MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Ở Việt Nam hiện nay, ngành xây dựng nhà cao tầng, cầu cống, thủy điện… đang phát triển rất mạnh. Trong đó, việc nối cốt thép tại công trường là một công đoạn rất quan trọng, có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế của công trình. Tại các công trình xây dựng, việc nối các cây thép cột trụ hoặc kết cấu thép dầm, mái chủ yếu vẫn dùng phương pháp truyền thống là bẻ mỏ và buộc dây hoặc hàn chồng lên nhau, gây lãng phí nguyên vật liệu, đồng thời tiêu tốn nhiều thời gian thi công.
Mặt khác, các cây thép nối theo phương pháp này không đồng tâm, mối hàn không thất ngấu hết trên toàn bộ tiết diện của cây thép, nên khả năng chịu lực của kết cấu giảm. Một vài doanh nghiệp trong nước đã có thử nghiệm ứng dụng công nghệ hàn đối đầu các cây thép bằng phương pháp hàn điện tiếp xúc trong thi công xây dựng. Tuy nhiên, thiết bị hàn điện tiếp xúc có khối lượng đến vài tấn, tiêu tốn nhiều điện năng (100 500 kVA), nên việc áp dụng hàn nối mới thực hiện được ở tư thế nằm ngang trong các xưởng cơ khí, rất không thuận lợi cho quá trình thi công. Mặt khác chất lượng mối hàn cũng không ổn định vì nó không được bảo vệ trong môi trường khí trơ hoặc thuốc hàn.
Việc hàn nối đối đầu tại hiện trường công trình xây dựng bằng phương pháp hồ quang tay cũng đã được áp dụng tại Việt Nam, tuy nhiên, chất lượng mối hàn kém vì có nhiều khuyết tật, việc thao tác hàn khó khăn, mất nhiều thời gian cho việc chuẩn bị và định vị các cây thép hàn trong quá trình hàn. Hiện nay, một phương pháp hàn mới: công nghệ hàn điện xỉ - áp lực đã bước đầu được triển khai để hàn nối cốt thép, bước đầu có kết quả khả quan và có tiềm năng ứng dụng rất rộng rãi. Phương pháp này có nhiều ưu điểm nổi trội khắc phục được những nhược điểm của các phương pháp nối trước đây. Tuy nhiên, do phạm vi nghiên cứu và kinh phí còn hạn hẹp, nên những vấn đề khoa học chuyên sâu của công nghệ này còn chưa được nghiên cứu một cách thấu đáo và có hệ thống.
Việc tiến hành tạo hồ quang để hình thành bể xỉ, quá trình truyền nhiệt, quá trình nóng chảy và hình thành mối hàn là rất phức tạp, phụ thuộc rất nhiều vào chế độ hàn như: cường độ dòng điện hàn, điệp áp hàn, thời gian hàn, áp lực hàn,… Các thông số công nghệ hàn điện xỉ - áp lực 1 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật này hiện chưa được nghiên cứu chuyên sâu. Đặc biệt là các thông số áp lực hàn (Ph), dòng điện hàn (Ih) và thời gian hàn (Th) chưa được chọn phù hợp đối với mỗi loại đường kính danh nghĩa cốt thép hàn (dd. Ngoài ra, chưa làm chủ được công nghệ và thiết bị chuyên dụng, đặc biệt là chưa có tiêu chuẩn quốc gia về lĩnh vực này, chất lượng mối hàn thử nghiệm đối với các loại đường kính cốt thép khác nhau còn chưa được ổn định. Chính vì những lý do trên mà việc nghiên cứu tìm ra miền giá trị tối ưu của các thông số hàn điện xỉ - áp lực để nâng cao được chất lượng và hiệu quả kinh tế của mối hàn nối cốt thép là vấn đề rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao.
Mục đích, phương pháp và giới hạn phạm vi nghiên cứu của luận án 2. Mục đích nghiên cứu Xác định được bộ thông số công nghệ hàn tối ưu phù hợp nhất với từng loại đường kính thép hàn, tiến tới làm chủ được quy trình công nghệ hàn nối đối đầu cốt thép với trang thiết bị, đồ gá hàn điện xỉ - áp lực tự chế tạo tại Việt Nam và đưa vào ứng dụng tại thực tế công trường xây dựng. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với quy hoạch thực nghiệm; 2. Giới hạn phạm vi nghiên cứu và nội dung của luận án Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các nội dung chính như sau đây: - Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp nối đầu cốt thép xây dựng trong và ngoài nước, từ đó lựa chọn phương án hàn điện xỉ - áp lực là một hướng công nghệ hàn tiến tiến hiện nay có nhiều ưu điểm nổi bật và có nhu cầu ứng dụng ngày càng lớn trong nước và quốc tế.
Đồng thời phân tích sâu các vấn đề chưa hoàn thiện cần giải quyết để làm cơ sở khoa học cho nghiên cứu tiếp theo của luận án. - Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của Hàn điện xỉ và Hàn điện xỉ áp lực, các bước công nghệ của chúng và đưa ra được các thông số chế độ hàn chính ảnh hưởng đến hình dáng và chất lượng của mối hàn. Từ đó đưa ra được các hàm mục tiêu và các yếu tố đầu vào cần nghiên cứu. - Nghiên cứu về thiết bị, đồ gá và vật liệu hàn điện xỉ - áp lực hàn nối cốt thép.
Thiết kế, chế tạo bộ đồ gá được điều khiển tự động, có khả năng cài đặt và thực 2 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật hiện chính xác các chế độ công nghệ hàn. Thực nghiệm hàn điện xỉ - áp lực nối đối đầu cốt thép xây dựng (mác CB400V) có đường kính danh nghĩa phổ biến dd.n = 25 mm bằng phương pháp quy hoạch trực giao kiểu 3 mức 3 yếu tố đầu vào chính có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng và hình dáng mối hàn. - Xây dựng mô hình toán học thực nghiệm biểu diễn sự phụ thuộc của hàm mục tiêu đầu ra (hình dáng và chất lượng mối hàn) vào các yếu tố công nghệ chính làm cơ sở khoa học cho việc lựa chọn chế độ hàn điện xỉ - áp lực thích hợp nhất sao cho đảm bảo chất lượng mối hàn tốt và đạt mục tiêu về kinh tế của các công trình xây dựng. - Sử dụng chế độ công nghệ hàn điện xỉ - áp lực tối ưu trong miền khảo sát của luận án để hàn nối đối đầu cốt thép và áp dụng thử vào thực tiễn trên một vài công trình xây dựng ở Việt Nam.
Tiến hành kiểm tra chất lượng mối hàn, đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của công nghệ Hàn điện xỉ - áp lực ứng dụng hàn nối cốt thép xây dựng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án a) Ý nghĩa khoa học - Thông qua việc hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và nghiên cứu chuyên sâu về bản chất quá trình hàn điện xỉ - áp lực đã xác định được các thông số chế độ hàn chính có ảnh hưởng mạnh đến hình dáng và chất lượng mối hàn điện xỉ - áp lực nối cốt thép. - Ứng dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm trực giao kiểu N = 33 = 27 (N27) để tính toán, xây dựng các mô hình toán học và đồ thị mô tả quan hệ giữa các hàm mục tiêu đầu vào là kích thước hình học, độ bền kéo mối hàn với một số thông số công nghệ hàn chính được lựa chọn gồm: cường độ dòng điện hàn (Ih, A), thời gian hàn (Th, s), áp lực hàn (Ph, MPa). Các kết quả này chính là cơ sở khoa học cho việc lựa chọn chế độ hàn tối ưu phù hợp với mỗi loại đường kính cốt thép.
- Bằng cách thiết kế và sử dụng bộ đồ gá hàn chuyên dụng, các thông số chế độ hàn điện xỉ - áp lực tối ưu (Ih; Th; Ph) đã được cài đặt với độ chính xác cao góp phần điều khiển tự động toàn bộ quá trình hàn. b)Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của luận án đã từng bước hoàn thiện được công nghệ và thiết bị hàn điện xỉ - áp lực, góp phần triển khai ứng dụng một công nghệ mới với 3 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật nhiều ưu điểm nổi trội vào sản xuất. Công nghệ hàn điện xỉ - áp lực đã được đưa vào áp dụng kiểm chứng tại một số công trình xây dựng nhà cao tầng với kết quả rất khả quan, nâng cao được chất lượng mối hàn và góp phần giảm giá thành công trình rất đáng kể. Đóng góp mới của luận án - Trên cơ sở phân tích đánh giá quy trình công nghệ và các kết quả thử nghiệm của phương pháp hàn điện xỉ - áp lực, đã thiết kế, chế tạo bộ đồ gá hàn chuyên dụng có điều khiển tự động (PLC) để cài đặt chính xác chu trình hàn, dòng điện hàn (Ih) thời gian hàn (Th), áp lực hàn (Ph) với độ chính xác và tin cậy cao.
- Bằng phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố để thăm dò và định hướng công nghệ, đã xác định được quy luật ảnh hưởng của thông số công nghệ hàn mới: áp lực hàn (Ph) đến hàm mục tiêu chất lượng mối hàn thông qua tiêu chí độ bền kéo mối hàn (K, MPa) bằng các đồ thị trực quan 2D. Từ đó đã xác định được miền điều chỉnh lựa chọn của áp lực hàn một cách có cơ sở khoa học và thực tiễn rất đáng tin cậy. - Ứng dụng phương pháp quy hoạch trực giao kiểu 3 mức 3 yếu tố đầu vào N = 33 = 27 (N27) với các yếu tố đầu vào là cường độ dòng điện hàn (Ih, A), thời gian hàn (Th,s), áp lực hàn (Ph, MPa) áp dụng cho đường kính danh nghĩa cốt thép ddn= 25 mm, đã xác định được mô hình toán học lượng hóa quy luật ảnh hưởng của chúng đến các hàm mục tiêu đầu ra bao gồm: + Độ bền kéo dọc trục cốt thép hàn Y1 = K, MPa. + Độ nở phình trung bình theo hướng kính mối hàn Y3 = dh, mm.
- Nhờ trợ giúp của phần mềm tin học chuyên dụng đã đưa ra các đồ thị trực quan 3D biểu diễn sự ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn điện xỉ - áp lực đến chất lượng và hình dáng mối hàn. Kết hợp với việc đánh giá các kết quả thí nghiệm và đồ thị 2D, đã lựa chọn được các thông số chế độ hàn tối ưu cho đường kính cốt thép đã chọn. - Thông qua việc phân tích và đánh giá tổ chức thô đại mối hàn, tổ chức tế vi vật liệu tại tâm mối hàn và các vùng ảnh hưởng nhiệt trên một số mẫu thí nghiệm điển hình nhận được theo quy hoạch thực nghiệm N27, đã làm rõ đặc tính tổ chức vật liệu mối hàn cốt thép xây dựng bằng phương pháp hàn điện xỉ - áp lực, làm cơ sở khoa học cho việc đánh giá tổng hợp về chất lượng kết cấu hàn và cơ chế hình thành mối hàn.