Luận án: Nghiên cứu ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống kỹ thuật vật liệu

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2019 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Tiến Dương 2. Hà Xuân Hùng Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội, ngày. năm 2019 Người cam đoan PGS. TS Nguyễn Tiến Dương i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS. TS Nguyễn Tiến Dương và TS.

Hà Xuân Hùng đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Vũ Đình Toại và các thầy, cô Bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại – Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa cơ khí, Trung tâm thực hành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định và các bạn thân hữu cùng các thầy cô giáo Bộ môn Cơ khí hàn, đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án này.

Tác giả xin chân thành cảm ơn ThS. Vũ Mạnh Hùng, ThS. Vũ Văn Khánh đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án. Tác giả xin cảm ơn Phòng thí nghiệm phá hủy Học viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp đỡ tác giả thực hiện việc đo ứng suất dư liên kết hàn tiết diện ống dạng chữ K.

Tác giả xin chân thành cảm ơn công ty TNHH ESI Việt Nam (đặc biệt là kỹ sư CAE Lương Vũ Nam) đã có những đóng góp ý kiến về mô phỏng giúp tác giả hoàn thành bản luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thế Ninh, HRL Technology Group Pty Ltd đã có những đóng góp quý báu giúp tác giả hoàn thành phần mô phỏng liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Cuối cùng, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố, mẹ kính yêu và vợ Nguyễn Thị Như Hoa; hai con: Nguyễn Hồng Sơn và Nguyễn Phương Linh cùng toàn thể các thành viên trong gia đình đã giành những tình cảm đặc biệt cùng lời động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này. Tác giả luận án Nguyễn Hồng Thanh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU. viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ.

ix MỞ ĐẦU. 1 Mục đích nghiên cứu. 2 Đối tượng nghiên cứu. 2 Phạm vi nghiên cứu.

2 Phương pháp nghiên cứu. 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. 3 Các đóng góp mới của luận án. 3 Kết cấu của luận án.

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU .1 Tình hình nghiên cứu trong nước .2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài. 6 Kết luận chương 1.1 Giàn hàn và giàn hàn dạng ống .1 Kết cấu giàn.2 Giàn có tiết diện dạng rỗng .3 Ứng dụng của kết cấu giàn dạng rỗng.2 Các phương pháp hàn sử dụng để chế tạo kết cấu giàn hàn .3 Hàn kết cấu giàn dạng ống bằng quá trình hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ .1 Nguyên lý và đặc điểm của quá trình hàn .2 Các thông số ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn .4 Cơ sở tính toán xác định trường nhiệt độ và ứng suất dư hàn .1 Tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K .2 Sự hình thành ứng suất dư khi hàn .5 Các phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn .1 Giới thiệu chung .2 Các phương pháp xác định ứng suất dư. 41 Kết luận chương 2. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT DƯ TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG CHỮ K .1 Mô phỏng tính toán bài toán cơ - nhiệt trong liên kết hàn .2 Mô phỏng tính toán quá trình chuyển biến pha trong liên kết hàn .2 Tính toán, mô phỏng trường ứng suất trong liên kết hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn .1 Tính toán mô phỏng bài toán nhiệt - đàn hồi - dẻo bằng phương pháp phần tử hữu hạn .2 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng tính toán liên kết hàn .3 Mô hình hóa và mô phỏng số liên kết nút giàn dạng ống chữ K .1 Mô hình hóa liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K .2 Mô hình nguồn nhiệt hàn GMAW .3 Các thông số của vật liệu .4 Các điều kiện biên và điều kiện đầu .4 Xác định chế độ hàn phù hợp cho liên kết nút giàn dạng ống chữ K .1 Tính toán xác định chế độ hàn sơ bộ.2 Thông số chế độ hàn mô phỏng .3 Hiệu chỉnh mô hình nguồn nhiệt .5 Thiết lập trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K .1 Các trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K .2 Thời gian hàn và thời gian làm nguội khi hàn các đường .6 Kết quả tính toán mô phỏng .1 Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K .2 Trường ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K .3 Chuyển biến pha của kim loại mối hàn.

96 Kết luận chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .2 Thực nghiệm hàn liên kết nút giàn dạng ống chữ K .1 Thiết bị hàn .2 Vật liệu hàn .3 Chuẩn bị mẫu hàn.4 Quy trình thực nghiệm .5 Kiểm tra ngoại dạng liên kết hàn .3 Xác định ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng kỹ thuật khoan lỗ .2 Các bước tiến hành. 106 Kết luận chương 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN .1 Kích thước vũng hàn .2 Ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tại một số vị trí khảo sát .1 Tại vị trí 1 .2 Tại vị trí 2 .3 Tại vị trí 3 .4 Tại vị trí 4 .3 Kiểm chứng kết quả tính toán mô phỏng ứng suất dư trong liên kết nút giàn dạng ống chữ K .1 Tại vị trí 1 .2 Tại vị trí 2 .3 Tại vị trí 3 .4 Tại vị trí 4 .4 Đề xuất các biện pháp làm giảm ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K .1 Các biện pháp kết cấu .2 Các biện pháp công nghệ.

120 Kết luận chương 5. 120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.

128 v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu/ Viết tắt Đơn vị Ý nghĩa AWS Hiệp hội hàn Mỹ SAW Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi GMAW trường khí bảo vệ Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong GTAW môi trường khí bảo vệ SMAW Hàn hồ quang que hàn thuốc bọc FCAW Hàn hồ quang day hàn lõi thuốc HAZ Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone) KLCB Kim loại cơ bản KLMH Kim loại mối hàn PP-PTHH Phương pháp phần tử hữu hạn CHS Tiết diện rỗng dạng ống CJP Hàn ngấu hoàn toàn PJP Hàn ngấu một phần CP Cổ phần DT Phá hủy S, d mm Chiều dày vật hàn vh mm/s Vận tốc hàn Uh V Điện áp hồ quang Ih A Dòng điện hàn B mm Tầm với điện cực ddh mm Đường kính điện cực x MPa Ứng suất dư Von misses stress MPa Ứng suất tương đương Stress XX MPa Ứng suất pháp theo phương X Stress YY MPa Ứng suất pháp theo phương Y Stress ZZ MPa Ứng suất pháp theo phương Z T o C Sự chênh lệch nhiệt độ TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam LKH Liên kết hàn FZ Vùng nóng chảy A mm2 Diện tích làm việc của mối hàn Ltt mm Chiều dài tính toán đường hàn a W/m độ Độ dẫn nhiệt c J/kg.K Nhiệt dung riêng C.R o Cs-1 Tốc độ nguội  Hiệu suất hồ quang vi Hm-Hc J/mm3 Gia số Enthalpy k W/mmoC Hệ số dẫn nhiệt Pr Hệ số Prandtl Q W Nhiệt lượng tỏa ra q0 J/mm Năng lượng đường c J/mm3oC Nhiệt dung khối Re Hệ số Reynolds T o C Nhiệt độ tại thời điểm khảo sát t s Thời gian T0 o C Nhiệt độ ban đầu Tc o C Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu Δt8/5 s Thời gian nguội từ 800oC ÷ 500oC m l/phút Lưu lượng khí bảo vệ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. 1 So sánh giới hạn bền xoắn của một số tiết diện đặc trưng. 2 Tốc độ cấp dây và cường độ dòng điện khi hàn trong khí bảo vệ CO2. 3 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn.

4 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn. 5 Một số thông số hàn tiêu biểu dùng cho hàn thép. 1 Nhiệt độ chuyển biến pha của thép S355J2G3. 2 Thông số mối ghép chữ K.

3 Mô hình nguồn nhiệt hàn thực nghiệm theo Goldak. 4 Chế độ hàn sơ bộ 1. 5 Chế độ hàn sơ bộ 2. 6 Chế độ hàn sơ bộ 3.

7 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết nút giàn dạng ống chữ K. 8 Chế độ hàn mô phỏng liên kết nút giàn dạng ống chữ K. 9 Thời gian hàn và thời gian làm nguội. 10 Kí hiệu quy ước các tổ chức kim loại khi hàn.

1 Bảng thông số kỹ thuật của máy hàn series KR. 2 Thành phần hóa học của dây hàn. 3 Cơ tính của dây hàn ER 70S. 4 Thành phần hóa học của kim loại cơ bản.

5 Cơ tính của thép A572 Grade 50. 6 Chế độ hàn liên kết hàn chữ K tiết diện ống. 1 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 1. 2 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 2.

3 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 3 .