Nghiên cứu biện pháp làm giảm ứng suất dư mối hàn giáp nối các ống có đường kính trung bình(ứng dụng siêu âm kiểm tra đánh giá kết quả)

luận văn, tiến sĩ, thạc sĩ, báo cáo, khóa luận, đề tài

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-


    -

NGUYỄN VĂN KHANH

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP LÀM GIẢM ỨNG SUẤT DƯ MỐI

HÀN GIÁP MỐI CÁC ỐNG CÓ ðƯỜNG KÍNH TRUNG BÌNH

(ỨNG DỤNG SIÊU ÂM KIỂM TRA ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá

nông, lâm nghiệp

Mã số : 60.52.14

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ðÀO QUANG KẾ

HÀ NỘI - 2010

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa hề ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào

Tôi cam ñoan rằng, mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn ñã ñược cảm

ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều có nguồn gốc, nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Ngày tháng năm 2010 Người cam ñoan

Nguyễn Văn Khanh

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu và tập thể các giáo viên Trường Cao ñẳng Công nghiệp và Xây dựng - Quảng Ninh, cảm ơn TS Hoàng Văn Châu,

KS Lục Văn Thương -Viện Nghiên cứu Cơ khí - Bộ Công Thương, các bạn bè ñồng nghiệp ñã tạo ñiều kiện thuận lợi, tham gia ñóng góp ý kiến ñể tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Hà nội; Ngày tháng năm 2010

Tác giả

Nguyễn Văn Khanh

1.2 Tổng quan về sản xuất chế tạo ñường ống, bình chịu áp lực, nồi hơi, kết

cấu thép trong công nghiệp và xây dựng dân dụng ở Việt Nam

5

1.3 Tổng quan về các phương pháp hàn ñược ứng dụng ñể hàn ñường ống,

bình chịu áp lực, nồi hơi, kết cấu thép trong công nghiệp và xây dựng dân

dụng ở Việt Nam hiện nay

Chương 2: ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 3: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

3.1.1 Khái niệm cơ bản về ứng suất và biến dạng hàn 23

3.2.3 Thiết bị công nghệ xử lý nhiệt 32

3.2.6 Các biện pháp an toàn lao ñộng và bảo vệ môi trường 35

3.3.3 Các biện pháp công nghệ sau khi hàn 38

3.4.4 Một số loại thuốc nổ thường dùng ở Việt Nam 42

3.5.1 Phân loại và cơ sở vật lý của phương pháp siêu âm 48

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1 Hàn mối giáp mối các ống có ñường kính trung bình 71

4.3 ðo ứng suất dư bằng thiết bị siêu âm UltraMars 75

4.4.2 Vận hành thiết bị 83

4.5.2 Thử nghiệm ño ứng suất trên mối hàn ống sau khi hàn 86

4.5.4 Các mẫu ống ñược tiến hành gia công nổ như sau 89 4.5.5 Thử nghiệm ño ứng suất dư trên mối hàn ống sau khi nổ 91

Danh mục các chữ, kí hiệu viết tắt

MAG Hàn tự ñộng và bán tự ñộng bằng ñiện cực nóng chảy trong môi trường

khí bảo vệ là khí hoạt tính CO2 hoặc khí trộn giữa CO2+Ar

MIG Hàn tự ñộng và bán tự ñộng bằng ñiện cực nóng chảy trong môi trường

khí bảo vệ là trơ (Ar, He)

TIG Hàn tự ñộng và bán tự ñộng bằng ñiện cực không nóng chảy trong môi

trường khí bảo vệ là trơ (Ar, He)

SAW Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ

FCAW Hàn hồ quang bằng ñiện cực nóng chảy (dây lõi thuốc) trong môi

trường khí bảo vệ là khí hoạt tính CO2

WTh ðiện cực vônfram thôri

CT3 Thép cacbon chất lượng thường

AWS Tiêu chuẩn Hiệp hội hàn hoa kỳ

Bộ phận truyền và nhận dao ñộng siêu âm

XF1 Bộ chuyển ñổi áp ñiện sóng siêu âm chiều dọc

YF23 Bộ chuyển ñổi áp ñiện sóng siêu âm ñứt quãng

F1 Tần số chu trình của ñường siêu âm ñược hiển thị ñối với sóng dọc,

hướng OX1 F2 Tần số chu trình của ñường siêu âm ñược hiển thị ñối với sóng ngang

ñược phân cực trên hướng OX2 F3 Tần số chu trình của ñường siêu âm ñược hiển thị ñối với sóng ngang

ñược phân cực trên hướng OX3

σ33 và σ22 Các thành phần ño ñược theo hướng vuông góc với nhau ðơn vị ño

lường MPa

∆F Hệ số thể hiện mức biến dạng của nguyên vật liệu, ñược xác ñịnh

thông qua sự khác nhau của tần suất các ñường hiển thị ño ñược theo hướng trực giao

A, B, M,

N

Hệ số co giãn cơ khí của nguyên vật liệu ñược xem xét A và B tính theo ñơn vị ño Mpa; M, N không có ñơn vị

Hình 3.14: Sóng dọc gần vùng xen kẽ 54

Hình 3.17: Giản ñồ các mô hình cơ bản của sóng lam 56

Hình 3.19: Dẫn hướng âm trong phương pháp truyền qua 58 Hình 3.20: Nguyên lý của phương pháp xung phản hồi 59

Hình 2.24: Thay ñổi tiêu ñiểm của chùm tia trong nước 62

DANH MỤC BẢNG

TrangBảng 1.1: Chiều dầy của chi tiết hàn tương ứng với các loại mối hàn 16 Bảng 4.1: Kết quả ño ứng suất trên ống Ø168 sau hàn 86 Bảng 4.2: Kết quả ño ứng suất trên ống Ø140 sau hàn 87 Bảng 4.3: Kết quả ño ứng suất trên ống Ø168 sau nổ 91 Bảng 4.4: Kết quả ño ứng suất trên ống Ø140 sau nổ 93

MỞ ðẦU

Ngày nay, nền khoa học kỹ thuật ñã và ñang có sự phát triển với tốc ñộ rất mạnh mẽ, nhiều sản phẩm mới ñược tạo ra ñòi hỏi chất lượng và yêu cầu kỹ thuật cao Hòa nhập với sự phát triển ñó ngành hàn Việt Nam ñã và ñang có nhiều bước tiến mạnh mẽ, ngày càng sản sinh ra các sản phẩm có chất lượng cao mang tính kỹ thuật ñáp ứng ñược yêu cầu của khoa học kỹ thuật nhằm khẳng ñịnh vai trò to lớn trong nền sản xuất hiện ñại Vị thế ngành hàn ngày càng ñược nâng cao, giữ một vị trí quan trọng trong các khối ngành sản xuất cơ khí, không chỉ trong lĩnh vực cơ khí thuần tuý mà trong ngành công nghiệp ñóng tầu, xây dựng cầu ñường, chế tạo nồi hơi, hàn ñường ống các kết cấu hàn ñóng vai trò hết sức quan trọng Cùng với sự phát triển của nền kinh tế ñất nước, ngành kinh tế ñóng tầu và xây dựng, chế tạo nồi hơi, ñường ống ñang phát triển rất mạnh mẽ Do ñó, ngoài việc ñòi hỏi có ñội ngũ

kỹ sư giỏi và công nhân lành nghề trong lĩnh vực này thì các nhà chuyên môn cũng phải nghiên cứu nhiều hơn nữa về kỹ thuật hàn ñặc biệt là phải chú trọng vào việc kiểm tra chất lượng mối hàn ñể từ ñó có những biện pháp kịp thời tránh những hư hỏng, tai nạn xảy ra

Từ những phương pháp kiểm tra thủ công (như quan sát bằng mắt thường, thẩn thấu bằng dầu hoả, kiểm tra bằng áp lực nước…) phương pháp thông thường phương pháp thuỷ lực tĩnh có áp suất, thử kim cương hay cơ tính ñến những phương pháp hiện ñại (chiếu xạ xuyên qua mối hàn, siêu âm…) trong ñó phương pháp siêu

âm nổi bật lên nhờ những ưu ñiểm của nó: Không làm pháp huỷ mối hàn, cho kết quả chính xác và có thể ño trực tiếp trên kết cấu thực, xác ñịnh ñược ứng suất dư trong mối hàn Vấn ñề ñặt ra là làm thế nào ñể giảm ứng suất dư trong mối hàn, một trong những phương pháp rất mới hiện nay, hầu như chưa có công trình khoa

học nào nghiên cứu về nó ñó là phương pháp dùng “Năng lượng nổ” ñể làm giảm

ứng suất dư trong mối hàn Như ta biết ứng suất dư tồn tại trong mối hàn quá mức cho phép sẽ làm giảm ñộ bền, tính chịu lực và ñặc biệt là có thể phá hỏng kết cấu hoặc chi tiết máy trong một thời gian ngắn

đề tài Luận văn cao học: ỘNghiên cứu biện pháp làm giảm ứng suất dư mối hàn giáp mối các ống ựường kắnh trung bình (ứng dụng siêu âm kiểm tra và ựánh giá kết qu ả)Ợmà tác giả lựa chọn nghiên cứu nhằm mục tiêu nâng cao chất lượng mối hàn ống trong hàn ựường ống áp lực nói riêng và trong các mối hàn kết cấu nói chung

Việc kế thừa các nghiên cứu trước ựây về ứng dụng của năng lượng nổ, thiết

bị kiểm tra siêu âm Trong ựó có sự tham gia trực tiếp của tác giả Luận văn cao học này, là một ựịnh hướng mới về mặt khoa học trong việc áp dụng công nghệ mới ựể làm giảm ứng suất dư trong mối hàn là rất cần thiết và có hiệu quả kinh tế cao

đề tài Luận văn ựược tác giả hoàn thành tại Phòng thắ nghiệm trọng ựiểm Công nghệ hàn và xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khắ (Bộ Công Thương) dưới

sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS Hoàng Văn Châu và PGS.TS đào Quang

Kế cùng các thầy cô trong khoa Cơ ựiện - Trường đại học nông nghiệp - Hà nội, ựã giúp ựỡ tôi hoàn thành Luận văn này

Qua ựây, tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS đào Quang Kế cùng các thầy

cô trong khoa Cơ ựiện- Trường đại học nông nghiệp - Hà nội, TS Hoàng Văn Châu Giám ựốc phòng thắ nghiệm trọng ựiểm Công nghệ hàn và xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khắ (Bộ Công Thương)

Hà nội, ngàyẦ thángẦ Năm 2010

Người thực hiện

Nguyễn Văn Khanh

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Lịch sử phát triển kết cấu thép ở Việt Nam

1.1.1 Thời kỳ cuối thế kỷ 19 ựầu thế kỷ 20

Mọi công trình xây dựng, công nghệ chế tạo và thi công liên quan ựến thép ựều là của Pháp Do bê tông cốt thép chỉ ựược áp dụng ở Việt Nam từ những năm

30 và hầu như không có kết cấu nhịp lớn, nên hầu hết các nhà công nghiệp và công

trình nhịp lớn như hội trường, rạp hát ựều dùng kết cấu thép, ắt ra là hệ mái Vắ dụ

Nhà hát lớn Hà Nội, một công trình nổi tiếng hoàn thành vào thập kỷ ựầu tiên thế kỷ

20, có kết cấu ựược xây dựng hoàn toàn bằng gạch và thép, không có bê tông cốt thép Mái vòm tròn là cupôn hình nón gồm các sườn hình tam giác, tựa trên vành gối Thép cacbon thấp, có cường ựộ xấp xỉ thép CCT34 Mọi sàn nhà lớn, ban công, cầu thang ựều làm bằng dầm thép chủ tổ hợp ựinh tán, các dầm thép hình và cuốn gạch tạo mặt sàn Cấu tạo sàn kiểu dầm thép và cuốn gạch này ựược áp dụng trong hầu hết các mặt sàn và ựược áp dụng trong hầu hết các nhà tầng có tầng gác ựược xây dựng thời kỳ ựó Các nhà xưởng lớn bằng thép ựáng kể là: nhà máy xe lửa Gia Lâm, nhà máy rượu Hải Dương, các hàng ga máy bay ở Gia Lâm và Bạch MaiẦCông nghệ và hình thức kết cấu là ở vào trình ựộ ựương ựại: thép cacbon thấp, liên kết ựinh tán, thép cán cỡ nhỏ, sơ ựồ kết cấu cổ ựiển

1.1.2 Thời kỳ những năm 50 và 60

Sau khi hoà bình lập lại ở đông Dương, miền Bắc Việt Nam bắt ựầu xây dựng cơ sở cho nền công nghiệp hoá, trước hết là các nhà máy công nghiệp nặng và công nghiệp nhẹ Lúc ựó, thép là vật liệu hiếm có và rất quý giá, do hoàn toàn nhập

từ các nước xã hội chủ nghĩa mà tại các nước này, thép cũng rất quý và hiếm Phương châm thiết kế kết cấu thép là: tiết kiệm ở mức cao nhất Do ựó, chỉ dùng thép cho những nhà xưởng lớn, có cầu trục nặng, cột cao và nhịp rộng điển hình là các nhà xưởng của Khu Liên hợp Gang thép Thái Nguyên Tại ựó, có những khung toàn thép với dàn nhịp 30 ựến 40m, cột rỗng bậc thang ựỡ cầu trục 20 ựến 75tấn, dầm cầu trục nhịp 18m cao tới 2m Lượng thép tắnh cho một mét vuông sàn là khá lớn: 70 ựến 100kg/m2 Một công trình ựáng kể nữa là nhà máy Supe Phốt phát Lâm Thao: phần lớn các phân xưởng nhiều tầng hay một tầng ựều dùng kết cấu thép Do việc sử dụng thép nhiều mà nhà máy này ựã ựược hoàn thành nhanh hơn 1 năm so

với việc dùng kết cấu bê tông, việc này ựã mang lại lợi ắch không nhỏ cho nền công nghiệp lúc ựó, (theo ý kiến phát biểu của một vị lãnh ựạo ngành xây dựng) Sơ ựồ

hệ thống kết cấu thông dụng là: dàn gồm các thép góc, cột và dầm tổ hợp tấm và thép cán; liên kết hàn, không dùng ựinh tán

Ngoài ra, các trường hợp khác ựều chỉ dùng kết cấu bê tông cốt thép: trong tất cả các nhà dân dụng, trong phần lớn nhà xưởng, kể cả xưởng nhịp lớn Có thể

nêu vắ dụ ở Nhà máy ựòng tàu Bạch đằng, xưởng rộng 21mét ựã dùng dàn bêtông

cốt thép ứng lực trước, nặng hơn 10tấn, thi công cực kỳ khó khăn trong khi một dàn thép tương tự chỉ nặng 1,5 tấn nhưng không ựược dùng Tại nhiều trường hợp khác,

ựể ựỡ mấy tấm fibrô xi măng nặng 100kg, ựã dùng xà gồ bê tông nặng tới 500kg chứ không dám dùng một xà gồ thép nhẹ nhàng Những vắ dụ này cho thấy rõ chủ trương không dùng kết cấu thép mỗi khi có thể ựược

1.1.3 Thời kỳ những năm 70 và 80

Công tác xây dựng chủ yếu là khôi phục các công trình bị phá hoại, xây dựng những xưởng máy mới loại nhẹ Áp dụng rộng rãi sơ ựồ kết cấu hỗn hợp, cột bê tông và dàn thép Bắt ựầu sử dụng nhiều kết cấu thép tiền chế nhập từ nước ngoài điển hình là loại Khung kho Tiệp đó là khung nhịp 12 ựến 15m, dàn bằng thép ống, cột thép cán tổ hợp và xà gồ là cấu kiện thành mỏng cán nguội Khung này là nguyên liệu ựể làm kho, sang ựến Việt Nam ựã ựược cải tạo ựể làm kết cấu cho nhà xưởng có các cửa trời và cầu trục, nhà thể thao, và thậm chắ cả ga hàng không Ngoài ra, nhiều công trình dân dụng như trường học, bệnh viện do các tổ chức nhân ựạo trợ giúp nhập từ nước ngoài, ựược làm bằng kết cấu thép tiền chế 1 tầng và 2 tầng Phương châm tiết kiệm thép không còn sức mạnh nữa; các yếu tố thuận tiện cho vận chuyển, cho thi công, cho việc hoàn thành nhanh ựã trở nên quyết ựịnh

Ở miền Nam Việt Nam trong các thời kỳ ựó, kỹ thuật xây dựng ựã ựược phát triển nhanh với sự hỗ trợ của công nghệ của các nước tiên tiến Các xu hướng thiết

kế là giống như của phương Tây: thép ựược áp dụng rộng rãi trong các công trình công nghiệp, xưởng ựóng tàu, nhà cao tầng (tới 16 tầng), hàng ga máy bay và cả nhà chung cư nhiều tầng

1.1.4 Thời kỳ những năm 90 ựến nay

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và của ngành xây dựng, việc sử dụng thép ñã tăng nhanh chưa từng thấy Hầu như 100% nhà xưởng là làm hoàn toàn hay ñại bộ phận bằng thép Những mái nhà nặng nề bằng bê tông cốt thép

ñã biến mất, thay thế bằng mái tôn nhẹ ñặt trên xà gồ thành mỏng Không thấy ở ñâu dàn bê tông cốt thép, dầm mái bê tông cốt thép ñúc sẵn một thời phát triển ðặc biệt hiện nay, với hàng loạt các dự án xây dựng nhà máy Thủy ñiện, với hệ thống ñường ống dẫn rất lớn chịu áp lực cao, làm hoàn toàn bằng ống thép Do vậy, việc hàn và kiểm tra các mối hàn ống ñó là rất cần thiết

1.2 Tổng quan về sản xuất chế tạo ñường ống, bình chịu áp lực, nồi hơi, kết cấu thép trong công nghiệp và xây dựng dân dụng ở Việt Nam

Hiện nay ngành cơ khí ở Việt Nam nói chung ñang phát triển rất mạnh mẽ, trong nền sản xuất cơ khí, sản lượng sản xuất bằng hàn hoặc liên quan ñến hàn chiếm 1 tỷ trọng rất lớn Hàn ñã và ñang ñóng vai trò quan trọng trong ngành sản xuất cơ khí Một số ngành hàn có thể nói là không thể thiếu vì nó chiếm tới 90% sản lượng như công nghiệp ñóng tàu, sản xuất ôtô, chế tạo nồi hơi, bình áp lực, hàn ñường ống, bể chứa dầu và chứa khí, hình trụ và hình cầu, dung tích từ 100 ñến 5000m3, thậm chí ñến 10.000m3, ñặt tại các kho dầu trên khắp miền ñất nước Phần lớn do Việt Nam tự thiết kế và lắp ñặt

- Các công trình trên biển như dàn khoan, công trình bảo vệ thềm lục ñịa (các Nhà dàn hải quân trong quân ñội), các công trình dầu khí Chiều cao tới trên 40m, bằng thép ống Từ những công trình ñầu tiên hoàn toàn nhập ngoại, nay ñã do Việt Nam thiết kế, chế tạo và lắp ñặt

- Một số công trình khác như: ðường ống dẫn lớn, ñường kính trên 1m, dài hàng chục km ở Bà Rịa – Vũng Tàu; các công trình ñường cáp treo như ở núi Bà ðen, Yên Tử, Chùa Hương thường có cột ñỡ bằng thép ống cao trên 30m, ñường kính trên 1m ñến 1,4m các công trình thủy ñiện, chế tạo nồi hơi…Hàn ống tại các công trình thủy ñiện và việc cơ giới hóa hàn ống là rất cấp thiết ðề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước do TS Hoàng Văn Châu – Viện nghiên cứu cơ khí làm chủ

nhiệm ñề tài ‘’ Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự ñộng nối ống có

ựường kắnh lớn ở trạng thái không quayỖỖ hàn bằng phương pháp hàn tự ựộng dưới

lớp khắ bảo vệ ựã nghiên cứu chế tạo thành công đã và ựang ựược ứng dụng ựể hàn ựường ống tại công trình thủy ựiện đậm khánh - Lào cai Phần nào ựã ựáp ứng ựược vấn ựề này

và theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành hàn phát triển rất mạnh mẽ Các phương pháp hàn mới, các thiết bị hàn mới ngày càng hiện ựại, ựem lại cho nền sản xuất cơ khắ những sản lượng khổng lồ với chất lượng ngày càng ựược nâng cao đồng thời giảm ựáng kể sức lao ựộng cho con người thậm trắ không cần tham gia

trực tiếp Vắ dụ: Tại một số nước có nền công nghiệp phát triển, các nhà máy sản

xuất ựều có thiết bị, dây chuyền hàn tự ựộng hiện ựại như trong các nhà máy sản xuất ôtô, sản xuất nồi hơiẦ

Hình 1-1: Chế tạo nồi hơi Hình 1-2: Hàn ống chịu áp lực

Hình 1-3: đường ống Công trình thủy ựiện thác mơ

Hình 1-1: Chế tạo nồi hơi

Trong sự lớn mạnh của nền kinh tế và ngành xây dựng, kết cấu thép ở Việt Nam sẽ có viễn cảnh phát triển mạnh mẽ Hàng trăm công trình lớn sẽ ñược xây dựng bằng thép Lượng thép sử dụng trong xây dựng ñã và ñang tăng ñột biến trong tương lai gần Các hướng phát triển sắp tới của kết cấu thép là:

- Nhà tiền chế tiếp tục ñược sử dụng ngày càng nhiều ở các công trình xây dựng phục vụ cho ngành công nghiệp;

- Kết cấu thép nhẹ, bao gồm kết cấu thành mỏng tạo hình nguội, kết cấu hợp kim nhôm, kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép;

- Các nhà thấp tầng trong các công trình dân dụng cũng ñang có thế mạnh

- Kết cấu sử dụng thép ống, bao gồm cả kết cấu dàn không gian;

- Kết cấu nhà cao tầng;

- Kết cấu nhà xưởng, cầu ñường…

1.3 Tổng quan về các phương pháp hàn ñược ứng dụng ñể hàn ñường ống, bình chịu áp lực, nồi hơi, kết cấu thép trong công nghiệp và xây dựng dân dụng ở Việt Nam hiện nay

1.3.1 Hàn hồ quang tay

Là phương pháp hàn hồ quang có ñiện cực là que hàn Trong quá trình hàn các chuyển ñộng như gây hồ quang, dịch chuyển que, dịch chuyển hồ quang theo

Hình 1-4: Kết cấu cầu

Hình 1-1: Chế tạo nồi hơi

Hình 1-5: Kết cấu khung nhà xưởng

Hình 1-1: Chế tạo nồi hơi

dọc mối hàn ñược thực hiện bằng tay

Phương pháp công nghệ hàn này ñược sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Nó có tối ña tính linh hoạt và có thể hàn với nhiều loại kim loại trong tất cả các vị trí hàn

từ chiều dày nhỏ nhất cho tới những chiều dày lớn nhất Sự ñầu tư về thiết bị tương ñối rẻ tiền Mặc dù ñã có những phương pháp mới có năng suất, chất lượng cao; nhưng phương pháp hàn hồ quang tay vẫn không thể thiếu trong dạng sản xuất sửa chữa, sản xuất loạt nhỏ, ñặc biệt ở những qui trình công nghệ hàn không thể tiến hành cơ khí hóa và tự ñộng hóa Và ñược ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp ñóng tàu, lắp ñặt các kết cấu thép vv…

Chất lượng của mối hàn phụ thuộc chủ yếu vào tay nghề của người công nhân và dòng ñiện hàn

Hình 1-6: Nguyên lý hàn hồ quang tay

Xét về hàn tay với một ñiện cực que hàn rất thích hợp cho hàn ñường ống, bình áp lực, hàn ñược tất cả các vị trí hàn trong không gian từ vị trí 1G ñến 6G ðể

có ñược một hiệu quả cao, hàn tay ñược giảm ñi và ñược thay thế bằng các công nghệ hàn mới như hàn tự ñộng dưới lớp thuốc, hàn tự ñộng dưới lớp khí bảo vệ

1.3.2 Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ

Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ là phương pháp hàn thích ứng với mọi kết cấu hàn và cho năng suất và chất lượng hàn cao Phương pháp công nghệ này có thể phân loại thành các phương pháp sau (Hình 1-7):

Nguồn hàn

Kìm hàn que

Hình 1-7: Phân loại hàn trong môi trường khí bảo vệ

Ở các phương pháp hàn này, bể hàn ñược bảo vệ khỏi sự tác dụng của môi trường bên ngoài (chủ yếu là ôxy và nitơ) Môi trường bảo vệ có thể là khí hoạt tính hoặc khí trơ Môi trường khí trơ không có phản ứng hóa học với bể hàn Môi trường khí hoạt tính có phản ứng hóa học với bể hàn; những tác ñộng xấu ñó lại ñược khắc phục bằng thành phần hóa học thích hợp của vật liệu hàn (dây hàn)

a) Hàn hồ quang ñiện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ (hàn TIG)

ðiện cực không nóng chảy thường dùng là Volfram và phương pháp hàn này tiếng Anh gọi là TIG (Tungsten Inert Gas) ðây là phương pháp hàn vạn năng: có thể hàn bằng tay hoặc hàn tự ñộng cũng như hàn ñắp Công nghệ này phù hợp cho

hàn nhôm và hợp kim nhôm, thép không gỉ, thép hợp kim cao, gang, ñồng ñặc biệt

là ứng dụng ñể hàn lớp lót cho mối hàn ống chịu áp lực

Hồ quang trong hàn TIG có nhiệt ñộ rất cao, có thể ñạt tới hơn 6.1000C Kim loại mối hàn có thể tạo thành chỉ từ kim loại cơ bản khi hàn những chi tiết mỏng với liên kết gấp mép, hoặc ñược bổ sung từ que hàn phụ Toàn bộ vũng hàn ñược bao bọc bởi khí trơ thổi từ chụp khí

Hàn trong môi tr ường khí bảo vệ

Hàn ñiện cực không

nóng chảy (TIG)

Hàn ñiện cực nóng chảy (que hàn)

Hàn MIG (Ar; He)

Hàn MAG (CO2; hỗn hợp CO2+Ar) Hàn bằng tay

Hàn tự ñộng Hàn bán tự ñộng Hàn tự ñộng

Hình 1-8: Sơ ñồ nguyên lý hàn hồ quang nóng chảy

trong môi trường khí trơ

Hình 1-9: Vùng hồ quang và vũng hàn

b) Hàn hồ quang ñiện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (hàn MAG )

MIG-Hàn hồ quang ñiện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ là quá trình hàn

nóng chảy trong ñó nguồn nhiệt hàn ñược cung cấp bởi hồ quang tạo ra giữa ñiện cực nóng chảy (dây hàn) và vật hàn; hồ quang và kim loại nóng chảy ñược bảo vệ khỏi sự tác dụng của ôxy và nitơ trong môi trường xung quanh bởi một loại khí

hoặc một hỗn hợp khí Tiếng Anh phương pháp này gọi là GMAW (Gas Metal Arc

Welding)

Hình 1-10: Sơ ñồ hàn hồ quang ñiện cực nóng chảy trong

môi trường khí bảo vệ

Khi ñiện cực hàn hay dây hàn ñược cấp tự ñộng vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây, còn sự dịch chuyển hồ quang dọc theo mối hàn ñược thao tác bằng tay thì gọi là hàn hồ quang bán tự ñộng trong môi trường khí bảo vệ Nếu tất

cả chuyển ñộng cơ bản ñược cơ khí hóa thì gọi là hàn hồ quang tự ñộng trong môi trường khí bảo vệ

* Hàn MIG (Metal Inert Gas): Là phương pháp hồ quang bằng ñiện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ (Ar; He) Vì các loại khí trơ có giá thành cao nên không ñược ứng dụng rộng rãi, chỉ dùng ñể hàn kim loại màu và thép hợp kim

* Hàn MAG (Metal Active Gas): Là phương pháp hàn hồ quang bằng ñiện

cực nóng chảy trong môi trường khí hoạt tính (CO2 , CO2 + Ar, ….) ñược ứng dụng rộng rãi do có rất nhiều ưu ñiểm:

- CO2 là loại khí dễ kiếm, dễ sản xuất và giá thành thấp;

- Năng suất hàn trong CO2 gấp hơn 2,5 lần so với hàn hồ quang tay;

- Tính công nghệ của hàn trong CO2 cao hơn so với hàn hồ quang dưới lớp thuốc vì có thể tiến hành ở mọi vị trí không gian khác nhau;

- Chất lượng hàn cao Sản phẩm hàn ít bị cong vênh do tốc ñộ hàn cao, nguồn nhiệt tập trung, hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp;

- ðiều kiện lao ñộng tốt hơn so với hàn hồ quang tay và trong quá trình hàn không phát sinh khí ñộc

* Phạm vi ứng dụng:

Trong nền công nghiệp hiện ñại, hàn hồ quang nóng cháy trong môi trường khí bảo vệ chiếm một vị trí rất quan trọng Nó không những có thể hàn các loại thép kết cấu thông thường, mà còn có thể hàn các loại thép không gỉ, thép chịu nhiệt, thép bền nóng, các hợp kim ñặc biệt, các hợp kim nhôm, magiê, niken, ñồng, các hợp kim có ái lực hoá học mạnh với ôxi

Phương pháp hàn này có thể sử dụng ñược ở mọi vị trí trong không gian, chiều dày vật liệu hàn từ 0,4 ÷ 4,8 mm thì chỉ cần hàn một lớp mà không phải vát mép, từ 1,6 ÷ 10 mm thì hàn một lớp có vát mép, còn từ 3,2 ÷ 25 mm thì hàn nhiều lớp, thực hiện ñể hàn các mối hàn góc và các kết cấu tấm phẳng, và hàn một mặt có tấm ñỡ phía sau khi hàn Thực hiện ñể hàn các mối hàn góc và các kết cấu tấm phẳng, và hàn một mặt có tấm ñỡ phía sau khi hàn

Công nghệ hàn hàn MIG, MAG trong môi trường khí bảo vệ CO2 ñược áp dụng hàn tự ñộng và bán tự ñộng trong quá trình hàn kết cấu nói chung và hàn ñường ống, bình áp lực nói riêng Trong nền công nghiệp hiện ñại, hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ chiếm một vị trí rất quan trọng trong nghành hàn

* Một phương pháp hàn nữa sử dụng khí CO2 bảo vệ là hàn hồ quang bằng dây hàn có lõi thuốc (FCAW) Thuốc trợ dung trong lõi dây hàn thực hiện các chức năng cần thiết như ñối với thuốc bọc của que hàn, tuy nhiên khí CO2 ñược sử dụng

ñể tạo mối hàn có chất lượng tốt nhất

Ưu ñiểm của quá trình hàn FCAW :

- Kim loại bắn tóe ít, bề mặt mối hàn tốt

- Tốc ñộ nguội chậm, do có xỉ hàn bao phủ bề mặt mối hàn do vậy hạn chế nứt trên bề mặt mối hàn

- Lượng khí tiêu hao trong quá trình hàn ít hơn so với qúa trình hàn MAG/CO2

Hình 1-11: Nguyên lý hàn FCAW

1.3.3 Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ (Submerged Arc Welding - SAW)

Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm, tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding), là quá trình hàn nóng chảy mà hồ quang cháy giữa dây hàn (ñiện cực hàn) và vật hàn dưới một lớp thuốc bảo vệ Dưới tác dụng nhiệt của hồ quang, mép hàn, dây hàn và một phần của thuốc hàn sát hồ quang bị nóng chảy tạo thành vũng hàn Dây hàn ñược ñẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu ñặc biệt với tốc ñộ phù hợp với tốc ñộ cháy của nó (Hình 1-12a) Theo ñộ chuyển dịch của nguồn nhiệt (hồ quang) mà kim loại vũng hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn (Hình 1-12b) Trên mặt vũng hàn và phần mối hàn ñã ñông ñặc hình thành một lớp xỉ có tác dụng tham gia vào các quá trình luyện

kim khi hàn, bảo vệ và giữ nhiệt cho mối hàn, và sẽ tách khỏi mối hàn sau khi hàn Phần thuốc hàn chưa ñược nóng chảy có thể sử dụng lại

Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có thể ñược tự ñộng cả hai khâu cấp dây vào vùng hồ quang và di chuyển hồ quang theo trục mối hàn Trường hợp này ñược

gọi là “hàn hồ quang tự ñộng dưới lớp thuốc bảo vệ”

Nếu chỉ tự ñộng hóa khâu cấp dây hàn vào vùng hồ quang còn khâu chuyển

ñộng hồ quang dọc theo trục mối hàn ñược thao tác bằng tay thì gọi là “hàn hồ

quang bán tự ñộng dưới lớp thuốc bảo vệ”

(b)

Hình 1-12: Sơ ñồ hàn dưới lớp thuốc bảo vệ

a- Sơ ñồ nguyên lý; b- Cắt dọc theo trục mối hàn Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cơ khí chế tạo như trong sản xuất: các kết cấu thép dạng tấm vỏ kích thước lớn, các dầm thép có khẩu ñộ và chiều cao, các ống thép có ñường kính lớn, các bồn, bể chứa, bình chịu áp lực và trong công nghệ ñóng tàu… Tuy nhiên, phương pháp này

(a)

chủ yếu ñược ứng dụng ñể hàn các mối hàn ở vị trí hàn bằng, các mối hàn có chiều dài lớn và có quỹ ñạo không phức tạp

Phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có thể hàn ñược các chi tiết có chiều dày từ vài mm ñến hàng trăm mm

Hình 1-13: Máy hàn tự ñộng dưới lớp thuốc hàn

- Chất lượng liên kết hàn cao do bảo vệ tốt kim loại mối hàn khỏi tác dụng của oxi và nitơ trong không khí xung quanh Kim loại mối hàn ñồng nhất về thành phần hóa học Lớp thuốc và xỉ hàn làm liên kết nguội chậm nên ít bị thiên tích Mối hàn có hình dạng tốt, ñều ñặn, ít bị các khuyết tật như không ngấu, rỗ khí, nứt và bắn tóe

- Giảm tiêu hao vật liệu (dây hàn)

- Hồ quang ñược bao bọc kín bởi thuốc hàn nên không làm hại mắt và da của thợ hàn Lượng khói (khí ñộc) sinh ra trong quá trình hàn rất ít so với hàn hồ quang tay

- Dễ cơ khí hóa và tự ñộng hóa quá trình hàn

Tuy nhiên, phương pháp này chủ yếu ñược ứng dụng ñể hàn các mối hàn ở vị

trí hàn bằng các mối hàn có chiều dài lớn và có quỹ ñạo không phức tạp Ví dụ khi

hàn bình áp lực hoặc các ống có ñường kính lớn thì ống sẽ quay còn mỏ hàn cố ñịnh

Phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có thể hàn ñược các chi tiết có chiều dày từ vài mm cho ñến hàng trăm mm Bảng 1-1 chỉ ra các chỉ các chiều dày chi tiết hàn tương ứng với hàn một lớp và nhiều lớp, có vát mép và không vát mép bằng phương pháp hàn tự ñộng dưới lớp thuốc

Bảng 1.1: Chiều dày chi tiết hàn tương ứng với các loại mối hàn

mm Chiều dày

chi tiết Loại mối hàn

1.5 Mục tiêu và nội dung của ñề tài

Từ những phân tích trên với sự phát triển nhanh chóng chưa từng thấy của ngành hàn với những sản phẩm khổng lồ không thể thiếu trrong các ngành công nghiệp mục tiêu của ñề tài là: Nghiên cứu biện pháp làm giảm ứng suất dư của mối hàn từ ñó nâng cao chất lượng của sản phẩm hàn nói chung và của mối hàn ống áp lực nói riêng, dựa trên cơ sở ứng suất và biến dạng hàn, các biện pháp giảm ứng suất hàn, ứng dụng biện pháp giảm ứng suất hàn ñể giảm ứng suất dư cho các mối hàn giáp mối ống có ñường kính trung bình ðưa ra các kết quả của thực nghiệm và kết luận ðể ñạt ñược mục tiêu trên, nội dung cụ thể của luận văn bao gồm:

- Nghiên cứu về ứng suất và biến dạng hàn, các biện pháp giảm ứng suất hàn, lựa chọn ñược biện pháp giảm ứng suất dư áp dụng cho mối hàn ống

- Nghiên cứu về thiết bị ño ứng suất dư

- Nghiên cứu, thiết kế và hàn ñược các mẫu ống có ñường kính trung bình

- Thử nghiệm ño ứng suất dư các mẫu ống có ñường kính trung bình sau hàn

dự báo tiềm năng phát triển của nó trong quá trình Công nghiệp hóa, Hiện ñại hóa ñất nước trong quá trình hội nhập kinh tế thế giới như hiện nay

3) Trình bầy khái quát về các phương pháp hàn ñược ứng dụng ñể hàn ñường bình áp lực và hàn kết cấu hiện nay, trong các phương pháp ñó lựa chọn phương pháp thích hợp nhất ñể hàn ñường ống chịu áp lực ñó là phương pháp hàn TIG và phương pháp hàn hồ quang tay

ống-4) Trình bầy khái quát về mục tiêu và nội dung của ñề tài

Chương 2 ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

ðể giải quyết nhiệm vụ ñặt ra cho ñề tài luận văn là ‘’Nghiên cứu biện pháp làm giảm ứng suất dư mối hàn giáp mối các ống có ñường kính trung bình (ứng dụng siêu âm kiểm tra ñánh giá kết quả)’’ Cần phải nghiên cứu lựa chọn các biện pháp làm giảm ứng suất dư, từ ñó lựa chọn ñược một phương pháp mới có ñầy ñủ các ưu ñiểm, ñồng thời khác phục ñược các nhược ñiểm của biện pháp giảm ứng suất thông thường Phương pháp nghiên cứu dựa trên các nội dung sau:

2.1 ðối tượng nghiên cứu

ðể nâng cao chất lượng của các mối hàn nói chung và mối hàn ống nói riêng,

ta chọn ñối tượng nghiên cứu là các mối hàn giáp mối ống có ñường kính trung bình, vật liệu là thép CT3 có ñường kính Ø168x12; Ø140x8,56 Các ống sau khi hàn ñược tiến hành gia công nổ, sau ñó tiến hành ño ứng suất dư bằng thiết bị siêu

âm Cuối cùng là so sánh, kết luận ứng suất của mối hàn ống sau hàn và sau nổ

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm trong ñó nghiên cứu thực nghiệm là chủ yếu

2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết ñề cập ñến năm vấn ñề sau:

- Ứng suất và biến dạng hàn

- Công nghệ xử lý nhiệt sau khi hàn

- Các biện pháp giảm ứng suất dư

- Năng lượng nổ

- Kiểm tra hàn bằng phương pháp siêu âm

Một trong các ứng dụng của năng lượng nổ là giảm ñược ứng suất dư trong mối hàn ðể ñảm bảo ñược việc lựa chọn phương pháp giảm ứng suất là hợp lý cần phải nghiên cứu ñiều kiện làm việc và hình dáng hình học của chi tiết ống Như ta biết mối hàn ống có dạng chu vi hình tròn nếu dùng các biện pháp giảm ứng suất thông thường như (gia nhiệt sau hàn, dùng lực tác dụng, các biện pháp kết cấu ) thì chưa thật hiệu quả Ngoài việc chúng tôi dùng biện pháp kết cấu, kết hợp với biện pháp

giảm ứng suất dư bằng năng lượng nổ ñể giảm ứng suất dư, bởi năng lượng nổ vừa

có tác dụng về lực vừa có tác dụng về nhiệt có thể giảm ứng suất dư là rất tốt

ðể xây dựng ñược qui trình giảm ứng suất, cần phải nghiên cứu về bản chất của năng lượng nổ, các giá trị ứng suất ño ñược nhờ thiết bị ño (kiểm tra hàn bằng siêu âm) thể hiện trên ñồ thị ño ứng suất, từ ñó ñưa ra biện pháp, công nghệ giảm ứng suất nhằm nâng cao chất lượng mối hàn ống

Nghiên cứu chế ñộ hàn thích hợp ñể hàn các mối hàn ống giáp mối có ñường kính trung bình, ñúng qui trình ñạt yêu cầu kỹ thuật mối hàn không bị các khuyết tật

Nội dung nghiên cứu lý thuyết ñược trình bày ở chương 3

2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, khi nghiên cứu thực nghiệm cần phải giải quyết một số vấn ñề sau:

- Hàn ñược các mẫu mối hàn ống có ñường kính trung bình Ø168x12; Ø140x8,56, ñúng qui trình ñạt yêu cầu kỹ thuật

- Thí nghiệm kiểm tra ứng suất dư sau hàn các ống Ø168x12; Ø140x8,56 bằng thiết

bị kiểm tra siêu âm UltraMars

- Vẽ ñồ thị ứng suất dư sau hàn các ống Ø168x12; Ø140x8,56

- Thí nghiệm giảm ứng suất dư bằng năng lượng nổ

- Thí nghiệm kiểm tra ứng suất dư sau nổ các ống Ø168x12; Ø140x8,56 bằng thiết

bị kiểm tra siêu âm UltraMars

- Vẽ ñồ thị ứng suất dư sau nổ các ống Ø168x12; Ø140x8,56

Qui trình hàn ống, ño ứng suất, giảm ứng suất, ñồ thị ứng suất ñược trình bày

ở chương 4

2.2.3 Phương pháp xử lý các số liệu thực nghiệm

Trong nghiên cứu thực nghiệm, các kết quả ño ñược là ñại lượng ngẫu nhiên,

có ñộ sai lệch nhất ñịnh do ảnh hưởng của nhiễu Vì vậy ñể ñảm bảo ñộ tin cậy các thí nghiệm cần phải lặp lại ñể ñảm bảo ñộ chính xác tin cậy của dụng cụ, thiết bị ño

ðể xử lý các số liệu ño, cần kiểm tra áp dụng các qui tắc của xác xuất thống kê toán học Các thí nghiệm ñược lặp lại n lần ñược giá trị Yi (i=1 n)

Ở ñây số ñiểm lặp lại ở mỗi lần của thí nghiệm là như nhau (mj = m = 3, j = 1÷ N; N- số ñiểm thí nghiệm), sau ñó kiểm tra số lần lặp ấy có ñảm bảo ñộ chính xác theo yêu cầu chưa

Xử lý kết qủa bao gồm các bước sau:

a Loại bỏ sai số thô

- Tính giá trị trung bình thực nghiệm Y j và phương sai thực nghiệm ở ñiểm thí nghiệm thứ j theo các công thức sau:

j

m

i ji j

m

Y Y

j

∑

=

= 1 ; (2.1)

trong ñó: Yji - kết quả thông số ñầu ra ở ñiểm thí nghiệm thứ j, số lần lặp thứ i

- Tính phương sai thực nghiệm:

j

j j j

S

Y Y S

Y

min max

b Xác ñịnh sai số tuyệt ñối và sai số tương ñối

- Sai số tuyệt ñối:

j

j k j

j k

j

j j

Y m

S t Y

δ

, (2.5)

Nếu sai số tương ựối lớn hơn sai số tương ựối cho phép (10%) thì cần phải tăng số lượng thắ nghiệm lặp lại

c Kiểm tra ựồng nhất phương sai (theo tiêu chuẩn Kohren)

- Lập tỷ số giữa phương sai thực nghiệm lớn nhất ( 2

max

j

S ) với tổng các phương sai thực nghiệm ở tất cả các ựiểm thắ nghiệm:

j

S

S G

1 2

2 max

(2.6)

- Nếu G < Gk,k1,α thì phương sai ở các thắ nghiệm là ựồng nhất điều này cho phép coi cường ựộ nhiễu là ổn ựịnh khi thay ựổi các thông số trong thắ nghiệm

d đánh giá ảnh hưởng thực sự của thông số vào (X) ựến thông số ra (Y)

- Xác ựịnh phương sai do sự thay ựổi của các thông vào trong X gây nên( 2

N

m S

1

2 0

là giá trị trung bình chung của thông số ra Y phụ thuộc vào thông số xào X

- Xác ựịnh ước lượng phương sai do nhiễu thực nghiệm gâ y ra( 2

(Yd_j = Y j - δj) của ứng suất ngang và ứng suất dọc tương ứng với các ñiểm thí nghiệm

Qua ñồ thị có thể ñánh giá mức ñộ thay ñổi của ứng suất ngang, ứng suất dọc của mối hàn ống sau hàn và sau khi nổ

2.3 ðịa ñiểm và thời gian nghiên cứu

* ðịa ñiểm: Hàn các ống có ñường kính trung bình tại Trường Trung cấp nghề Cơ

khí I-Hà Nội; Nổ tại công trường nổ-Uông Bí-Quảng Ninh; ðo và xử lý số liệu tại Phòng thí nghiệm trọng ñiểm Công nghệ hàn và xử lý bề mặt-Viện nghiên cứu Cơ khí-Bộ Công Thương và Bộ môn Công nghệ cơ khí-Trường ðại học Nông nghiệp -

Hà Nội

* Thời gian: Từ tháng 6/2009 ñến 9/2010

Chương 3 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

3.1 Ứng suất và biến dạng hàn

3.1.1 Khái niệm cơ bản về ứng suất và biến dạng hàn

Ứng suất và biến dạng hàn là trạng thái ứng suất biến dạng do quá trình hàn gây ra và tồn tại trong kết cấu hàn sau khi hàn xong Nó có ảnh hưởng nhất ñịnh ñến chất lượng và khả năng làm việc của kết cấu hàn Như vậy, ta có thể hiểu ñược vì sao con tàu vượt ñại dương vẫn có thể gẫy thành hai nửa khi trời yên biển lặng, một cây cầu thép vẫn có thể bị ñổ sập khi không có phương tiện ñi lại trên ñó Việc tìm hiểu nguyên nhân sinh ra ứng suất và biến dạng hàn và tìm phương pháp ñể ñề phòng, hạn chế ảnh hưởng của chúng là một vấn ñề rất quan trọng ngay cả ñối với người thợ hàn khi tham gia chế tạo kết cấu hàn

3.1.2 Nguyên nhân gây ra ứng suất hàn

Quá trình hàn là quá trình nung nóng cục bộ khu vực cần hàn trong thời gian ngắn tới nhiệt ñộ rất cao Khi nguồn nhiệt hàn di ñộng lên phía trước, thì khối kim loại ñược nung nóng nguội dần trở về nhiệt ñộ ban ñầu và kèm theo những biến dạng nhiệt

Do sự phân bố nhiệt rất khác nhau (không ñồng ñều) ở các vùng xung quanh mối hàn nên sự thay ñổi thể tích do (co, giãn) ở các vùng ñó cũng khác nhau ðiều này dẫn ñến sự tạo thành nội lực, ứng suất và biến dạng hàn

Vậy nguyên nhân xuất hiện ứng suất dư trong các kết cấu hàn là:

+ Nung nóng không ñồng ñều kim loại vật hàn

+ ðộ ngót ñúc của kim loại nóng chảy của mối hàn sau khi kết tinh

+ Sự thay ñổi tổ chức của vùng kim loại lân cận mối hàn

Nung nóng không ñồng ñều kim loại vật hàn làm cho những vùng ở xa nguồn nhiệt không hoặc rất ít bị biến dạng nhiệt, chúng sẽ cản trở sự biến dạng ở

vùng lân cận mối hàn Do vậy sẽ suất hiện ứng suất trong mối hàn và vùng kim loại lân cận nó Trường ứng suất này sẽ vẫn tồn tại cả khi kết thúc quá trình hàn và vật hàn ñã trở về trạng thái bình thường (ñã nguội hoàn toàn)

Kim loại lỏng ở mối hàn bị giảm thể tích do kết quả ñông ñặc tương tự như vật ñúc Do kết quả ngót ñúc của kim loại trong mối hàn xuất hiện các lực nén theo phương dọc cũng như phương ngang so với trục mối hàn và tạo ra trường ứng suất

dư tại ở ñó Những thay ñổi tổ chức kim loại trong vùng lân cận mối hàn là những thay ñổi về kích thước và vị trí sắp xếp của các tinh thể kim loại, ñồng thời kèm theo sự thay ñổi thể tích của kim loại trong vùng ảnh hưởng nhiệt Sự thay ñổi cục

bộ như vậy dẫn ñến việc tạo thành nội ứng suất Khi hàn các thép hợp kim và thép cacbon cao có khuynh hướng tôi thì các ứng suất này có thể ñạt tới những giá trị rất cao

Ứng suất dư trong vật hàn kết hợp với ứng suất sinh ra do ngoại lực tác dụng khi làm việc có thể làm giảm bớt khả năng làm việc của kết cấu và làm suất hiện các hiện tượng vết nứt, gây Biến dạng hàn làm sai lệch hình dáng, kích thước của các kết cấu hàn, vật hàn, do ñó sau khi hàn thường phải tiến hành các công việc sửa, nắn…rất phức tạp và tốn kém

Từ hình 3-1 ta thấy khi kim loại ñông ñặc ở mối hàn suất hiện các phương co như sau:

+ Theo phương ngang X2

+ Theo phương dọc X1

+ Theo phương thẳng ñứng X3

ðối với co ngót theo phương X2 sự dãn nở nhiệt là nguyên nhân chính (chiếm từ 90 ñến 95%) chỉ còn khoảng 5÷10% là sự co ngót khi ñông ñặc của kim loại que hàn gây ra ứng suất dư

Sự co ngót dọc X3 tương ñối nhỏ (khoảng 0,1÷0,3%mm/m chiều dài mối hàn) nhưng ứng suất theo phương này sinh ra lớn

Sự co ngót theo phương X1 không thấy rõ với mối hàn thông thường Do ñó

ta chỉ cần quan tâm ñến sự co ngót theo ngang X2 và sự co ngót theo phương dọc X3, tương ứng với ứng suất sinh theo hai phương này là σ22 và σ33

3.1.3 Các loại ứng suất và biến dạng hàn

* Ứng suất và biến dạng dọc

Ứng suất tác dụng dọc song song với trục hàn gọi là ứng suất dọc, nó suất hiện do sự co dọc của mối hàn Khi hàn các kết cấu mà ở ñó trọng tâm các mặt cắt ngang của các phần tử liên kết không ñối xứng với mối hàn, ñộ co ngót dọc gây ra biến dạng dọc trục của sản phẩm

Nếu hàn ñắp mối hàn trên một trong những mép của tấm thì nó sẽ lõm xuống (hình 3-2a) Sự biến dạng của mối hàn chữ T cũng sẽ xảy ra tương tự như vậy (hình 3-2b) Khi hàn các kết cấu mỏng, các ứng suất sẽ làm cho sản phẩn bị cong vênh (hình 3-2c)

Hình 3-2: Ứng suất và biến dạng dọc

ðộ co ngót tổng cộng từ 0,05÷0,3mm trên một mét dài của mối hàn khi bề dày của kim loại từ 5 ÷16mm

* Ứng suất và biến dạng ngang

Các ứng suất ngang xuất hiện do ñộ co ngót ngang của mối hàn và ñồng thời

do sự kẹp chặt của chi tiết hàn Khi hàn giáp mối các ứng suất ngang xuất hiện ñồng thời kèm theo khuynh hướng của tấm bị biến

dạng do ñó ñộ co dọc tương tự như xảy ra trong

khi hàn ñắp mối hàn trên một trong những mép

dọc (hình 3-2a)

Nếu cắt liên kết giáp mối theo trục mối

hàn (hình 3-3a) thì ñộ cong vênh của tấm sẽ xảy

ra như ñã biểu thị ở trên (hình 3-3b) ñồng thời

ứng suất ngang cực ñại (kéo) sẽ tập trung vào

phần giữa chiều dài mối hàn (hình 3-3c) các ứng

suất do ñộ co ngang trong những ñiều kiện không

tốt dẫn ñến việc xuất hiện các vết nứt và làm gẫy

kết cấu hàn

Hình 3-3: Sự xuất hiện các ứng suất ngang do ñộ co dọc của mối hàn

a- Mẫu hàn

b- Sự biến dạng khi cắt theo trục dọc của liên kết hàn

c- Biểu ñồ ứng suất trong mối hàn

ðại lượng và sự phân phối các ứng suất ngang phụ thuộc vào bề dày kim

loại Tính chất kẹp các chi tiết khi hàn và thứ tự bố trí các mối hàn Cùng với việc tăng bề dày kim loại và số lớp mối hàn, ñại lượng các ứng suất ngang tăng lên

ðộ co ngang gây ra sự di chuyển của các phần tử trong phương về phía trục mối hàn ðối với kim loại có bề dày 6÷8mm sự di chuyển ngang khi hàn tay, hàn tự ñộng và bán tự ñộng thực tế như nhau và tổng cộng gần 1mm trên một mối hàn ðối

-với kim loại có bề dày 12÷20mm, sự dịch chuyển khi hàn tự ñộng tăng lên không ñáng kể, nhưng khi hàn tay tăng ñến 2÷3mm trên một mối hàn Sự kẹp chặt các chi tiết khi hàn cản trở sự di chuyển và có thể gây ra ứng suất ngang rất lớn có khả năng phá huỷ mối hàn

Thứ tự bố trí các mối hàn có ảnh hưởng lớn ñến ñại lượng và sự phân phối các ứng suất ngang Khi hàn giáp mối các tấm tự do tiến hành hàn từ giữa ra hai ñầu, sự phân phối các ứng suất gần ñúng do ñộ co ngang biểu diễn bằng ñồ thị trên (Hình 3-4a) Sau khi làm nguội mối hàn, ở hai ñầu của nó xuất hiện ứng suất kéo còn trong phần giữa xuất hiện ứng suất nén Nếu hàn từ hai ñầu vào giữa thì khoảng giữa mối hàn sẽ tồn tại ứng suất kéo còn ở hai ñầu ứng suất nén (Hình 3-4b)

Trong trường hợp này ứng suất kéo ở giữa mối hàn do ñộ co ngang và sẽ cộng với các ứng suất kéo do ñộ co dọc (Hình 3-2) có thể làm gẫy mối hàn Vì vậy không nên hàn từ hai ñầu vào giữa

-+

-

a/ b/

Hình 3-4: Ảnh hưởng trình tự hàn ñến việc phân phối ứng suất ngang

a- Hàn từ giữa ra hai ñầu b- Hàn từ hai ñầu vào giữa

3.2 Công nghệ xử lý nhiệt sau khi hàn

3.2.1 Khái niệm chung

Xử lý nhiệt chi tiết sau khi hàn là một trong những biện pháp công nghệ phổ biến ñược áp dụng ñể khắc phục ứng suất dư của kim loại mối hàn và kim loại cơ bản, ñồng thời còn có tác dụng ổn ñịnh tổ chức kim loại mối hàn, giảm ảnh hưởng của việc biến ñổi cấu trúc pha trung gian, giảm ñộ cứng bề mặt chi tiết, tăng tính dẻo và ñộ dai va ñập cho kim loại mối hàn Trong nhiều trường hợp, ñây cũng là biện pháp ảnh hưởng quyết ñịnh ñến chất lượng và tuổi thọ của kết cấu trong quá trình làm việc lâu dài

Phương pháp gia nhiệt có thể ñược thực hiện bằng nhiều cách: sử dụng ngọn lửa ôxy-axetylen một ñầu ñốt hoặc nhiều ñầu ñốt dạng vòng cung, nung nóng bằng ñiện trở hoặc dùng dòng cảm ứng tần số công nghiệp hay cao tần Trong ña số các trường hợp, người ta dùng biện pháp ram cao ở nhiệt ñộ 580÷720OC, giữ nhiệt với thời gian 2÷3 phút cho 1 mm chiều dày chi tiết, làm nguội với tốc ñộ chậm ñể không xảy ra thay ñổi cấu trúc vật hàn

Phương pháp công nghệ gia nhiệt bằng ‘’năng lượng nổ’’ cho các chi tiết ống

là một phương pháp thuận tiện và có hiệu quả trong việc ñảm bảo chất lượng mối hàn, khắc phục nứt tế vi và ứng suất dư của kết cấu hàn bằng thép cac-bon trung bình và thép hợp kim, tăng ñộ bền và tuổi thọ chi tiết

QTCN này ñược thiết lập trên cơ sở quá trình nghiên cứu lý thuyết và triển khai thực nghiệm của ðề tài Luận văn cao học: ‘’ Nghiên cứu biện pháp làm giảm ứng suất dư mối hàn giáp mối các ống ñường kính trung bình (ứng dụng siêu âm kiểm tra và ñánh giá kết qu ả)’’tại Phòng Thí nghiệm công nghệ hàn và xử lý bề mặt, Viện Nghiên cứu Cơ khí

Hàn là công nghệ cơ bản ñể sản xuất các kết cấu và chi tiết từ kim loại, hợp kim

và các loại vật liệu khác Mối ghép hàn ñặc trưng bởi sự liên kết liên tục và nguyên khối về kết cấu và tổ chức nhờ các liên kết nguyên-phân tử giữa các hạt cơ bản của vật liệu hàn Tính ưu việt của các kết cấu hàn so với ñúc, tán và rèn là hiển nhiên, bao gồm sự giảm tiêu hao kim loại, giảm chi phí lao ñộng, rút ngắn thời gian sản