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 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Tiến Dương TS Hà Xuân Hùng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Kết cấu giàn gồm quy tụ liên kết với nút So với kết cấu kim loại khác kết cấu dạng giàn có ưu điểm trội khả chịu lực tốt hơn, tiết kiệm vật liệu hơn, chịu tác động tải trọng sóng, gió tốt hơn, kết cấu gọn nhẹ hơn, nên kết cấu giàn thường sử dụng rộng rãi lĩnh vực cơng nghiệp như: Giàn khoan dầu khí, cột điện cao áp, cần trục, loại tháp (tháp truyền hình, tháp thơng tin vơ tuyến điện, ), cơng trình cơng cộng (sân vận động, nhà thi đấu, nhà xưởng, ) Trong kết cấu dạng giàn, kết cấu giàn dạng ống mà giàn chế tạo từ thép dạng ống có ưu điểm kết cấu gọn nhẹ, khả chịu tải (đặc biệt tải trọng xoắn) tốt Nguyên nhân tiết diện ống có bán kính qn tính lớn nên chúng có độ cứng vững có độ ổn định cao, chịu nén tốt so với dạng tiết diện khác Do mà kết cấu giàn dạng ống ngày nghiên cứu ứng dụng công nghiệp dân dụng nhiều so với kết cấu giàn tiết diện khác Trước đây, công nghệ hàn chưa phát triển kết cấu giàn thường chế tạo ghép bu lông đinh tán thông qua giằng mã Việc chế tạo kết cấu giàn kiểu tốn nhiều vật liệu thời gian thi công, kết cấu nặng nề, tốn nhiều chi phí tu bảo dưỡng thường xuyên, hay bị gỉ sét, Vì mà ngày hai phương pháp chế tạo sử dụng Vài chục năm trở lại đây, công nghệ hàn phát triển đạt thành tựu quan trọng như: chế tạo kết cấu có tính thẩm mỹ đạt độ bền cao, tiết kiệm vật liệu, giảm thời gian chi phí thi cơng, Nên cơng nghệ hàn trở thành công nghệ chủ lực để chế tạo kết cấu kim loại Nằm xu đó, cơng nghệ hàn ứng dụng để chế tạo kết cấu giàn kim loại nói chung kết cấu giàn dạng ống nói riêng Nhược điểm công nghệ Hàn gây tượng biến dạng tồn ứng suất dư kết cấu Ứng suất dư lớn gây nứt liên kết, dẫn đến kết cấu bị phá hủy chịu tải trọng (đặc biệt tải trọng động) Thực tế cho thấy không kiểm soát tốt ứng suất dư liên kết/ kết cấu hàn khả làm việc tuổi thọ kết cấu bị suy giảm nghiêm trọng Do vậy, việc đầu tư nghiên cứu xác định ứng suất dư liên kết/ kết cấu hàn quan trọng Thơng qua làm sở để xác định chế độ hàn hợp lý quy trình hàn tối ưu Một yêu cầu quan trọng chế tạo kết cấu giàn phần tử liên kết với nút giàn phải đảm bảo tâm để giàn không chịu uốn mà chịu kéo - nén Khi áp dụng công nghệ hàn để chế tạo giàn, khơng có trình tự hàn hợp lý không hạn chế ứng suất dư kết cấu kết cấu bị biến dạng lớn, giàn khơng tâm dẫn đến khả chịu tải kết cấu bị suy giảm nghiêm trọng Vì tầm quan trọng nên nhiều công ty chế tạo kết cấu giàn Việt Nam (công ty CP Chế tạo Giàn Khoan Dầu Khí, cơng ty CP Thi cơng Cơ giới Lắp máy Dầu khí, cơng ty CP Kết cấu Kim loại Lắp máy Dầu khí,…) triển khai nghiên cứu biện pháp làm giảm ứng suất dư hàn kết cấu có tiết diện dạng ống rỗng [1, 2] Diễn biến hình thành ứng suất nói chung, ứng suất dư nói riêng kết cấu hàn phức tạp, đặc biệt kết cấu lớn với số lượng đường hàn nhiều Việc xác định trường ứng suất phương pháp đo đạc truyền thống gặp nhiều khó khăn, đơi khơng thực Do vậy, việc nghiên cứu tìm giải pháp để xác định ứng suất kết cấu hàn cần thiết Ngay nay, nhờ phát triển mạnh mẽ máy tính điện tử thuật tốn mơ thơng qua phần mềm chun dụng, giải tốn đa trường tính tốn chuỗi kiện nên việc xác định ứng suất kết cấu hàn trở nên thuận lợi đạt độ xác cao Từ yếu tố nêu trên, đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống” cần thiết cấp bách Nghiên cứu thành công sở khoa học quan trọng để tìm chế độ cơng nghệ kỹ thuật hàn hợp lý áp dụng chế tạo kết cấu giàn kim loại Ở Việt Nam, có cơng trình khoa học nghiên cứu vấn đề [1, 2] đạt số kết định chưa có nghiên cứu cụ thể sâu vào xác định trạng thái, phân bố ứng suất dư hàn nút giàn dạng ống Chính vậy, ngành công nghiệp chế tạo kết cấu thép cần có nghiên cứu mang chiều sâu nhằm nâng cao chất lượng thành phẩm thông qua chất lượng liên kết chế tạo Mục đích nghiên cứu - Xác định chế độ hàn GMAW 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 ứng suất liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K - Đề biện pháp kỹ thuật, công nghệ để giảm ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Đối tượng nghiên cứu - Nút giàn dạng ống chữ K với đường kính ống 219mm, chiều dài 900mm, chiều dày 10mm; đường kính ống nhánh 102mm, chiều dài 350mm, chiều dày 6mm - Vật liệu thép A572 Grade50 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu, tìm hiểu trình hàn áp dụng để chế tạo kết cấu giàn kim loại - Nghiên cứu, xây dựng quy trình cơng nghệ hàn GMAW phù hợp với kết cấu nút giàn dạng ống chữ K - Nghiên cứu xây dựng mơ hình mô liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K phương pháp phần tử hữu hạn - Mơ tính tốn trường nhiệt độ ứng suất phân bố liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K phần mềm SYSWELD - Kiểm chứng kết tính tốn mơ ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 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 thực nhiều lớp nên áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn gặp nhiều khó khăn Đặc biệt việc xác định ứng suất dư đường hàn lót vị trí góc hẹp Trong đó, có sẵn cơng cụ tính tốn đại (máy tính trạm phần mềm SYSWELD chun dụng cho mơ số q trình hàn) nên tác giả lựa chọn phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa: nghiên cứu lý thuyết + tính tốn mô + thực nghiệm kiểm chứng Cụ thể sau: - Nghiên cứu tìm hiểu cơng trình cơng bố liên quan đến đề tài ngồi nước qua tìm nội dung mà luận án cần giải - Nghiên cứu lý thuyết truyền nhiệt vật hàn chế hình thành ứng suất liên kết hàn Ứng dụng vào đối tượng nghiên cứu liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K - Xây dựng mơ hình tính tốn mơ để xác định trường nhiệt độ, trường ứng suất tác động ứng suất dư phân bố liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Trên sở tìm trình tự hàn hợp lý hàn nút giàn dạng ống chữ K phương pháp hàn GMAW - Sử dụng trang thiết bị có sẵn phù hợp với điều kiện thực nghiệm để tiến hành thí nghiệm nhằm tạo liên kết hàn thực tế - Sử dụng thiết bị đo, phân tích để đo đạc kiểm chứng kết tính tốn mơ Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học luận án - Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định trường nhiệt độ ứng suất kết cấu hàn nút giàn dạng ống, hàn nhiều lớp Làm sở phát triển ứng dụng nghiên cứu cho kết cấu nút giàn khác - Bổ sung sở lý thuyết trình hình thành ứng suất kết cấu nút giàn dạng ống nói riêng, nút giàn khơng gian nói chung - Xác định ảnh hưởng trình tự hàn đến độ lớn ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống Ý nghĩa thực tiễn luận án - Kết luận án làm sở để phát triển áp dụng vào chế tạo kết cấu giàn hàn dạng ống chữ K nhằm giảm ứng suất dư tăng tuổi thọ cho kết cấu giàn hàn - Luận án mở hướng đào tạo, nghiên cứu phát triển ngành công nghiệp chế tạo kết cấu hàn nói chung kết cấu giàn hàn (giàn phẳng, giàn khơng gian) nói riêng Việt Nam Các đóng góp luận án Thơng qua q trình nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm mô số theo nhiệm vụ nghiên cứu đề ra, luận án có đóng góp sau đây: Xây dựng phương pháp nghiên cứu chương trình tính tốn mơ số phần mềm SYSWELD áp dụng cho liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Có thể phát triển chương trình để nghiên cứu nút giàn dạng ống khác Đánh giá ảnh hưởng trình tự hàn đến ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Qua tìm trình tự hàn hợp lý để có ứng suất dư nhỏ Đóng góp áp dụng vào thực tiễn sản xuất tạo kết cấu hàn có chất lượng cao Tìm quy luật biến thiên thành phần ứng suất quy luật phân bố ứng suất dư, liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Xác định thông số chế độ hàn hợp lý liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, hàn nhiều lớp Áp dụng thành công phương pháp khoan lỗ để đo ứng suất dư vùng ảnh hưởng nhiệt liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Kết cấu luận án Ngoài phần mở đầu mục theo quy định, nội dung nghiên cứu luận án trình bày 05 chương, cụ thể sau: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Mô số xác định trường ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm Chương 5: Kết nghiên cứu bàn luận Kết luận chung luận án kiến nghị nghiên cứu Danh mục tài liệu tham khảo Danh mục công trình cơng bố luận án Chương TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu nước Thép hai loại vật liệu quan trọng xây dựng Việt Nam tại, với vật liệu bê tông cốt thép Từ lâu (khoảng 100 năm) việc sử dụng thép phát triển nhanh chóng, thay cho bê tông cốt thép (BTCT) phần lớn nhà xưởng, nhà nhịp lớn nhiều cơng trình cơng cộng khác Ví dụ Nhà hát lớn Hà Nội, cơng trình tiếng hoàn thành vào thập kỷ kỷ 20, có kết cấu xây dựng hồn tồn gạch thép, không sử dụng bê tông cốt thép Mái vòm tròn cupơn hình nón gồm sườn hình tam giác, tựa gối đỡ Mọi sàn nhà lớn, ban công, cầu thang làm dầm thép chủ tổ hợp đinh tán, dầm thép hình gạch tạo mặt sàn Cấu tạo sàn kiểu dầm thép gạch áp dụng hầu hết mặt sàn áp dụng hầu hết nhà tầng có tầng gác xây dựng thời kỳ Các nhà xưởng lớn chế tạo thép phải kể đến là: nhà máy xe lửa Gia Lâm, nhà máy rượu Hải Dương, nhà ga máy bay Gia Lâm Bạch Mai, Cơng nghệ hình thức 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 kết cấu thép sử dụng xây dựng dân dụng công nghiệp đơn giản tạo sản phẩm phục vụ nhu cầu thị trường chưa nghiên cứu phân tích đánh giá chất lượng hàn để sản phẩm sử dụng hiệu Ở Việt Nam, có số nhà khoa học nghiên cứu vấn đề phân tích, đánh giá trường nhiệt độ, ứng suất dư biến dạng hàn liên kết hàn dạng ống Tuy nhiên dừng lại việc tính tốn khả chịu lực số liên kết nút giàn thép tiết diện rỗng thiết kế quy trình hàn giải toán khả làm việc (giới hạn mỏi, tuổi thọ làm việc, ) kết cấu hàn [1 - 4] Tác giả Huỳnh Minh Sơn Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng: “Nghiên cứu làm việc tính tốn liên kết hàn giàn thép ống tiết diện rỗng, chịu tải trọng tĩnh” [1] minh chứng cho việc nghiên cứu kết cấu thép Việt Nam Trong nghiên cứu mình, tác giả trình bày số hình thức liên kết giàn thép ống tiết diện rỗng; phân tích tiêu chí phá hủy điều kiện phá hủy đổi với số kiểu nút giàn thơng dụng Trên sở đó, tác giả phân tích tính tốn độ bền liên kết nút giàn thép có tiết diện ống rỗng – CHS Đồng thời tác giả sử dụng phương pháp toán đồ thiết kế để thiết kế liên kết hàn cho nút giàn thép tiết diện rỗng sở tiêu chuẩn Eurocode (Châu Âu) cho sẵn toán đồ thiết kế nút giàn phổ biến kiểm tra liên kết nút giàn thép ống rỗng Tuy nhiên, nghiên cứu mình, tác giả Huỳnh Minh Sơn dừng lại mức độ toán điều kiện làm việc liên kết hàn tiết diện rỗng mà chưa sâu vào nghiên cứu phân bố ứng suất dư biến dạng nút giàn dạng ống Nhóm kỹ sư Công ty CP Kết cấu Kim loại Lắp máy Dầu Khí thuộc Tập đồn Dầu khí Việt Nam nghiên cứu thiết kế chi tiết công nghệ chế tạo chân giàn khoan tự nâng 90 m nước [2] Đây bước đột phá lớn ngành chế tạo kết cấu thép Việt Nam gặt hái số thành công định Trong nghiên cứu, tập thể kỹ sư công ty xây dựng quy trình hàn (WPS) người thợ kinh nghiệm làm việc chế tạo sản phẩm Và sản phẩm kiểm tra khuyết tật hàn (siêu âm, chụp ảnh phóng xạ, thị màu, ) mà chưa đánh giá tuổi thọ làm việc dự đốn hư hỏng xảy trình làm việc kết cấu để từ đề biện pháp sửa chữa hàn theo thời gian làm việc làm tăng tuổi thọ kết cấu Việc giảm ứng suất dư biến dạng trình hàn liên kết chủ yếu dựa vào kinh nghiệm không sử dụng thiết bị đo thí nghiệm để so sánh, phân tích đánh giá kết đạt Vì thế, việc dự đốn tuổi thọ làm việc kết cấu hàn chịu tác dụng tải trọng biến đổi gặp nhiều khó khăn 1.2 Tình hình nghiên cứu nước ngồi Như biết kết cấu dạng ống rỗng (CHS) có tính ưu việt vượt trội so với kết cấu có tiết diện mặt cắt ngang khác Chính giới có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu đến dạng liên kết [22-25, 29], từ việc thiết kế, chế tạo kết cấu dạng CHS cho hiệu đến áp dụng công nghệ hàn vào trường hợp cụ thể Ngoài việc sử dụng cơng cụ tốn học cho việc tính tốn độ bền mối hàn, trường ứng suất biến dạng hàn [26, 27, 59, 60], nhà khoa học sử dụng phần mềm mơ cơng nghiệp chuyên dùng ANSYS, SYSWELD, ABAQUS, để mô trường nhiệt độ, trường ứng suất biến dạng hàn liên kết hàn nói chung nút giàn dạng ống tiết diện rỗng nói riêng [18,21, 27, 28, 38, 50] Kết luận chương Thơng qua tìm hiểu, phân tích tài liệu cơng trình nghiên cứu cơng bố nước ngồi nước nội dung liên quan đến đề tài luận án, ta rút kết luận sau đây: Việc nghiên cứu trạng thái ứng suất liên kết hàn nhiều tác giả tiến hành Tuy nhiên, liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K phẳng đề tài luận án đề cập chưa có tác giả thực Do vậy, việc đặt vấn đề nghiên cứu luận án Việc ứng dụng kỹ thuật tính tốn mô phương pháp phần tử hữu hạn để xác định trường ứng suất phân bố liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K phẳng chưa có tác giả thực Điều khẳng định phương pháp nghiên cứu đề cập luận án Việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp xác định ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K phẳng kỹ thuật khoan lỗ chưa có tác giả thực Do vậy, việc nghiên cứu áp dụng phương pháp khoan lỗ để xác định ứng suất dư liên kết hàn nghiên cứu luận án đề cập giải pháp khả thi điều kiện Việt Nam Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giàn hàn giàn hàn dạng ống 2.1.1 Kết cấu giàn Giàn thép dạng kết cấu giàn không gian phổ biến quy trình xây dựng thực tế, gồm có nhiều liên kết với nút [1-3] Giàn có biên biên dưới, lại nằm phạm vi biên biên gọi giằng Liên kết giàn thường sử dụng hàn, bu lông, đinh tán Trước người ta hay sử dụng liên kết đinh tán (hình 2.1a) chế tạo kết cấu thép khả chịu tải trọng động tốt Liên kết bu lông (hình 2.1b) phổ biến kết cấu khơng gian độ an tồn khả liên kết tốt Tuy nhiên phương pháp tốn nguyên vật liệu, việc thi công chế tạo phức tạp Thêm vào tiết diện làm việc thép bị giảm Ngày nay, với phát triển ngành công nghiệp chế tạo kết cấu ngành cơng nghệ hàn có bước phát triển mạnh mẽ Việc ứng dụng công nghệ hàn vào sản xuất kết cấu thép mang lại nhiều thành to lớn Đặc biệt việc chế tạo giàn thép phẳng, giàn không gian, Đối với giàn thép ống tiết diện rỗng tròn liên kết hàn phổ biến q trình thi cơng đơn giản liên kết trực tiếp, hạn chế gia cường mã Hình Kết cấu thép: a) Liên kết đinh tán; b) Liên kết hàn bán bu lơng Hình 2 Liên kết giàn hàn a) Tiết diện hình hộp; b) Tiết diện thép góc Ưu điểm: - Trọng lượng kết cấu thép nhẹ so với bê tông nên giúp giảm trọng lượng cơng trình đặc biệt nơi có địa hình phức tạp - Vận chuyển lắp đặt dễ dàng, nên thi cơng nơi khác - Khả chịu lực lớn, mang đến cơng trình bền vững sẵn sàng thách thức với điều kiện thời tiết khắc nghiệt Và đặc biệt an tồn so với kết cấu bê tơng trường hợp có địa chấn xảy - Tiết kiệm vật liệu tận dụng làm việc vật liệu Hình thức nhẹ, đẹp, linh hoạt, phong phú, phù hợp yêu cầu chịu lực sử dụng Nhược điểm: - Giá thành thép cao so với nguyên vật liệu khác - Khả chịu nhiệt độ cao - Thép dễ bị oxi hóa ảnh hưởng mơi trường nhiệt độ bên Điều khắc phục nhờ sử dụng sơn chống gỉ phủ lên bề mặt kết cấu giàn thép giúp thép bền lâu Thông thường, độ bền liên kết dù bu lông hay hàn xem xét dự tính kích thước kết cấu tổng thể cơng trình Đánh giá tiêu chí ảnh hưởng mơi trường trọng tải tĩnh lên liên kết hàn thép ống từ tính tốn khả chịu lực tồn liên kết Nội lực giàn chủ yếu lực dọc (nén kéo tâm) 2.1.2 Giàn có tiết diện dạng rỗng Do có ưu điểm nội trội khả chịu lực thép rỗng [1, 22-25] mà ngày liên kết hàn ống rỗng sử dụng phổ biến ngành chế tạo kết cấu thép đặc biệt kết cấu xa bờ Hình Liên kết hàn ống chữ K phẳng Các mối ghép ống đa phương sử dụng nhiều chế tạo kết cấu Hình 2.14 hình 2.16 mối ghép hàn ống chữ K thực nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng đội ngũ kỹ sư công nhân Việt Nam thiết kế chế tạo việc chi tiết máy 2.5.2 Các phương pháp xác định ứng suất dư 2.5.2.1 Đo ứng suất dư phương pháp khoan lỗ Phương pháp khoan lỗ để đo ứng suất [66, 68] phương pháp dùng phổ biến hầu hết vật liệu, phương pháp phổ biến sử dụng kỹ thuật bán phá hủy để đo ứng suất dư phân bố chiều dày vật hàn cường độ hướng Đây kỹ thuật cho độ xác cao độ tin cậy tốt thuận tiện chuẩn bị mẫu thử cách thực Đầu tiên, coi vật liệu có tính đẳng hướng, liên tục có tính đàn hồi Thứ hai, vật liệu gia cơng được, ví dụ khoan lỗ mà khơng ảnh hưởng đến việc đo biến dạng Phương pháp xác định ứng suất macro 2.5.2.2 Đo ứng suất dư phương pháp nhiễu xạ tia X Phương pháp dùng tia X-quang [68] dựa ngun lý có ứng suất cấu trúc mạng tinh thể thay đổi, xem hình 2.40 Sự thay đổi làm thay đổi chùm tia phản xạ X-quang chiếu vào Trong đó, phương pháp khoan lỗ lại dựa vào nguyên lý cô lập vùng vật liệu có ứng suất ứng suất kéo, nén thay đổi so với giá trị ban đầu vật liệu gốc Quá trình đo thực hiên đồng thời theo phương tạo với góc 120o 2.5.2.3 Đo ứng suất dư phương pháp nhiễu xạ Neutron Nhiễu xạ neutron [3, 51, 68] phương pháp xác định cấu trúc nguyên tử từ vật liệu Nó có chức áp dụng tốt nghiên cứu tinh thể rắn, khí, lỏng chất vơ định hình Nhiễu xạ neutron dạng tán xạ đàn hồi neutron thí nghiệm có nhiều lượng so với neutron tới Kỹ thuật tương tự nhiễu xạ tia X khác loại tia xạ Mẫu thí nghiệm cần đặt chùm tia neutron lạnh cường độ xung quanh mẫu cung cấp thông tin cấu trúc vật liệu Phương pháp đòi hỏi kiểm sốt nghiêm ngặt an tồn an ninh phóng xạ Hiện nay, Việt Nam chưa có phòng thí nghiệm có thiết bị nhiễu xạ Neutron 2.5.2.4 Đo ứng suất dư phương pháp siêu âm Kỹ thuật đo ứng suất siêu âm dựa ảnh hưởng đàn hồi âm, tùy thuộc vào vận tốc sóng âm lan truyền vật rắn Phương pháp siêu âm [68] có nhiều ưu điểm khơng phá huỷ kết cấu, lặp lại phép thử tồn kết cấu, phát khuyết tật nằm cấu kiện đánh giá chất lượng trực tiếp cơng trình Kết luận chương Qua nghiên cứu, phân tích nội dung chương tác giả rút kết luận sau: Kết cấu giàn hàn dạng ống có ưu việt kết cấu giàn khác 11 khả chịu xoắn tốt, kết cấu gọn nhẹ, tiết kiệm vật liệu, nên thích hợp để chế tạo Ứng dụng trình hàn GMAW để chế tạo nút giàn dạng ống có tính khả thi cao, linh hoạt đạt chất lượng tốt so với phương pháp hàn khác Tác giả phân tích chế hình thành phương pháp xác định ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, chọn phương pháp xác định ứng suất dư liên kết hàn dạng ống chữ K phương pháp khoan lỗ Do kỹ thuật đạt độ tin cậy có tính khả thi điều kiện Việt Nam Chương 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 biến dạng khó khăn phức tạp hình dáng hình học, điều kiện biên tính chất phi tuyến vật liệu hàn Tuy nhiên, thực tế chứng minh mơ máy tính ứng dụng ứng dụng phương pháp toán số để giải toán truyền nhiệt, ứng xử học chuyển biến pha liên kết hàn mang lại hiệu kinh tế cao, kết tính tốn nhanh xác Tuy nhiên, việc ứng dụng phương pháp mô để xác định ứng xử học chuyển biến pha liên kết hàn khơng thể thay hồn tồn thực nghiệm 3.2 Tính tốn, mơ trường ứng suất liên kết hàn phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn - PTHH [16] biết công cụ hữu hiệu hỗ trợ kỹ thuật nghiên cứu, thử nghiệm để xác định hành vi tương tác tượng vật lý phức tạp q trình hàn Mơ q trình hàn khơng phải nhiệm vụ dễ dàng liên quan đến tương tác nhiệt, học luyện kim [14, 21, 53] Đối với q trình hàn nóng chảy, thiết lập gói phần mềm mơ chun dụng SYSWELD 2015 thực tính tốn nhiệt q trình luyện kim, kiểm sốt nhiệt độ, tỷ lệ pha tính tốn ứng xử học (phụ thuộc khơng vào nhiệt độ mà vào tổ chức kim loại phần tử) 3.3 Mơ hình hóa mô số liên kết nút giàn dạng ống chữ K Nhìn chung, q trình mơ phương pháp PTHH bao gồm ba giai đoạn chính: - Giai đoạn 1: Xây dựng mơ hình nghiên cứu; - Giai đoạn 2: Mơ hình hóa PTHH thiết lập điều kiện tính tốn; - Giai đoạn 3: Phân tích, xử lý số liệu giải toán nhiệt; - Giai đoạn 4: Hiển thị phân tích kết tính tốn 3.3.1 Mơ hình hóa liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Việc thiết kế mô hình Solid kết cấu đơn giản thực phần SYSWELD, VISUAL MESH Tuy nhiên, với kết 12 cấu phức tạp việc thiết kế phần mềm gặp nhiều khó khăn Do người ta thiết kế mơ hình Solid từ phần mềm khác AutoCAD, SolidWorks, Inventor, [17] với định dạng file liệu “*.*IGES” 3.3.2 Mơ hình nguồn nhiệt hàn GMAW Với nguồn nhiệt hàn hồ quang mơi trường khí bảo vệ điện cực nóng chảy, tổng cơng suất hiệu dụng P=.Uh.Ih (W), Uh-là điện áp hồ quang (V); Ih-là cường độ dòng điện hàn (A)  hiệu suất hồ quang hàn  = 0,8 [78-85] 3.3.3 Các thông số vật liệu Trong mô số hàn đòi hỏi phải có tính chất nhiệt 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 nhiệt độ Sự nhiệt mơ hình mô định nghĩa trao đổi xạ nhiệt mơi trường xung quanh Các tính chất học gồm: Mô đun Young, hệ số Poisson, giới hạn chảy liệu độ cứng,… Phần lớn thuộc tính phụ thuộc theo nhiệt độ chuyển biến pha 3.3.4 Các điều kiện biên điều kiện đầu 3.3.4.1 Điều kiện trao đổi nhiệt mơ hình với mơi trường xung quanh Trong SYSWELD người ta sử dụng phần tử 2D cho điều kiện biên nhiệt độ Đó lớp vỏ trao đổi nhiệt hình 3.34 Nó tạo từ mơ hình 3D liên kết, thực phần mềm VISUALMESH Với mục đích q trình mơ thực với điều kiện gần giống thực nghiệm 3.3.4.2 Thiết lập đường hàn, đường dẫn Quỹ đạo đường hàn đường dẫn, điểm bắt đầu hàn kết thúc hàn mơ tả hình 3.35 Các trường hợp khác thực tương tự phụ thuộc vào trình tự hàn mà điểm bắt đầu kết thúc khác Kiểu phần tử sử dụng cho đường hàn đường dẫn 1D (hình 3.18a) 3.3.4.3 Thiết lập điều kiện gá kẹp hàn Liên kết ống chữ K ngàm hình 3.36, ống ngàm chặt theo phương X, Y, Z; ống nhánh ngàm theo phương Z (khống chế biến dạng góc ống nhánh) 3.3.4.4 Các điều kiện ban đầu Khi chưa hàn nhiệt độ toàn liên kết 20oC; Ứng suất ban đầu liên kết trước hàn đường hàn lót coi 0; Nhiệt độ ban đầu đường hàn sau trường nhiệt độ 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 Dựa vào quy cách mối ghép hàn, yêu cầu kỹ thuật liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K [29], mối hàn thiết kế hình để đảm bảo chiều 13 sâu ngấu Dựa vào kết nghiên cứu chương thiết lập thông số chế độ hàn sơ chương 3, thấy việc lựa chọn chế độ hàn đóng vai trò quan trọng việc hình thành mối hàn hình dáng kích thước vũng hàn Bảng 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 1,0 Phủ (3, 4) 170 26 1,0 Phủ (5, 6) 170 26 1,0 Trong đó: Vh: Vận tốc hàn (mm/s); Dd: Đường kính dây hàn (mm) 3.4.2 Thơng số chế độ hàn mô Bảng Chế độ hàn mô liên kết nút giàn dạng ống chữ K Đường hàn Năng lượng đường (J/mm) Vận tốc hàn (mm/s) Lót (1, 2) 720 Phủ (3, 4) 880 Phủ (5, 6) 880 Nhiệt độ đường hàn nhiệt độ lưu lại khoảng hai đường hàn liên tiếp hàn nhiều lớp Cũng nhiệt độ nung nóng sơ bộ, nhiệt độ đường hàn thường nằm phạm vi cho phép Giá trị tối đa không vượt nhiệt độ Ms (bắt đầu xuất mactensit) thép kim loại mối hàn [9, 34] 3.4.3 Hiệu chỉnh mơ hình nguồn nhiệt Đây bước quan trọng dựa vào hình ảnh mặt cắt ngang liên kết hàn so sánh với trường nhiệt độ mô để từ ta hiệu chỉnh vài thơng số chế độ hàn (năng lượng đường, góc nghiêng mỏ hàn, thông số af, ar, b 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 hình 3.15, ống nhánh có chiều dày mm vát mép, thứ tự thực đường hàn bố trí hình 3.17 Mỗi đường hàn kín chu vi ống nhánh thực hàn hai nửa đường tròn, hình 3.42 Như vậy, để hàn hoàn thành liên kết phải thực tất 12 đường 3.6 Kết tính tốn mơ 3.6.1 Trường nhiệt độ phân bố liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K 3.6.1.2 Trường nhiệt độ phân bố tiết diện ngang hàn đường Trong trình hàn, nguồn nhiệt hàn di chuyển dọc theo đường hàn liên kết hàn xuất trường phân bố nhiệt độ ứng suất tức thời Hình 3.44a thể kết phân bố nhiệt độ liên kết hàn hàn đường thứ với thông số chế độ hàn nêu bảng 3.7 Hình 3.44b kết phân bố nhiệt độ liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K hàn 14 đường thứ hai, hình 3.44c kết phân bố nhiệt độ liên kết hàn nghiên cứu hàn đường thứ với thông số chế độ nhiệt nêu bảng 3.7 Hình Trường nhiệt độ mô trường hợp hàn thứ a) Đường hàn 1; b) Đường hàn 2; c) Đường hàn 3.6.1.3 Chu trình nhiệt hàn số vị trí khảo sát Hình 3.47 thể kết tính tốn mơ chu trình nhiệt nút 22526 thuộc đường hàn hàn ống nhánh thứ với ống Tại giây thứ 208,856 nhiệt độ nút đạt 3000 oC ứng với thời điểm tâm nguồn hàn qua nút Khi hàn đến giây thứ 600 nhiệt độ nút 22526 giảm xuống đến 82oC hàn đường hàn (đường hàn 3, theo thứ tự đánh số xem hình 3.17) nhiệt độ nút lại tăng lên đến khoảng  1000 o C nút gần nguồn nhiệt hàn đường hàn thứ Tại giây thứ 1000 nguồn nhiệt lần qua nút 22526 (khi hàn đường hàn thứ 5) nên phần kim loại mối hàn bị nóng chảy Điều cho biết mối hàn ngấu sang nghĩa (nhiệt độ đạt 2850oC) liên kết hàn không bị khuyết tật không ngấu hay chế độ hàn chọn phù hợp 3.6.2 Trường ứng suất liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Hình Ứng suất tương đương 15 Kết tính tốn mơ trường ứng suất dư Von mises tổng liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tương ứng với trình tự hàn xây dựng thể hình 3.51 Cũng hình ta dễ dàng nhận thấy vị trí tập trung ứng suất dư lớn điểm bắt đầu kết thúc đường hàn Ở trình tự hàn thứ 1, giá trị ứng suất dư tổng lớn đạt trường hợp 722,76MPa nhỏ 0,58MPa Qua sát phổ màu phân bố ứng suất ta thấy vùng góc hẹp ứng suất dư tổng đạt giá trị khoảng 280MPa, vùng góc lớn liên kết ứng suất dư tổng đạt khoảng 200MPa, vùng hai bên cạnh ứng suất dư thấp có vùng đạt giá trị 50MPa Trên hình 3.52 cho thấy phân bố ứng suất dư liên kết hàn phức tạp Kết tính toán cho thấy vùng ứng suất dư tập trung chủ yếu phía ống Khi hàn trình tự hàn thứ giá trị ứng suất dư tổng lớn đạt trường hợp 707,61MPa nhỏ 0,36MPa Qua sát phổ màu phân bố ứng suất ta thấy vùng góc hẹp ứng suất dư tổng đạt giá trị khoảng 290MPa, vùng góc lớn liên kết ứng suất dư tổng đạt khoảng 230MPa, vùng hai bên cạnh ứng suất dư thấp có vùng đạt giá trị 50MPa Quan sát hình 3.51b nhận thấy ứng suất dư có giá trị cao phân bố chủ yếu khu vực mối hàn vùng lân cận ứng suất dư có giá trị nhỏ Thậm chí có số vùng ứng suất dư nhỏ (0,36MPa) Đối với trình tự hàn giá trị ứng suất dư tổng lớn đạt trường hợp 467,73MPa Qua sát phổ màu phân bố ứng suất ta thấy vùng góc hẹp ứng suất dư tổng đạt giá trị khoảng 250MPa, vùng góc lớn liên kết ứng suất dư tổng đạt khoảng 230MPa, vùng hai bên cạnh ứng suất dư thấp Quan sát hình 3.51c nhận thấy ứng suất dư có giá trị cao phân bố chủ yếu khu vực mối hàn vùng lân cận ứng suất dư có giá trị nhỏ Thậm chí có số vùng ứng suất dư nhỏ (0,73MPa) Khi hàn với trình tự hàn xem hình 3.51d dựa vào phổ màu cho thấy ứng suất dư Von mises đạt giá trị (494,71MPa) tập trung điểm bắt đầu điểm kết thúc đường hàn Quan sát phổ màu ta dễ dàng nhận thấy hàn theo trình tự hàn ứng suất dư chỗ góc hẹp góc rộng có giá trị tương đối gần Giá trị ứng suất dư đỉnh tập trung điểm bắt đầu kết thúc đường hàn So sánh kết tính tốn mơ trường ứng suất dư tổng (Von mises) phân bố liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K trình tự hàn nêu ta thấy hàn theo trình tự hàn ứng suất dư tổng tồn liên kết hàn đạt giá trị nhỏ (467,73MPa) Nghĩa hàn theo trình tự thu liên kết hàn có khả làm việc tốt Chi phí cho việc xử lý khử bỏ ứng suất dư trường hợp thấp Nếu khơng tính tốn mơ làm theo kinh nghiệm khơng xác định trình tự hàn hợp lý tạo kết cấu hàn mà khả làm việc chi phí sửa chữa bảo dưỡng lớn Qua 16 khẳng định phương pháp tính tốn mơ để xác định trước ứng suất dư hàn quan trọng cần thiết Công việc cần phải thực trước chế tạo Hình 3 Phân bố ứng suất dư Von mises theo chiều dài ống Hình 3.65 thể phân bố ứng suất dư dọc chiều dài ống từ bề mặt xuống thành ống (đường bề mặt, đường giữa, đường đáy) Dựa đồ thị ta thấy rằng, vị trí mối hàn ứng suất dư bề mặt ống (đường màu xanh nước biển) có giá trị nhỏ ứng suất dư theo đường (màu xanh cây) thành ống (màu đỏ) Ứng suất dư đỉnh thành ống (thẳng vị trí mối hàn) vào khoảng 340 MPa Tại vùng HAZ, ứng suất dư đường bề mặt đạt giá trị khoảng 310 MPa khu vực ống nhánh (chỗ mũi tên màu trắng); vị trí tương tự bên phía ống nhánh ứng suất dư vào khoảng 260 MPa Kết luận chương Ứng dụng lý thuyết truyền nhiệt, hình thành ứng suất liên kết hàn lý thuyết phần phần tử hữu hạn, tác giả đã: Mơ hình hóa thiết lập điều kiện tính tốn, mơ liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Thiết lập phương án hàn nút giàn dạng ống chữ K với mơ hình nguồn nhiệt, điều kiện hàn làm nguội tương ứng Tính tốn, mơ trường nhiệt độ phân bố liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tương ứng với thông số chế độ hàn khảo sát Tính tốn, mơ trường ứng suất tác động phân bố liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tương ứng với thông số chế độ hàn khảo sát Xác định trường ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tương ứng với thông số chế độ hàn khảo sát Trên sở tính tốn mơ số, tác giả tìm trình tự hàn hợp 17 lý, có ứng suất dư nhỏ liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích Mục đích nghiên cứu thực nghiệm nhằm tạo liên kết hàn dạng ống chữ K thực tế Trên sở nghiên cứu lý thuyết chương 1, chương mơ chương Việc nghiên cứu nhằm kiểm chứng lại lý thuyết số giả thiết khoa học mà tác giả đưa ra, đồng thời bổ sung lý thuyết ứng suất biến dạng hàn để làm sáng tỏ luận điểm khoa học Quá trình làm thực nghiệm hàn liên kết ống chữ K thực 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 phân tích chương tác giả chọn thiết bị hàn GMAW để làm thực nghiệm hàn liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K máy hàn Panasonic KR2-350 Đây loại thiết bị hàn có tính ưu việt như: 4.2.2 Vật liệu hàn Dựa vào thành phần vật liệu kim loại phương pháp hàn lựa chọn 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 cho bảng 4.4, tính cho 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 Quy cách mối ghép chữ K tiết diện ống [29]) Hình 4.2 mơ tả kiểu chuẩn bị mối ghép hàn hàn liên kết hàn dạng ống Như biết, mối hàn ống nhánh ống đóng vai trò quan trọng khả làm việc liên kết hàn Xuất phát từ điều kiện bền, theo khuyến cáo [29, 31] nên vát mép ống nhánh góc 