Tóm tắt Luận án Nghiên cứu khảo sát ứng suất, biến dạng và tổ chức tế vi kim loại liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu

1 
MỞ ĐẦU 
Mục đích của luận án 
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn chính Auto-FCAW đến hình dạng và 
kích thước của mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu. 
Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng, kích thước và khả năng hình thành 
mối hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW. 
Nghiên cứu khảo sát ứng suất, biến dạng và tổ chức tế vi kim loại liên kết hàn giáp mối 
một phía nối tổng đoạn vỏ tàu. 
Thiết lập bộ thông số công nghệ hàn phù hợp với liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng 
đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW. 
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án 
Đối tƣợng nghiên cứu: 
Luận án tập trung nghiên cứu liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu (gọi tắt 
là liên kết hàn tổng đoạn). 
Phạm vi nghiên cứu: 
Liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn thân tàu tải trọng trung bình. Sử dụng quá 
trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc (Auto-FCAW). Vật liệu cơ bản là thép chế tạo vỏ tàu 
cấp A, mác A36, phạm vi chiều dày từ 10 đến 25 mm. Quy mô nghiên cứu của luận án được 
xác định trong phạm vi phòng thí nghiệm. 
Phƣơng pháp nghiên cứu 
Để thực hiện được mục đích nghiên cứu của luận án, tác giả sử dụng các phương pháp 
nghiên cứu sau: 
- Thu thập, phân tích và tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan 
đến đề tài nghiên cứu về công nghệ hàn giáp mối một phía bằng phương pháp hàn FCAW; các 
văn bản nghị quyết, quyết định của Đảng và Nhà nước về chiến lược phát triển công nghiệp 
đóng tàu Việt Nam; các tài liệu về công nghệ đóng tàu; Từ đó xác định rõ những gì đã được 
công bố và tìm ra những nội dung mới mà luận án cần phải giải quyết. 
- Phân tích và hệ thống hóa các kiến thức lý thuyết về công nghệ đóng tàu theo tổng đoạn; 
các quá trình công nghệ hàn ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu; đặc điểm công nghệ hàn giáp mối 
một phía; thiết bị, vật liệu, các thông số công nghệ, phương thức dịch chuyển kim loại trong 
quá trình hàn hồ quang dây lõi thuốc (FCAW) làm cơ sở lý thuyết cho đề tài. 
- Khảo sát hiện trường tại các cơ sở đóng tàu trong nước, trong đó sử dụng các kỹ thuật 
quan sát trực tiếp, ghi chép, hỏi ý kiến chuyên gia, chụp ảnh để tìm hiểu về công nghệ đóng 
tàu, lắp ráp phân đoạn, tổng đoạn (Block); công nghệ hàn nối phân đoạn và tổng đoạn vỏ tàu. 
Từ đó làm sáng tỏ các thông tin về đối tượng nghiên cứu, làm cơ sở cho việc xây dựng mô 
hình thực nghiệm. 
- Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng mối quan hệ giữa các thông 
số chế độ hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc và vị trí hàn với hình dạng và kích thước mối 
hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu. Bao gồm việc phân tích, lựa chọn và xác định các 
yếu tố ảnh hưởng chính; lập kế hoạch, tiến hành thực nghiệm và thu nhận thông tin. Xây dựng 
và kiểm định mô hình bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất và phân tích hồi quy, phân 
tích phương sai để xác định giá trị của các hệ số trong mô hình hồi qui đa thức. Kiểm tra mô 
hình theo độ tương thích và khả năng làm việc. 
- Sử dụng kỹ thuật tính toán trường nhiệt độ hàn; khảo sát quá trình truyền nhiệt; phân tích 
phân bố ứng suất, biến dạng và tổ chức kim loại,... của liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng 
đoạn vỏ tàu trên phần mềm chuyên dụng SYSWELD. 
2 
- Sử dụng các trang thiết bị sẵn có phù hợp với điều kiện thực nghiệm để chế tạo liên kết 
hàn nối tổng đoạn vỏ tàu; tiến hành đo biến dạng thực, kiểm tra cơ tính và phân tích tổ chức tế 
vi của kim loại liên kết hàn tổng đoạn trong phạm vi phòng thí nghiệm. 
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiến của luận án 
Ý nghĩa khoa học của luận án: 
Đã phân tích và hệ thống hóa kiến thức công nghệ, thiết bị, vật liệu hàn, các thông số công 
nghệ, phương thức dịch chuyển kim loại, đặc điểm hình thành mối hàn ở các vị trí hàn khác 
nhau trong không gian với quá trình hàn hồ quang dây lõi thuốc FCAW làm cơ sở khoa học 
cho việc xây dựng mô hình thực nghiệm hàn giáp mối một phía. 
Bằng quy hoạch thực nghiệm đã thiết lập mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn Auto-
FCAW (cường độ dòng điện hàn Ih, tốc độ hàn Vh, tần số dao động đầu hàn fh, thời gian dừng 
dao động đầu hàn ở ¼ và ¾ chu kỳ td) với hình dạng và kích thước đường hàn đáy của mối hàn 
giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A36. Đã xựng các đồ thị và đánh giá mức độ 
ảnh hưởng độc lập và đồng thời của các thông số chế độ hàn đến hình dạng và kích thước của 
mối hàn. Từ đó xác định được bộ thông số chế độ hàn phù hợp với phạm vi kích thước của 
đường hàn đáy liên kết hàn giáp mối một phía thép cấp A ở vị trí hàn đứng. 
Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã thiết lập mối quan hệ toán học và đánh giá 
mức độ ảnh hưởng của vị trí hàn (góc nghiêng trục đường hàn thay đổi theo góc 
từ 0  2.09 radian) đến hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối một phía thép vỏ tàu cấp 
A36 bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc Auto-FCAW. 
Kết hợp phương pháp mô phỏng số với thực nghiệm nhằm nâng cao hiệu quả nghiên cứu 
ứng suất, biến dạng và biến đổi tổ chức kim loại của liên kết hàn giáp mối một phía nối tổng 
đoạn vỏ tàu thép cấp A36 bằng quá trình hàn FCAW. Kết quả nghiên cứu này cũng có thể 
được áp dụng vào nghiên cứu ứng suất, biến dạng và biến đổi tổ chức kim loại liên kết hàn 
tổng đoạn vỏ tàu với các cấp thép khác. 
Ý nghĩa thực tiễn của luận án: 
Kết quả nghiên cứu của đề tài đã xác định được bộ thông số công nghệ hàn và quy trình 
hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc. Kết 
quả và phương pháp nghiên cứu của đề tài có thể vận dụng vào thực tiễn chế tạo và lắp ghép 
phân đoạn, tổng đoạn nhằm nâng cao năng suất và chất lượng vỏ tàu tại Việt Nam. Ngoài ra, 
các kết quả nghiên cứu này có thể ứng dụng trong hàn giáp mối các kết cấu cỡ lớn khác như: 
kho nổi, giàn khoan, bồn bể, v.v. 
Các đóng góp mới của luận án 
Thông qua quá trình nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số theo các nhiệm vụ 
nghiên cứu đã đề ra, luận án này có những đóng góp mới sau đây: 
1. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm hai mức 4 yếu tố độc lập trong miền khảo 
sát, đã thiết lập được mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn (Ih, 
Vh, fd, td) với kích thước của đường hàn (hd, bd, bd1) trong liên kết hàn giáp mối tổng đoạn vỏ 
tàu thép A36. Từ đó xác định được bộ thông số chế độ hàn theo kích thước cho trước của 
đường hàn đáy. 
2. Bằng thực nghiệm đã thiết lập được mối quan hệ giữa vị trí hàn trong không gian với 
hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A bằng quá trình hàn 
Auto-FCAW. 
3. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: Khi hàn đường hàn đáy ở vị trí hàn trần bằng quá 
trình hàn Auto-FCAW thì không cần phải lót đáy mối hàn bằng gốm. Bộ thông số công nghệ 
hàn đã xác định không thích hợp để hàn đường hàn đáy ở vị trí trần. Vì vậy cần thiết phải sử 
dụng quá trình hàn SMAW hoặc GMAW để hàn đường hàn đáy, các lớp hàn tiếp theo được 
hàn bằng quá trình hàn FCAW. 
4- Đã phân tích và lựa chọn được mô hình nguồn nhiệt “Double ellipsoid” phù hợp với quá 
trình hàn FCAW để hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A. Đồng thời cũng đã xây dựng 
3 
được 1 module mã lệnh mô tả dao động mỏ hàn kiểu răng cưa nhúng vào phần mềm Sysweld 
để thực hiện bài toán mô phỏng quá trình hàn Auto-FCAW. 
5- Đã tính toán mô phỏng và xác định được trường nhiệt hàn, chu trình nhiệt, quá trình 
biến đổi tổ chức kim loại mối hàn, ứng suất dư và biến dạng của liên kết hàn giáp mối tổng 
đoạn vỏ tàu. Kiểm chứng các kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình và 
các điều kiện tính toán mô phỏng số là phù hợp với mô hình thực nghiệm. 
6. Dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm, luận án đã xác 
định được bộ thông số công nghệ hàn hợp lý để hàn nối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A bằng quá 
trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc Auto-FCAW. 
Cấu trúc của luận án 
Luận án gồm phần mở đầu, 5 phần nội dung, các kết luận ở cuối mỗi phần nội dung và kết 
luận chung, danh mục các công trình đã công bố, danh mục tài liệu tham khảo và phần phụ lục. 
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 
1.1. Công nghệ đóng tàu 
1.1.1. Sơ lƣợc về tình hình phát triển công nghệ đóng tàu 
Hiện nay, trung tâm đóng tàu của thế giới đang ở Đông Á với ba nước Nhật Bản, Hàn 
Quốc và Trung Quốc chiếm đến 85% tổng sản lượng, EU chỉ có 11%. Các nước còn lại chiếm 
hơn 4%. Tuy nhiên, xét về giá trị, EU lại là khu vực chiếm một tỷ lệ doanh thu lớn nhất (gần 
30%) do họ tập trung vào những loại tàu cao cấp như: tàu chở khí lỏng và tàu chở khách. 
Trong khi đó, Hàn Quốc chiếm lĩnh các loại tàu chở container, tàu chở dầu. Nhật Bản tập trung 
vào tàu chở hàng khô, tàu chở khí lỏng. Còn Trung Quốc đang cố gắng chiếm lĩnh tất cả những 
gì có thể. Đến năm 2015, mục tiêu của Hàn Quốc là dẫn đầu hành trình thiên niên kỷ, chiếm 
40% thị phần. Còn mục tiêu của Trung Quốc dẫn đầu thế giới, với 35% thị phần. Nhật Bản thì 
tập trung vào các loại tàu có công nghệ cao, siêu trọng. EU dẫn đầu ở những phân đoạn thị 
trường cao cấp với doanh thu 40 tỷ USD, gấp 3 lần hiện nay. Nếu đúng theo các mục tiêu này 
thì khi đó, năng lực sản xuất toàn cầu sẽ lớn hơn nhu cầu ít nhất từ 10% - 20%. 
1.1.2. Công nghiệp tàu thủy ở Việt Nam 
Với tình hình thực tế ở Việt Nam hiện nay, cách hiệu quả hơn cả là Việt Nam nên đầu tư 
tập trung vào các cụm công nghiệp đóng tàu có sẵn lợi thế, đồng thời lựa chọn ngành công 
nghiệp phụ trợ phù hợp để xây dựng và phát triển như: ngành thép, tự động hoá, hàn,... Hơn 
nữa, ngoài việc thành lập các liên doanh, cũng cần mở cửa cho nước ngoài (nhất là Hàn Quốc 
và Nhật Bản) thành lập các doanh nghiệp 100% vốn của họ và khuyến khích khu vực kinh tế tư 
nhân tham gia vào ngành công nghiệp đóng tàu. Mặc dù trải qua nhiều khó khăn, nhưng cho 
đến nay ngành đóng tàu Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh, nhiều nhà máy đóng tàu 
đã bước đầu áp dụng công nghệ đóng tàu tiên tiên như công nghệ đóng tàu theo tổng đoạn 
(Modules) đóng thành công các tầu có tải trọng nhỏ và trung bình. 
1.1.3. Công nghiệp tàu thủy ở nƣớc ngoài 
Chương trình nghiên cứu NSRP, MANTECH đã tiến hành nghiên cứu về mức độ công 
nghệ đóng tàu hiện đang được sử dụng tại các nhà máy đóng tàu cạnh tranh nhất ở châu Á và 
phân ra 5 mức công nghệ. Các nhà máy đóng tàu hiện đại nhất ở mức 5 (là mức công nghệ 
hiện đại nhất) được thể hiện qua một số nét như: Có mức độ tự động hóa và người máy hóa 
trong tất cả các công đoạn; có khả năng làm việc hiệu quả và áp dụng hệ thống điều hành sản 
xuất suất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CAD/CAM/CIM (Computer Integrated 
Manufacturing). Thiết kế và chế tạo vỏ tàu theo modules; khả năng quản lý vật tư hiệu quả nhờ 
máy tính và có hệ thống đảm bảo chất lượng hoàn căn chỉnh hiệu quả,... 
 1.1.4. Công nghệ đóng tàu theo phƣơng pháp tổng đoạn 
Phương pháp đóng tàu theo tổng đoạn (Modules) là phương pháp phân chia thân tàu thành 
những tổng đoạn hợp lý dọc theo thân tàu để thuận lợi cho công đoạn chế tạo và lắp đặt sẵn 
các trang thiết bị ở mức tối đa tại các phân xưởng chuyên dụng trước khi đấu đà. 
4 
1.2. Tình hình ứng dụng công nghệ hàn một phía trong chế tạo vỏ tàu thủy 
Công nghệ hàn một phía được thực hiện bằng nhiều phương pháp hàn khác nhau phụ thuộc 
vào từng trường hợp cụ thể; hàn hồ quang tay (MAW), hàn tự đông dưới lớp thuốc (SAW), 
hàn tự động và bán tự động trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), hàn điện cực không nóng 
chảy trong môi trường khí bảo vê (GTAW), hàn hồ quang với dây lõi thuốc (FCAW), hàn điện 
khí (EGW),v.v...Hình 1.1 minh họa mức độ ứng dụng của các quá trình hàn trong đóng tàu 
cũng như trong các lĩnh vực công nghiệp khác. 
Hình 1. 1 Mức độ tiêu thụ vật liệu hàn trong công nghiệp chế tạo 
1.2.1. Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu trong nƣớc 
Nói chung các đề tài nghiên cứu trong nước đã đạt được nhiều kết quả tốt trong việc đưa ra 
các giải pháp công nghệ và thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động ứng dụng vào quá 
trình hàn nối phân đoạn, tổng đoạn vỏ tàu ở Việt Nam. Tuy nhiên các đề tài này chưa tập trung 
nghiên cứu đầy đủ về công nghệ hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình 
hàn Auto-FCAW. 
1.2.2. Công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu ở nƣớc ngoài 
Ở nước ngoài đã nghiên cứu phát triển và áp dụng nhiều công nghệ hàn tiên tiến vào đóng 
tàu: Công nghệ hàn tự động với các quá trình hàn GMAW, FCAW; hàn điện khí EGW; gần 
đây là công nghệ hàn lai ghép Hybird Laser-MIG;... Tuy nhiên các thông tin về công nghệ hàn 
một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thủy bằng quá trình hàn Auto-FCAW không đầy đủ và khó áp 
dụng vào điều kiện đóng tàu ở Việt Nam. 
Kết luận chƣơng 1 
1. Ngành công nghiệp đóng tàu đóng một vai trò then chốt trong chiến lược phát triển kinh 
tế xã hội và an ninh quốc phòng của đất nước. Chiến lược phát triển ngành công nghiệp đóng 
tàu Việt Nam lớn mạnh trong khu vực và trên thế giới là rất cấp bách. 
2. Việc nghiên cứu phát triển và áp dụng công nghệ đóng tàu hiện đại, tiên tiến được triển 
khai mạnh mẽ ở Việt Nam nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và hạ giá thành chế tạo thân 
tàu góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội. 
3. Trong lĩnh vực đóng tàu, công nghệ hàn đóng vai trò chủ đạo và chiếm một tỷ trọng lớn 
trong tổng khối lượng công việc chế tạo vỏ tàu; đặc biệt là công nghệ hàn một phía trong chế 
tạo và lắp ráp phân đoạn, tổng đoạn của thân tàu; chất lượng liên kết hàn nối tổng đoạn thân 
tàu khi đấu đà là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng của thân tàu. 
4. Các nghiên cứu trong nước cho đến nay đã đưa ra các giải pháp công nghệ hàn tự động; 
thiết kế và chế tạo các hệ thống hàn tự động ứng dụng trong đóng tàu. Tuy nhiên các đề tài này 
chưa nghiên cứu cụ thể về công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn 
Auto-FCAW. 
5 
5. Ở nước ngoài đã nghiên cứu và ứng dụng mạnh quá trình hàn Auto-FCAW vào hàn vỏ tàu. 
Tuy nhiên cho đến nay, các thông tin về công nghệ hàn một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thủy bằng 
quá trình hàn Auto-FCAW không đầy đủ và khó áp dụng vào điều kiện đóng tàu ở Việt Nam. 
CHƢƠNG 2. CÔNG NGHỆ HÀN MỘT PHÍA TRONG ĐÓNG TÀU 
2.1. Đặc điểm công nghệ hàn giáp mối một phía trong đóng tàu 
Công nghệ hàn giáp mối một phía là quá trình hàn chỉ tiếp cận hàn từ một phía, dùng trong 
hàn nối ống thép có đường kính trung bình và nhỏ, bồn bể chứa chựu áp lực, các kết cấu lớn 
hạn chế xoay lật, đặc biệt là hàn nối các phân đoạn và tổng đoạn vỏ tàu,... Công nghệ hàn một 
phía được thể hiện ở một số đặc điểm: điều kiện thực hiện; điều kiện công nghệ; kỹ năng 
người thợ; vị trí hàn, quá trình hàn, liên kết hàn và đặc điểm ứng dụng của các quá trình hàn 
một phía trong đóng tàu,... 
2.2. Thép chế tạo vỏ tàu 
Theo tiêu chuẩn Việt Nam, thép dùng để chế tạo vỏ tàu là thép hợp kim thấp độ bền cao 
được chia làm các cấp sau đây: A32, D32, E 32, A 36, D36, E 36, A 40, D 40, E 40, F32, F36, 
F40. Giới hạn bề chảy nhỏ nhất tương đươn ...  (6h, 6h  5h, 5h  4h, 4h  3h và 3h) nằm trên 
góc chuyển tiếp từ đáy lên mạn tàu của liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A36 phục vụ 
nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn tổng đoạn. 
2. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã xây dựng được các hàm hồi quy biểu diễn 
mối quan hệ giữa vị trí hàn (φ1, φ2, φ3, φ4 và φ5) đến kích thước của mối hàn nối tổng đoạn vỏ 
tàu thép A36 bằng phương pháp hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc E71T-1 đường kính 1,2 
mm (bề rộng mặt trên b, chiều cao phần nhô mặt trên h, bề rộng mặt đáy b1, chiều cao phần 
nhô mặt đáy h1): 
xb 958.1150.16 
32 684.1800.6051.8 xxxh 
32
1 742.1774.6935.8986.7 xxxb 
32
1 697.0371.2668.0340.3 xxxh 
3. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: Khi hàn đường hàn đáy ở vị trí hàn trần bằng quá 
trình hàn Auto-FCAW thì không cần phải lót đáy mối hàn bằng gốm. Bộ thông số công nghệ 
hàn đã xác định không thích hợp để hàn đường hàn đáy ở vị trí trần. Vì vậy cần thiết phải sử 
dụng quá trình hàn SMAW hoặc GMAW để hàn đường hàn đáy, các lớp hàn tiếp theo được 
hàn bằng quá trình hàn FCAW. 
CHƢƠNG 5. NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ TỔ CHỨC TẾ VI 
LIÊN KẾT HÀN TỔNG ĐOẠN VỎ TÀU 
5.1. Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, biến đổi tổ chức kim loại, ứng suất và 
biến dạng hàn bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn 
5.1.1. Lý thuyết PTHH của bài toán nhiệt - đàn hồi - dẻo 
5.1.1.1 Bài toán truyền nhiệt khi hàn 
* Mô hình nguồn nhiệt rút gọn được đề xuất bởi Goldak cho các quá trình hàn hồ quang 
GMAW, FCAW,.. 
 √ 
 √ 
 (5 - 1) 
Đối tượng nghiên cứu mô phỏng ở đây là liên kết hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thủy. Vật 
liệu cơ bản là thép A36 dày 13 mm; vật liệu hàn là E71T-1,  1.2 mm. Các thông số của mô 
hình nghiên cứu được mô tả trên Hình 5.1 dưới đây. 
Hình 5.1 Mô hình mối ghép hàn tổng đoạn vỏ tàu 
500
250
3
0
0
800
1
3
1
5
0
A
10
17 
* Phát triển mô hình lưới của mô hình hình học 
Hình 5. 2 Mô hình PTHH của vùng mối hàn và vị trí của các nút khảo sát 
5.1.3. Các điều kiện tính toán 
- Điều kiện biên cơ học được xác định bởi sự kẹp chặt, như là sự ngàm cứng được minh 
họa trong hình 5.3. 
Hình 5. 3 Ngàm chặt hai đầu liên kết hàn tổng đoạn 
- Các thông số về nguồn nhiệt đầu vào được xác định bằng thực nghiệm. 
5.1.4. Phân bố trƣờng nhiệt độ và chu trình nhiệt khi hàn liên kết tổng đoạn 
Trường nhiệt độ phân bố trong tiết diện ngang của liên kết hàn như Hình 5.4, vùng màu đỏ 
thể hiện kích thước của vùng nóng chảy. 
Hình 5.4 Trường nhiệt độ tức thời lớp hàn đáy và lớp hàn phủ 
Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn được minh họa trên Hình 5.5. Dựa vào kích 
thước dải phân bố màu ta có thể dự đoán trước rằng chế độ hàn đã chọn là phù hợp với liên kết 
hàn này bởi vì bề rộng của vũng hàn vừa bằng bề rộng của mối hàn yêu cầu, nghĩa là mối hàn 
sẽ không có nguy cơ bị cháy thủng, cháy cạnh, hoặc không ngấu. 
Hình 5.5 Trường nhiệt độ tức thời phân bố trên toàn mô hình 
18 
Chu trình nhiệt chính xác tại một điểm nào đó trong liên kết hàn, giúp chúng ta đánh giá 
được các khả năng chuyển biến pha, xuất hiện các ứng suất nhiệt hoặc các loại khuyết tật hàn 
khác, cho phép đánh giá và tìm ra các thông số công nghệ hàn hợp lý trước khi chế tạo thật. 
5.1.5. Biến đổi tổ chức kim loại trong liên kết hàn tổng đoạn 
Hình 5. 6b là kết quả tính toán sự phân bố của tổ chức martensite. Dựa vào màu sắc của 
các đường đồng mức và thang đo, cho thấy rằng liên kết hàn trong trường hợp này gần như 
không xuất hiện tổ chức martensite (hàm lượng martensite tối đa chỉ là 0,19%). Kết quả tính 
toán hàm lượng tổ chức bainite thể hiện trên Hình 5. 6c cũng rất nhỏ (tối đa là 0,44%). Tương 
tự, hàm lượng austenite dư gần như không còn tồn tại sau khi kết thúc quá trình chuyển biến 
pha như trên Hình 5. 6d. Như vậy, có thể kết luận rằng trong liên kết hàn nghiên cứu không 
xuất hiện các tổ chức martensite, bainite hay austenite dư mà tổ chức kim loại nhận được chỉ là 
hỗn hợp ferrite - pearlite. 
a) Phân bố tổ chức Ferrite – Pearlite b) Phân bố tổ chức Martensite 
c) Phân bố tổ chức Bainite d) Phân bố tổ chức Austenite dư 
Hình 5. 6 Phân bố tổ chức kim loại trong liên kết hàn tại thời điểm 6500 [giây] 
Hình 5. 7 Chu trình nhiệt & đồ thị chuyển biến pha tại nút 8636 
19 
Sysweld còn có thể tính toán và thể hiện kết quả một cách định lượng sự biến đổi tổ chức 
kim loại mối hàn tại bất kỹ một điểm nào đó trong vùng mối hàn dưới dạng các đồ thị như 
Hình 5.7 dưới đây. 
5.1.6.Ứng suất dƣ và biến dạng góc của liên kết hàn tổng đoạn 
Phần mềm Sysweld tính toán trường phân bố ứng suất cũng như biến dạng của mô hình 
liên kết hàn tổng đoạn. Các kết quả được thể hiện trên các hình và đồi thị dưới đây. 
- Giá trị ứng suất theo phương ngang lớn nhất trong liên kết hàn là x = 375,59 Mpa thể 
hiên trên Hình 5.8. 
- Giá trị ứng suất pháp theo phương dọc y-y (y, 22) lớn nhất y = 238 MPa nằm tại vùng 
thuộc KLCB và sát với vùng HAZ thể hiên trên Hình 5.9. 
Hình 5. 8 Ứng suất pháp theo phương ngang (x-x) Hình 5. 9 Ứng suất pháp theo phương dọc (y-y) 
- Trên Hình 5. 10 là trường phân bố ứng suất dư tổng (ứng suất tương đương e, equivalent 
stress) giá trị ứng suất dư tương đương lớn nhất trong liên kết hàn là 276,44 Mpa. 
Hình 5. 10 Phân bố ứng suất dư tổng (Seqv) trong liên kết hàn 
Hình 5. 11 Đồ thị ứng suất pháp, ứng suất dư tổng (Seqv) tại mặt cắt ngang giữa mối hàn 
20 
- Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của ứng suất pháp theo các phương (x, y, z) và ứng suất 
dư tổng (Seqv) tại mặt cắt ngang ở giữa liên kết hàn tổng đoạn được thể hiện trên Hình 5.11. 
- Trên Hình 5.12 biểu diễn kết quả biến dạng góc Uz của liên kết hàn theo chiều dọc của 
mối hàn (đường màu đỏ). Tại vị trí đầu mối hàn, biến dạng góc có giá trị nhỏ nhất Uz = 0,08 
mm, điều này cũng phản ánh đúng với lý thuyết do tại vị trí đầu nhiệt lượng truyền vào liên kết 
hàn không lớn. Biến dạng góc Uz tăng dần khi đi từ đầu mối hàn đến cuối mối hàn và đặt giá 
trị lớn nhất tại vị trí cách điểm cuối đường hàn khoảng 16 mm với giá trị Uz = 0,76 mm, điều 
này cũng phản ánh đúng với lý thuyết do tại vị trí cuối nhiệt lượng truyền vào liên kết hàn lớn 
nhất. 
Hình 5. 12 Biến dạng góc, ứng suất pháp, ứng suất dư tổng (Seqv) tại mặt cắt dọc giữa mối hàn 
5.2. Thực nghiệm chế tạo liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu thủy 
Chế tạo đồ gá chông biến dạng co góc khi hàn mối hàn lấp góc giữa sườn với tấm vỏ như 
Hình 5. 13. Gá lắp tạo liên kết hàn tổng đoạn đúng theo mô hình thực nghiệm và rà mặt phẳng 
bằng bàn mát như Hình 5. 14 trước khi hàn nối tổng đoạn. 
Hình 5. 13 Hàn sườn với tám vỏ Hình 5. 14 Mối ghép tổng đoạn 
Chế tạo đồ gá ngàm hai đầu bằng Ê tô để kẹp chặt hai đầu của liên kết hàn tổng đoạn nhằm 
chống co ngang khi hàn giáp mối một phía nối tổng đoạn vỏ tàu như Hình 5. 15. 
21 
Hình 5. 15 Hàn nối tổng đoạn Hình 5. 16 Mặt đáy mối hàn 
Kết quả 07 liên kết hàn tổng đoạn đã được chế tạo thành công như Hình 5. 16. 
5.3. Đo biến dạng góc thực của liên kết hàn tổng đoạn 
Khảo sát biến dạng góc trên 3 mô hình thực nghiệm thật số 02, 05 và 07; phương pháp đo 
bằng đầu đo 3 tọa độ lắp trên máy CNC 5 trục DMU 50. Vùng khảo sát biến dạng góc mối hàn 
là vùng giữa hai sườn của liên kết hàn tổng đoạn. 
Hình 5.17 Đo biến dạng góc bằng đầu đo 3D 
Giá trị co góc trung bình trên trên 3 mẫu khảo sát (mẫu 02, 07, 05) là 
 . So sánh kết 
quả biến dạng góc xác định bằng mô phỏng SYSWELD và đo trên mô hình thật như trong 
Bảng 5- 1. 
Bảng 5- 1 Kết quả chuyển vị và độ co góc liên kết hàn tổng đoạn 
Biến dạng góc Mô phỏng bằng SYSWELD Đo trên mô hình thật 
Chuyển vị theo trục z (mm) 0,76 mm 0,857 mm 
Độ co góc βtb (
0
) 0,37 0,413 
Từ kết quả như trên cho thấy rằng khi hàn nối tổng đoạn với cùng một bộ thông số công 
nghệ hàn tương ứng với đường hàn đáy và đường hàn phủ đã được nghiên cứu và xác định tạo 
ra biến dạng góc nhỏ, nằm trong phạm vi cho phép của quy phạm đăng kiểm vỏ tàu. 
5.4. Kiểm tra cơ tính của liên kết hàn tổng đoạn 
- Kết quả thử kéo: Cả 3 mẫu thử đều đứt ở vùng kim loại cơ bản tiếp giáp với vùng HAZ 
của liên kết hàn. Kết quả này trừng hợp với kết quả tính toán mô phỏng số ứng suất trên phần 
mềm Sysweld. 
- Các mẫu uốn mặt và uốn chân mối hàn đều được uốn cong đến góc lớn hơn 1500, nhưng 
mặt và chân mối hàn không bị nứt, gãy. 
Hình 5. 18 Uốn mặt mối hàn Hình 5. 19 Mẫu sau khi thử kéo 
22 
5.5. Phân tích cấu trúc kim loại trong liên kết hàn tổng đoạn 
5.5.1 Cấu trúc thô đại của liên kết hàn tổng đoạn 
 Hình 5. 20 Các vùng khảo sát của mối hàn tổng đoạn 
5.5.2 Cấu trúc tế vi của liên kết hàn tổng đoạn 
Cấu trúc tế vi ở 3 vùng đặc trưng của mối hàn được thể hiện trên Hình 5.20. Trong đó vùng 
D1, D2, D3 thuộc vùng đáy của mối hàn; vùng G1, G2, G3 thuộc vùng giữa mối hàn; vùng T1, 
T2, T3 thuộc vùng trên của mối hàn. Kết quả phân tích kim tương học tại 3 vùng này cho thấy 
rằng kim loại liên kết hàn chỉ có tổ chức ferrite – pearlite với hình dạng và cỡ hạt khác nhau. 
5.6. Bộ thông số công nghệ hàn Auto-FCAW hợp lý 
Bộ thông số công nghệ hàn hợp lý khi hàn giáp mối một phía nhiều lớp có lót đáy, thép các 
bon thấp hoặc thép hợp kim thấp A36, dày 13 mm 
Bảng 5- 2 Bộ thông số công nghệ hàn đường hàn đáy 
TT Thông số Giá trị Dung sai Ghi chú 
1 Vật liệu cơ bản: Thép chế tạo vỏ tàu cấp A 
2 Dây hàn: E 71T-1, đường kính  1,2 mm 
3 Các thông số mối ghép 
 Góc rãnh hàn α 450 10 
 Khe hở mối ghép a 6 mm - 1 
 Phạm vi chiều dày t 10  25 mm 
4 Góc độ mỏ hàn 
 Góc di chuyển mỏ hàn 75
0 
- 5
0 
 Góc làm việc mỏ hàn β 900 10 
5 Vị trí hàn 
 Hàn đứng từ dưới lên (3G-u) 
6 Dao động đầu hàn 
 Dao động đầu hàn theo kiểu răng cưa 
 Tần số dao động fh 2,8 Hz 0,2 
 Thời gian dừng ở hai biên độ 
td 
0,6 s + 0,2 
 Biên độ dao động đầu hàn ah 2  3 mm 0.1 
7 Khí bào vệ CO2 
 Lưu lượng khí lít/phút 10 (lít/phút) + 2, - 1 
8 Tầm với điện cực (mm) 25 (mm) 
9 Dòng điện hàn 
 Cực tính dòng điện hàn DCEP (DC
+
) 
 Dòng điện hàn Ih 125 (A) + 5 
10 Điện áp hàn Uh 22 (V) + 1 
11 Vận tốc di chuyển đầu hàn Vh 25 (cm/phút) 2 
12 Lót đáy mối hàn bằng gốm 8 x 1,2 mm 
a
t
23 
Bảng 5- 3 Bộ thông số công nghệ hàn đường hàn phủ (lớp phủ) 
TT Thông số Giá trị Dung sai Ghi chú 
1 Vật liệu cơ bản: Thép chế tạo vỏ tàu cấp A 
2 Dây hàn: E 71T-1, đường kính  1,2 mm 
3 Các thông số của mối ghép 
 Góc rãnh hàn α 450 10 
 Khe hở mối ghép a 6 mm - 1 
 Phạm vi chiều dày t 10  25 mm 
4 Góc độ mỏ hàn 
 Góc di chuyển mỏ hàn 80
0 
- 5
0 
 Góc làm việc mỏ hàn β 900 10 
5 Vị trí hàn 
 Hàn đứng từ dưới lên (3G-u) 
6 Dao động đầu hàn 
 Dao động đầu hàn theo kiểu răng cưa 
 Tần số dao động fh 2,0 Hz - 0,2 
 Thời gian dừng ở hai biên độ td 0,8 s + 0,2 
 Biên độ dao động đầu hàn ah 4  5 mm +0,5 
7 Khí bảo vệ CO2 
 Lưu lượng khí lít/phút 12 (lít/phút) + 2, - 2 
8 Tầm với điện cực (mm) 25 (mm) - 5 
9 Dòng điện hàn 
 Cực tính dòng điện hàn DCEP (DC+) 
 Dòng điện hàn Ih 140 (A) + 5 
10 Điện áp hàn Uh 23 (V) + 1 
11 Vận tốc hàn di chuyển đầu Vh 25(cm/phút) 2 
Kết luận chƣơng 5 
1- Đã phân tích và lựa chọn được mô hình nguồn nhiệt “Double ellipsoid” phù hợp với quá 
trình hàn FCAW để hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A. Đồng thời cũng đã xây dựng 
được 1 module mã lệnh mô tả dao động mỏ hàn kiểu răng cưa nhúng vào phần mềm Sysweld 
để thực hiện bài toán mô phỏng quá trình hàn Auto-FCAW. 
2- Đã tính toán mô phỏng và xác định trường nhiệt hàn, chu trình nhiệt, quá trình biến đổi 
tổ chức kim loại, ứng suất và biến dạng của liên kết hàn tổng đoạn vỏ tàu. Kiểm chứng các kết 
quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm về biến dạng góc và biến đổi tổ chức kim loại mối hàn 
cho thấy rằng mô hình và các điều kiện tính toán trong mô phỏng số là phù hợp với mô hình 
thực nghiệm. 
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN 
Đề tài đã đạt được mục tiêu và các kết quả chính như sau: 
1- Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm hai mức 4 yếu tố độc lập trong miền khảo 
sát, đã xây dựng được mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các thông số chính của chế độ 
hàn (Ih, Vh, fd, td) với kích thước của đường hàn đáy (hd, bd, bd1) trong liên kết hàn giáp mối 
một phía nối tổng đoạn vỏ tàu thép A36. 
434321 281,0381,0406,0443,0243,0262,9 xxxxxxhd 
424321 262,0275,0250,0500,0250,0835,11 xxxxxxbd 
2143211 318,0393,0406,0656,0581,0617,9 xxxxxxbd 
a
t
24 
Mặt khác bằng phần mềm Modde 5.0 xác định được bộ thông số chế độ hàn theo kích 
thước cho trước của đường hàn đáy. 
2- Bằng thực nghiệm đã thiết lập được mối quan hệ giữa vị trí hàn trong không gian với 
hình dạng và kích thước của mối hàn tổng đoạn vỏ tàu bằng quá trình hàn Auto-FCAW như 
sau: 
xb 958.1150.16 
32 684.1800.6051.8 xxxh 
32
1 742.1774.6935.8986.7 xxxb 
32
1 697.0371.2668.0340.3 xxxh 
3- Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: Khi hàn đường hàn đáy ở vị trí hàn trần bằng quá 
trình hàn Auto-FCAW thì không cần phải lót đáy mối hàn bằng gốm. Bộ thông số công nghệ 
hàn đã xác định không thích hợp để hàn đường hàn đáy ở vị trí trần. Vì vậy cần thiết phải sử 
dụng quá trình hàn SMAW hoặc GMAW để hàn đường hàn đáy, các lớp hàn tiếp theo hàn 
bằng quá trình hàn FCAW. 
4- Đã phân tích và lựa chọn được mô hình nguồn nhiệt “Double ellipsoid” phù hợp với quá 
trình hàn FCAW để hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép cấp A. Đồng thời cũng đã xây dựng 
được 1 module mã lệnh mô tả dao động mỏ hàn kiểu răng cưa nhúng vào phần mềm Sysweld 
để thực hiện bài toán mô phỏng quá trình hàn Auto-FCAW. 
5- Đã tính toán mô phỏng và xác định được trường nhiệt hàn, chu trình nhiệt, quá trình 
biến đổi tổ chức kim loại mối hàn, ứng suất dư và biến dạng của liên kết hàn giáp mối tổng 
đoạn vỏ tàu. Kiểm chứng các kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình và 
các điều kiện tính toán mô phỏng số là phù hợp với mô hình thực nghiệm. 
6- Kết quả nghiên cứu của đề tài đã xác định được bộ thông số công nghệ hàn và quy trình 
hàn giáp mối tổng đoạn vỏ tàu thép bằng quá trình hàn tự động hồ quang dây lõi thuốc. Kết 
quả và phương pháp nghiên cứu của đề tài có thể vận dụng vào thực tiễn chế tạo và lắp ghép 
phân đoạn, tổng đoạn nhằm nâng cao năng suất và chất lượng vỏ tàu tại Việt Nam. Ngoài ra, 
các kết quả nghiên cứu này có thể ứng dụng trong hàn giáp mối các kết cấu cỡ lớn khác như: 
kho nổi, giàn khoan, bồn bể, v.v. 
KIẾN NGHỊ 
Để tiếp tục phát triển và hoàn thiện các kết quả nghiên cứu và áp dụng một cách có hiệu 
quả vào thực tiễn sản suất, tác giả kiến nghị một số nội dung nghiên cứu tiếp sau đây: 
Nghiên cứu xây dựng ngân hàng dữ liệu các thông số chế độ hàn để tự động điều khiển quá 
trình hàn Auto-FCAW theo yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng của mối hàn giáp mối 
một phía ở các vị trí hàn trong không gian. 
PHỤ LỤC 
Phụ lục 1: Quy hoạch thực nghiệm ảnh hƣởng của các thông số chế độ hàn 
đến hình dạng và kích thƣớc mối hàn tổng đoạn 
Phụ lục 2: Quy hoạch thực nghiệm ảnh hƣởng của vị trí hàn đến hình dạng 
và kích thƣớc mối hàn tổng đoạn 
Phụ lục 2: Module chƣơng trình con dao động đầu hàn theo kiểu răng cƣa