Nghiên cứu trường ứng suất 3d trong chi tiết hàn bằng công nghệ siêu âm

Luận văn

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

ðỖ CAO ðOAN

NGHIÊN CỨU TRƯỜNG ỨNG SUẤT 3D TRONG CHI TIẾT HÀN BẰNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM

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 - NĂM 2011

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những số liệu

và kết quả ñược trình bày trong luận văn là khách quan, trung thực và chưa từng ñược bất kỳ tác giả nào công bố dùng ñể bảo vệ một học vị nào khác

Các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc Mọi sự giúp ñỡ cho việc hoàn thành luận văn ñã ñược cảm ơn

Tác giả luận văn

ðỗ Cao ðoan

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi ựã nhận ựược sự giúp ựỡ và cộng tác nhiệt tình của nhiều tập thể cũng như các cá nhân trong và ngoài Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội, Phòng thắ nghiệm trọng ựiểm Quốc gia về công nghệ hàn

và xử lý bề mặt, Bộ Công Thương tại Viện Nghiên cứu cơ khắ đến nay luận văn của tôi ựã hoàn thành, tôi xin ựược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Phó giáo sư, Tiến

sĩ đào Quang Kế ựã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cám ơn các Thầy giáo, Cô giáo Khoa Cơ ựiện, Viện ựào tạo sau ựại học, ựặc biệt là Bộ môn Công nghệ Cơ khắ Trường đại học Nông nghiệp

Hà Nội ựã ựóng góp ý kiến, tạo ựiều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện

và hoàn thành luận văn

Tôi cũng xin chân thành cám ơn Tiến sĩ Hoàng Văn Châu, Thạc sỹ Lục Vân Thương, các cán bộ của Phòng thắ nghiệm trọng ựiểm Quốc gia về công nghệ hàn

và xử lý bề mặt, Bộ Công Thương tại Viện Nghiên cứu cơ khắ ựã giúp ựỡ, tạo mọi ựiều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị cho tôi triển khai thực hiện và hoàn thành luận văn

Nhân dịp này cho tôi ựược gửi lời cảm ơn tới các Thầy giáo, Cô giáo ựã giảng dạy và truyền ựạt cho tôi những kiến thức khoa học trong suốt thời gian học tập ở lớp Cao học Cơ khắ nông nghiệp khóa 18, Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội

Tôi xin chân thành cám ơn !

Tác giả luận văn

đỗ Cao đoan

MỤC LỤC

1.1 Sự hình thành ứng suất và biến dạng sau khi hàn 4

1.2 Ảnh hưởng ứng suất và biến dạng dư ñến ñộ bền và tuổi thọ của

1.3 Tình hình nghiên cứu về ứng suất và biến dạng 10

1.4 Tổng quan về phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ

Chương 2 ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14

3.1 Nghiên cứu sự hình thành, phát sinh ứng suất và biến dạng 16

3.1.1 Hiện tượng vật lý xẩy ra trong quá trình ñốt nóng và nguội của

3.1.2 Ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn ñến kim loại: 16

3.1.3 Cơ chế hình thành ứng suất và biến dạng trong mối hàn 18

3.4.1 Phân loại và cơ sở vật lý của phương pháp siêu âm 25

3.5.1 Cơ sở lý thuyết tính toán chế ñộ hàn giáp mối 38

3.5.6 Lý thuyết tính toán ứng suất dư trong mối hàn giáp mối kim loại tấm 53

3.5.7 Tính toán ứng suất dư trong mối hàn giáp mối liên kết tấm 61

3.5.8 Xây dựng chương trình tính toán ứng suất và biến dạng 65

4.4.2 ðo ứng suất dư trên ñường vuông góc với mối hàn : 84

4.5.3 So sánh kết quả thực nghiệm ño ñược với kết quả tính toán theo

DANH MỤC CÁC CHỮ, KÝ HIỆU VIẾT TẮT

SAW Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ

CT45 Thép cacbon chất lượng trung bình

1G Hàn giáp mối ở vị trí hàn bằng

ZI Xung dò - hoạt ñộng khi có kích thích của bộ chuyển ñổi áp

PV-UZK unit 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

DANH MỤC BẢNG BIỂU

1.1 Chiều dày chi tiết hàn tương ứng với các loại mối hàn 13

3.1 Cơ tính của thép các bon thấp thay ñổi ở nhiệt ñộ khác nhau 17

4.2 Bảng kết quả ño ứng suất trên trên ñường vuông góc với mối hàn 84

DANH MỤC HÌNH

1.1 Phân bố vùng ứng suất với thanh phẳng và thanh uốn cong 7

3.1 Tính chất của kim loại thay ñổi tùy thuộc vào nhiệt ñộ 18 3.2 Ứng suất hàn theo các phương (mối hàn giáp mối) 21

3.4 Hàn giáp mối chiều dày hai tấm không bằng nhau có vát mép 22

3.9 ðồ thị mô tả sự dao ñộng của những phần tử theo thời gian 27

3.11 Vị trí ñầu dò phát và ñầu dò thu trong phương pháp truyền qua 32

3.17 ðầu dò TR rộng: 1- tinh thể phát; 2- lớp cách; 3, 4, 5- tinh thể thu 36

3.20a Sơ ñồ khối chương trình tính toán chế ñộ hàn giáp mối 49 3.20b Sơ ñồ khối chương trình tính toán chế ñộ hàn giáp mối 50 3.20c Sơ ñồ khối chương trình tính toán chế ñộ hàn giáp mối 51

3.30 Sơ ñồ khối tính toán ứng suất và biến dạng của liên kết hàn ghép

4.16 Vị trí các ñiểm ño ứng suất trên ñường vuông góc với mối hàn 84

4 17 ðồ thị ứng suất dư trên ñường vuông góc với mối hàn 85

MỞ ðẦU

1 Tổng quan

Cùng với sự phát triển của các ngành cơ khí, công nghệ hàn kim loại cũng ñã có những bước phát triển vượt bậc ñóng vai trò rất quan trọng trong các ngành cơ khí, trong những năm gần ñây nhờ tiến bộ và ứng dụng khoa học kỹ thuật, một loạt các phương pháp hàn mới ra ñời, ñóng góp rất lớn vào sự phát triển kinh tế và sự nghiệp công nghiệp hoá hiện ñại hoá ñất nước Ở nước ta trong những năm gần ñây ñược

sự quan tâm của ðảng, Nhà nước cùng với các chính sách khuyến khích ñầu tư, ñổi mới công nghệ, hiện ñại hoá các thiết bị sản xuất cơ khí Ngành Hàn cũng ñã ñược quan tâm và ñầu tư thoả ñáng nhờ vậy các khu công nghiệp, các Công ty, Xí nghiệp , Nhà máy và các cơ sở sản xuất cơ khí ñã ñầu tư, và ứng dụng công nghệ hàn tiên tiến vào sản xuất, một trong những công nghệ hàn tiên tiến ñang ñược ứng dụng có hiệu quả cao ñó là Công nghệ hàn tự ñộng dưới lớp thuốc

Tuy nhiên việc sử dụng công nghệ hàn tự ñộng dưới lớp thuốc như thế nào cho hiệu quả và ảnh hưởng của chúng tới chất lượng mối hàn ra sao thì chưa ñược các

cơ sở sản xuất quan tâm ñúng mức, dẫn ñến chất lượng mối hàn không cao, hiệu quả kinh tế còn hạn chế

ðề tài: “Nghiên cứu trường ứng suất 3D trong chi tiết hàn bằng công nghệ siêu

âm’’ Sẽ giải quyết ñược bài toán sử dụng công nghệ hàn như thế nào ñể ñem lại

hiệu quả kinh tế cao và chất lượng hình giãng bề mặt mối hàn tốt, cũng như khắc phục, làm giảm ứng suất và biến dạng tới chất lượng mối hàn

Kết quả nghiên cứu của ñề tài là các kết luận kiến nghị về biện pháp làm giảm, khắc phục ứng suất và biến dạng trong công nghệ hàn với các yếu tố công nghệ khác nhau, giúp cho người thợ hàn tính toán ñưa ra ñồ gá và giải pháp công nghệ trong hàn và ñặt chế ñộ hàn phù hợp ðể giúp chúng ta có cái nhìn khoa học khi lựa chọn chế ñộ hàn và gá lắp kết cầu trong công nghệ hàn và các biện pháp ñể nâng cao ñộ bền chi tiết hàn, ñem lại hiệu quả kinh tế, ñảm bảo ñược chất lượng hình dáng bề mặt mối hàn theo yêu cầu kỹ thuật

Mục tiêu của ñề tài ñược thể hiện rõ qua tên của ñề tài là: Nghiên cứu

trường ứng suất 3D trong chi tiết hàn bằng công nghệ siêu âm

2 Mục ñích, ñối tượng và phạm vi nghiên cứu của ñề tài

2.1 Mục ñích

Nghiên cứu ứng suất, biến dạng sau khi hàn và ñề xuất các giải pháp công nghệ khắc phục biến dạng ứng suất dư sau khi hàn, nâng cao ñộ bền, tuổi thọ chi tiết sản phẩm chế tạo máy bằng công nghệ hàn

Kết quả ñạt ñược: Các số liệu về trường ứng suất dư bao gồm các hình vẽ, ảnh, bảng biểu

2.2 ðối tượng nghiên cứu

- Liên kết hàn giáp mối hai tấm thép CT45 có kích thước 200x300x13mm

2.3 Phạm vi nghiên cứu

Vật liệu thép các bon trung bình: CT45

3 Cơ sở khoa học và thực tiễn của ñề tài

Vấn ñề biến dạng và ứng suất hàn là một trong những vấn ñề quan trọng của

kỹ thuật hàn Nhiều nhà bác học, kỹ sư, kỹ thuật, công nhân sáng tạo ñã giải quyết

và tiếp tục giải quyết nó Hiện nay ñã có ý kiến rằng hình như ứng suất và biến dạng hàn là tự nhiên (tự phát), không tính ñược là không thể thấy sớm hơn tính chất của chúng và xác ñịnh ñại lượng Lý thuyết tạo nên do sức lao ñộng của các nhà khoa học Xô Viết cho phép bằng tính toán thu nhận trước ñược giá trị và tính chất của ứng suất và biến dạng hàn ở các phương án khác nhau của quá trình công nghệ chế tạo kết cấu Như vậy các ñiều kiện ñược xây dựng cho việc thiết kế công nghệ khoa học trên cơ sở các phương pháp tính toán ñể ñơn giản hoá việc chế tạo tăng ñộ bền kết cấu và sử dụng hữu hiệu biến dạng và ứng suất Lý thuyết và thực tế ñã tạo ra nhiều phương pháp khác nhau, các biện pháp phòng ngừa và loại bỏ các ứng suất và biến dạng lớn Bây giờ có thể nói rằng bất kỳ kết cấu hàn nào ñều có thể chế tạo ñúng với thiết kế cho trước và với tính chất bền ñã cho

Trong công nghệ hàn ngoài những ưu ñiểm chúng ta ñã biết ñến, những nhược ñiểm phát sinh trong quá trình hàn ñó là ứng suất và biến dạng Ứng suất và biến dạng trong hàn bao giờ cũng là vấn ñề ñược các nhà khoa học và cơ sở sản xuất chú ý, quan tâm Ở ñây có hai vấn ñề trong ứng suất và biến dạng là:

1 Nguyên nhân hình thành ứng suất, tác ñộng, hậu quả của ứng suất và phương pháp làm giảm, phân bố lại ứng suất

2 Xác ñịnh ứng suất và biến dạng trong quá trình hàn

Với mục tiêu nghiên cứu xác ñịnh ứng suất và biến dạng ñã ñặt ra ñề tài: " Nghiên cứu trường ứng suất 3D trong chi tiết hàn bằng công nghệ siêu âm"

- Việc nghiên cứu những vấn ñề liên quan ñến hàn, như ứng suất dư, biến dạng hàn và mô hình cấu trúc tế vi yêu cầu các thông tin chi tiết về lịch sử nhiệt của các phần tử và kết cấu hàn

- Dòng nhiệt trong quá trình hàn là trạng thái rất phức tạp ðiểm ñặc biệt của các quá trình hàn là chu trình nung nóng và làm nguội xảy ra rất nhanh kết quả là gradient nhiệt ñộ rất dốc giữa các vùng ñược hàn và vùng kim loại cơ bản xung quanh

- Thông qua việc xác ñịnh và tính toán hình dạng, kích thước vũng hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt từ ñó xác ñịnh ñược chiều rộng vùng ứng suất tác ñộng và tính ñược biến dạng (co dọc, co ngang, biến dạng góc, …) của liên kết hàn Trên cơ sở

ñó sẽ ñề ra ñược biện pháp công nghệ hợp lý ñể nâng cao ñộ bền và khả năng làm việc của liên kết hàn

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Sự hình thành ứng suất và biến dạng sau khi hàn

Khi hàn các phần tử của kết cấu hàn bị nung không ñồng ñều tới nhiệt ñộ cao gây nên ứng suất và biến dạng Tuỳ theo mức ñộ truyền nhiệt và cân bằng nhiệt ñộ, xảy ra sự thay ñổi ứng suất và biến dạng một cách liên tục tại các ñiểm khác nhau của các chi tiết ñược hàn (nói cách khác: sự thay ñổi của các trường ứng suất và biến dạng) So với trường nhiệt ñộ, các trường ứng suất và biến dạng không hoàn toàn mất ñi sau khi hàn, tức là quá trình hình thành ứng suất và biến dạng không phải là các quá trình có thể ñảo ngược ñược (ta gọi là ứng suất và biến dạng còn lại trong vật hàn sau khi hàn là ứng suất và biến dạng dư)

Ý nghĩa của việc nghiên cứu quá trình hình thành ứng suất và biến dạng hàn

1 ðể ñánh giá xác suất có vết nứt khi chế tạo kết cấu

2 ðể xác ñịnh trường ứng suất dư nhằm ñánh giá khả năng làm việc của kết cấu (liên quan ñến ñộ bền công nghệ)

3 ðể giải quyết các vấn ñề liên quan ñến ñộ chính xác trong chế tạo kết cấu hàn (tương ñương ñộ bền sử dụng)

Các vấn ñề nói trên hỏi có các cách tiếp cận khác nhau Phải phân tích các hiện tượng trong vùng nhiệt ñộ cao xung quanh nguồn nhiệt hàn ðiều này ñòi hỏi cách ñặt vấn ñề một cách tổng quát và phức tạp nhất ðể xác ñịnh trường ứng suất

và biến dạng dư, khi xem xét quá trình nung khi hàn người ta ñưa ra các giả thiết ñơn giản hoá về nguồn nhiệt hàn và về tính chất của kim loại (lý tưởng hoá chúng) Các sơ ñồ tính toán còn ñược ñơn giản hoá hơn nữa (Ví dụ: bỏ qua các ñặc trưng của trạng thái ứng suất khi bắt ñầu và kết thúc mối hàn nếu nó ñủ dài) nội dung chủ yếu mà ta ñề cập tới Vấn ñề biến dạng dư ảnh hưởng tiêu cực ñến quá trình chế tạo kết cấu và chất lượng của nó

Trong nhiều trường hợp, ta phải khử nó (loại bỏ) thông qua nhiều biện pháp như:

- Có qui trình công nghệ lắp ghép và hàn ñúng

- Chọn chế ñộ hàn hợp lý

- Tạo biến dạng ngược sơ bộ, v.v

Như vậy mới có thể khống chế ñược biến dạng dư trong phạm vi cho phép Sự biến ñổi hình dạng và kích thước của vật trong nhiều trường hợp có ảnh hưởng tiêu cực ñến chất lượng sử dụng chúng Ví dụ các kết cấu dạng trụ bị cong còn làm xuất hiện thêm ứng suất uốn bổ sung

Vì vậy vấn ñề là phải xác ñịnh ñược biến dạng dư, ảnh hưởng của nó tới khả năng làm việc của kết cấu, ñưa ra ñược các biện pháp tăng ñộ chính xác khi hàn chế tạo chúng ðiều này có ý nghĩa quan trọng ñối với các khâu thiết kế và chế tạo kết cấu hàn Vấn ñề ứng suất và biến dạng hàn ñã ñược nghiên cứu cách ñây 70 năm Ngày nay lý thuyết ứng suất và biến dạng hàn là một nhánh ứng dụng của lý thuyết ứng suất nhiệt Lý thuyết ứng suất biến dạng hàn có hai hướng:

1 Hoàn thiện các phương pháp tính gần ñúng dành cho kỹ sư, ñể giải quyết các vấn ñề về mặt ñộ chính xác trong chế tạo kết cấu hàn

2 ðưa ra các giải pháp tính toán chặt chẽ hơn nữa trong việc giải bài toán biến dạng dẻo-nhiệt với sự kết hợp sử dụng các thành tựu mới nhất của lý thuyết tính toán (máy tính ñiện tử) nhằm nghiên cứu toàn diện hơn các quá trình cơ-nhiệt khi hàn (dành cho giới nghiên cứu) [26, 27]

1.2 Ảnh hưởng ứng suất và biến dạng dư ñến ñộ bền và tuổi thọ của chi tiết hàn

Hiện nay mối ghép hàn nhờ tính ưu việt của mình ñã hầu như thay thế mối ghép ñinh tán Thuộc về số lượng tính ưu việt ngoài năng suất cao và tính kinh tế khả năng tạo nên dạng kết cấu hàn hoàn hảo còn có ñộ bền cao, ñộ tin cậy là tuổi thọ của chúng Cái ñó ñược kiểm nghiệm bằng sự vận hành lâu dài của các kết cấu hàn có dạng khác nhau Nhà thiết kế ñã tiến hành thiết kế kết cấu mới hoặc công trình trong phần lớn các trường hợp chọn phương án chế tạo chung với việc sử dụng hàn Nhưng không phải luôn luôn như vậy Hàn không ngay lập tức chiếm ñược vị thế vững chắc như nó bây giờ Không ít người hoài nghi, không tin tưởng vào ñộ tin cậy của hàn Khi ñó một trong những sự phản ñối chống lại hàn là do nó tạo nên ứng suất dư mà nó làm giảm ñộ bền của kết cấu hàn, khi ñó còn rất ít hiểu biết về

ứng suất hàn về bản chất của chúng về ảnh hưởng của chúng tới ñộ bền Sự hư hỏng kết cấu hàn, biểu hiện các vết nứt ở chúng có thể giải thích là do tác dụng của ứng suất hàn, tuy rằng ở hàng loạt trường hợp chúng không có lỗi trong ñó Khó có thể chống lại bởi vì vấn ñề ứng suất ñược nghiên cứu quá yếu ñó là một sự cản trở lớn

ñể áp dụng hàn

Vì vậy các nhà bác học Xô viết và ngoại quốc ñã ñưa ra không ít công trình nghiên cứu khoa học ñể nghiên cứu ứng suất và biến dạng xuất hiện khi hàn và ảnh hưởng của chúng ñến tính chất vận hành kết cấu Các nhà khoa học ñã mở ra ánh sáng cho nhiều vấn ñề liên quan tới biến dạng và ứng suất hàn, trong ñó có vấn ñề ảnh hưởng của chúng tới ñộ bền kết cấu [28, 29]

1.2.1 Ảnh hưởng của ứng suất dư

Dù không dễ nhận biết bằng biến dạng nhưng không cũng không kém nguy hiểm Ứng suất dư hàn có ảnh hưởng nhiều ñến khả năng làm việc của kết cấu trong dải ứng suất của tải nhỏ (liên quan ñến phá hủy giòn, mỏi, nứt do ứng suất ăn mòn)

1.2.2 Ảnh hưởng của biến dạng dư

Mức ñộ biến dạng phụ thuộc vào tính chất của kim loại cơ bản, mức ñộ kẹp chặt của liên kết, loại liên kết hàn, việc lắp ghép trước khi hàn, quy trình hàn Hiện tượng co rút kim loại sau khi hàn làm cho chi tiết sau khi hàn bị thay ñổi kích thước (ñặc biệt là những kích thước quyết ñịnh hình dạng của vỏ tàu như phần mũi tàu, phần ñuôi tàu…) Biến dạng làm lệch các phần tử kết cấu dẫn ñến mất khả năng tiếp tục lắp ráp bằng hàn

Giống như ñã chỉ ra trong vùng mối hàn sau khi hàn xuất hiện không chỉ ứng suất kéo bằng giới hạn chảy mà còn biến dạng dẻo kéo Biến dạng dẻo này thỉnh thoảng gọi là biến dạng cục bộ Về nguyên tắc chúng có thể ảnh hưởng lớn tới ñộ bền còn hơn ứng suất hàn, vì thực ra là việc hao sự dự trữ cục bộ tính dẻo của vật liệu Nhưng mà mức tiêu hao lượng dự trữ trên bằng biến dạng cục bộ rất nhỏ Trong tất cả các trường hợp nhỏ hơn nhiều khi cán rèn dập và các nguyên công tương tự khác Vì vậy sử dụng vật liệu ñủ dẻo thực tế loại ñược ảnh hưởng biến dạng cục bộ tới ñộ bền Bây giờ chúng ta phân tích về nó, nếu như biến dạng hàn

chung và cục bộ có thể có ảnh hưởng tới ñộ bền của cấu trúc hàn chăng Có thể khẳng ñịnh ñể trả lời vấn ñề này là vâng có thể Các biến dạng làm sai lệch các ñiều khoản làm việc của các cấu kiện và của kết cấu nói chung Người thiết kế tính toán

ñộ bền theo dự tính ñể cáu kiện tính toán có kích thước thiết kế và hình giãng như ở bản vẽ Nếu như trong kết cấu thực cấu kiện này do biến dạng hàn sẽ có một vài hình dạng khác ñi và nó sẽ làm việc dưới ứng suất khác do ngoại lực trong nó sẽ không như vậy mà có thể lớn hơn nhiều so với thiết kế ñã tính toán Chúng ta quan sát 2 ví dụ (hình 1.1) Có một thanh thép thẳng (hình 1.1.a) theo tưởng tượng của người thiết kế cần làm việc trong sự kéo ñơn giản dưới tác dụng của lực P Khi ñó ứng suất trong tiết diện của nó σ0 cần phải phân bố ñều Nếu như thanh này ñược chế tạo không chính xác, tức là vị trí ban ñầu sẽ có ñộ cong f (hình 1.1.a) ñó dưới tác dụng của các lực kéo P nó không chỉ bị kéo mà còn chịu uốn vì ñường thẳng tác dụng lực dịch chuyển tương ñối với trục của thanh thép

Hình 1.1 Phân bố vùng ứng suất với thanh phẳng và thanh uốn cong

Kết quả là cùng với ứng suất kéo σ0 chúng cho ứng suất ñặc biệt lớn hơn ở các ñường sinh phía trên của tấm so với tính toán trước (hình 1.1a) ước tính là nếu

ñộ cong ban ñầu của thanh bằng 1/6 phần chiều rộng của nó (f=h/6) ứng suất ở các ñường sinh phía trên của tấm bị uốn sẽ là hai phần lớn hơn ở thanh không bị uốn (ở cùng giá trị lực P)

ðây là ví dụ khác: Tấm càn làm việc dưới tác dụng của ngoại lực kéo (hình 1.1b) Nếu như nó phẳng ứng suất trong tiết diện a-a ñược phân bố ñều (xem biểu ñồ 1-2-3-4) Nếu như tấm có lồi lên, phần lối này hầu như ngừng hoạt ñộng ngoại lực sẽ

có biểu hiện chính là bên rìa (mép) tấm thép và ứng suất trong tiết diện a-a ñược phân bố theo biểu ñồ (5-2-3-6-7) ñó là mép (rìa) của tấm sẽ chịu tải và ở giữa không chịu tải

Khi các cấu kiện hàn bị biến dạng làm việc có thể có chỗ biểu hiện giống như ñã ñược chỉ ra Vì vậy do ñể ñảm bảo ñộ bền kết cấu hàn cần phải áp dụng phương sách trước nguy cơ phát triển lớn các biến dạng hàn Mặt khác trong một số trường hợp (ở các trường hợp náy sẽ nói ở phần sau) cần áp dụng phương sách ñấu tranh với các ứng suất hàn Kỹ thuật hiện nay có sử dụng rất nhiều các biện pháp có thể

và các phương tiện phấn ñấu chống lại các biến dạng và ứng suất hàn

Nhiều vấn ñề phụ thuộc vào sự nhất trí của người thiết kế các nhà công nghệ

và các công nhân cải tiến Người thiết kế không chỉ cho vật liệu, hình dạng, kích thước kết cấu và các chi tiết của nó mà còn chỉ rõ trong bản vẽ các phân bố mối hàn, kích thước của chúng, hình giãng vát mép và thường thường cả phương pháp hàn Giải pháp mà nhà thiết kế áp dụng phần nhiều phụ thuộc trạng thái kết cấu khi hàn kích cỡ và ñặc tính phân bố ứng suất và biến dạng hàn Vì vậy người thiết kế cần phải biết rõ công nghệ chế tạo kết cấu ñể ngăn chặn sự phát triển lớn ứng suất

và biến dạng Mặt khác nhà công nghệ nghiên cứu trình tự lắp ghép và hàn cho chế

ñộ hàn, tham gia vào nghiên cứu hoàn thiện các thiết bị hàn ghép, ñó là cho tất cả phương pháp (quá trình) công nghệ chế tạo kết cấu (bố trí) nhiều phương tiện ñiều chỉnh biến dạng và ứng suất hàn và có thể làm ñược rất nhiều việc chống lại chúng Những công nhân tiên tiến nắm rất vững chuyên môn của mình, có kinh nghiệm thực tế tốt, dám nghĩ dám làm, có nhiều sáng kiến có thể giúp ñỡ quí báu cho các

nhà thiết kế và công nghệ trong việc nghiên cứu và thực hiện cụ thể các phương án chống lại ứng suất và biến dạng hàn Mỗi thợ hàn lành nghề (có trình ñộ chuyên môn) cần có khái niệm rõ ràng về quá trình hình thành chúng tầm quan trọng của chúng có thói quen thực tế chống lại chúng Nhà bác học Liên Xô nổi tiếng H.O có nhiều cống hiến trong khoa học về hàn Ông nghiên cứu lý thuyết chung về biến dạng và ứng suất hàn lập lên các phương pháp tính toán cho phép tính hàn trước các biến dạng trong kết cấu cụ thể cho trước ở các phương án công nghệ chế tạo nó khác nhau ðược sự chỉ ñạo của H.O các nhà khoa học của ông và những người khác vào những năm cuối nghiên cứu thành công các phương pháp tính toán thiết kế các phương pháp công nghệ cho phép không những quyết ñinh công nghệ tốt nhất

từ phương diện (quan ñiểm) dẫn ñến sự biến dạng và ứng suất nhỏ nhất mà còn tự quan ñiểm ñảm bảo sự tạo hình tốt nhất các mối hàn ñiều chỉnh thành phần hoá học (cấu trúc và các tính chất vùng khác nhau của các mối hàn.v.v Phương pháp tính toán cũng cho phép ñánh giá phương án công nghệ này hoặc phương án công nghệ khác từ quan ñiểm kinh tế

Trên cơ sở các phương pháp tính toán ñó về nguyên tác không những có thể chống biến dạng và ứng suất mà còn sử dụng có hiệu quả chúng ñể làm cho kết cấu

có dạng cần thiết (ví dụ: nhiệm vụ ñã ñược gọi là “trục tải xây dựng” trong các dầm ngang của cầu trục và các cẩu) và nâng cao ñộ bền của nó Nâng cao ñộ bền kết cấu

có thể ñạt ñược bằng cách phân bố ứng suất hàn mà nó bảo ñảm phép tổng các sự

ưu việt nhất của chúng với ứng suất từ tải trọng làm việc

Vậy con người biết ñược các biểu hiện thiên nhiên thống nhất ñể ñưa nó ra phục vụ mình ý ñịnh có giá trị và ñồng triển vọng ñược giao sư H.O là xây dựng trong các xí nghiệp các phòng ban thiết kế công nghệ ñó là biểu hiện dạng tổ chức tốt liên kết các lực lượng sáng tạo của các nhà thiết kế và ccs nhà công nghệ ñể nghiên cứu khoa học một cách xác ñáng trên cơ sở các phương pháp tính toán, các kết cấu hàn và công nghệ chế tạo chúng Việc thiết kế công nghệ kết cấu của các kết cấu hàn có hướng tiến bộ mới trong thi công (công việc) hàn mà tương lai sẽ thuộc

về nó [12, 26, 28, 29]

1.3 Tình hình nghiên cứu về ứng suất và biến dạng

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Thế giới ghi nhận rất nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật về hàn ựó là sự ra ựời công nghệ hàn mới ựáp ứng yêu cầu trong công nghiệp sản xuất Với sự phát triển mạnh mẽ ựó thì việc kiểm tra và làm giảm ảnh hưởng của ứng suất và biến dạng trong khi hàn cũng ựược các nhà khoa học trên thế giới rất quan tâm nghiên cứu đã có rất nhiều công trình nghiên cứu khoa học về tắnh toán ứng suất và biến dạng trong khi hàn của các nhà khoa học Nga, Anh, Mỹ Ầ Trong ựó cũng có những công trình khoa học ứng dụng công nghệ siêu âm ựể ựánh giá và kiểm tra ứng suất

dư trong mối hàn

Nhờ ựóng góp của nhà khoa học trên thế giới, ựặc biệt là các nhà khoa học Châu âu về ứng suất và biến dạng ựã giúp cho ngành hàn ngày càng phát triển mạnh

mẽ Nó là công nghệ ựược sử dụng rộng rãi trong sản xuất, công nghiệp

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam vấn ựề nghiên cứu ứng suất và biến dạng chưa có nhiều công trình nghiên cứu khoa học Và ứng dụng công nghệ siêu âm ựể kiểm tra ứng suất dư trong mối hàn cũng chưa có nhiều nhà khoa học kỹ thuật hàn Việt Nam tham gia

1.4 Tổng quan về phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ ựược ứng dụng ở Việt Nam hiện nay

Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm, tiếng Anh viết tắt là SAW, là quá trình hàn nóng chảy mà hồ quang cháy giữa dây hàn (ựiện 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 ựược ựẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu ựặc biệt với tốc ựộ phù hợp với tốc ựộ cháy của nó (Hình 1.2a)

Theo ựộ chuyển dịch của nguồn nhiệt (hồ quang) mà kim loại vũng hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn (Hình 1.2b) Trên mặt vũng hàn và phần mối hàn ựã ựông ựặc 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”

Hình 1.2: 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 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

(a)

(b)

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 1.3: 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 [4, 5]

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 trong các ngành công nghiệp mục tiêu của ñề tài là: Nghiên cứu trường ứng suất dư trong chi tiết hàn dưới lớp thuốc và 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 giáp mối

- Nghiên cứu về thiết bị ño ứng suất dư

- Nghiên cứu, thiết kế và hàn ñược các mẫu tấm phẳng có chiều dày, ñộ dài,

ñộ rộng khác nhau

1.6 Kết luận chương

Trong phần này, tác giả Luận văn ñã trình bày khái quát ñược những nội dung chính sau ñây:

1 Sự hình thành ứng suất và biến dạng sau khi hàn

2 Ảnh hưởng ứng suất và biến dạng dư ñến ñộ bền và tuổi thọ của chi tiết hàn

3 Tình hình nghiên cứu về ứng suất và biến dạng

4 Tổng quan về phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ ñược ứng dụng ở Việt Nam hiện nay

Chương 2 ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 ðối tượng nghiên cứu

Ở ñây tôi chỉ nghiên cứu mối hàn giáp mối của chi tiết dạng tấm phẳng dùng công nghệ hàn tự ñộng dưới lớp thuốc Các chi tiết dạng tấm có kích thước và yêu cầu theo qui trình công nghệ ñặt ra theo tiêu chuẩn nhất ñịnh ñể tạo nên vật mẫu theo qui ñịnh

2.2 ðịa ñiểm nghiên cứu

* ðịa ñiểm: Các mẫu khi ñược tiến hành hàn và xử lý theo các bước yêu cầu

công nghệ ñược bảo quản Sau ñó ñược ñưa về Phòng thí nghiệm trọng ñiểm Quốc gia về công nghệ hàn và xử lý bề mặt, Bộ Công Thương tại Viện Nghiên cứu cơ khí

ñể tiến hành kiểm tra bằng siêu âm nhằm ñánh giá ứng suất dư của chi tiết sau hàn

ðo và xử lý số liệu tại Phòng thí nghiệm trọng ñiểm Quốc gia về công nghệ hàn và xử lý bề mặt, Bộ Công Thương tại Viện Nghiên cứu cơ khí và Bộ môn Công nghệ cơ khí-Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội

2.3 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

2.3.1 Về lý thuyết:

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

- Ứng suất và biến dạng hàn

- Công nghệ xử lý nhiệt sau khi hàn

- Các biện pháp giảm ứng suất dư

- Lập trình tính toán chế ñộ hàn

- Lập trình tính toán ứng suất và biến dạng

- Kiểm tra hàn bằng phương pháp siêu âm

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 giãng hình học của chi tiết tấm phẳng Như ta

biết mối hàn giáp mối 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 ðể xây dựng ñược qui trình giảm ứng suất, 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 giáp mối

Nghiên cứu chế ñộ hàn thích hợp ñể hàn các mối hàn giáp mối tấm phẳng có kích thước khác nhau, 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

1 ðối tượng nghiên cứu

2 ðịa ñiểm nghiên cứu

3 Phương pháp nghiên cứu

4 Thời gian nghiên cứu

Chương 3 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

3.1 Nghiên cứu sự hình thành, phát sinh ứng suất và biến dạng

3.1.1 Hiện tượng vật lý xẩy ra trong quá trình ñốt nóng và nguội của kim loại

Tất cả kim loại ñều giãn nở khi bị ñốt nóng và co lại khi nguội ñi Mức giãn

nở của kim loại phụ thuộc vào nhiệt ñộ ñốt nóng và hệ số giãn nở nhiệt của kim loại Khi ñốt nóng thanh kim loại ñến nhiệt ñộ nhất ñịnh, sau ñó ngừng ñối nóng và

ñể thanh kim loại nguội tự nhiên xuống nhiệt ñộ môi trường thì thanh kim loại sẽ trở về với kích thước và hình dạng ban ñầu Không có sự thay ñổi kích thước và hình dạng Nhưng nếu trong quá trình bị ñốt nóng hay nguội ñi thanh kim loại bị khống chế bởi một lực nào ñó thì ngay lập tức xuất hiện ứng suất trong thanh kim loại gây nên biến dạng dẻo, thay ñổi kích thước, hình dạng của nó

Trong quá trình hàn xảy ra hiện tượng thay ñổi cấu trúc kèm theo sự thay ñổi thể tích kim loại mối hàn, dẫn ñến hình thành ứng suất trong (còn gọi là ứng suất dư) Tuy nhiên ñối với kim loại thuộc nhóm thép các bon thấp thì ứng suất trong có giá trị không lớn, không ñáng quan tâm nhưng ñối với thép hợp kim thì ứng suất trong xuất hiện trong quá trình hàn rất ñáng xem xét

3.1.2 Ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn ñến kim loại:

Khi hàn, nguồn nhiệt hàn làm nóng chảy một khối lượng nhất ñịnh kim loại

cơ bản tại vị trí hàn và nhiệt ñược lan truyền ra vùng lân cận của kim loại cơ bản Trong thời gian rất ngắn, nhiệt ñộ kim loại tại chỗ mối hàn ñược nâng lên, từ nhiệt

ñộ bình thường của môi trường tăng lên nhanh chóng tới nhiệt ñộ nóng chảy kim loại (chịu tác dụng của nguồn nhiệt ñạt ñến 20000 ÷ 30000 khi dùng hàn hơi và ñạt tới 40000 khi dùng hàn ñiện), sau ñó nhiệt ñộ mối hàn hạ thấp dần vì nguồn nhiệt hàn không tiếp tục ñốt nóng nữa, di chuyển theo chiều phát triển của mối nối và bắt ñầu hiện tượng tản nhiệt ra xung quanh Xét tổng thể cả chi tiết hàn ñược nóng lên không ñều và nguội cũng không ñều Từ những vùng gần với ñường tâm mối hàn thì nhiệt ñộ cao hơn, nguội chậm hơn, ngược lại, vùng kim loại càng xa mối hàn thì nhiệt ñộ càng thấp và nguội nhanh hơn Kim loại mối hàn và kim loại vùng lân cận

mối hàn (vùng ảnh hưởng nhiệt) xảy ra những thay ñổi về tổ chức cấu trúc và thể tích Những thay ñổi này ảnh hưởng ñến cơ tính của kim loại hàn Cơ tính của kim loại thay ñổi phụ thuộc vào sự biến ñổi nhiệt ñộ của nó Người ta ñã có những kết quả nghiên cứu cơ tính của kim loại thay ñổi lừ nhiệt ñộ 200C ñến 6000C Hình 3.1 minh hoạ thay ñổi cơ tính của kim loại theo trạng thái nhiệt ñộ của nó Khi nhiệt ñộ tăng ñến 5000C thì giới hạn chảy σch giảm từ từ, quá 5000C thì giới hạn chảy σchgiảm nhanh, xuống 0 khi nhiệt ñộ ñạt trên 6000C Giới hạn bền σb thay ñổi không ñáng kể trong khoảng nhiệt ñộ tăng ñến 1000C, sau ñó giới hạn bền σb giảm từ từ, khi nhiệt ñộ vượt quá 5000C giới hạn bền giảm mạnh

Kim loại nóng chảy và ñông ñặc tạo thành mối hàn nối có tiến trình diễn biến tương tự như quá trình ñúc kim loại Tỉ lệ co ngót thể tích kim loại ñúc có thể ñược tham khảo như tỉ lệ co ngót kim loại trong quá trình hình thành mối hàn Kinh nghiệm cho thấy rằng tỉ lệ co ngót kim loại ñúc phụ thuộc vào giai ñoạn ñông ñặc của kim loại Tỉ lệ co ngót tính bằng % của thể tích toàn phần vật ñúc Cơ tính của thép các bon thấp thay ñổi ở nhiệt ñộ khác nhau ñược liệt kê ở bảng 3.1

Bảng 3.1 Cơ tính của thép các bon thấp thay ñổi ở nhiệt ñộ khác nhau

Nhiệt ñộ 0 C Modul ñàn hồi

E.10 -6 Kg/cm 2

Giới hạn bền Re Kg/mm 2 Hệ số giãn dài ααα.10 -6

- Từ thời ựiểm bắt ựầu ựông ựặc ựến kết thúc ựông ựặc : co ngót 3%

Hình 3.1 Tắnh chất của kim loại thay ựổi tùy thuộc vào nhiệt ựộ

- Từ thời ựiểm kết thúc ựông ựặc ựến nguội hoàn toàn : 7,35%

Dưới tác dụng của hồ quang ựiện hàn nhiệt ựộ kim loại vùng hàn nóng chảy, khi nhiệt ựộ xuống ựến khỏang 15000C, kim loại bắt ựầu ựông ựặc, hình thành vách bao xung quanh vũng kim loại lỏng (chưa kịp hạ thấp nhiệt ựộ) Kim loại bắt ựầu kết tắnh nhưng còn dẻo, dễ dàng giải phóng ứng suất nhiệt (loại ứng suất có thể xuất hiện trong quá trình kim loại nguội) Kim loại mối hàn tiếp tục kết tinh, ựông ựặc kéo theo giảm dần tắnh dẻo đó là lúc co ngót nhiều nhất Hiện tượng này gây ra ứng suất, biến dạng kim loại nguội bao bọc xung quanh mối hàn ựang ựông ựặc Khi kim loại vách xung quanh mối hàn rất rắn, ứng suất nhiệt khu vực này phức tạp, dẫn ựến phá vỡ mối liên kết (hiện tượng nứt xuất hiện) Tắnh dẻo của kim loại bảo ựảm cho kim loại biến dạng trong giới hạn nhất ựịnh thì mối hàn không bị nứt Sự phân bố ứng suất và hình thành biến dạng phụ thuộc vào tắnh dẻo của vách kim loại

và trạng thái co ngót, giãn nở của kim loại mối hàn

3.1.3 Cơ chế hình thành ứng suất và biến dạng trong mối hàn

Quá trình hàn kim loại bị ựốt nóng ựến nhiệt ựộ nhất ựịnh, thường là nhiệt ựộ nóng chảy và nguội ựi Quá trình nguội, các tinh thể kim loại chuyển từ trạng thái lỏng (nóng chảy) sang thể rắn tức là kết tinh tạo thành mối hàn Trong quá trình ựó, kim loại trải qua hai trạng thái: giãn nở và co ngót Nhưng cả hai ựều bị khống chế không thể giãn nở tự do hay co ngót tự do Trong lòng mối hàn xuất hiện lực nén và

lực kéo Tức là xuất hiện nội lực và tạo thành ứng suất dư

Thực nghiệm 1:

Cố ñịnh hai ñầu thanh kim loại dài 1 rộng b, dầy s rồi ñốt nóng thanh kim loại lên ñến nhiệt ñộ T Hiện tượng gì xảy ra trong thanh kim loại ?

Vì không ñược giãn nở tự do, trong lòng thanh kim loại xuất hiện lực nén P

từ hai ñầu thanh theo phương dọc theo trục của thanh với chiều ngược nhau Lực nén này là nội lực và chính nó làm phát sinh ứng suất nén trong lòng thanh kim loại

Nếu ñược tự do thì thanh kim loại bị ñốt nóng ñến nhiệt ñộ T thanh kim loại

sẽ giãn nở một ñoạn ∆l, ñược tính theo công thức: ∆l = α T l

Trong ñó: α - hệ số giãn nở nhiệt của kim loại (l/0c);

T - nhiệt ñộ bị ñốt nóng của thanh kim loại (0c);

l - chiều dài thanh kim loại (mm)

Quá trình hàn, kim loại mối hàn cũng bị ñốt nóng nâng lên ñến nhiệt ñộ nóng chảy một cách không ñồng nhất, rồi nguội ñi không ñều ở những vị in khác nhau trên chi tiết hàn

Xét hiện tượng thì trạng thái diễn biến nhiệt ñộ và nhưng ñộng thái ứng suất trong kim loại chi tiết hàn cũng tương tự như hiện tượng xảy ra trong hai thực nghiệm nói trên

3.2 Lý thuyết chung về trường ứng suất dư 3D

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 giãng, 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

Hình 3.2 Ứng suất hàn theo các phương (mối hàn giáp mối)

Từ hình 3.2 ta thấy khi kim loại ñông ñặc ở mối hàn suất hiện các phương co như sau:

+ Theo phương ngang X

+ Theo phương dọc Y

+ Theo phương thẳng ñứng Z

ðối với co ngót theo phương X sự giãn 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 Y 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 Z không thấy rõ với mối hàn thông thường Do ñó ta chỉ cần quan tâm ñến sự co ngót theo ngang X và sự co ngót theo phương dọc Y, tương ứng với ứng suất sinh theo hai phương này là ứng suất ngang σ22 và ứng suất dọc σ33

3.3 Biện pháp giảm ứng suất dư khi hàn

3.3.1 Các biện pháp kết cấu

Một trong những vấn ñề của các biện pháp kết cấu là việc lựa chọn kim loại

cơ bản và ñiện cực khi thiết kế Kim loại cơ bản cần tránh không có khuynh hướng

ñể bị tôi khi nguội ở ngoài không khí Còn ñiện cực phải có tính dẻo không nhỏ hơn kim loại cơ bản Ngoài ra ta còn phải thực hiện các yêu cầu sau: [11, 12, 13]

1- ðể tránh ứng suất mặt phẳng và ứng suất khối, không nên thiết kế các mối hàn tập chung hay giao nhau (nhất là khi kết cấu làm việc với tải trọng va chạm hay tải trọng ñộng)

2- Không nên thiết kế các mối hàn khép kín có kích thước nhỏ (ví dụ các

miếng vá) vì nó sinh ra ứng suất mặt phẳng lớn

3- Cố gắng hết sức giảm số lượng các mối hàn và kích thước của mối hàn không ñược lớn hơn kích thước thiết kế

4- Các gân tăng cứng cần sắp xếp sao cho khi hàn thì cùng ñốt một khu vực

ở hai phía của kim loại cơ bản, ñể giảm bớt sự co ngang và ứng suất khối của toàn

7- Trong các kết cấu mặt cắt hộp và phẳng mà có ñường hàn khép kín, ñể hạn chế biến dạng gợn sóng do mất ổn ñịnh thì cần phải ñặt gân tăng cứng

3.3.2 Các biện pháp công nghệ khi hàn

Có nhiều biện pháp khác nhau ñể giảm ứng suất khi hàn, chúng phụ thuộc vào ñặc tính mối hàn, dạng liên kết, phương pháp hàn, chế ñộ hàn, cơ tính và hoá tính của kim loại Người ta thường dung những biện pháp sau ñây:

1- Khi hàn các vật dày các loại thép dễ bị tôi cần phải ñốt nóng trước, ñồng thời phải giảm bớt cường ñộ dòng ñiện hàn hoặc công suất ngọn lửa ñể tránh hiện tượng nứt nẻ

2- Khi hàn các chi tiết bị kẹp chặt dễ sinh ra ứng suất lớn, do ñó thứ tự hàn trước, sau của các mối hàn trong kết cấu sao cho vật hàn luôn ở trạng thái tự do, nhất là ñối với mối hàn giáp mối là loại mối hàn có ñộ co ngang lớn, khi hàn phải hàn một chiều hoặc từ giữa ra, không ñược hàn từ hai ñầu vào (Hình 3.5)

5- Hàn theo phương pháp phân ñoạn nghịch thì sẽ giảm biến dạng vì nội lực sinh ra chỉ ở từng khu vực nhỏ và nó hướng về vùng lân cận ñối diện

a/ b/

Hình 3.6 Phương pháp hàn phân ñoạn nghịch

6- ðể khử uốn người ta tiến hành uốn hoặc trước khi hàn ñặt vật ngược với chiều bị uốn sau khi hàn, như vậy sẽ giảm ứng suất và biến dạng dư (Hình 3.7)

Hình 3.7 ðặt vật ngược với chiều biến dạng

7- ðể giảm cong vênh, lượn sóng, khi hàn các tấm rộng người ta dung ñồ gá kẹp chặt mép hàn trong khuôn mẫu Nếu không sẽ sinh ra ưng suất dư

3.3.3 Các biện pháp công nghệ sau khi hàn

ðể khử ứng suất dư trong chi tiết hàn, ñồng thời nâng cao cơ tính của mối hàn, một số biện pháp công nghệ ñược áp dụng trong những trường hợp cần thiết

* Ram giải toả ưng suất sau khi hàn

Biện pháp này là một trong những biện pháp công nghệ có hiệu quả giải toả ứng suất dư trong chi tiết sau khi hàn Biện pháp ram ñược áp dụng ñối với những chì tiết hàn lớn, dầy và làm việc chịu tái trọng ñộng Thông thường áp dụng ram theo chế ñộ sau ñây: gia nhiệt chi tiết dần dần ñến nhiệt ñộ 6000C ÷ 6700C với tốc

ñộ tăng nhiệt khoảng 80oc÷900c trong 1 giờ, duy trì tại nhiệt ñộ ñó 2,5 ÷ 3phút/1mm chiều dầy của chì tiết (tính theo chiều dầy của chi tiết dầy nhất); sau ñó ñể chi tiết nguội từ từ trong lò xuống ñến 1300C ÷ 1500C với tốc ñộ nguội 800C/giờ Cần lưu ý ram giải toả ứng suất dư hàn ñòi hỏi phải nâng toàn bộ chi tiết hàn trong lò cũng như quá trình làm nguội chi tiết cũng phải hạ nhiệt ñộ chi tiết cùng với lò

Sau khi hàn vật hàn vẫn tồn tại ứng suất dư và bị biến dạng ðể khắc phục tình trạng ñó có thể sử dụng các biện pháp sau:

*Ủ

Ủ vật hàn có thể trừ bỏ ñược ứng suất sinh ra sau khi hàn Nhiệt ñộ ủ của thép các bon vừa và thép các bon cao là 550÷6000C Sau khi giữa nhiệt trong thời gian trên dưới 1 giờ thì cho ra ngoài ñể nguội trong không khí

* Gõ nhẹ sau khi hàn

Sau khi hàn song dùng búa tay có ñầu tròn, trọng lượng 0,5÷1,25Kg, gõ nhẹ ñều và mau vào xung quanh mối hàn,có thể gõ nhẹ khi nhiệt ñộ trên 5000C hoặc thấp hơn 3000C Như vậy là có thể trừ bỏ ứng suất sinh ra sau khi hàn

* Nắn nguội

Chủ yếu là tác dụng lực kéo vào những phần bị co ñể ñạt ñược kích thước và hình giãng như thiết kế song nó sinh ra biến cứng và tăng ứng suất dư làm cho vật hàn bị nứt nẻ, thậm trí có thể bị gẫy Ngoài ra nắn nguội là một quá trình công nghệ phức tạp nên nói chung ít dùng

* Nắn nóng

Là biện pháp ñược dùng rộng rãi vì nó ñơn giản và kinh tế nhất, người ta nung nóng bằng ngọn lửa hàn khí mục ñích làm co những khu vực mà chiều dày của chúng lớn hơn vùng ứng suất tác dụng của mối hàn trong kết cấu Chọn khu vực nung nóng và chế ñộ nung nóng không hợp lý có thể làm cho biến dạng thêm phức tạp Cơ sở lý thuyết của nắn nóng là:

- Xác ñịnh mặt phẳng uốn và mô men uốn gây nên do nội lực

- Xác ñịnh mặt cắt, khối lượng và hình giãng hợp lý của vùng ứng suất tác dụng ở khu vực nung nóng, ñảm bảo tạo ra nội lực làm biến dạng kết cấu theo hướng ngược lại

3.4 Kiểm tra hàn bằng phương pháp siêu âm

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

3.4.1.1 Khái niệm chung

Phương pháp kiểm tra bằng siêu âm dựa trên cơ sở nghiên cứu sự lan truyền

và tương tác của các dao ñộng ñàn hồi (phản xạ, khúc xạ, hấp thụ, tán xạ) có tần số cao ñược truyền vào vật thể cần kiểm tra

Nguyên lý cơ bản của kiểm tra bằng siêu âm ñược trình bày như (hình 3.8)

Hình 3.8 Sơ ñồ nguyên lý

1- ñầu dò phát; 2- vật kiểm;

3- khuyết tật; 4- ñầu dò thu (truyền qua); 5- ñầu dò thu (phản hồi)

Sóng siêu âm truyền qua môi trường kèm theo sự suy giảm năng lượng do tính chất của môi trường Cường ñộ sóng âm hoặc ñược ño sau khi phản xạ (xung phản hồi) tại các mặt phân cách (khuyết tật) hoặc ño tại bề mặt ñối diện của vật kiểm tra (xung truyền qua) Chùm sóng âm phản xạ ñược phát hiện và phân tích ñể xác ñịnh sự có mặt của khuyết tật và vị trí của nó Mức ñộ phản xạ phụ thuộc nhiều vào trạng thái vật lý của vật liệu ở phía ñối diện với bề mặt phân cách và ở phạm vi nhỏ hơn vào các tính chất vật lý ñặc trưng của vật liệu ñó

* Một số ưu ñiểm của phương pháp kiểm tra bằng siêu âm:

- ðộ nhạy cao cho phép phát hiện ñược những khuyết tật nhỏ

- Khả năng ñâm xuyên lớn cho phép kiểm tra các tiết diện dày

- ðộ chính xác cao trong việc xác ñịnh vị trí và kích thước khuyết tật

- Cho phép kiểm tra nhanh và tự ñộng

- Chỉ cần tiếp cận từ một phía của vật kiểm

* Những hạn chế của phương pháp kiểm tra bằng siêu âm

- Hình dạng của vật kiểm có thể gây khó khăn cho công việc kiểm tra

- Khó kiểm tra các vật liệu có cấu tạo bên trong phức tạp

- Phương pháp này cần phải sử dụng chất tiếp âm là mỡ

- ðầu dò phải tiếp xúc hợp lý với bề mặt mẫu trong quá trình kiểm tra

Hình 3.9 ðồ thị mô tả sự dao ñộng của những phần tử theo thời gian

- Hướng của khuyết tật có ảnh hưởng ñến khả năng phát hiện khuyết tật

3.4.1.2 Bản chất của sóng âm

Hình 3.10 ðồ thị minh hoạ cho phương trình 3.1

Sóng siêu âm ñược biết là một dạng dao ñộng cơ học Khi một sóng cơ học truyền qua một môi trường thì dịch chuyển của một hạt môi trường khỏi vị trí cân bằng ở

thời ñiểm bất kỳ t ñược cho bởi phương trình:

a=a o sin2ðft (3.1)

Trong ñó:

a: ñộ lệch của hạt khỏi vị trí cân bằng ở thời ñiểm t (mm)

a 0: biên ñộ dao ñộng của hạt

f: tần số dao ñộng của hạt (Hz)

Biểu diễn ñồ thị trong phương trình (3.1) ñược trình bày như (h.3.10): Phương trình

(3.2) là chuyển ñộng của sóng cơ học trong môi trường Nó cho các trạng thái của

các hạt (phase) ở các khoảng cách khác nhau tính từ hạt bị kích thích ñầu tiên ở thời

a 0sin2π (3.2)

Trong ñó:

a: ñộ lệch (tại thời ñiểm t và khoảng cách x tính từ hạt ñầu tiên bị kích thích) của

một hạt môi trường có sóng truyền qua

a 0: biên ñộ sóng, hay biên ñộ dao ñộng của các hạt môi trường

v: tốc ñộ lan truyền sóng

f : tần số của sóng

Vì trong thời gian một chu kỳ T, một sóng ñàn hồi có tốc ñộ v truyền ñi ñược

quãng ñường λ trong môi trường, do vậy:

Trong phương trình (3.4) nếu f có ñơn vị là Hz, λ là m thì ñơn vị của v là m/s

3.4.1.3 Các ñặc trưng của quá trình truyền sóng

a/ Tần số

Tần số sóng cũng là tần số dao ñộng các phần tử của môi trường mà sóng

truyền trong ñó, thường ñược ký hiệu là chữ f và biểu thị số chu kỳ trong một giây, viết tắt là: Hz (sec -1 ) Trong các thiết bị hiện ñại, có thể phát ñược tần số ñến dải

GHz Tuy nhiên, ñể kiểm tra vật liệu hoặc mối hàn, tần số sóng siêu âm thường sử

dụng trong dải 0,5 MHz ñến 20 MHz Tần số ñóng vai trò quan trọng trong phát

hiện và ñánh giá khuyết tật

b/ Biên ñộ

ðộ dịch chuyển lớn nhất so với vị trí cân bằng của hạt ñược gọi là biên ñộ Trong

phương trình sóng (3.2) a 0 là biên ñộ dao ñộng

c/ Bước sóng

Trong khoảng thời gian chu kỳ T của dao ñộng, sóng truyền ñược một quãng

ñường xác ñịnh Quãng ñường ñó ñược gọi là bước sóng và ký hiệu bằng λ, các phần tử ở môi trường cách nhau một quãng ñường trên hình vẽ ở cùng một trạng thái dao ñộng (tức là ở cùng một phase như nhau) khi sóng truyền qua môi trường Mối liên hệ giữa λ, f và v ñưa ra trong phương trình (3.4) chứng tỏ rằng một môi

trường xác ñịnh, bước sóng và tần số nghịch ñảo với nhau Trong kiểm tra thực tế thường các khuyết tật cỡ λ/2 hoặc λ/3 có thể phát hiện ñược Như vậy sóng siêu âm

có bước sóng ngắn hoặc tần số cao cho ñộ nhạy phát hiện khuyết tật tốt hơn

d/ Tốc ñộ sóng âm

ðại lượng biểu thị cho tốc ñộ năng lượng truyền giữa hai ñiểm trong môi trường

do chuyển ñộng của sóng là tốc ñộ sóng Thường ký hiệu là v (m/s)

e/ Âm trở

Sức cản của môi trường ñối với sự truyền sóng siêu âm ñược gọi là âm trở Ký

hiệu là Z và ñược xác ñịnh là tích số của mật ñộ môi trường ρ với tốc ñộ v sóng siêu

âm truyền trong ñó: Z =ρ.v (Ns/m 3) (3.5)

Như vậy, giá trị âm trở của một môi trường chỉ phụ thuộc vào tính chất vật lý của chúng và không phụ thuộc vào ñặc tính và tần số của sóng

f/ Âm áp

Âm áp là thuật ngữ ñược dùng phổ biến ñể chỉ biên ñộ các sức căng biến ñổi

tuần hoàn trong một môi trường do truyền sóng siêu âm Âm áp P liên hệ với âm trở

Z và ñộ lệch a của hạt như sau:

P=Z.a (kg/m 2 sec) (3.6)

Như vậy, dù nó có giá trị nhỏ nhất nhưng vẫn cần một thời gian xác ñịnh ñể năng lượng siêu âm truyền từ một lớp này qua lớp kế tiếp, nên phase dao ñộng của mỗi lớp là khác nhau một lượng xác ñịnh Do vậy, năng lượng âm cần có thời gian ñể có thể truyền từ nguồn phát ñến nơi ghi nhận (phương trình 3.2)

g/ Âm năng

Tưởng tượng có một ñĩa tròn dao ñộng và phát ra sóng âm ñồng thời môi trường ñược truyền âm chia thành vô số lớp mỏng Khi ñĩa nguồn dao ñộng, ñầu tiên sẽ ñẩy các lớp gần nó nhất theo hướng truyền Dần dần các lớp kế tiếp bị dịch chuyển một cách tuần tự và dịch chuyển này cứ tiếp tục cho ñến lớp cuối cùng – nơi ñặt thiết bị ghi nhận

ðây chính là năng lượng của dao ñộng hoặc sóng chứ không phải hạt trong môi trường dịch chuyển từ nguồn phát ñến nơi ghi nhận Bản thân các hạt chỉ dao ñộng xung quanh vị trí trung bình của chúng với biên ñộ rất nhỏ

h/ Cường ñộ âm

Năng lượng cơ học do sóng siêu âm truyền qua một ñơn vị tiết diện vuông góc

với phương truyền ñược gọi là cường ñộ sóng siêu âm, thường ñược ký hiệu là J Cường ñộ âm liên hệ với âm áp P, âm trở Z và ñộ lệch a của hạt theo biểu thức sau:

2

2

2

a P Z