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

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 trongcùng mặt phẳng, hai phôi hàn nằm đối đầu với nhau, mối hàn

I Mở đầu

Hàn là phương pháp nối các chi tiết máy thành một khối khôngthể tháo rời được bằng cách nung nóng chúng đến trạng thái chảyhay 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 nungnóng mà chỉ dùng áp lực hàn kim loại đạt đến trạng thái dẻo và dínhlại với nhau

Trong công nghệ hàn nói chung thì hàn thép các bon thấp khônghợp kim được sử dụng rộng rãi Do thép các bon thấp không hợpkim là vật liệu được sử dụng rất rộng rãi, có mặt gần như trong tất cảcác lĩnh vực kỹ thuật, vì vậy nhu cầu chế tạo, phục hồi, sửa chữa cácchi tiết làm từ thép CT3 là rất lớn Bên cạnh đó thép các bon thấpkhông hợp kim là vật liệu có tính hàn rất tốt , khi hàn không cần yêucầu gì đặc biệt, kết cấu hàn bằng thép CT3 có cơ tính tốt Độ bềnkéo thông thường khoảng 42 kgf/mm2 (60,000psi) với giới hạn chảykhoảng 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 trongcùng mặt phẳng, hai phôi hàn nằm đối đầu với nhau, mối hàn hìnhthành 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 bảoliên 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 hàngiáp 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 (nửachữ V), vát mép hai phía (chữ V), hàn một phía Với các chi tiết cóchiều dày ( chiều dày trên 20mm) thì khi hàn thực hiện vát mép kiểuchữ X và tiến hành hàn hai phía Trong đó thì hàn giáp mối các chitiết 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 théptrong xây dựng …Do chiều dày của các chi tiết hàn là nhỏ do đó khihàn thì sự truyền nhiệt trong mối hàn xảy ra nhanh, vật liệu bị nungnóng và nguội cục bộ trong thời gian ngắn do đó mối hàn rất dễ bịcong vênh đặc biệt là khi chế độ hàn không hợp lý

Trong thực tế các thông số công nghệ hàn thường được chọntheo 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 khôngđảm bảo Trường hợp nguy hiểm hơn, chế độ hàn chưa hợp lý có thểgây nên hàng loạt vấn đề chẳng hạn như Ứng suất dư quá lớn, làmgiảm khả năng chịu lực của kết cấu đặc biệt là khi làm việc dưới tácđộng của tải trọng động, tải trọng thay đổi theo chu kỳ.

Việc xác định chế độ hàn hợp lý, để hoàn thiện các công nghệhàn thép các bon thấp không hợp kim là rất cần thiết Đề tài này tậptrung tìm giải pháp công nghệ nhằm hạn chế biến dạng của mối hàngiáp mối có độ dày tấm ghép nhỏ hơn 5mm

Đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về biến dạng khihàn giáp mối ứng suất và biến dạng hàn được nhiều nhà khoa họctrong và ngoài nước rất quan tâm Với hướng chủ yếu trong nghiêncứu là ứng dụng tính toán các ứng suất và biến dạng hàn trong quátrình hàn và qua đó đưa ra chế độ công nghệ hàn hợp lý nhằm đạtnăng suất cao, chất lượng sản phẩm hàn tốt nhất

Các nghiên cứu đều tiếp cận bằng các phương pháp lý thuyếtvới tính toán khá phức tạp, đòi hỏi người nghiên cứu phải hiểu biếtrất chuyên sâu về các phương pháp tính toán đòi hỏi sử dụng máytính và các công nghệ tiên tiến khác, thiết bị hiện đại mà điều kiệnhiện nay ở Việt Nam chưa có

Trong trường hợp hàn thép các bon thấp không hợp kim thìvới những lý thuyết về trường nhiệt độ, ứng suất và biến dạng khihàn đã được nghiên cứu và công bố, kết hợp nhiều kiến thức từ cơhọc, sức bền vật liệu, nhiệt học, điện… ta hoàn toàn có cơ sở lýthuyết để tính toán ảnh hưởng của chế độ hàn tới ứng suất và biếndạng Từ đó tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm để xác định đượcchế độ hàn hợp lý

Xuất phát từ đó mà đề tài này được thực hiện nhằm nghiên cứucác ảnh hưởng của các chế độ hàn cụ thể qua các thông số: Điện thếhàn U, cường độ dòng điện I, vận tốc hàn v ứng với từng quy trìnhhàn lần lượt là hàn hồ quang tay (111/E/SMAW), hàn khí bảo vệđiện cực nóng chảy (135/MAG/GMAW) và quá trình hàn khí bảo vệđiện cực không nóng chảy (141/TIG/GTAW)

Chế độ hàn hợp lý xác định bằng lý thuyết kết hợp với thựcnghiệm của đề tài có thể được ứng dụng trong giảng dạy, sảnxuất……

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 đượcđánh giá qua các thông số: Lượng co dọc của mối hàn, độ võng và biếndạng 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 giápmối

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

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

của mối hàn

- Xây dựng và triển khai các nghiên cứu thực nghiệm để đánhgiá 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 biếndạng ít nhất, từ đó so sánh với kết quả tìm được bằng lý thuyết

II Tính toán mối hàn giáp mối

II.1 Các kiểu hàn giáp mối

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

- Chi tiết mỏng: không cần vát mép

- 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 mộtphía

- Với chi tiết có chiều dày lớn hơn 20mm: Vát mép kiểu chữ

X, chữ k, hàn 2 phía

II.2 Ứng suất và biến dạng hàn

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

Khi một chi tiết bị nung nóng sẽ giãn nở ra, trong quá trìnhgiãn nở đó lại bị giới hạn về không gian sẽ làm cho chi tiết không thểgiãn 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 cũngsinh 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 cóthay đổi cấu trúc pha khi nhiệt độ thay đổi (ví dụ tại vùng ảnh hưởngnhiệt), kèm theo sự thay đổi thể tích , tạo nên ứng suất trong kimloại

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

II.3 Tính toán ứng suất và biến dạng gây ra do co dọc khi hàn giáp mối

Úng suất và biến dạng do co dọc gây ra khi hàn giáp mối cónhiều 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 tácgiả sử dụng phương pháp tính toán theo nội lực tác dụng

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 lànhững lực tập trung tác động lên vật hàn tại vị trí mối hàn Các côngthức tính dựa trên lý thuyết đàn hồi và sức bền vật liệu

Ứng suất do nội lực dọc trục (lực co, nội lực tác động) sinh

ra sẽ tạo ra như trên hình 2.5 Trong vùng ứng suất tác động, ứngsuất dư tối đa là σT nếu bn ≤ 0,5h

M l f EJ

 Với

31

3 6

T n u

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 nungnóng bởi nguồn nhiệt hàn

Có hai phương pháp xác định bn là phương pháp đồ thị và phươngpháp tuần tự xấp xỉ Ở đây tác giả dùng phương pháp đồ thị để xácđịnh giá trị của bn

600oC)

- Vùng b2 : Là vùng kim loại cơ bản đã trải qua trạng thái đàn hồidẻo khi hàn Nhiệt độ tối đa của các thớ trong vùng này khi hànkhông vượt quá 550-600oC, nhưng do bị nung không đồng đều,chúng vẫn bị biến dạng dẻo nén

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, sựbiến 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 hơnchiều rộng tính toán):

Nhận thấy: k2 phụ thuộc vào q0 và σT, k2 <1 do đó 1- k2 >0, Suy ra

bn tăng khi tăng giá trị của năng lượng đường hàn q, và chiều rộngtính toán h bn giảm khi tăng giá trị của vận tốc hàn v Chiều rộngtính toán h và năng lượng đường hàn phụ thuộc vào từng quy trìnhhàn cụ thể

Hàn hai tấm có chiều rộng bằng nhau

Hình 2.10 Hàn giáp mối hai tấm rộng như nhau.

Vấn đề biến dạng

Hình 2.11 Chuyển vị của tấm theo phương y

2 1 1

.

12 .

k

M l y

- Ứng suất ngang σx tỷ lệ nghịch với bình phương chiều dài tấm Do

đó khi tấm hẹp, ứng suất ngang tương đối nhỏ Điều này đồng nghĩavới độ cứng vững của tấm nhỏ, lực ngang tạo ra co ngang nhưng ứngsuất ngang không lớn Theo (2.22) thì ứng suất nén ở đầu và cuối cáctấm rộng phải tăng lên Tuy nhiên, khi chiều rộng tấm (h) tăng, sựbiến dạng do uốn giảm đi vì momen quán tính tăng, làm cho ứng suấtngang giảm theo độ cong của tấm

- 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 trịvùng tác động hàn bn Do đó ảnh hưởng của các thông số các quytrình hàn tới biến dạng ngang do co dọc gây ra hoàn toàn như ảnhhưởng tới kích thước vùng ứng suất tác động bn

- Ứng suất ngang do co dọc gây ra tại điểm bất kỳ theo chiều dàivùng ứng suất tác động tỷ lệ thuận với giá trị vùng ứng suất tácđộng 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

II.4 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 cậntheo hướng vuông góc với trục mối hàn

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

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

Hình 2.12 Biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối

II.4.1 Ứng suất và Biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối các tấm tự do

Vấn đề biến dạng

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

lực tác động do co ngang

1 0

Theo công thức Biến dạng co ngang Δyy 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

đ = 13 g/A.h và điện áp hàn U = 35 V : 0 15500. .

d

F y

II.4.2 Biến dạng góc do co ngang trong liên kết hàn giáp mối

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

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

- 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 b) có chiều rộng y khác nhau (phụ thuộc vào toạ độ z của nó theochiều 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 banđầu của chúng, và tạo nên góc β

III Thực nghiệm, phân tích kết quả

III.1 Trang thiết bị dùng trong thực nghiệm

Thiết bị dùng trong thí nghiệm là máy hàn WP300 – Panasonic.

Hình 3.1 Máy hàn WP300 III.2 Cách tiến hành thí nghiệm

1 Xác định độ biến dạng do co dọc và độ võng của liên kết hàn giáp mối

Để xác định biến dạng do co dọc và độ võng của liên kết hàn giápmối ta tiến hành thí nghiệm với các bước như sau:

- Bước 1: Chế tạo hai bản thép sẵn sang kích thước 20x20x10mm

cho hàn giáp mối (vát mép, đánh gỉ, làm sạch…)

- Bước 2: Xác định kích thước thực của hai tấm thép trước khi hàn

và ghi vào biên bản thí nghiệm

- Bước 3: Ghép hai tấm thép, hàn đính, làm sạch, lấy dấu trọng tâm

chi tiết diện và các vị trí đo (Trên hình 3.2 được biểu diễn bằng cácmũi tên có các chữ số kèm theo 0,1,2,3,4,5,6) Số 0 chỉ bề mặt chuẩnđo

Hình 3.2 Vị trí lấy dấu các vị trí đặt thiết bị đo

- Bước 4: Đặt chi tiết lên bàn đo sao cho một đầu tựa lên cữ

của dụng cụ đo, đầu kia chạm vào trục của đồng hồ so đúng vàotrọng tâm của tiết diện hàn Đọc giá trị theo đồng hồ so (tại điểm 1)

và ghi kết quả đo vào bảng 2 của mẫu báo cáo thí nghiệm Tiến hành

3 lần đo (Đo biến dạng và chiều dài)

Hình 3.3 Bàn gá và dụng cụ đo độ co dọc của liên kết hàn

- Bước 5: Dùng dụng cụ đo như trên hình 3.3 xác định vị trí các

điểm 1, 2, 3,4,5,6 theo hàng AA’ và BB; (hình 3.4) và ghi kết quả đovào bảng 2 của mẫu báo cáo thí nghiệm Tiến hành 3 lần đo

- Bước 6: Tính giá trị trung bình 3 lần đo.

- Bước 7: Thực hiện mối hàn và đo thời gian hàn và cứ 5 – 10 giây

đo cường độ dòng hàn và điện áp hồ quang Vị trí tiếp xúc và củaphôi hàn và gối tựa của bàn gá không cần hàn, các bề mặt cần đophải được bảo vệ khỏi sự bắn tóe của kim loại lỏng Tính giá trịtrung bình ghi vào bảng kết quả thí nghiệm

Hình 3.4 Bàn gá và dụng cụ đo để đo độ võng của dầm

- Bước 8: Sau khi tấm đã nguội hoàn toàn làm lại các bước 3, 4, 5

Các bước trên là để áp dụng chung cho tất cả các quy trình hàn

2 Xác định độ biến dạng do co ngang và biến dạng góc của liên kết hàn giáp mối.

Để xác định biến dạng góc của liên kết hàn giáp mối ta tiến hành thínghiệm với các bước như sau:

- Bước 1: Chế tạo hai bản thép sẵn sàng cho hàn giáp mối (vát mép,

đánh gỉ, làm sạch…)

- Bước 2: Xác định kích thước thực của hai tấm thép trước khi hàn

và ghi vào biên bản thí nghiệm

- Bước 3: Ghép hai tấm thép, hàn đính, làm sạch, lấy dấu trọng tâm

chi tiết diện và các vị trí đo (trên hình 3.9 được biểu diễn bằng cácmũi tên có các chữ số kèm theo 1,2,3,4,5,6,7) Lấy dấu tu lên ba vịtrí I, II và III trên tấm để chuẩn bị cho vị trí các bulong định vị đỡphôi hàn

- Bước 4: Đặt phôi hàn lên bàn sao cho các lỗ tu sẵn trên mặt tấm

nằm đúng vào các bulong định vị

- Bước 5: Dùng đồng hồ so xác định vị trí các điểm từ 2 tới 7 (hình

3.9), vị trí số 1 coi là chuẩn đo Kết quả đo được ghi vào bảng Mỗiđiểm tiến hành 3 lần đo

- Bước 6: Xác định giá trị trung bình của 3 lần đo Từ giá trị trung

bình của 3 lần đo tại các điểm từ 2 đến 7 Xây dựng đồ thị, tuyến tínhhóa, được góc biến dạng góc

- Bước 7: Thực hiện mối hàn, sau đó để cho mối hàn nguội hoàn

v Và được tiến hành lần lượt với từng quy trình hàn: SMAW,GMAW, GTAW

Phân tích khi thay đổi cường độ dòng điện I, giữ nguyên U, V .Phân tích khi giữ nguyên cường độ dòng điện I, thay đổi U, V, thựchiện với quy trình hàn SMAW

2 Khi thay đổi I, giữ nguyên U,V

Đối với quy trình hàn SMAW khi thay đổi I = 160A đến 250A ,giữ nguyên U=25V, v = 0.5cm/s thì biến dạng do co dọc tăng từ0.08mm đến 0.125mm Độ võng đo tại vị trí lớn nhất (vị trí 5) tăng

từ 0.09mm đến 0.141mm Biến dạng góc do co ngang tăng từ 10 đến1,250

Đối với quy trình hàn GMAW khi thay đổi I từ 160A đến 250A,giữ nguyên U = 25V, v =0.8 cm/s thì biến dạng do co dọc tăng từ0.07mm đến 0.109mm Độ võng đo tại vị trí lớn nhất (vị trí 5) tăng

từ 0.08 đến 0.125mm Biến dạng góc do co ngang tăng từ 0.820 đến1,0250