PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là quốc gia ven biển nằm bên bờ Thái Bình Dương và liền trục giao thông đường biển quốc tế từ Thái Bình Dương sang Đại Tây Dương. Với chiều dài trên 3.260 km chạy dọc từ Bắc tới Nam theo chiều dài đất nước, có nhiều cảng, vịnh… rất nhiều thuận tiện cho giao thông đường thủy, đánh bắt hải sản. Vì vậy phát triển kinh tế biển là góp phần thực hiện thắng lợi sự nghiệp Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa đất nước.
Để đảm bảo yêu cầu này thì ngành công nghiệp đóng tầu biển trở thành một ngành công nghiệp mũi nhọn để phát triển kinh tế biển và tạo thị trường cho các ngành công nghiệp khác phát triển. Có thể nói sự phát triển của công nghiệp đóng tàu gắn liền với sự phát triển của công nghệ hàn. - Hàn tạo ra sức bền cao cho thân tàu: Do sử dụng triệt để mặt cắt làm việc của chi tiết hàn nên độ bền mối hàn cao, tăng độ bền chắc của kết cấu. Độ bền của các mối hàn sẽ tham gia đảm bảo độ kín khít, độ bền chung và khả năng làm việc lâu dài, ổn định, của con tàu.
Hàn có thể nối được những kim loại có tính chất khác nhau, không hạn chế chiều dày của các chi tiết, với độ bền mối hàn cao, mối hàn kín, chịu tải trọng tốt và chịu được áp suất cao. Ngoài ra, công nghệ hàn cho phép giảm được tiếng ồn trong sản xuất. - Tính công nghệ: Công nghệ hàn là yếu tố hàng đầu quyết định việc chọn lựa phương án chế tạo, lắp ghép các phân đoạn, tổng đoạn. Do đó, nó trực tiếp quyết định đến độ lớn của con tàu.
Ngày nay, các loại tàu ngày càng đòi hỏi phải có tải trọng lớn vì vậy kích thước của nó là rất lớn; đặc biệt là các loại tàu vận tải, tầu khu trục, tầu sân bay. Vì vậy đòi hỏi vỏ thân tầu phải có chiều dày rất lớn để chịu tải; để chế tạo được các loại vỏ thân tàu như vậy thì các phương pháp hàn vẫn là phương án được lựa chọn và hàn tự động dưới lớp thuốc là một trong những lựa chọn phù hợp. - Tính kinh tế: Công nghệ hàn mang lại hiệu quả kinh tế cao trong ngành công nghiệp đóng tàu. So với tán ri vê, hàn sẽ tăng đươc 13% tốc độ thi công, giảm 30% lượng nhiên liệu tiêu hao, tiết kiệm được (10 ÷ 20)% khối lượng kim loại do sử dụng 2 mặt cắt làm việc của chi tiết hàn triệt để hơn, hình dáng chi tiết cân đối hơn, giảm được khối lượng kim loại mất mát do đột lỗ v.v…So với đúc, hàn tiết kiệm được tới 50% vì không cần tới hệ thống rót.
Công nghệ hàn là một trong những yếu tố quan trọng góp phần nâng cao năng suất trong ngành công nghiệp đóng tàu. Hàn sẽ giảm được thời gian và giá thành chế tạo kết cấu. Hàn cho năng suất cao hơn so với các phương pháp khác do giảm được số lượng nguyên công và cường độ lao động.[1] - Xu hướng phát triển: Hàn với những ưu điểm vượt trội về tính bền, tính công nghệ, tính kinh tế. Do đó, công nghệ hàn đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi hơn trong công nghiệp nói chung và công nghiệp đóng tàu nói riêng.
Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2. Mục tiêu - Nghiên cứu công nghệ hàn giáp mối một phía bằng phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc có sử dụng tấm lót; - Tiến hành thực nghiệm để xác định chế độ hàn; tối ưu hóa bằng phương pháp Quy hoạch trực giao cấp II để xác định bộ thông số chế độ hàn hợp lý; - Xây dựng quy trình hàn giáp mối một phía bằng phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc có sử dụng tấm lót. Đối tượng - Nghiên cứu đặc điểm và công nghệ hàn giáp mối một phía bằng phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc có sử dụng đệm thuốc, thép A36 có chiều dày 12 mm ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu thủy; - Xây dựng quy trình hàn giáp mối một phía bằng phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc có sử dụng đệm thuốc, thép A36 có chiều dày 12 mm ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu thủy. Phạm vi nghiên cứu Đề tài này tập trung nghiên cứu, phân tích và hệ thống hóa công nghệ, chế độ hàn (cường độ dòng điện hàn, điện áp hàn, vận tốc hàn) cho vật liệu là thép A36 có chiều dày 12 mm.
Làm sáng tỏ kiến thức lý thuyết và các kiến thức thực nghiệm về công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc có sử dụng đệm thuốc. TỔNG QUAN CHUNG 1. Công nghệ hàn tàu vỏ thép 1. Sơ lược lịch sử phát triển Lịch sử phát triển của ngành công nghiệp đóng tàu gắn liền với lịch sử phát triển của công nghệ hàn.
Năm 1801, Sir Humpharey Davy đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện và chỉ rõ khả năng sử dụng nhiệt năng của nó để làm nóng chảy kim loại, mở ra thời kỳ hàn hồ quang tay trong ngành công nghiệp đóng tàu.[2] Năm 1889, độc lập với nhau N.G Sla-vi-a-nốp và Charle coffin đã áp dụng điện cực nóng chảy (điện cực điện kim loại) vào hàn hồ quang tay thay cho điện cực các bon, đến năm 1907, kỹ sư Thuỵ Điển Oscar Kjellberg đã phát hiện ra phương pháp ổn định quá trình phóng hồ quang và bảo vệ vùng hàn khỏi tác động của không khí xung quanh bằng cách bọc lên điện cực kim loại một lớp thuốc. Việc ứng dụng que hàn bọc thuốc bảo đảm chất lượng của mối hàn trong ngành công nghiệp đóng tàu lúc bấy giờ.[2] Năm 1919, Roberts và Van Nuys đã thử nghiệm khả năng dùng khí để bảo vệ hồ quang và đến năm 1940 phương pháp hàn sử dụng khí trơ để bảo vệ hồ quang của điện cực Wonfram trong hàn tấm mỏng manhê và thép không gỉ. Hàn trong khí bảo vệ làm tăng vọt chất lượng mối hàn và hiện nay là một trong những phương pháp hàn được sử dụng rộng rãi nhất tại các nhà máy đóng tàu với những ưu điểm về chất lượng mối hàn và đặc biệt là khả năng sử dụng dễ dàng ở mọi tư thế hàn và mọi vị trí hàn khác nhau.[2] Năm 1932, người ta đã tìm ra phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc trong điều kiện thí nghiệm. Thời kỳ phát triển cao của công nghệ hàn tàu đã được mở ra vào những năm cuối thập kỷ 30 và đầu thập kỷ 40 sau những công trình nổi tiếng của viện sĩ E.Paton về hàn dưới lớp thuốc.
Phương pháp hàn này được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng tàu, đó là thành tựu vô cùng to lớn của kỹ thuật hàn hiện đại. Cho đến nay, hàn dưới thuốc vẫn là phương pháp cơ khí hoá cơ bản trong kỹ thuật hàn trong ngành công nghiệp đóng tàu với những ưu điểm vượt trội về 4 hiệu suất và chất lượng của mối hàn.[2] Năm 1949 đã ra đời phương pháp hàn nóng chảy đặc biệt - hàn điện xỉ. Đó là một phát minh nổi tiếng nữa của tập thể Viện hàn điện B. Hàn điện xỉ được cho phép hàn các loại kim loại rất dày.[2] Ngày nay đã có khoảng 130 phương pháp hàn khác nhau và các phương pháp hàn ngày càng được nghiên cứu và cải tiến để nâng cao năng suất, hiệu quả và chất lượng mối hàn cũng như nâng cao khả năng tự động hóa.
Các phương pháp hàn được áp dụng cho hàn tàu vỏ thép hiện nay Hiện nay, có hơn 130 phương pháp hàn khác nhau. Trong đó, ngành công nghiệp đóng tàu chủ yếu chỉ sử dụng phương pháp hàn nóng chảy.[3] Các phương pháp hàn nóng chảy được ứng dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp đóng tàu là: Hàn hồ quang tay; Hàn hồ quang tự động và bán tự động; Hàn điện xỉ. Trong các phương pháp hàn hồ quang nóng chảy thì hồ quang hình thành giữa điện cực và vật hàn. Kim loại bổ sung được sử dụng trong quá trình hàn nóng chảy với mục đích là tăng thể tích kim loại đắp và tăng độ bền của kim loại mối hàn.
Bể hàn nóng chảy bao gồm kim loại bổ sung và kim loại cơ bản tạo nên. Vì điện cực di chuyển dọc theo đường hàn, kim loại nóng chảy sẽ đông đặc tạo thành mối hàn. Dưới đây là một vài phương pháp hàn nóng chảy được dùng phổ biến hiện nay: hàn hồ quang que hàn thuốc bọc (SMAW), hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GTAW), hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc (FCAW), hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW),… a) Hàn hồ quang tay (SMAW) Hàn hồ quang tay với que hàn thuốc bọc (SMAW), thường được gọi là phương pháp hàn bằng que hàn, là một phương pháp cổ điển nhất của các nhóm hàn hồ quang hiện nay. Tuy nhiên nó lại được ứng dụng rộng rãi nhất.
Đây là quá trình 5 hàn được thực hiện bằng tay, trong đó nhiệt lượng cho quá trình hàn tạo ra nhờ cột hồ quang hình thành giữa vật hàn và que hàn (điện cực tự hao), có vỏ bọc là lớp trợ dung (thuốc hàn). Phương pháp hàn hồ quang SMAW được sử dụng rộng rãi do tính đa dạng của nó và thiết bị tương đối đơn giản, dễ di chuyển và rẻ hơn so với các thiết bị hàn hồ quang khác.1 mô tả nguyên lý hàn hồ quang tay. Nguyên lý hàn hồ quang tay b) Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GTAW) Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ, điện cực wonfram được sử dụng thay thế điện cực nóng chảy trong hàn hồ quang que hàn thuốc bọc. Khí bảo vệ là các loại khí trơ như: argon, helium hoặc H2 được sử dụng để bảo vệ kim loại không bị oxy hóa.
Nguồn nhiệt của hồ quang hình thành giữa điện cực và vũng hàn. Nguồn nhiệt được tạo ra do sự hình thành hồ quang giữa điện cực và KLCB làm nóng chảy mép hàn. Nguyên lý hàn GTAW 6 Dây kim loại phụ được đưa vào vùng hồ quang hoặc bể hàn. Quá trình hàn hồ quang với điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ có thể hàn được hầu hết các kim loại và cho mối hàn có chất lượng tốt.
Tuy nhiên tốc độ hàn chậm hơn các quá trình hàn khác.[2,4] c) Hàn hồ quang với điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW) Đây là loại quá trình hàn có độ tin cậy cao khi sử dụng điện cực nóng chảy dưới dạng dây hàn trong môi trường khí trơ trên cơ sở khí argon.