Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành cơ khí chế tạo nói chung và công nghệ hàn điện nóng chảy nói riêng đóng vai trò then chốt trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như xây dựng, hóa chất và chế tạo thiết bị áp lực. Thùng hấp thực phẩm là một dạng thiết bị nồi hơi chuyên dụng, được sử dụng trong các dây chuyền đun nấu, sấy và thanh trùng tại các nhà máy sản xuất nước giải khát, nước mắm, tương hoặc dầu thực vật.

Đặc thù làm việc của thiết bị là chịu áp suất hơi bão hòa khoảng 3 atm cùng tác động nhiệt độ cao liên tục. Để đảm bảo thiết bị vận hành an toàn, kết cấu hàn của thùng hấp phải thỏa mãn các yêu cầu nghiêm ngặt về độ bền cơ học, độ chính xác kích thước hình học và tuyệt đối không phát sinh các khuyết tật nguy hiểm như nứt nóng hay nứt nguội. Đồ án của tác giả Vũ Tuấn Cường (chuyên ngành Công nghệ Hàn K52) tập trung thiết kế toàn diện quy trình công nghệ chế tạo kết cấu hàn cho thùng hấp thực phẩm chịu áp lực.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể trong đồ án được xác định gồm các bước:

  1. Phân tích điều kiện làm việc, lựa chọn vật liệu cơ bản, quá trình hàn và vật liệu hàn phù hợp.
  2. Đánh giá tính hàn của vật liệu, trọng tâm là tính toán các chỉ số nguy cơ nứt (nứt nóng, nứt nguội, nứt tầng, nứt do ram) và đề xuất biện pháp phòng ngừa.
  3. Thiết kế quy trình chế tạo phôi hàn: kiểm tra, nắn phôi, lấy dấu, tối ưu hóa hệ số sử dụng vật liệu, lựa chọn phương pháp và chế độ cắt phôi.
  4. Xây dựng quy trình gá lắp, chế độ hàn đính, xử lý nhiệt trước và sau khi hàn (nung sơ bộ, ram khử ứng suất).
  5. Tính toán các thông số chế độ hàn hồ quang tay (SMAW), lựa chọn thiết bị hàn và thiết bị phụ trợ.
  6. Lập bản quy trình hàn sơ bộ (pWPS), quy trình phê chuẩn quy trình hàn và kiểm tra sát hạch thợ hàn theo tiêu chuẩn.
  7. Đề xuất quy trình thanh tra, giám sát chất lượng và kiểm tra không phá hủy (NDT) sản phẩm sau khi hoàn thiện.

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu thùng hấp thực phẩm gồm 11 cụm chi tiết liên kết hàn, chế tạo từ thép hợp kim thấp chịu nhiệt. Phạm vi nghiên cứu áp dụng cho quy mô chế tạo thử nghiệm 02 sản phẩm hoàn chỉnh phục vụ nghiên cứu kỹ thuật, thực hiện tại Hà Nội (hoàn thành ngày 24 tháng 05 năm 2013).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết luyện kim hàn, truyền nhiệt và biến dạng nhiệt trong hàn nóng chảy, kết hợp áp dụng hệ thống tiêu chuẩn quốc tế chuyên ngành:

  • Tiêu chuẩn vật liệu và chế tạo: Tiêu chuẩn vật liệu thép tấm chịu nhiệt ASTM A387/A387M (Mác 2, Class 1); tiêu chuẩn que hàn hồ quang tay ASME / AWS A5.5 (mác E8016-B2) và tiêu chuẩn Nhật Bản JIS Z3223 (mác DT2316); dữ liệu tra cứu từ sổ tay Handbook of Comparative World Steel Standards.
  • Mô hình tính toán tính hàn:
    • Công thức tính độ nhạy cảm nứt nóng $HCS = 1000 \times \frac{S + P + \frac{Si}{25} + \frac{Ni}{100}}{3Mn + Cr + Mo + V}$.
    • Công thức đánh giá nguy cơ nứt nguội qua độ cứng cực đại vùng ảnh hưởng nhiệt $HV_{\max} = 90 + 1050C + 47Si + 75Mn + 30Ni + 31Cr$.
    • Công thức đánh giá nứt tầng (lamellar tearing) qua chỉ số $P_L = P_{CM} + \frac{H_D}{60} + 6S$, với $P_{CM}$ là hệ số nhạy cảm nứt do chuyển biến pha và $H_D$ là hàm lượng hydro khuếch tán theo phương pháp đo thủy ngân của Viện Hàn quốc tế (IIW).
    • Công thức đánh giá nứt do ram (stress relief crack) của Nakamura: $\Delta G = 10C + Cr + 3.3Mo + 8.1V - 2$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết công nghệ hàn, phân tích định lượng thành phần kim loại học và thiết kế quy trình sản xuất cơ khí:

  • Phương pháp tính toán thông số công nghệ cắt gọt, cán phẳng và chế độ hàn điện nóng chảy.
  • Phương pháp phân tích kinh tế - kỹ thuật trong việc lựa chọn thiết bị, công nghệ hàn hồ quang tay (SMAW) và thiết bị gia công phôi.
  • Phương pháp kiểm tra chất lượng liên kết hàn: kiểm tra phá hủy (DT) và kiểm tra không phá hủy (NDT, trọng tâm là kiểm tra bằng mắt thường - VT).
  • Nguồn dữ liệu sử dụng: Bản vẽ kết cấu thùng hấp thực phẩm, thông số thiết bị công nghiệp (máy nắn tôn WD43M-25×3500, máy cắt rùa IK-12MAX3, máy tiện T616) và các bảng tra cứu quy chuẩn ASME.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về sản phẩm chế tạo

Chương này giới thiệu kết cấu tổng thể của thùng hấp thực phẩm hoạt động ở áp suất 3 atm. Toàn bộ thiết bị được lắp ghép từ 11 chi tiết hàn chịu áp lực và tải trọng nén, bao gồm: thân trong, vỏ thân trên, vỏ thân dưới, đáy thùng, các đoạn ống trụ dẫn khí/hơi, trụ tròn, mặt bích nắp kín và hệ thống chân đế đỡ. Tác giả xác lập yêu cầu kỹ thuật: mối hàn phải đúng biên dạng kích thước, đảm bảo độ bền chắc kín khít, chịu được chu kỳ nhiệt và ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng nứt hỏng trong quá trình vận hành.

Chương 2: Phân tích, lựa chọn vật liệu cơ bản, loại quá trình hàn và vật liệu hàn

Nội dung chương trình bày việc thẩm định vật liệu cơ bản là thép hợp kim thấp chịu nhiệt ASTM A 387 mác 2, class 1, có khả năng làm việc bền bỉ ở nhiệt độ lên tới 600°C và kháng môi trường sunfit.

Thành phần hóa học C (%) Si (%) Mn (%) P (%) S (%) Cr (%) Mo (%)
ASTM A 387 Mác 2 Class 1 0,05 – 0,21 0,15 – 0,40 0,55 – 0,80 $\le 0,035$ $\le 0,035$ 0,50 – 0,80 0,45 – 0,60
Cơ tính vật liệu cơ bản Giới hạn chảy $\sigma_{ch}$ Giới hạn bền kéo $\sigma_b$ Độ giãn dài tương đối $\delta$
Giá trị tiêu chuẩn $\ge 230\text{ MPa}$ ($33\text{ ksi}$) $380 - 550\text{ MPa}$ ($55 - 80\text{ ksi}$) $\ge 22%$

Kết quả tính toán đánh giá độ nhạy nứt của liên kết hàn:

  • Khả năng nứt nóng: Tính toán chỉ số $HCS = 8,5 \ge 4$, kết luận liên kết có nguy cơ nứt nóng cao. Tác giả đề xuất các giải pháp: chọn vật liệu hàn giàu Mn và nghèo C, tăng tỷ lệ ngấu (tăng tỷ số chiều rộng/chiều sâu vũng hàn B/H), vát mép rộng để giảm tỷ lệ kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn, nung sơ bộ và ram khử ứng suất.
  • Khả năng nứt nguội: $HV_{\max} \approx 310,81 < 350$, kết luận không xuất hiện pha cứng mactenzit/bainit nguy hiểm, liên kết không bị nứt nguội.
  • Khả năng nứt tầng: Tính được $P_{CM} \approx 0,24$; với $H_{\text{IIW}} = 15\text{ ml}/100\text{g}$, chỉ số $P_L = 0,62 < 40$, kết luận liên kết không bị nứt tầng.
  • Khả năng nứt do ram: $\Delta G = 1,67 < 2$, kết luận liên kết an toàn, không bị nứt tái nhiệt khi ram.

Chế độ nhiệt công nghệ được xác định: nung sơ bộ 20°C đối với chiều dày $\le 12,7\text{ mm}$, 95°C cho chiều dày $12,7 - 57\text{ mm}$, và 150°C cho chiều dày trên $57\text{ mm}$. Nhiệt độ ram sau hàn khử ứng suất dư đạt $590 - 700^\circ\text{C}$.

Quá trình hàn được lựa chọn là hàn hồ quang tay (SMAW/MMA) nhằm tối ưu hóa chi phí cho quy mô sản xuất thử nghiệm 02 sản phẩm. Vật liệu hàn được chọn là que hàn CMA-96 (tương đương AWS A5.5 E8016-B2 / JIS Z3223 DT2316), thuốc bọc hệ kiềm (bazơ), sấy ở nhiệt độ $325 - 375^\circ\text{C}$ trong 1 giờ trước khi hàn, sử dụng nguồn điện một chiều cực nghịch (DCEP) hoặc xoay chiều (AC).

Chương 3: Chế tạo phôi hàn

Chương 3 chi tiết hóa quy trình gia công chuẩn bị phôi cho 11 chi tiết của 02 sản phẩm hoàn chỉnh:

TT Tên chi tiết hàn Số lượng (02 bộ SP) Loại phôi và chiều dày
1 Thân trong 2 Phôi tấm, dày $10\text{ mm}$
2 Vỏ thân trên 2 Phôi tấm, dày $10\text{ mm}$
3 Mặt bích 4 Phôi tấm, dày $10\text{ mm}$
4 Ống trụ 4 Phôi ống, dày $10\text{ mm}$
5 Đáy thùng 2 Phôi tấm, dày $10\text{ mm}$
6 Vỏ thân dưới 2 Phôi tấm, dày $10\text{ mm}$
7 Trụ tròn 2 Phôi ống, dày $10\text{ mm}$
8 Đế 8 Phôi tấm, dày $25\text{ mm}$
9 Chân đế 8 Phôi tấm, dày $25\text{ mm}$
10 Mặt bích 2 Phôi tấm, dày $10\text{ mm}$
11 Ống trụ tròn 2 Phôi ống, dày $10\text{ mm}$

Tác giả phân tích hình dáng hình học và kết luận các chi tiết dạng phẳng và ống tiêu chuẩn không cần khai triển phức tạp. Để xử lý độ phẳng phôi tấm dày $10\text{ mm}$, tác giả lựa chọn máy nắn phẳng 9 trục WD43M-25×3500 (công suất $130\text{ kW}$, tốc độ cán $6\text{ m/ph}$, đường kính trục cán $280\text{ mm}$).

Quy trình lấy dấu áp dụng trị số mạch nối $5,5\text{ mm}$. Sắp xếp phôi trên tấm thép khổ $4000 \times 6000\text{ mm}$ đạt hệ số sử dụng vật liệu $\eta = \frac{\sum F_i}{F_{\text{ph}}} = 0,76$ (tương đương 76%). Mã số phôi được sơn trực tiếp theo quy tắc DA.[Tên chi tiết].[Số hiệu miếng]. Phương pháp cắt phôi tấm sử dụng máy cắt khí oxy-axetilen tự động rùa xách tay IK-12MAX3 (đối với chiều dày $10 - 15\text{ mm}$: tốc độ cắt $685 - 605\text{ mm/ph}$, áp suất khí $O_2 = 7\text{ kg/cm}^2$, $C_2H_2 = 0,2\text{ kg/cm}^2$), cắt phôi ống trên máy tiện T616.

Chương 4 đến Chương 10: Quy trình lắp ghép, chế độ hàn, kiểm tra và giám sát

  • Gá lắp và hàn đính (Chương 4): Thiết lập thông số hàn đính: chiều dài mối đính $20 - 120\text{ mm}$, khoảng cách giữa các mối đính $200 - 1200\text{ mm}$, tiết diện mối đính bằng $1/3 - 1/2$ tiết diện mối hàn chính, cường độ dòng điện hàn đính tăng $20 - 30%$ so với dòng hàn thông thường.
  • Xử lý trước và sau khi hàn (Chương 5, Chương 7): Làm sạch mép hàn khỏi dầu mỡ, gỉ sét; nung sơ bộ đúng nhiệt độ quy định; thực hiện nhiệt luyện sau hàn (PWHT) dạng ram khử ứng suất dư ở $590 - 700^\circ\text{C}$ và gia công cơ hoàn thiện.
  • Tính toán chế độ hàn và thiết bị (Chương 6): Xác định thông số hàn hồ quang tay gồm đường kính que hàn $d$, dòng điện $I_h$, điện áp $U_h$, vận tốc hàn $v_h$, năng lượng đường $q_d$, số lớp hàn và lựa chọn nguồn hàn, kẹp mát, cáp hàn phù hợp.
  • Xây dựng pWPS và phê chuẩn thợ hàn (Chương 8): Lập bảng quy trình hàn sơ bộ pWPS, thiết kế mẫu thử cơ tính, quy định phép thử phá hủy (kéo, uốn) và không phá hủy, xác lập tiêu chuẩn công nhận chứng chỉ thợ hàn theo ASME/AWS.
  • Thanh tra giám sát và kiểm tra chất lượng (Chương 9, Chương 10): Đề xuất hệ thống thanh tra 3 giai đoạn (trước, trong và sau khi hàn), giám sát việc tuân thủ pWPS; lựa chọn phương pháp kiểm tra không phá hủy bằng mắt thường (VT) làm chủ đạo kết hợp các phương pháp NDT bổ trợ để nghiệm thu khuyết tật theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán công nghệ chế tạo kết cấu hàn chịu áp lực với các kết quả cụ thể:

  • Xác định chính xác các chỉ số cơ lý và tính hàn của thép ASTM A387 Mác 2 Class 1, tính toán định lượng nguy cơ nứt nóng ($HCS = 8,5$), từ đó đưa ra giải pháp công nghệ đồng bộ (vật liệu que hàn CMA-96, chế độ nung sơ bộ $\ge 20^\circ\text{C}$, ram khử ứng suất $590 - 700^\circ\text{C}$).
  • Hoàn thiện phương án phân bố phôi trên tấm thép $4000 \times 6000\text{ mm}$ cho 11 cụm chi tiết của 02 sản phẩm, đạt hệ số sử dụng vật liệu cao ($\eta = 0,76$), tiết kiệm phôi liệu và hạ giá thành sản xuất.
  • Xác lập chi tiết bộ thông số chế tạo cơ khí: chế độ cán nắn phôi trên máy WD43M-25×3500, chế độ cắt phôi tấm oxy-axetilen trên máy IK-12MAX3 ($O_2 = 7\text{ kg/cm}^2$, $C_2H_2 = 0,2\text{ kg/cm}^2$, tốc độ $605 - 685\text{ mm/ph}$), và chế độ hàn đính.
  • Đóng góp nổi bật của đồ án là xây dựng được một quy trình công nghệ hàn khép kín, logic từ khâu chuẩn bị phôi, gá kẹp, tính toán thông số hàn, xử lý nhiệt đến kiểm định pWPS và quản lý chất lượng theo các bộ tiêu chuẩn quốc tế (ASTM, ASME, AWS, JIS).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Quy trình công nghệ và các tính toán kinh tế - kỹ thuật được thiết lập cho phương pháp hàn hồ quang tay (SMAW/MMA) ở quy mô thử nghiệm nhỏ (02 sản phẩm), phụ thuộc nhiều vào tay nghề công nhân và có năng suất đắp chưa cao nếu sản xuất hàng loạt lớn.
  • Hướng mở rộng: Mở rộng nghiên cứu áp dụng các phương pháp hàn tự động hoặc bán tự động có năng suất cao hơn như hàn dưới lớp thuốc (SAW) hoặc hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (GMAW/FCAW) cho các đường hàn giáp mối thân thùng; khảo nghiệm thực nghiệm tổ chức kim loại mối hàn thực tế sau nhiệt luyện ram.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Hàn, Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy và Thiết bị áp lực.
  • Kỹ sư công nghệ hàn và cán bộ kiểm tra chất lượng (QC/Welding Inspector) tại các nhà máy chế tạo nồi hơi, bình bồn áp lực và bồn bể công nghiệp.
  • Các phần có giá trị thực tiễn nổi bật gồm: phương pháp tính toán định lượng các chỉ số nứt ($HCS, HV_{\max}, P_L, \Delta G$), bảng thông số chế độ cắt nhiệt oxy-axetilen, kỹ thuật hàn các vị trí không gian và quy trình xây dựng bản pWPS theo chuẩn ASME.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu cơ bản sử dụng để chế tạo thùng hấp thực phẩm trong đồ án là loại thép nào và có đặc tính gì?
Vật liệu cơ bản được chọn là thép hợp kim thấp chịu nhiệt ASTM A 387 mác 2, class 1. Thép có thành phần chính gồm $0,05 - 0,21%\text{ C}$, $0,50 - 0,80%\text{ Cr}$ và $0,45 - 0,60%\text{ Mo}$; giới hạn chảy $\sigma_{ch} \ge 230\text{ MPa}$, giới hạn bền kéo $\sigma_b = 380 - 550\text{ MPa}$, độ giãn dài $\delta \ge 22%$, có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao lên đến 600°C và chống ăn mòn tốt trong môi trường sunfit.

2. Kết quả tính toán tính hàn của thép ASTM A 387 mác 2 class 1 cho thấy nguy cơ khuyết tật nào là lớn nhất?
Nguy cơ lớn nhất là nứt nóng với hệ số nhạy cảm nứt tính được $HCS = 8,5 \ge 4$. Trong khi đó, các nguy cơ khác đều nằm trong vùng an toàn: nứt nguội không xuất hiện ($HV_{\max} \approx 310,81 < 350$), không bị nứt tầng ($P_L = 0,62 < 40$) và không bị nứt do ram ($\Delta G = 1,67 < 2$).

3. Tác giả lựa chọn loại que hàn nào và yêu cầu chế độ sấy que hàn ra sao?
Tác giả lựa chọn que hàn CMA-96 (tiêu chuẩn tương đương ASME / AWS A5.5 mác E8016-B2 hoặc JIS Z3223 mác DT2316), sử dụng dòng hàn AC hoặc DCEP. Nhà sản xuất khuyến cáo que hàn phải được sấy ở nhiệt độ $325 - 375^\circ\text{C}$ trong thời gian 1 giờ trước khi hàn.

4. Hệ số sử dụng vật liệu tấm khi cắt phôi trong đồ án đạt bao nhiêu?
Hệ số sử dụng vật liệu khi bố trí các chi tiết trên tấm phôi kích thước $4000 \times 6000\text{ mm}$ đạt $\eta = 0,76$ (tương đương 76%), phần phôi thừa được thu hồi nhập kho tái sử dụng.

5. Thiết bị nào được lựa chọn để nắn phẳng và cắt phôi tấm?
Để nắn phẳng phôi tấm dày $10\text{ mm}$, tác giả sử dụng máy nắn phôi 9 trục WD43M-25×3500 (công suất $130\text{ kW}$). Để cắt phôi tấm, tác giả chọn máy cắt khí oxy-axetilen tự động rùa xách tay IK-12MAX3.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Vũ Tuấn Cường đã thiết kế hoàn chỉnh quy trình công nghệ chế tạo kết cấu hàn cho thùng hấp thực phẩm làm việc tại áp suất 3 atm từ thép hợp kim thấp chịu nhiệt ASTM A 387 mác 2 class 1. Bằng các tính toán luyện kim hàn chuẩn xác, đồ án đã kiểm soát thành công nguy cơ nứt nóng thông qua việc lựa chọn que hàn CMA-96, quy định chế độ nung sơ bộ và ram khử ứng suất ở $590 - 700^\circ\text{C}$. Đồng thời, tác giả đã xây dựng hoàn thiện hệ thống thông số gia công phôi, gá lắp, tính toán chế độ hàn SMAW và lập quy trình kiểm tra pWPS/NDT theo tiêu chuẩn ASME/AWS, mang lại giá trị ứng dụng kỹ thuật thiết thực.