Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn tới biến dạng của liên kết hàn giáp mối thép các bon thấp

Trong đó thì hàn giáp mối các chi tiết có độ dày trung bình là phổ biến nhất, như khi hàn các vỏ hộp, thân máy, các xi lanh, kết cấu vỏ tàu thủy, kết cấu khung giàn thép trong xây dựng …

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÙI THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ

ĐỘ HÀN TỚI BIẾN DẠNG CỦA LIÊN KẾT HÀN GIÁP MỐI THÉP CÁC BON

THẤP Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ TRƯỞNG KHOA

THÁI NGUYÊN – 2014

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện

và chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn

Học viên

Bùi Thanh Bình

Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa học của tôi, thầy giáo PGS TS Phan Quang Thế, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PSG TS Nguyễn Văn Dự đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn này

Học viên bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban Giám hiệu và Khoa Sau đại học của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản luận văn này

Do năng lực bản thân còn có những hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn!

Học viên

Bùi Thanh Bình

Trang phụ bìa……… i

Lời cam đoan……… ii

Mục lục… ……….iii

Danh mục các chữ viết tắt dùng trong luận văn……… vii

Danh mục các bảng dùng trong luận văn……… ……… vii

Danh mục các hình vẽ dùng trong luận văn… …… ……….iv

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU……… 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ……… ……… 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU…….……… 4

1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN……….4

1.5 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC……….……… 4

1.6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN……… 5

1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1……… 5

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN MỐI HÀN GIÁP MỐI 8

2.1 GIỚI THIỆU……… 8

2.2 CÁC KIỂU HÀN GIÁP MỐI……….8

2.3 ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN 8

2.4 TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG DO CO DỌC GÂY RA KHI HÀN GIÁP MỐI……… 8

2.4.1 Xác định vùng ứng suất tác động và nội lực tác động….………9

2.4.2 Tính ứng suất và biến dạng do co dọctrong trường hợp hàn hai tấm có chiều rộng bằng nhau……… 17

GIÁP MỐI 18

2.5.1 Tính ứng suât và biến dạng do co ngang gây ra khi hàn giáp mối các tấm tự do……… ………18

2.5.2 Biến dạng góc do co ngang trong liên kết hàn giáp mối 27

2.6 TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TRONG MỘT VÀI TRƯỜNG HỢP VỚI CÁC QUY TRÌNH HÀN KHÁC NHAU………28

2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2……….32

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ……… 33

3.1 GIỚI THIỆU ……… 33

3.2 TRANG THIẾT BỊ TIẾN HÀNH DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM……33

3.3 CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM………35

3.3.1 Xác định độ biến dạng do co dọc, độ võng của liên kết hàn giáp mối 36

3.3.2 Xác định độ biến dạng do co ngang và biến dạng góc của liên kết hàn giáp mối……… 37

3.4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ … ……… 39

3.4.1 GIỚI THIỆU……… 40

3.4.2 KHI THAY ĐỔI CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN I, GIỮ NGUYÊN U,V……… 40

3.4.2.1 Kết quả……… ………40

3.4.2.2 Thảo luận kết quả……… 45

3.4.3 KHI GIỮ NGUYÊN CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN I, THAY ĐỔI U,V, THỰC HIỆN VỚI QUY TRÌNH HÀN SMAW……… ………… 46

3.4.3.2 Thảo luận kết quả……… 48

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3….……….49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……….55

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 57

PHỤ LỤC……… 59

Chữ viết tắt Diễn giải Ghi

chú

WSP Các quy trình hàn

111/MMA/SMAW Hàn hồ quang tay

135/MAG/GMAW Hàn khí bảo vệ điện cực nóng chảy

141/TIG/GTAW Hàn khí bảo vệ điện cực không nóng

chảy

TT Bảng Tên gọi Trang

1 Bảng 3.1 Thiết bị SMAW của máy WP300 33

2 Bảng 4.1 Thông số chế độ hàn, giữ nguyên các thông

số cho I tăng dần với quy trình hàn SMAW 40

3 Bảng 4.2 Thông số chế độ hàn, giữ nguyên các thông

số cho I tăng dần với quy trình hàn GMAW 40

4 Bảng 4.3 Bảng thông số chế độ hàn, giữ nguyên các

thông số chỉ tăng I với quy trình hàn GTAW 41

5 Bảng 4.4 Biến dạng do co dọc và độ võng của mối

hàn giáp mối với quy trình hàn GTAW 42

Hình Tên hình vẽ Trang Hình 2.1 Vùng phân bố ứng suất và nội lực lên mối hàn 9

Hình 2.2 Trạng thái tấm khi hàn đắp lên mép tấm 10 Hình 2.3 Hàn đắp lên mép tấm chiều dày δ 10 Hình 2.4 Trạng thái ứng suất biến dạng hàn đắp lên mép tấm 11 Hình 2.5 Ứng suất khi hàn đắp lên mép tấm 12 Hình 2.6 Liên kết hàn giáp mối ở trạng thái tự do 13 Hình 2.7 Tổng chiều dày truyền nhiệt trong một số loại liên kết 14

Hình 2.10 Hàn giáp mối hai tấm rộng nhƣ nhau 17 Hình 2.11 Ứng suất ngang trên tiết diện ngang của tấm 19 Hình 2.12 Biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối 20

Hình 2.13 Xác định tiết diện ngang của mối hàn tại vị trí bắt đầu

có lực tác động do co ngang 21 Hình 2.14 Phân bố nhiệt độ tại tiết diện ngang x1 22

Hình 3.2 Vị trí lấy dấu các vị trí đặt thiết bị đo 34 Hình 3.3 Bàn gá và dụng cụ đo độ co dọc của liên kết hàn 35 Hình 3.4 Bàn gá và dụng cụ đo để đo độ võng của dầm 36 Hình 3.5 Đo chuyển vị góc của các điểm trên mối hàn 37

Hình 3.7 Hàn đính các phôi hàn 38 Hình 3.8 Lấy dấu trên các phôi hàn 38

Hình 4.1 Đồ thị biến dạng do co dọc khi thay đổi các

thông số hàn, quy trình hàn SMAW 44

SMAW, GMAW, GTAW

46

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hàn là phương pháp nối các chi tiết máy thành một khối không thể tháo rời được bằng cách nung nóng chúng đến trạng thái chảy hay chảy dẻo, sau đó

có thể không dùng áp lực hoặc dùng áp lực để ép chi tiết hàn dính chặt với nhau Có trường hợp không cần nung nóng mà chỉ dùng áp lực hàn kim loại

đạt đến trạng thái dẻo và dính lại với nhau

Trong chế tạo vỏ tàu thủy, phương pháp hàn được ứng dụng rất phổ biến để thay cho phương pháp ghép cũ bằng đinh tán và bulông Bằng phương pháp hàn, giá thành 01 con tàu giảm 30 ÷ 40% Trong lĩnh vực xây dựng, hàn

là phương pháp phổ biến để tạo ra các kết cấu thép, ngoài ra nó còn được ứng dụng rất rộng rãi trong chế tạo: dầm cầu, các thép hình xây dựng Công nghiệp hàn phục vụ nền công nghiệp chế tạo các trang bị quốc phòng chiếm tỉ trọng 40 ÷ 50%

Trong công nghệ hàn nói chung thì hàn thép các bon thấp không hợp kim được sử dụng rộng rãi Do thép các bon thấp không hợp kim là vật liệu được

sử dụng rất rộng rãi, có mặt gần như trong tất cả các lĩnh vực kỹ thuật, vì vậy nhu cầu chế tạo, phục hồi, sửa chữa các chi tiết làm từ thép CT3 là rất lớn Bên cạnh đó thép các bon thấp không hợp kim là vật liệu có tính hàn rất tốt , khi hàn không cần yêu cầu gì đặc biệt, kết cấu hàn bằng thép CT3 có cơ tính tốt Độ bền kéo thông thường khoảng 42 kgf/mm2 (60,000psi) với giới hạn chảy khoảng 28 kgf/mm2 (40,000psi)

Trong công nghệ hàn thì hàn giáp mối là kiểu hàn phổ biến nhất

Mối hàn giáp mối là mối hàn thực hiện giữa hai phôi hàn nằm trong cùng mặt phẳng, hai phôi hàn nằm đối đầu với nhau, mối hàn hình thành ở giữa liên kết chúng lại thành một chi tiết không thể tháo rời Trong hàn giáp mối thì tùy theo chiều dày của phôi hàn, để đảm bảo liên kết hàn có độ bền cao, mép mối

hàn có thể được vát tương ứng: Đối với các chi tiết mỏng (có chiều dày nhỏ hơn 5mm) thì khi hàn giáp mối không cần vát mép Với các chi tiết có chiều dày trung bình (dày từ 5mm đến 20mm ) thì khi hàn có thể vát mép một phía (nửa chữ V), vát mép hai phía (chữ V), hàn một phía Với các chi tiết có chiều dày ( chiều dày trên 20mm) thì khi hàn thực hiện vát mép kiểu chữ X và tiến hành hàn hai phía Trong đó thì hàn giáp mối các chi tiết có độ dày trung bình

là phổ biến nhất, như khi hàn các vỏ hộp, thân máy, các xi lanh, kết cấu vỏ tàu thủy, kết cấu khung giàn thép trong xây dựng …Do chiều dày của các chi tiết hàn là nhỏ do đó khi hàn thì sự truyền nhiệt trong mối hàn xảy ra nhanh, vật liệu bị nung nóng và nguội cục bộ trong thời gian ngắn do đó mối hàn rất dễ

bị cong vênh đặc biệt là khi chế độ hàn không hợp lý

Trong thực tế các thông số công nghệ hàn thường được chọn theo kinh nghiệm của công nhân hàn Điều đó dẫn đến các mối hàn thường bị biến dạng, cong vênh, hình dáng kích thước chi tiết không đảm bảo Trường hợp nguy hiểm hơn, chế độ hàn chưa hợp lý có thể gây nên hàng loạt vấn đề chẳng hạn như Ứng suất dư quá lớn, làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu đặc biệt là khi làm việc dưới tác động của tải trọng động, tải trọng thay đổi theo chu kỳ

Việc xác định chế độ hàn hợp lý, để hoàn thiện các công nghệ hàn thép các bon thấp không hợp kim là rất cần thiết Đề tài này tập trung tìm giải pháp công nghệ nhằm hạn chế biến dạng của mối hàn giáp mối có độ dày tấm ghép Đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về biến dạng khi hàn giáp mối Ứng suất và biến dạng hàn được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước rất quan tâm Với hướng chủ yếu trong nghiên cứu là ứng dụng tính toán các ứng suất và biến dạng hàn trong quá trình hàn và qua đó đưa ra chế độ công nghệ hàn hợp lý nhằm đạt năng suất cao, chất lượng sản phẩm hàn tốt nhất Có thể

kể ra một số đề tài nghiên cứu được các tác giả trong nước công bố gần đây như:

Tác giả Nguyễn Tiến Dương đã trình bày báo cáo “Tính toán ứng suất

và biến dạng khi hàn giáp mối kết cấu tấm”, trong báo cáo của mình tác giả

Nguyễn Tiến Dương đã trình bày các kết quả tính toán chung cho các kết cấu dạng tấm, đối với các kết cấu dạng tấm mỏng, vật liệu là thép CT3 thì chưa có các công thức tính toán cụ thể Tại hội nghị Khoa học Toàn quốc về Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ mười, Thái Nguyên 12 -13/11/2010

Ngoài ra còn có nhiều bài báo, báo cáo khoa học nghiên cứu ứng suất

và biến dạng với nhiều cách tiếp cận khác nhau như dùng phương pháp mô phần tử hữu hạn hay bằng công nghệ sử dụng sóng siêu âm Có thể kể đến các nghiên cứu sau:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn MAG tới ứng suất và biến

dạng dư trong liên kết hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn” của tác giả

Võ Văn Phong

“Mô phỏng trường nhiệt độ, trường ứng suất và biến dạng nhiệt trong

quá trình hàn nóng chảy bằng phương pháp phần tử hữu hạn” của các tác

giả Võ Văn Phong, Vũ Đình Toại đăng trên tạp chí Khoa học Công nghệ,

2006

“Nghiên cứu xác định ứng suất dư trong mối hàn giáp mối khi hàn tự

động dưới lớp thuốc bằng công nghệ sử dụng sóng siêu âm” của các tác giả

Đỗ Cao Đoan, Đào Quang Kế, Hoàng Văn Châu trình bày tại hội nghị Khoa học Toàn quốc về Cơ khí 2011

Wang Rui và cộng sự [37] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng về biến dạng khi hàn giáp mối các tấm mỏng Tác giả xác định được ảnh hưởng của các thông số, cường độ dòng điện, hiệu điện thế, tốc độ hàn tới biến dạng của kết cấu hàn Các thực nghiệm được tiến hành trên các thiết bị

hiện đại với các hệ thống cảm biến đã được thiết lập, so sánh với kết quả thực nghiệm để đánh giá kết luận Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng có thể sử dụng để dự đoán biến dạng mối hàn

Các nghiên cứu kể trên đều tiếp cận bằng các phương pháp lý thuyết với tính toán khá phức tạp, đòi hỏi người nghiên cứu phải hiểu biết rất chuyên sâu về các phương pháp tính toán đòi hỏi sử dụng máy tính và các công nghệ tiên tiến khác, thiết bị hiện đại mà điều kiện hiện nay ở Việt Nam chưa có

Trong trường hợp hàn thép các bon thấp không hợp kim thì với những

lý thuyết về trường nhiệt độ, ứng suất và biến dạng khi hàn đã được nghiên cứu và công bố, kết hợp nhiều kiến thức từ cơ học, sức bền vật liệu, nhiệt học, điện… ta hoàn toàn có cơ sở lý thuyết để tính toán ảnh hưởng của chế độ hàn tới ứng suất và biến dạng Từ đó tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm

để xác định được chế độ hàn hợp lý

Xuất phát từ đó mà đề tài này được thực hiện nhằm nghiên cứu các ảnh hưởng của các chế độ hàn cụ thể qua các thông số: Điện thế hàn U, cường độ dòng điện I, vận tốc hàn v ứng với từng quy trình hàn lần lượt là hàn hồ quang tay (111/E/SMAW), hàn khí bảo vệ điện cực nóng chảy (135/MAG/GMAW)

và quá trình hàn khí bảo vệ điện cực không nóng chảy (141/TIG/GTAW) Chế độ hàn hợp lý xác định bằng lý thuyết kết hợp với thực nghiệm của đề tài có thể được ứng dụng trong giảng dạy, sản xuất……

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề tài này nhằm thực hiện một số mục tiêu cụ thể như sau:

- Xác định được các quan hệ giữa chế độ hàn ( I, U, V) đến mức độ biến dạng do co dọc và độ võng của mối hàn Mức độ biến dạng được đánh giá qua các thông số: Lượng co dọc của mối hàn, độ võng và biến dạng góc do co ngang

- So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết để nhận xét về tính

đúng đắn của lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

- Phân tích so sánh và đánh giá ảnh hưởng của các qui trình hàn (WPS) mức độ biến dạng, và ứng suất dư của các liên kết hàn giáp mối

- Lựa chọn quy trình hàn và chế độ hàn hợp lý để biến dạng của mối hàn ít nhất

- Phân tích các cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của chế độ hàn đến biến dạng của mối hàn

- Xây dựng và triển khai các nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá các quan

hệ giữa chế độ hàn và mức độ biến dạng

- Thông kê xử lý số liệu để xác định các mối quan hệ nói trên

- Đánh giá kết quả, để chỉ ra được chế độ hàn hợp lý cho độ biến dạng ít nhất, từ đó so sánh với kết quả tìm được bằng lý thuyết

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối với hàn giáp mối thì hàn các chi tiết có chiều dày trung bình (dày từ 5mm đến 20mm) là phổ biến nhất, do đó luận văn tập trung nghiên cứu với đối tượng là các tấm hàn có chiều dày trung bình 10mm Với kiểu hàn một phía có vát mép kiểu chữ V Nghiên cứu hàn một phía là cơ sở, sau khi có thể tính toán thực nghiệm về hàn một phía thì hàn 2 phía chỉ là phép cộng của các ứng suất

và biến dạng thêm vào theo hướng ngược lại

1.4 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

- Đã tiến hành thực nghiệm trên loại máy WP 3000 – Panasonic

- Đã thực nghiệm khảo sát được sự ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn (U, I, V) đến biến dạng của mối hàn

- Đã tìm được chế độ hàn hợp lý cho các kiểu hàn khác nhau Để cho biến dạng ít nhất

- Đã so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết

1.5 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Luận văn được chia làm 3 chương với nội dung chính như sau:

Chương I: Chương Mở đầu: Trình bày các cơ sở, tính cần thiết thực hiện đề tài, tổng quan về ứng suất biến dạng hàn, các nghiên cứu tương tự cũng được trình bày nhằm nêu được những đóng góp mới của luận văn Bên cạnh đó nội dung chương 1 cũng nêu được những mục tiêu và các kết quả chính đạt được của luận văn

Chương 2: Chương Tính toán mối hàn giáp mối: Trình bày phương pháp tính toán ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối các tấm thép CT3 có chiều dày mỏng trong các trường hợp cụ thể

Chương 3: Chương Thực nghiệm và Phân tích kết quả: Trình bày phương pháp, cách thức tiến hành và đo đạc kết quả thực nghiệm, xử lý các kết quả thực nghiệm Từ đó so sánh với kết quả tính toán lý thuyết và rút ra các nhận xét kết luận

Cuối cùng là phần Các kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo,

phần Tài liệu tham khảo và Phụ lục

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trong nội dung chương 1, tác giả đã trình bày và làm rõ tầm quan trọng

và ý nghĩa của đề tài, nêu được đối tượng, mục tiêu và các kết quả chính đạt được của đề tài và phương pháp nghiên cứu của đề tài Tổng quan một số vấn

đề về ứng suất và biến dạng hàn Nội dung chương 1 còn khái quát một số các kết quả nghiên cứu tương tự gần đây từ đó nêu bật được những đóng góp mới của luận văn

Phương pháp nghiên cứu là kết hợp lý thuyết với thực nghiệm Trong

đó phần tính toán lý thuyết sẽ được trình bày trong chương 2, bằng việc đưa

ra các mô hình tính toán lý thuyết, các giả thiết và xây dựng các công thức ứng suất và biến dạng Nội dung thực nghiệm sẽ được thực hiện trong chương

3, đó là phần kiểm chứng lại các kết quả tính toán lý thuyết Từ đó sẽ tiến hành phân tích kết quả thực nghiệm đưa ra các nhận xét kết luận

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN MỐI HÀN GIÁP MỐI 2.1 GIỚI THIỆU

Chương này trình bày về các cơ sở lý thuyết về chế độ hàn giáp mối, tìm hiểu nguyên nhân gây ra ứng suất biến dạng khi hàn

Phần 2.2 giới thiệu các kiểu hàn giáp mối Phần 2.3 trình bày về ứng suất và biến dạng hàn Phần 2.4 trình bày về ứng suất và biến dạng co dọc khi hàn giáp mối Phần 2.5 trình bày về ứng suất và biến dạng do co ngang Phần 2.6 trình bày về tính toán ứng suất và biến dạng trong một vài trường hợp với các quy trình hàn khác nhau và cuối cùng phần 2.7 đưa ra các kết luận chính của chương

2.2 CÁC KIỂU HÀN GIÁP MỐI

Trong hàn giáp mối tùy theo chiều dày của phôi hàn, để đảm bảo liên kết hàn có độ bền cao, mép mối hàn có thể được vát tương ứng:

- Chi tiết mỏng: không cần vát mép

Hình 2.1 Hàn giáp mối không vát mép chi tiết thành mỏng

- Với chi tiết có chiều dày trung bình: Vát mép một phía (nửa chữ V) hàn

một phía và vát mép hai phía (chữ V), hàn một phía

Hình 2.2 Vát mép nửa chữ V, hàn một phía

* Nung nóng, làm nguội và biến dạng dẻo không đều

Khi một chi tiết bị nung nóng sẽ giãn nở ra, trong quá trình giãn nở đó lại bị giới hạn về không gian sẽ làm cho chi tiết không thể giãn nở được thì trong chi tiết sẽ sản sinh ra ứng suất, và biến dạng Quá trình co lại do làm nguội bị giới hạn hoàn toàn tương tự cũng sinh ra ứng suất và biến dạng

* Thay đổi về tổ chức kim loại mối hàn và vùng lân cận nhiệt

Một số kim loại: thép hợp kim thấp, hợp kim titan v.v có thay đổi cấu trúc pha khi nhiệt độ thay đổi (ví dụ tại vùng ảnh hưởng nhiệt), kèm theo sự thay đổi thể tích , tạo nên ứng suất trong kim loại

Trong vấn đề nghiên cứu của luận văn thì ứng suất và biến dạng sinh ra bởi 2 nguyên nhân: Do co dọc và do co ngang

Trong đó nguyên nhân chính gây ra ứng suất trong mối hàn giáp mối là

do co dọc, hiện tượng co ngang chỉ được xét như là nguyên nhân gây ra biến dạng của mối hàn Do vậy trong chương 2 trước hết ta sẽ đi xây dựng công thức tính toán ứng suất và biến dạng lần lượt gây ra bởi co dọc và co ngang trong các trường hợp cụ thể

2.4 TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG DO CO DỌC GÂY RA KHI HÀN GIÁP MỐI

Úng suất và biến dạng do co dọc gây ra khi hàn giáp mối có nhiều phương pháp tính toán như: Tính toán theo nội lực tác dụng (theo lực co), theo biến dạng thực Trong nội dung luận văn này tác giả sử dụng phương pháp tính toán theo nội lực tác dụng

2.4.1 Xác định vùng ứng suất tác động và nội lực tác động

Cơ sở tính toán: Coi nội lực tác động (còn gọi là lực co) như là những lực tập trung tác động lên vật hàn tại vị trí mối hàn Các công thức tính dựa trên lý thuyết đàn hồi và sức bền vật liệu

* Các giả thuyết của phương pháp:

- Coi vùng tác động của lực co (bằng vùng nội lực tác động) có ứng suất kéo

dọc trục phân bố đều và bằng giới hạn chảy của kim loại    T

Hình 2.1 Vùng phân bố ứng suất và nội lực trên mối hàn

Nội lực tác động  ứng suất tác động Nội lực phản kháng  ứng suất phản kháng

- Ở các vùng còn lại bên cạnh, hình thành ứng suất phản kháng do sự đàn hồi với lực co, gọi là vùng nội lực phản kháng

- Các chi tiết dạng tấm có chiều rộng nhỏ và trung bình ta dùng giả thiết tiết diện phẳng, tức là sau khi biến dạng, tiết diện vẫn giữ nguyên hình dạng, chỉ thay đổi kích thước

- Trong tính toán, ta sử dụng các liên kết giả tạo vào các cạnh dọc của tấm, khi độ võng của tấm đổi dấu (=0) Không có sự tăng độ cứng vững của chi tiết, cũng không ảnh hưởng đến sự thay đổi giá trị vùng ứng suất tác động

Hình 2.2 Trạng thái tấm khi hàn đắp lên mép tấm

- Để có thể tính toán được giá trị độ co dọc, ta đặt các hạn chế giả tạo tại thời điểm hình thành biến dạng dẻo nén, tấm chuyển sang trạng thái đàn hồi khi nguội (f=0) sao cho nó không bị uốn theo hướng ngược lại nhưng vẫn có thể

co dọc Trên thực tế, khi nung bằng nguồn nhiệt hàn lên mép tấm, do tiết diện ngang của nó của nó bị nung không đồng đều, dẫn tới việc co dãn khác nhau trong từng thớ, tấm bị uốn (hình 2.2-a), sau đó f = 0 (hình 2.2-b) và uốn ngược lại (hình 2.2-c) Còn muốn tính đến độ võng, ta có thể dùng momen uốn để tính

* Khảo sát trường hợp cơ bản là hàn đắp lên mép tấm

Để có cơ sở tính toán ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra khi hàn giáp mối, ta xét trường hợp đơn giản là hàn đắp lên mép tấm Các kết quả tính

toán trong trường hợp hàn đáp lên mép tấm chính là cơ sở để ta mở rộng tính toán trong tất các các trường hợp còn lại khi nghiên cứu ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra

Hình 2.3 Hàn đắp lên mép tấm chiều dày δ

Khi hàn đắp lên mép tấm, do tác động của nguồn nhiệt hàn, các dải nằm gần nguồn nhiệt không thể dãn nở tự do cho phù hợp với trạng thái nhiệt của chúng, do bị các thớ lân cận giữ lại Vì vậy chúng sẽ bị nén dẫn đến tấm

bị uốn cong lồi về phía có nguồn nhiệt (hình vẽ đứt đoạn)

Hình 2.4 Các trạng thái ứng suất biến dạng khi hàn đắp lên mép tấm

a) Tính toán cụ thể cho trường hợp hàn đắp lên mép tấm

Hình 2.5 Ứng suất khi hàn đắp lên mép tấm

Vì giả thiết có các hạn chế giả tạo ở mép nên không có hiện tƣợng uốn ngang mặc dù vẫn có ứng suất uốn

Ứng suất do nội lực dọc trục (lực co, nội lực tác động) sinh ra sẽ tạo ra nhƣ trên hình 2.5 Trong vùng ứng suất tác động, ứng suất dƣ tối đa là σT nếu

P h

M  (2.4)

- Nếu bỏ qua các hạn chế giả tạo đi, độ võng dƣ tấm do momen này gây uốn

sẽ là:

8

M l f

EJ

 (2.5)

Với 1 3

12

T n u

b) Xác định kích thước của vùng ứng suất tác động (giá trị b n )

Vùng ứng suất tác động là vùng bao gồm kim loại mối hàn và kim loại

cơ bản lân cận, đã chịu biến dạng dẻo – nén khi bị nung nóng bởi nguồn nhiệt hàn

Có hai phương pháp xác định bn là phương pháp đồ thị và phương pháp tuần

tự xấp xỉ Ở đây tác giả dùng phương pháp đồ thị để xác định giá trị của bn

* Các giả thiết cho tính toán giá trị bn

- Ứng suất tác động kéo dư dọc trục là như nhau trong mọi thớ của vùng ứng suất tác động và bằng giới hạn chảy σT với điều kiện là bn<0,5h

- Nhiệt độ của các điểm cách trục mối hàn một khoảng như nhau thì đều như nhau (bỏ qua ảnh hưởng của chiều rộng tấm và sử dụng nguồn nhiệt di chuyển nhanh)

* Phương pháp đồ thị để tính bn

Xét một liên kết hàn giáp mối ở trạng thái tự do Vùng ứng suất tác động có chiều rộng là b0 = 2bn

Hình 2.6 Liên kết hàn giáp mối ở trạng thái tự do

Ta chia bn thành hai vùng b1 và b2

- Vùng b1 : Nằm ở gần nguồn nhiệt hàn và bao gồm kim loại mối hàn và phần kim loại cơ bản đã trải qua trạng thái biến dạng dẻo khi hàn (với thép cacbon nhiệt độ tối đa của chúng khi hàn vượt 550-600o

C)

- Vùng b2 : Là vùng kim loại cơ bản đã trải qua trạng thái đàn hồi dẻo khi hàn Nhiệt độ tối đa của các thớ trong vùng này khi hàn không vượt quá 550-

600oC, nhưng do bị nung không đồng đều, chúng vẫn bị biến dạng dẻo nén

- Cách tính giá trị vùng b 1 : Khi hàn vùng b1 ở trạng thái chảy-dẻo Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : công suất nguồn nhiệt, vận tốc hàn, các tính chất

lý nhiệt của vật liệu,

1 ( , , , )

b  f q v c 

Theo cách tính về trường nhiệt độ khi hàn tấm mỏng, ta có nhiệt độ tối đa của

điểm lân cận mối hàn

v 

 (2.8)

Trong trường hợp tổng quát, thay vì chiều dày 2δ trong công thức (2.8) ta có giá trị Σδ, gọi là tổng chiều dày truyền nhiệt (cm) Công thức (2.8) sẽ trở

thành : 1 0, 484.

.550

q b

v

 



 (2.19)

Hình 2.7 Tổng chiều dày truyền nhiệt trong một số loại liên kết

- Cách tính giá trị vùng b 2 : Chiều rộng b2 phụ thuộc vào :

+ Sự phân bố nhiệt độ theo chiều rộng liên kết hàn

+ Độ cứng vững của tấm được xác định trên cơ sở momen quán tính của tiết diện ngang (h, δ) và độ bền của vật liệu σT

Sự phân bố nhiệt độ theo tiết diện ngang phụ thuộc vào năng lượng riêng của nguồn nhiệt q0 :

2 2( 1)

b k h b (2.11) [13]

Trong đó : h – chiều rộng tính toán của tấm

Hệ số này có thể xác định theo đồ thị

Hình 2.8 Đồ thị xác định hệ số k 2

Nếu cho biết k21 cho thép có giới hạn chảy σT1 , ta có thể xác định được

k22 cho thép có giới hạn chảy σT2 với điều kiện q01=q02 :

21 1 22

- Xác định chiều rộng tính toán h : Kim loại không phải là vật đàn hồi tuyệt

đối nên với các tấm có chiều rộng lớn, do lực cục bộ, sự biến dạng sẽ bị tắt dần nếu càng xa trục mối hàn Tức là sự biến dạng thực tế sẽ không phù hợp với giả thiết về tiết diện phẳng nữa Vì vậy khi tính toán, ta không phải lấy toàn bộ giá trị chiều rộng tấm mà chỉ lấy giá trị tính toán của nó như sau (nếu chiều rộng thực lớn hơn chiều rộng tính toán):

h=300-350 mm – hàn tự động dưới lớp thuốc

h= 250 mm – hàn hồ quang tay

2.4.2 Hàn hai tấm có chiều rộng bằng nhau

Hình 2.10 Hàn giáp mối hai tấm rộng như nhau

a) Vấn đề biến dạng

Đường cong của mỗi tấm sau khi cắt được biểu diễn như sau:

1 1

.( ) ( )

Hình 2.10 Chuyển vị của tấm theo phương y

Trong đó: J1 momen quán tính của tiết diện tấm xét tới

M1 momen uốn tấm sau khi cắt ( 1

1

M

- Khi đó, sự chuyển vị ngang của mỗi điểm trên mép của tấm khi uốn thẳng

để điểm đó trùng với cạnh của tấm còn lại theo đường thẳng song song với trục x và nằm cách trục x một khoảng y sẽ là:

1 1

.( ) ( )

yk là chuyển vị ngang lớn nhất mà các điểm cuối phải có

- Từ điều kiện tổng bình phương các hình chiếu lực ngang trên trục y = 0, hay

là trên hình 2.10, tổng diện tích các phần gạch dọc phải bằng 0

1 1

.

12 .

k

M l y

1

2 1

0.5

1 0

0

6 ( )

l k

x l x

x dx M l

   (2.23)

Hình 2.11 Ứng suất ngang trên tiết diện ngang của tấm

Tại những điểm không có chuyển vị khi nắn thẳng, ứng suất ngang sẽ bằng 0:

- Từ các công thức trên ta thấy: Nội lực phản kháng p, và Mô men uốn M,

ứng suất phản kháng , độ võng lớn nhất do co dọc , biến dạng do co dọc gây ra , tỷ lệ thuận với giá trị vùng tác động hàn bn Do đó ảnh hưởng của

các thông số các quy trình hàn tới biến dạng ngang do co dọc gây ra hoàn toàn như ảnh hưởng tới kích thước vùng ứng suất tác động bn

- Ứng suất ngang do co dọc gây ra tại điểm bất kỳ theo chiều dài vùng ứng suất tác động tỷ lệ thuận với giá trị vùng ứng suất tác động hàn bn và chiều rộng tính toán h

- Ứng suất ngang σx do co dọc gây ra tỷ lệ nghịch với bình phương chiều dài tấm Do đó khi tấm hẹp, ứng suất ngang tương đối nhỏ Điều này đồng nghĩa với độ cứng vững của tấm nhỏ, lực ngang tạo ra co ngang nhưng ứng suất ngang không lớn

2.5 ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG DO CO NGANG KHI HÀN GIÁP MỐI

Co ngang là hiện tượng co rút kim loại mối hàn và lân cận theo hướng vuông góc với trục mối hàn

Nếu giá trị co ngang của tất cả các thớ trên tiết diện mối hàn trong quá trình nguội là như nhau thì biến dạng ở đây chỉ là sự giảm kích thước theo chiều ngang của liên kết hàn, còn hình dạng của nó vẫn phẳng (không đổi)

Nếu co ngang của các thớ theo chiều dày mối hàn không đều thì ngoài biến dạng ngang còn có biến dạng góc (thường xảy ra ở mối hàn giáp mối vát mép chữ V và hàn từ một phía)

Hình 2.12 Biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối

2.5.1 Ứng suất và Biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối các tấm tự do

T

 là biến dạng nhiệt ngang đàn hồi tương đối của phần tử dy cho tới khi phần tử này nguội hoàn toàn

T(y, x) là nhiệt độ của các điểm trên tiết diện ngang ( lấy tích phân đến vì ta xét trường hợp tấm rộng nói chung )

- Trên hình 2.14 là đường cong biểu thị phân bố nhiệt độ của tiết diện ngang

x1 ở các thời điểm nguội khác nhau

Hình 2.14 Phân bố nhiệt độ tại tiết diện ngang x 1

- Tiết diện đó, như đã nói, nằm sau nguồn nhiệt một khoảng là x1 Biến dạng

co ngang ở tiết diện này sẽ là:

2 1

.

4 0

* Xây dựng công thức gần đúng cho Δy0

- Sau 1s khối lƣợng kim loại đắp là:

G = Fđ v ρ [ g/s] (2.30) Trong đó: Fđ : Tiết diện ngang kim loại đắp [cm2 ]

V : Tốc độ hàn [ cm/s ]

ρ: Khối lƣợng riêng kim loại đắp [g/cm3 ]

- Mặt khác, theo định nghĩa, hệ số đắp đ [g/Ah] ta có:

.3600

d

d

F U q

0 .

.

dq q

c v    ( 2.38 )

Từ công thức (2.38) ta có:

ax ax 0

- Biến dạng co ngang Δy0 của liên kết hàn tỷ lệ thuận với năng lượng

đường q/v

- Tỷ lệ nghịch với chiều dày của tấm 

- Công thức gần đúng với hàn dưới lớp thuốc, nếu coi hiệu suất hồ quang η = 0,8

Ta thấy với với trường hợp hàn dưới lớp thuốc thì biến dạng co ngang

Δy0 có giá trị lớn hơn

2.5.2 Biến dạng góc do co ngang trong liên kết hàn giáp mối

Biến dạng góc trong liên kết hàn giáp mối thường xảy ra khi hàn các tấm từ một phía, và do lực co ngang, các tấm quay so với nhau một góc β – (Hình 2.15-a)

- Nguyên nhân căn bản là sự nung kim loại không đều theo chiều dày tấm

- Biến dạng góc thể hiện rõ nhất ở các liên kết chữ V

- Vì các lớp kim loại đắp được nung tới nhiệt độ cao (hình 2.15-b) có chiều rộng y khác nhau (phụ thuộc vào toạ độ z của nó theo chiều dày), khi nguội, chúng sẽ có các giá trị co ngang Δy khác nhau Dưới tác dụng của co ngang Δy, các tấm vượt ra khỏi mặt phẳng ban đầu của chúng, và tạo nên góc

β

Phần không đổi Δbo phụ thuộc chủ yếu vào chiều rộng b của phần biến dạng dẻo - nén vùng ảnh hưởng nhiệt

* Phần biến đổi (theo chiều z): Δy o = 2Δy:

Là biến dạng co ngang của mỗi lớp kim loại đắp tương ứng với toạ độ

z của nó theo chiều dầy mối hàn

Tại đáy mối hàn z = 0, phần biến đổi Δyo= 0

Phần biến đổi Δyo của lớp bất kỳ của kim loại đắp :

Δyo= 2.T tb.y (2.40) Với :  - Hệ số giãn nở nhiệt của kim loại

Ttb - Nhiệt độ trung bình của lớp kim loại đắp tại thời điểm chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái đàn hồi

y - Chiều rộng lớp kim loại đắp ứng với toạ độ z của nó theo chiều dày mối hàn

2

y  z tg 

(2.41) Với thép cacbon thấp = 12.10 -6 [1/ 0 C]