Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Hàn Điện Cơ Khí Trong Ngành Đóng Tàu Biển Ở Việt Nam

Sự phát triển của công nghệ hàn gắn liền với lịch sử phát triển của ngành đóng tàu biển vỏ kim loại. Từ những phương pháp hàn thô sơ ban đầu đến các kỹ thuật hàn hiện đại, công nghệ hàn đã trải qua nhiều giai đoạn cải tiến. Các phát minh như hàn hồ quang tay, hàn dưới lớp thuốc, và hàn khí bảo vệ đã tạo ra những bước đột phá lớn, cho phép xây dựng những con tàu lớn hơn, chắc chắn hơn, và hiệu quả hơn. Năm 1887 nhà khoa học người Nga Nikolai Bernados đã sử dụng hồ quang điện cực các bon để hàn kim loại, mặc dù ứng dụng còn hạn chế do dùng dòng điện và điện áp cao (Uh từ 100-300V, Ih từ 600-1000A) nhưng đã mở ra thời kỳ phát triển mới cho ngành đóng tàu thủy chuyển từ đóng tàu bằng các phương pháp truyền thống như đinh tán, ghép gỗ sang hàn tàu thủy vỏ thép.

Công nghệ hàn điện đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc và độ bền của tàu biển. Nó cho phép ghép nối các tấm thép lớn một cách chắc chắn, tạo ra các kết cấu vỏ tàu chịu được áp lực và tải trọng lớn. Việc lựa chọn phương pháp hàn phù hợp và kiểm soát chặt chẽ quy trình hàn là yếu tố quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của con tàu. Với một con tàu có trọng tải 34.000 tấn chỉ tính chiều dài mối hàn có thể lên tới xấp xỉ 37.000 mét, trọng tải của tàu càng lớn thì số lượng các mối hàn càng tăng.

Hiện nay, có nhiều phương pháp hàn điện được sử dụng trong ngành đóng tàu, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Các phương pháp phổ biến bao gồm hàn điện hồ quang tay (SMAW), hàn MIG/MAG, hàn TIG, hàn dưới lớp thuốc (SAW), và hàn điện khí (EGW). Việc lựa chọn phương pháp hàn phụ thuộc vào loại vật liệu, chiều dày tấm, vị trí hàn, và yêu cầu về chất lượng mối hàn.

Trong quá trình hàn điện, sự nung nóng cục bộ và làm nguội nhanh chóng có thể gây ra biến dạng và ứng suất dư trong kết cấu hàn. Biến dạng có thể làm thay đổi hình dạng và kích thước của chi tiết, ảnh hưởng đến khả năng lắp ráp và vận hành. Ứng suất dư có thể làm giảm độ bền và khả năng chống ăn mòn của mối hàn. Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ hàn, sử dụng các biện pháp giảm ứng suất, và lựa chọn quy trình hàn phù hợp là rất quan trọng.

Để giảm thiểu biến dạng và ứng suất dư trong kết cấu hàn, có thể áp dụng nhiều giải pháp khác nhau. Một số giải pháp phổ biến bao gồm: Sử dụng quy trình hàn đối xứng, phân bố đều nhiệt lượng, giảm số lượng đường hàn, sử dụng gá kẹp định vị, và thực hiện các biện pháp xử lý nhiệt sau hàn. Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu hàn có hệ số giãn nở nhiệt thấp cũng có thể giúp giảm biến dạng hàn.

Trình độ tay nghề của thợ hàn đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chất lượng mối hàn. Thợ hàn cần được đào tạo bài bản về các phương pháp hàn điện, quy trình hàn, và kỹ thuật kiểm tra chất lượng. Việc đào tạo nâng cao tay nghề cần được thực hiện thường xuyên để cập nhật kiến thức và kỹ năng mới, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của ngành đóng tàu biển. Mặt khác ngành công nghiệp phụ trợ cũng phát triển rất mạnh như các nhà máy cán thép tấm, chế tạo động cơ…Để làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo phải dựa vào nguồn nhân lực hiện có, đào tạo và bồi dưỡng nguồn nhân lực kế cận có trình độ cao, tiếp thu nhanh các công nghệ đóng tàu tiên tiến của đối tác và các nước có trình độ cao.

Trước khi hàn MIG/MAG, bề mặt vật liệu cần được làm sạch và loại bỏ các tạp chất như dầu mỡ, rỉ sét, và lớp oxit. Vật liệu hàn (dây hàn và khí bảo vệ) cần được lựa chọn phù hợp với loại vật liệu cần hàn và yêu cầu về chất lượng mối hàn. Việc lựa chọn đúng vật liệu hàn sẽ ảnh hưởng đến độ bền, độ dẻo, và khả năng chống ăn mòn của mối hàn.

Các thông số hàn như dòng điện, điện áp, tốc độ hàn, và tốc độ cấp dây cần được điều chỉnh phù hợp để đảm bảo quá trình hàn ổn định và tạo ra mối hàn chất lượng. Dòng điện quá lớn có thể gây cháy cạnh, trong khi dòng điện quá nhỏ có thể gây thiếu ngấu. Điện áp quá cao có thể gây bắn tóe, trong khi điện áp quá thấp có thể gây chập mạch. Tốc độ hàn quá nhanh có thể gây thiếu ngấu, trong khi tốc độ hàn quá chậm có thể gây biến dạng.

Kỹ thuật hàn đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra mối hàn đẹp và chắc chắn. Cần chú ý đến góc que hàn, khoảng cách từ que hàn đến vật liệu, và đường đi của que hàn. Nên giữ góc que hàn ổn định và di chuyển que hàn đều đặn để đảm bảo nhiệt lượng phân bố đều và mối hàn ngấu sâu. Cần tránh dừng lại quá lâu ở một điểm để tránh cháy cạnh hoặc biến dạng.

Robot hàn mang lại nhiều ưu điểm như năng suất cao, chất lượng ổn định, giảm thiểu rủi ro cho người lao động, và khả năng hàn các mối hàn phức tạp. Tuy nhiên, robot hàn cũng có những hạn chế như chi phí đầu tư ban đầu lớn, yêu cầu kỹ năng lập trình và vận hành cao, và khả năng linh hoạt hạn chế trong các không gian chật hẹp.

Có nhiều loại robot hàn khác nhau được sử dụng trong ngành đóng tàu, bao gồm robot gantry (robot cổng) và robot tay máy (robot công nghiệp). Robot gantry thường được sử dụng để hàn các tấm thép lớn trên mặt phẳng, trong khi robot tay máy có thể di chuyển linh hoạt trong không gian ba chiều và hàn các mối hàn phức tạp trên thân tàu.

Việc lập trình và vận hành robot hàn đòi hỏi kỹ năng chuyên môn cao. Kỹ sư lập trình cần có kiến thức về công nghệ hàn, quy trình hàn, và ngôn ngữ lập trình robot. Người vận hành cần được đào tạo về cách sử dụng và bảo trì robot, cũng như cách xử lý các sự cố có thể xảy ra trong quá trình hàn.

Mỗi phương pháp hàn điện đều có những ưu và nhược điểm riêng. Hàn MIG/MAG có năng suất cao nhưng đòi hỏi khí bảo vệ. Hàn TIG cho mối hàn chất lượng cao nhưng năng suất thấp. Hàn dưới lớp thuốc phù hợp cho các mối hàn dài và thẳng nhưng khó kiểm soát. Việc lựa chọn phương pháp hàn phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

Xu hướng phát triển của công nghệ hàn điện trong đóng tàu bao gồm việc nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu hàn mới (ví dụ: vật liệu composite), phát triển các quy trình hàn hiệu quả hơn (ví dụ: hàn laser, hàn ma sát), và tích hợp các hệ thống kiểm tra chất lượng tiên tiến (ví dụ: kiểm tra bằng siêu âm, kiểm tra bằng chụp X-quang).

Để nâng cao năng lực cạnh tranh, ngành đóng tàu biển Việt Nam cần đầu tư vào đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao, khuyến khích nghiên cứu và phát triển các công nghệ hàn tiên tiến, và xây dựng các tiêu chuẩn chất lượng chặt chẽ. Cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các viện nghiên cứu, trường đại học, và doanh nghiệp để đưa các kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn.