật
không ngấu hay chế độ hàn đã chọn là phù hợp.
3.6.2 Trường ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K

Hình 3. 2 Ứng suất tương đương
15


Kết quả tính toán mô phỏng trường ứng suất dư Von mises tổng trong liên
kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tương ứng với 4 trình tự hàn đã xây dựng được
thể hiện trên hình 3.51. Cũng trên hình này ta dễ dàng nhận thấy vị trí tập trung
ứng suất dư lớn nhất ở điểm bắt đầu và kết thúc đường hàn. Ở trình tự hàn thứ
1, giá trị ứng suất dư tổng lớn nhất đạt được trong trường hợp này là
722,76MPa và nhỏ nhất là 0,58MPa. Qua sát phổ màu phân bố ứng suất ta thấy
tại vùng góc hẹp ứng suất dư tổng đạt giá trị khoảng 280MPa, còn tại vùng góc
lớn của liên kết thì ứng suất dư tổng đạt khoảng 200MPa, vùng hai bên cạnh thì
ứng suất dư rất thấp có những vùng đạt giá trị dưới 50MPa. Trên hình 3.52
cũng cho chúng ta thấy rằng sự phân bố ứng suất dư trong liên kết hàn là rất
phức tạp. Kết quả tính toán cũng cho thấy vùng ứng suất dư tập trung chủ yếu ở
phía ống chính.
Khi hàn ở trình tự hàn thứ 2 giá trị ứng suất dư tổng lớn nhất đạt được trong
trường hợp này là 707,61MPa và nhỏ nhất là 0,36MPa. Qua sát phổ màu phân
bố ứng suất ta thấy tại vùng góc hẹp ứng suất dư tổng đạt giá trị khoảng

290MPa, còn tại vùng góc lớn của liên kết thì ứng suất dư tổng đạt khoảng
230MPa, vùng hai bên cạnh thì ứng suất dư rất thấp có những vùng đạt giá trị
dưới 50MPa. Quan sát trên hình 3.51b nhận thấy rằng ứng suất dư có giá trị cao
phân bố chủ yếu ở khu vực mối hàn còn vùng lân cận thì ứng suất dư có giá trị
nhỏ hơn. Thậm chí có một số vùng ứng suất dư rất nhỏ (0,36MPa).
Đối với trình tự hàn 3 giá trị ứng suất dư tổng lớn nhất đạt được trong
trường hợp này là 467,73MPa. Qua sát phổ màu phân bố ứng suất ta thấy tại
vùng góc hẹp ứng suất dư tổng đạt giá trị khoảng 250MPa, còn tại vùng góc lớn
của liên kết thì ứng suất dư tổng đạt khoảng 230MPa, vùng hai bên cạnh thì ứng
suất dư rất thấp. Quan sát trên hình 3.51c nhận thấy rằng ứng suất dư có giá trị
cao phân bố chủ yếu ở khu vực mối hàn còn vùng lân cận thì ứng suất dư có giá
trị nhỏ hơn. Thậm chí có một số vùng ứng suất dư rất nhỏ (0,73MPa).
Khi hàn với trình tự hàn 4 xem hình 3.51d dựa vào phổ màu cho thấy rằng
ứng suất dư Von mises đạt giá trị (494,71MPa) và cũng tập trung tại điểm bắt
đầu và điểm kết thúc đường hàn. Quan sát phổ màu ta dễ dàng nhận thấy rằng
khi hàn theo trình tự hàn này thì ứng suất dư chỗ góc hẹp và góc rộng có giá trị
tương đối gần nhau. Giá trị ứng suất dư đỉnh tập trung tại điểm bắt đầu và kết
thúc đường hàn.
So sánh các kết quả tính toán mô phỏng trường ứng suất dư tổng (Von
mises) phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K ở 3 trình tự hàn nêu
trên ta thấy rằng khi hàn theo trình tự hàn 3 thì ứng suất dư tổng tồn tại trong
liên kết hàn đạt giá trị là nhỏ nhất (467,73MPa). Nghĩa là khi hàn theo trình tự
này thì sẽ thu được liên kết hàn có khả năng làm việc tốt nhất. Chi phí cho việc
xử lý khử bỏ ứng suất dư trong trường hợp này là thấp nhất.
Nếu như không tính toán mô phỏng hoặc làm theo kinh nghiệm thì không
xác định được trình tự hàn nào là hợp lý nhất và như vậy sẽ tạo ra một kết cấu
hàn mà khả năng làm việc kém và chi phí sửa chữa bảo dưỡng lớn hơn. Qua
16

đây có thể khẳng định phương pháp tính toán mô phỏng để xác định trước ứng
suất dư hàn là rất quan trọng và cần thiết. Công việc này cần phải được thực
hiện trước khi chế tạo.

Hình 3. 3 Phân bố ứng suất dư Von mises theo chiều dài ống chính

Hình 3.65 thể hiện sự phân bố ứng suất dư dọc chiều dài ống chính từ trên
bề mặt xuống thành dưới của ống (đường bề mặt, đường giữa, đường đáy). Dựa
trên đồ thị ta thấy rằng, tại vị trí mối hàn ứng suất dư trên bề mặt ống (đường
màu xanh nước biển) có giá trị nhỏ hơn ứng suất dư theo đường giữa (màu xanh
lá cây) và thành dưới của ống (màu đỏ). Ứng suất dư đỉnh tại thành dưới của
ống (thẳng vị trí mối hàn) vào khoảng 340 MPa. Tại vùng HAZ, ứng suất dư
trên đường bề mặt đạt giá trị khoảng 310 MPa ở khu vực ống nhánh 2 (chỗ mũi
tên màu trắng); còn ở vị trí tương tự bên phía ống nhánh 1 thì ứng suất dư chỉ
vào khoảng 260 MPa.
Kết luận chương 3

Ứng dụng các lý thuyết về truyền nhiệt, hình thành ứng suất trong liên kết
hàn và lý thuyết phần phần tử hữu hạn, tác giả đã:
1. Mô hình hóa và thiết lập các điều kiện tính toán, mô phỏng liên kết hàn
nút giàn dạng ống chữ K.
2. Thiết lập các phương án hàn nút giàn dạng ống chữ K với các mô hình
nguồn nhiệt, điều kiện hàn và làm nguội tương ứng.
3. Tính toán, mô phỏng trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn nút giàn
dạng ống chữ K tương ứng với các thông số chế độ hàn khảo sát.
4. Tính toán, mô phỏng trường ứng suất tác động phân bố trong liên kết hàn
nút giàn dạng ống chữ K tương ứng với các thông số chế độ hàn khảo sát. Xác
định được trường ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tương
ứng với các thông số chế độ hàn khảo sát.
5. Trên cơ sở tính toán mô phỏng số, tác giả đã tìm ra được trình tự hàn hợp

17


lý, có ứng suất dư nhỏ nhất đối với liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K.

Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1 Mục đích

Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm là nhằm tạo ra một liên kết hàn dạng
ống chữ K như thực tế. Trên cơ sở của những nghiên cứu lý thuyết ở các
chương 1, chương 2 và mô phỏng ở chương 3. Việc nghiên cứu này còn nhằm
kiểm chứng lại lý thuyết cũng như một số giả thiết khoa học mà tác giả đã đưa
ra, đồng thời bổ sung lý thuyết về ứng suất và biến dạng hàn để làm sáng tỏ
những luận điểm khoa học.
Quá trình làm thực nghiệm hàn liên kết ống chữ K được thực hiện tại Trung
tâm thực hành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định.
4.2 Thực nghiệm hàn liên kết nút giàn dạng ống chữ K
4.2.1 Thiết bị hàn

Dựa vào kết quả phân tích ở chương 2 tác giả chọn thiết bị hàn GMAW để
làm thực nghiệm hàn liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K là máy hàn
Panasonic KR2-350. Đây là loại thiết bị hàn có tính năng ưu việt như:
4.2.2 Vật liệu hàn

Dựa vào thành phần của vật liệu của kim loại cơ bản cũng như phương pháp
hàn đã lựa chọn ở trên lựa chọn dây hàn ER-70 S để thực nghiệm hàn liên kết
hàn nút giàn dạng ống chữ K. Với thành phần hóa học được cho trong bảng 4.4,
cơ tính cho trong bảng 4.5
4.2.3 Chuẩn bị mẫu hàn

Thiết kế, chế tạo liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K (CHS)

Hình 4. 1 Quy cách mối ghép chữ K tiết diện ống [29])

Hình 4.2 mô tả kiểu chuẩn bị mối ghép hàn khi hàn liên kết hàn dạng ống.
Như chúng ta đã biết, mối hàn giữa ống nhánh và ống chính đóng vai trò hết
sức quan trọng trong khả năng làm việc của liên kết hàn. Xuất phát từ điều kiện
bền, theo khuyến cáo [29, 31] nên vát mép ống nhánh nếu góc <60o. Nếu góc
60o thì không cần vát mép xem hình 4.3.
Kết luận chương 4

Trong chương này, tác giả đã:
1. Tiến hành lựa chọn thiết bị hàn, chuẩn bị mẫu hàn theo tiêu chuẩn và
18


tương thích với mô hình mô phỏng ở chương 3.
2. Xây dựng quy trình thực nghiệm với các thông số chế độ hàn phù hợp với
mô hình mô phỏng.
3. Tiến hành kiểm tra và đánh giá ngoại dạng của liên kết hàn nhận được.
4. Phân tích, lựa chọn thiết bị đo ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn
dạng ống chữ K cũng như quy trình tiến hành đo bằng phương pháp khoan lỗ.

Chương 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
5.1 Kích thước vũng hàn

Dựa vào nghiên cứu lý thuyết các chương ở trên về việc chọn thông số chế
độ hàn, hình 5.1 mô tả hình dạng kích thước vũng hàn khi hàn liên kết hàn ống
tiết diện rỗng chữ K với các thông số chế độ hàn được cho ở trên. Theo đo trên
mẫu thực nghiệm chiều dài vũng hàn có kích thước là 16,5mm và đo trên mô

hình mô phỏng chiểu dài vũng hàn có kích thước 17,85mm.
5.2 Ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tại một số
vị trí khảo sát
5.2.1 Tại vị trí 1
Bảng 5. 1 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 1
Chiều sâu lỗ
khoan

0,04
0,2
0,5
0,8
Trung bình

Smax

119
149
122
70

Ứng suất dư (MPa)
Tmax
SX

Smin

-9
47
14

-57

64
51
54
64

74
133
118
-51

SY

35
63
28
64

TXY

-61
38
20
-27

Tổng
x

120,34

85,29
94,25
101,68
101,24

5.2.2 Tại vị trí 2
Bảng 5. 2 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 2
Chiều sâu
lỗ khoan

0,04
0,2
0,5
0,8
Trung bình

Smax

-7
-34
8
62

Smin

-31
-55
-99
-16

Tmax

12
10
54
39

Ứng suất dư (MPa)
SX
SY
 (o)

-63
-59
-78
-84

-26
-49
-94
-218

-12
-39
3
-185

TXY

10

9
23
3

x

31,43
53,7
108,39
206,48
100,00

5.2.3 Tại vị trí 3

Hình 5.8 thể hiện vị trí lỗ khoan thứ 3 trên liên kết hàn nút giàn dạng ống
chữ K, vị trí lỗ khoan trên ống chính, thuộc vùng HAZ cách chân mối hàn
khoảng 20mm và cách giữa 2 ống nhánh một khoảng 47mm.

19


Bảng 5. 3 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 3
Chiều sâu
lỗ khoan

0,04
0,2
0,5
0,8
Trung bình

Smax

30
-10
-43
671

Smin

2
-63
-138
327

Tmax

14
37
48
172

Ứng suất dư (MPa)
SX
SY
 (o)

-64
-73
-89

-74

8
-38
-138
350

25
10
-43
1

TXY

11
-7
1
89

x

15,7
42,15
123,04
470,39
162,82

5.2.4 Tại vị trí 4
Bảng 5. 4 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 4
Chiều sâu

lỗ khoan

0,04
0,2
0,5
0,76
Trung bình

Smax

24
70
81
89

Smin

-52
-118
-195
58

Tmax

38
94
138
16

Ứng suất dư (MPa)

SX
SY
 (o)

-22
-16
-18
20

13
56
54
85

-41
-105
-168
61

TXY

27
48
82
-10

x

62,19
157,15

237,24
85,56
135,54

5.3 Kiểm chứng kết quả tính toán mô phỏng ứng suất dư trong liên kết
nút giàn dạng ống chữ K
5.3.1 Tại vị trí 1

Hình 5. 1 Vị trí đo ứng suất dư: (a) trên mô hình và (b) trên mẫu (VT 1)
Bảng 5. 5 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 1
Kết quả đo ứng suất dư
(MPa)

Khoan lỗ

Mô phỏng

Sai lệch

101,24
106,23
4,98MPa
Trên hình 5.14a là kết quả ứng suất dư tại nút 71479 có giá trị 106,23 MPa.
Nút này tương ứng với vị trí khoan lỗ số 1 trên vật hàn, cách tâm ống 32mm. So
sánh với kết quả đo được bằng phương pháp khoan lỗ thấy rằng ứng suất dư xác
định bằng phương pháp khoan lỗ có giá trị nhỏ hơn mô phỏng là 4,98MPa. Như
vậy, khẳng định rằng kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm tại vị trí 1 là chấp
nhận được.
20

5.3.2 Tại vị trí 2

Hình 5. 2 Vị trí đo ứng suất dư trên mẫu và mô hình mô phỏng (VT 2)
Bảng 5. 6 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 2
Kết quả đo ứng suất dư
(MPa)

Khoan lỗ

Mô phỏng

Sai lệch

100,00
105,62
5,62MPa
Trên hình 5.15a là kết quả ứng suất dư tại nút 36943 có giá trị 105,62 MPa.
Nút này tương ứng với vị trí khoan lỗ số 2 trên vật hàn, cách tâm ống 126mm.
So sánh với kết quả đo được bằng phương pháp khoan lỗ thấy rằng ứng suất dư
xác định bằng phương pháp khoan lỗ có giá trị nhỏ hơn mô phỏng là 5,62MPa.
5.3.3 Tại vị trí 3

Hình 5. 3 Vị trí đo ứng suất dư trên mẫu và mô hình mô phỏng (VT 3)
Bảng 5. 7 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 3
Kết quả đo ứng suất dư
(MPa)

Khoan lỗ

Mô phỏng

Sai lệch

162,82
158,90
3,9MPa
Trên hình 5.16a là kết quả ứng suất dư tại nút 28731 có giá trị 158,90 MPa.
Nút này tương ứng với vị trí khoan lỗ số 3 trên vật hàn, cách tâm ống 47mm. So
sánh với kết quả đo được bằng phương pháp khoan lỗ thấy rằng ứng suất dư xác
định bằng phương pháp khoan lỗ có giá trị lớn hơn mô phỏng là 3,9MPa.

21


5.3.4 Tại vị trí 4

Hình 5. 4 Vị trí đo ứng suất dư trên mẫu và mô hình mô phỏng (VT 4)
Bảng 5. 8 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 4
Kết quả đo ứng suất dư
(MPa)

Khoan lỗ

Mô phỏng

Sai lệch

135,54
134,80

1MPa
Trên hình 5.17a là kết quả ứng suất dư tại nút 14617 có giá trị 113,48 MPa.
Nút này tương ứng với vị trí khoan lỗ số 4 trên vật hàn, cách tâm ống 100mm.
So sánh với kết quả đo được bằng phương pháp khoan lỗ thấy rằng ứng suất dư
xác định bằng phương pháp khoan lỗ có giá trị lớn hơn mô phỏng là 1MPa.
Tổng hợp kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm
Bảng 5. 9 Bảng so sánh kết quả mô phỏng và đo ứng suất bằng khoan lỗ
Kết quả ứng suất
dư (MPa)

Vị trí 1

Vị trí 2

Vị trí 3

Vị trí 4

Mô phỏng
106,23
105,62
158,90
134,80
Khoan lỗ
101,24
100,00
162,82
135,54
Sai lệch
4,98MPa

5,62MPa
3,92MPa
1MPa
Bảng 5.9 thể hiện ứng suất dư tại 4 vị trí đo trên mẫu thực nghiệm liên kết
hàn nút giàn dạng ống chữ K ta thấy rằng ở vị trí 2 sai lệch ứng suất dư giữa đo
bằng phương pháp khoan lỗ và tính toán mô phỏng số bằng phần mềm
SYSWELD có giá trị lớn nhất là 5,62MPa (tương đương 5%). Còn các vị trí
khác sai lệch ứng suất dư dưới 5%, ở vị trí khoan lỗ trên ống nhánh sai lệch ứng
suất dư là rất nhỏ 1%. Như vậy với kết quả thu nhận được giữa đo đạc và mô
phỏng một lần nữa khẳng định rằng mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm
có sự tương đồng cao.
5.4 Đề xuất các biện pháp làm giảm ứng suất dư trong liên kết hàn nút
giàn dạng ống chữ K

Các mối hàn trong liên kết nút giàn dạng ống chữ K là các mối hàn khép kín
nên thường có ứng suất dư rất lớn, vì vậy cần phải có những biện pháp kết cấu
và công nghệ hợp lý nhằm giảm ứng suất dư do hàn gây ra để tăng khả năng
làm việc của kết cấu cũng như giảm chi phi cho việc khắc phục các ứng suất dư
do hàn gây ra trong liên kết.
- Hàn với năng lượng đường phù hợp cho ứng suất dư hàn là nhỏ nhất. Hàn
với năng lượng đường phù hợp sẽ cho chiều rộng vùng ứng suất tác động nhỏ
22


hơn so với khi hàn với năng lượng đường lớn.
- Khi cần thiết cần tăng số lớp hàn để giảm năng lượng đường cho mỗi lớp.
Đồng thời khi đó nhiệt độ của đường hàn sau có tác dụng như trong trường hợp
ram khử ứng suất do đường hàn trước sinh ra.
- Đặc biệt cần lưu ý thực hiện đúng trình tự hàn. Khi hàn các mối hàn nút
giàn dạng ống chữ K mà có nhiều đường hàn nên hàn các đường hàn cùng chiều

sẽ cho ứng suất dư nhỏ hơn khi hàn các đường hàn ngược chiều. Khi hàn mỗi
đường hàn thì cần sử dụng trình tự hàn từ góc hẹp ra góc lớn để làm giảm sự giá
trị ứng suất dư ở khu vực mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. Với trình tự hàn
này sẽ làm thay đổi sự phân bố ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống
chữ K.

Kết luận chương 5
Trong chương này, tác giả đã:
1. Kiểm chứng được kích thước vũng hàn thu được bằng mô phỏng là tương
đồng với kết quả đo. Với chế độ hàn đã sử dụng trong bảng 3.7 kết quả đo được
chiều dài vũng hàn là 16,5mm tương đồng với kết quả mô phỏng là 17,85mm.
Điều đó chứng minh mô hình mô phỏng cùng với các điều kiện tính toán đã
thiết lập là phù hợp với thực tiễn.
2. Đã xác định được giá trị ứng suất dư tại 4 vị trí khảo sát trong liên kết hàn
nút giàn dạng ống chữ K bằng kỹ thuật khoan lỗ. Trong đó, ứng suất tại vị trí 3
đạt giá trị lớn nhất 162,82 MPa và nhỏ nhất là vị trí 2 đạt giá trị 100 MPa khi
hàn với chế độ hàn được cho trong bảng 3.8.
3. Qua so sánh kết quả đo đạc ứng suất dư bằng kỹ thuật khoan lỗ với mô
phỏng số, ta nhận thấy rằng giá trị ứng suất dư chênh lệch lớn nhất là 5,62 MPa
(vị trí 2). Điều đó chứng minh mô hình mô phỏng đã xây dựng phản ánh đúng
thực tế. Từ đó, có thể khuyến cáo sử dụng phương pháp mô phỏng số bằng
phần mềm SYSWELD để tính toán, xác định trường ứng suất dư trong liên kết
hàn nút giàn dạng ống chữ K. Nhằm mục đích tiết kiệm chi phí, giảm thời gian
nghiên cứu; thu nhận được các hình ảnh trực quan về kết quả nghiên cứu trong
toàn liên kết mà bằng phương pháp thực nghiệm khó có thể thực hiện được.
4. Qua nghiên cứu trạng thái ứng suất dư của liên kết hàn nút giàn dạng ống
chữ K, tác giả đã đề xuất được các biện pháp để giảm ứng suất dư trong liên kết
hàn nút giàn dạng ống chữ K.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Trong luận án này, tác giả đã xác định được bộ thông số chế độ hàn và trình
tự hàn hợp lý đối với liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K với mối hàn nhiều
đường, nhiều lớp. Đã xây dựng được phương pháp nghiên cứu mô phỏng tính
toán trường nhiệt độ và ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Cụ
thể các kết quả nghiên cứu mới mà luận án đã đạt được bao gồm:
1. Đã mô hình hóa được liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng cách kết
23