Ứng suất và độ cong vênh khi hàn pot

Một thợ hàn đều biết rõ rằng kết cấu được hàn hoặc các chi tiết của nó thay đổi một ít kích thước và hình dạng so với lúc chúng có kích thước khi hàn lại với nhau và chúng không phẳng nữ

ứng suất vμ độ cong vênh khi hμn

Quyển sách này nói về điều gì!

ở bến tàu, con tàu được cập bến Nó vượt qua thử nghiệm thành công

và bắt đầu cuộc sống trên biển Sáng rất sớm, Biển hoàn toàn yên tĩnh Một

sự im lặng sâu lắng Bỗng nhiên vang lên một âm thanh lớn bất ngờ giống như một tiếng nổ, con tầu bị gãy ra làm đôi Cái đó xảy ra với con tàu của

Mỹ “SKENEKTEDI” trong thế chiến thứ hai Nguyên nhân gây ra tai hoạ là gì? Có thể con tàu bị tấn công bởi thuỷ lôi của tàu ngầm đối phương hoặc bị

nổ do bom của kẻ thù được bí mật gài vào hoặc là cuối cùng nó bị quá tải? Không phải điều thứ nhất, thứ hai, thứ ba Sự phá vỡ con tàu tự xảy ra tự nó không có nguyên nhân rõ rệt nào

Từ tháng hai 1942 đến hết tháng 4 – 1946 ở Mỹ đã chế tạo 4694 các con tàu vận tải bằng kim loại “LIBERTI” Trong số đó có 970 con tàu có

1442 vết nứt Trong số đó có 127 con bị hỏng hoàn toàn, một phần bị gãy làm đôi, phần lớn xảy ra giống với con tàu “SKENEKTEDI”, tự nó xảy ra chỉ nhận thấy rõ nhất là vào mùa đông thường xảy ra từ tháng 11 và hết tháng 3

Ngày 19-1-1937 ở Bỉ gần thành phố Khaccelta xây dựng xong một chiếc cầu cho đường ôtô có kết cấu hàn với chiều dài nhịp 73,5 m qua kênh Albert cầu được thử nghiệm thành công và đưa vào vận hành Sau 14 tháng, ngày 14-3-1938 đột nhiên nó đổ sập xuống, mặc dù trên đó không hề cho vận chuyển gì Trước đó đã nhận thấy trời trở lạnh đột ngột

Rõ ràng là trường hợp thứ hai tự phá hỏng kết cấu hàn Trong quá khứ nguyên nhân chính của sự phá huỷ kết cấu hàn là do ứng suất mà nó luôn xuất hiện trong các kết cấu sau khi hàn, và được gọi là ứng suất hàn Người

ta cho rằng chúng làm giảm độ bền và dẫn đến phá hỏng Từ đó đưa ra kết luận là việc hàn còn được sử dụng một cách thận trọng không được hàn những kết cấu quan trọng tốt hơn là chế tạo chúng nhờ cách tán rivê Nhưng tại sao khi mà hàng ngàn hàng vạn kết cấu hàn làm việc trong những điều kiện khó khăn ( nặng nề ) vẫn rất tốt Thời gian làm việc dài không chê vào

đâu được ở chúng tất nhiên cũng tồn tại ứng suất do hàn Chúng ta nhận biết rằng các giá trị của ứng suất này luôn tăng lên một cách đáng kể

Trong quyển sách nhỏ này chỉ nói về ứng suất hàn là gì? Tại sao cũng như chúng suất hiện như thế nào, nó làm giảm độ bền kết cấu đi bao nhiêu,

có thể điều chỉnh giá trị của chúng như thế nào, trong trường hợp nào cần giải phóng chúng khỏi kết cấu và làm việc đó như thế nào

Một thợ hàn đều biết rõ rằng kết cấu được hàn hoặc các chi tiết của nó thay đổi một ít kích thước và hình dạng so với lúc chúng có kích thước khi hàn lại với nhau và chúng không phẳng nữa chúng bị cong vênh, chỗ thì lồi, chỗ thì lõm, chiều dài bị giảm kể cả tổng chiều rộng của tấm Trong trường hợp này ta nói rằng các tấm đã biến dạng và có biến dạng hàn

Biến dạng hàn có thể đi tới nhiều điều không hay Chúng gây khó khăn cho việc tổ hợp kết cấu từ các chi tiết được hàn và các cụm, làm mất đi hình dáng bên ngoài của sản phẩm Nếu không ngăn ngừa sự xuất hiện của chúng hoặc không loại bỏ sự hình thành của biến dạng thì phương pháp chế tạo này không thể làm được như chế tạo kết cấu bằng cách nối các khối lớn

được hàn đơn lẻ Vậy trong thời đại hiện nay những con lăn và các kết cấu lớn đã được chế tạo Biến dạng hàn thường thấy trong hình dạng kết cấu và cấu kiện của nó có thể ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của chúng và sau

đó là đến độ bền của chúng Vì vậy rất cần nhận biết rằng ngăn ngừa sự phát triển các biến dạng lớn, loại bỏ biến dạng nếu như chúng xuất hiện và vượt quá giới hạn cho phép Nói một cách ngắn gọn là cần học cách điều khiển các biến dạng và cách đó chỉ có thể làm được khi hiểu rõ chúng xuất hiện như thế nào tại sao chúng xuất hiện và nó có tính chất gì?

Tất nhiên trong cuốn sách nhỏ không phổ thông này không thể trả lời

đầy đủ tất cả các quyết sách mà nó hoàn toàn không đơn giản Mục đích của chúng ta là thông báo cho độc giả các hiểu biết ban đầu cho họ một vài lời khuyên thực tế cũng như chuẩn bị tài liệu cần thiết cho họ đọc về biến dạng

và ứng suất hàn

ứng suất và biến dạng là gì và chúng có quan hệ như thế nào

các công trình cũng như các máy móc khác nhau, các phần riêng rẽ của chúng trãi qua những tác dụng tải trọng muôn hiònh muôn vẽ (lực) Dây thép treo vật nặng được cần trục nâng lên nhận được 1 lực kéo bằng trọng lượng của vật đó áp lực khí (hơi) trong xi lanh của động cơ ôtô được truyền qua piston, chốt piston và thanh truyền lên trục khuỷ khí nén trong bình khí

ép vào bình như muốn làm đứt chúng Tên lửa bay trong không gian vũ trụ dưới tác dụng của lực hút tới các thiên thể phản lực do khí tạo nên, sản phẩm

đốt cháy của nhiên liệu tên lửa, tất cả các lực này đối với các thiên thể được nhắc đến như là lực bên ngoài

Các lực bên ngoài tác dụng vào vật thể tạo nên áp lực bên trong, đó là các lực tác động qua lại giữa các phần nhỏ riêng biệt của vật thể ( các nguyên tử hoặc phân tử ) Nghiên cứu các lực bên trong dẫn đến phương pháp gọi là phương pháp mặt cắt

Hãy kéo một thanh dầm bằng lực bên ngoài P ( hình 1a ) Dưới tác dụng của lực này nó được cân bằng Chúng ta tưỡng tượng đã cắt thanh dầm bằng bằng một mặt phẳng vuông góc với trục của nó Mặt phẳng này chia

thanh dầm thành hai phần trên và dưới Chúng ta nghĩ là vứt bỏ 1 phần đi thí

dụ là phần trên chẳng hạn Quan sát phần dưới ( hình 1δ ),

Có thể nói rằng nó được cân bằng dưới tác dụng của lực bên ngoài P và các lực bên trong n mà trong trường hợp đó cần phân bố đều theo mặt cắt, các lực n này khác với lực bên ngoài P và được gọi là lực bên trong Chắc chắn rằng tổng tất cả các lực bên trong bằng lực bên ngoài P để nó bảo đảm

sự cân bằng phần dưới của thanh dầm

Bây giờ chúng ta xem thí dụ dưới đây có 3 thanh cùng giống nhau cả một vật liệu: một có tiết diện tròn, một có tiết diện vuông và một có hình dáng cong ( hình 2)

Tất cả 3 thanh có diện tích mặt cắt ngang khác nhau Nhận thấy rằng

từ 3 thanh đó thanh nào chịu tác dụng lực lớn hơn, chịu ứng lực lớn hơn để dẫn tới tự nó bị phá huỷ ( bị đứt ) Có thể nói rằng thanh thứ 3 có tiết diện cong chịu được tác dụng lớn nhất Nhưng nó có diện tích mặt cắt ngang lớn nhất

Để trả lời các câu hỏi được đặt ra rõ ràng không biết rằng lực đó bên trong như thế nào tác dụng lên 1 đơn vị diện tích (1cm2) của tiết diện ngang mỗi thanh dầm, đó chính là cái chịu đại lượng lực bên ngoài trên diện tích mặt cắt ngang tương ứng các thanh dầm khi đó chúng ta có:

2 2

1

1

500 6

3000

cm kg cm

kg F

p

=

=

2 2

kg F

p

=

=

2 2

3

3

500 8

4000

cm kg cm

kg F

p

=

=Như vậy thanh thứ 2 bị chịu ứng lực lớn nhất, thanh thứ nhất và thứ 3

là như nhau Kết quả thu được khi tiến hành chia đại lượng đó được gọi là ứng suất Ngoài ra cong nói là ứng suất thể hiện bằng số bằng lực bên trong lên một đơn vị mặt cắt

Trong trường hợp của chúng ta ứng suất vuông góc với mặt phẳng tiết diện ứng suất này gọi là ứng suất pháp và ky hiệu là Trong trường hợp chung ứng suất có thể hướng dưới một góc nào đó đối với mặt phẳng của tiết diện quan sát (hình 3 )

2=6,25 kg/mm2, 3=5 kg/mm2

Trong trường hợp kéo đơn ứng suất trong mỗi thanh được chia đều theo tiết diện ngang toàn bộ Ngoài ra không phải cũng như vậy Khi kéo đơn trong các tiết diện đi qua lỗ hoặc các rãnh cắt ứng suất được phân chia không

đều ( hình 4,a và β )

Chúng tập trung gần ở các vết cắt và ở các lỗ vì vậy được gọi là vị trí tập trung ứng suất Các khuyết tật hàn: Rỗ hạt, vết nứt, rãnh cắt, hàn không thấu cũng là nơi tập trung ứng suất

Tương tự có thể thể hiện phân bố ứng suất theo mặt cắt ở dạng đồ thị ( hình 4 δ ) các đồ thị này gọi là biểu đồ ứng suất Chúng chỉ ra giá trị ứng suất trong các phần diện tích khác nhau , , Từ hình 4 chúng ta nhận thấy rằng tập trung ứng suất có vị trí có tên trong chỗ tập trung ( I,

II), trong khi đó ở các mặt cắt phân bố xa chúng, tập trung ứng suất không

có và ứng suất được phân bố đều nhau ( III)

Sự phân bố ứng suất không đều không phải chỉ do sự tồn tại của các bộ phận tập trung ứng suất Sự phân bố ứng suất phụ thuộc vào việc đặt vào vật thể cho trước như thế nào? thí dụ nếu đặt thanh dầm lên 2 ổ đỡ và đặt lực hướng vuông góc với trục của nó (hình 5a), trong trường hợp này ta nói rằng thanh dầm chịu uốn và sự phân bố ứng suất pháp trong mặt cắt ngang của nó

sẽ được chỉ ra giống như hình 5b và c

Trong phần trên của thanh dầm ứng suất sẽ là ứng suất nén ( dấu ký hiệu là - ) và phần dưới là ứng suất kéo (ký hiệu là +) ứng suất có giá trị lớn nhất là ở vị trí các đường sinh dọc trên dưới của thanh dầm và ở giữa chiều cao mặt cắt thanh dầm bằng 0

Kinh nghiệm chỉ ra rằng lực bên ngoài luôn luôn gây nên sự thay đổi

về dạng và kích thước của vật thể tuy rằng trong phần lớn các trường hợp các thay đổi này rất nhỏ đến nỗi mắt thường không nhận thấy được và phát hiện dược nhờ dụng cụ chính xác đặc biệt Thanh dầm chịu tác dụng của các lực kéo sẽ giãn dài ra Khi đó các kích thước ngang sẽ nhỏ đi (hình 6a) Ngựơc lại khi nén chiều dài thanh dầm giảm đi trong khi đó kích thước ngang tăng lên (hình 6b) Thanh dầm thẳng dưới tác dụng của lực ngang bị thay đổi dạng ban đầu, bị uốn cong, tức là đường tâm của nó là đường cong (hình 6b)

Lấy theo bề mặt cạnh của tấm lưới (hình 6,z) sau đó uốn (hình 6, ) Tất cả đường ngang của lưới khi uốn vẫn giữ thẳng Có nghĩa là các mặt cắt ngang của thanh dầm sau khi uốn vẫn giữ phẳng, song mắt mạng lưới bị méo

đi Từ các hình chữ nhật chúng trở thành hình thang, chúng ta thấy rằng từ phía uốn của thanh dầm bị uốn các đường sinh dọc bị dảm đi theo chiều dài,

và từ phía lồi của chúng bị dài ra (bị kéo) Sự thay đổi chiều dài đường sinh càng lớn thì chúng càng cách xa khỏi tâm của chúng Muốn thanh dầm có thể xẩy ra không chỉ do lực chiều ngang mà còn cả lực dọc trục nếu như chúng được đặt cách dời tâm

Sự thay đổi bất kỳ hoặc là kích thước của vật thể được gọi là biến dạng kéo, nén, uốn được gọi là các loại khác nhau của biến dạng ngoài chúng ra còn các kiểu biến dạng khác

Chúng ta trở lại hình 6,b dưới tác dụng của lực P thanh dầm bị cong, võng và chiếm vị trí chỉ ra bằng đường đứt Nếu lực P không lớn thì sau khi

bỏ nó đi thanh dầm lại được thẳng ra và trở lại vị trí ban đầu Biến dạng mà

nó biến mất sau khi loại bỏ lực tạo nên nó được gọi là đần hồi, nếu lực P đủ lớn thì sau khi loại bỏ nó thanh dầm không thẳng lại hoàn toàn còn bị cong gọi là biến dạng dẻo

Bây giờ chúng ta xem xét đại lượng biến dạng phụ thuộc vào cái gì và giữa biến dạng và ứng suất có liên quan đến nhau như thế nào

Để thanh dầm có chiều dài ban đầu l được kéo bằng lực P (hình 6,a) sau khi đặt lực vào chiều dài của thanh là l1 sự khác nhau giữa l và l1

=

l

l l

l l =

Δ 1

Nếu như lực P không lớn lắm, thanh dầm sẽ bị uốn và biến dạng của

nó có thể tính được theo công thức

F E

l P

.

F: diện tích mặt cắt ngang của thanh dầm

E: mô đun đàn hồi pháp

ở các vật liệu khác nhau môđun đàn hồi pháp có giá trị khác nhau Đối với phần lớn các loại thép có thể tính gần đúng 2000000kg/cm2, ở đồng vàng giá trị môdun nhỏ hơn so với thép gỗ thấp 10 lần so với đồng vàng

E σ

Vì vậy ứng suất và biến dạng liên quan chặt chẽ với nhau, ngoài ra chúng còn cân đối lẫn nhau Nhưng sự cân đối này được bảo vệ cho tới khi vật liệu đàn hồi đó là khi ứng suất không đạt tới giá trị tới hạn nào đó mà sau

đó sẽ bắt đầu biến dạng dẻo Còn giới hạn của ứng suất mà nó đạt được sẽ bắt đầu biến dạng dẻo rõ nét được gọi là giới hạn chảy Giới hạn chảy được

ký hiệu là ở thép cacbon G.3 được sử dụng rộng rãi để chế tạo các kết cấu khác nhau, giới hạn chảy là 2500kg/cm2

Đặc trưng quan trọng khác của vật liệu là ứng suất mà nó dẫn tới phá huỷ nó Các đặc trưng này gọi là giới hạn bền hoặc là ứng suất tạm thời

ở thép CT3 giới hạn bền bằng 4000-5000kg/cm2 ở một vài thép hợp kim giới hạn bền cao hơn gấp vài lần

Có thể có trường hợp ngoại lực không tồn tại mà ứng suất vẫn có

Các bạn đã bao giờ nghe thấy tên gọi là những giọt nước mắt balaku chưa? Có thể thu được nó nếu như những giọt thuỷ tinh nấu chảy được đổ vào dầu hoặc nước Do làm lạnh đột ngột các giọt thuỷ tinh nhanh chóng

đông lại và được tôi, chúng có dạng hình quả lê và có mũi nhọn

Nước mắt balaku có tính chất rất thú vị Chúng giữ được hình dáng không bị phá vỡ chịu va đập chỗ phần dày dạn hơn Nhưng bề mặt bị xây xát nếu bị vật cứng tác dụng hay bị gãy phần duôi nhọn giống như tách ra thành các mảnh nhỏ Cái đó cũng diễn ra nếu như đuôi nhọn được hoà tan vào trong axit Chúng ta thử bẻ gãy đuôi của giọt theo phần nhỏ để trong cốc

đựng nước Khi đó giọt thuỷ tinh không chỉ bị vỡ tan tành thành các mảnh nhỏ mà cốc cũng bị vỡ Các tính chất này là nguyên nhân xuất hiện ở các lớp

bề mặt của giọt thuỷ tinh ứng suất rất lớn khi làm lạnh nhanh

Do giọt thuỷ tinh đang nằm trên bàn, không có bất kỳ ngoại lực nào tác dụng lên nó Trong nó không ít các ứng suất lớn mà như chúng ta đã thấy

có thể tự biểu lộ rất rõ nét Các ứng suất này có trong vạt thể khi không có ngoại lực được gọi là ứng suất riêng thông thường các ứng suất này suất hiện trong các sản phẩm do hậu quả của các nguyên công mà phải chịu khi gia công

Chúng ta cho phép ghép hai tấm kim loại với nhau bằng đinh tán được

đốt nóng (hình 7δ) Khi làm nguội đinh tán sẽ giảm chiều dài của chúng, làm

trở ngại cho các tấm kim loại Hệ quả đinh tán sẽ kéo chệch các tấm và tạo nên cho chúng ứng suất nén Riêng đinh tán sẽ chịu ứng suất kéo

Một thí dụ ứng suất riêng trong kim loại cán Sau khi các phần khác nhau của thép chữ I nguội khác nhau vì chúng có chiều dày mỏng khác nhau, khi đó tính chất đàn hồi ở nhiệt độ cao sẽ mất đi trước khi trở lại như trước kia, nó sẽ trở nên cứng sẽ gây cản trở sự co ngót 2 phần dầm chữ I bị đông lại lần thứ hai Kết quả là sau khi nguội toàn bộ thép chữ I thành hai đầu xuất hiện ứng suất kéo riêng và ở thành là ứng suất nén (hình 7δ Chúng suất hiện không nhanh mà được gom gộp từ từ , thay đổi giá trị của nó theo mức độ nguội Cuối cùng nó có dạng như hình vẽ

có ứng suất kéo nhất định ở đó cũng có ứng suất nén

Tại sao và ở điều kiện nung nào dẫn đến ứng suất riêng và biến

Nếu không nung nóng ở nhiệt độ cao, thanh I chỉ bị đàn hồi và trong

nó không suất hiện biến dạng dẻo sau khi là nguội hoàn toàn tất cả sẽ trở lại

Hàn đắp đường hàn bên cạnh của dải băng

Chúng ta lấy một dải băng có tiết diện góc vuông và hàn đắp một

đường hàn lên cạnh nó (hình 10a) sau khi hàn đắp và để nguội dải băng nhận

được biến dạng dư, nó bị cong và cong lõm về phía nơi diễn ra hàn đắp (hình

10 ) ở các mặt cắt ngang của phần hàn đắp dải băng xuất hiện ứng suất dư

được chỉ ra ở hình 10δ đường hàn và các phần dãi băng gần với nó chịu

nung nóng cao sẽ có ứng suất dư kéo bằng giới hạn chảy Phần giữa dãi băng

bị nén và gần cạnh sẽ có ứng suất dư kéo

Để hiểu đựơc tại sao chúng ta quan sát sơ đồ được đơn giản hoá sau

đây Chúng ta cho rằng là đường hàn và vùng dải băng gần nó (hình 10t)

được đốt nóng đồng thời theo toàn bộ chiều dài phần còn lại của dãi băng khi

đó vẫn còn nguội Khi đó đường hàn đắp và vùng bị nung nóng của dãi băng

có thể coi như một thanh dầm Khi nung nóng thanh dầm này có xu huướng

nở ra và ép về phần nguội của dãi băng gây nên trong nó kéo cùng với uốn tự thanh dầm bị nén vì phần còn lại của dãi băng cản trở sự giản nở nhiệt của chúng Kết quả là bên phía nung nóng bị cong lồi và cạnh dưới cong lõm

xuống

Trong các điều kiện này thanh dầm được chúng ta phân chia bị nén ép dẻo sau khi nguội nó bị ngót lại một giá trị nén dẻo sự co ngót này lại bị

ngăn cản bởi kim loại xung quanh trong lúc này thanh dầm sẽ bị nứt

Như vậy nếu so sánh biến dạng tức thời và ứng suất của tấm thép nung nóng và biến dạng và ứng suất dư sau khi làm nguội chúng ta thấy rằng độ võng hướng về phía đối diện sự phân bố ứng suất sẽ ngược lại theo dấu

Trong thực tế thường nói rằng biến dạng xuất hiện là do các mối hàn

bị kéo, nhưng thực chất lại không phải như vậy

Biến dạng và ứng suất khi hàn nối các tấm thép

Để bảo đảm hàn tốt các tấm hoặc lá thép thì khe hở được đặt sao cho không lớn Nếu như các tấm không được kẹp chặt trước khi hàn

Sau khi hàn các tấm bị co lại hướng của chiều dọc lẫn chiều ngang

trên các phần khác nhau của tấm co ngót sẽ khác nhau độ co ngót sẽ khác

nhau

Chúng ta nói rằng hàn nối mối hàn chữ X từ một phía gây ra biến dạng mà

nó khong cản trở gi cả Khi hàn mối hàn từ phía thứ hai gây ra biến dạng góc

ở vị trí đối diện Nhưng phần đã hàn của mối hàn sẽ gây cản trở việc đặt

hướng biến dạng lần thứ hai này Vì vậy theo giá trị nó sẽ nhỏ hơn và khong

có thể bù biến dạng từ phần đầu của mối hàn Kết quả biến dạng do mối hàn

đầu tiên tuy nhỏ hơn nhưng tất cả cũng sẽ có vị trí nhất định Vì vậy nếu mối hàn chữ X được hàn một vài đường hàn trong khi hàn nên lật một vài đường hàn về phái này phía kia Cái đó làm giảm biểu hiện (hiện tượng) hàn không cùng thời gian và biến dạng góc

Đoạn ống được cán (lốc) chính xác hình trụ được hàn nối dọc trục do

có biến dạng góc nên có hình dáng chỉ ra trên hình 12

Như đã nói từ biến dạng về mặt phẳng tiếp theo ta sẽ nhắc đến về một biến dạng hàn nữa – sự hình thành phần lồi và phần lõm sau khi hàn các tấm mỏng giải thích hiện tượng này sẽ chậm hơn một chút

Biến dạng và ứng suất khi hàn chữ T biến dạng khá phức tạp xảy ra

khi hànn thép chữ T (hinh 13.a) co ngót dọc của mối hàn gây nên sự giảm đi một ít thường không đáng kể chiều dài thép chữ T và cong rõ néttheo mặt

phẳng đứng thường độ cong lõ từ phía tâm đáy chữ T Cạnh tự do của thành

đứng sữ cong lồi lên Thường độ võng sẽ ngược lại nếu như mặt cắt (tiết

diện) của đáy lớn hơn nhiều tiết diện của thành chữ T (hình 13.σ)

Ngoài biến dạng đã mô tả khi hàn thép chữ T sẽ được quan sát biến

dạng được gọi là biến dạng nấm hoặ biến dạng hình nấm Kết quả của co

ngót ngang vùng hoạt động Khi hàn hồ quang tự động dưới bột hàn độ hàn sâu của kim loại chính đặc biệt lớn hơn so với hàn tay vì vậy cả dạng hình

nẫm cũng thể hiện mạnh hơn (bình 13.δ) Khi hàn thép chữ T một phía co

ngót ngang làm thành nghiêng về phái có nơi mối hàn(hình 13 Γ)

Phân bố ứng suất dư dọc xem hình 13.δ ở đây giống như trước chúng

ta thấy rằng vùng hoạt động (mối hàn và các phần phụ thược kim loại chính) sau khi hàn bị kéo Tuyệt đại đa số các trường hợp là như vậy

Biến dạng và ứng suất khi hàn thép chữ I

Dầm tiết diện chữ I (hình 14.a) được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng và trong nghành cơ khí Chúng gồm thành đứng và hai thành ngang

được bắt chặt với thành bằng các mối hàn cánh cúng thường được hàn các gân tăng cứng giữa cánh và thành

Khi hàn chữ I biến dạng và có đặc tính phức tạp (hình 14.σ) Trước

tiên chúng ta nói về biến dạng chung

Uốn trong mặt phẳng đứng thường mới nhìn chúng ta sẽ không thể

giải thích được Thật vậy có lẽ như là tất cả các mối hàn và các vùng hoạt

động cùng với chúng nằm đối xứng tương đối với các trục của dầm Co nghĩa

là chúng cần kéo đối xứng chữ I Từ đâu có sự uốn đó? Tât cả điều này đều

đúng nếu như các mối hàn được hàn đồng thời Thật ra chúng không được

hàn cùng một lúc Theo mức độ đặt mối hàn độ cứng của dầm thay đổi, tức

là khả năng chống biến dạng của nó Vì vậy vùng hoạt động của mối hàn đã

được hàn trước sẽ gây nên biến dạng lớn hơn vùng hoạt động mối hàn hàn

sau Cái đó phá vỡ sự cân đối và dẫn đến bị uốn

Chúng ta giải thích cá điều trên trong ví dụ (hình 14.b) để đầu tiên hàn các mối 1 và 2 của cánh thép chữ T mà tiết diện của nó ở hinh 14.b được

gạch chéo mặt cắt sẽ chông slại độ co ngót dọc của vùng hoạt động của

chúng Cánh trên được giữ chặt với các phần còn lại của thép I chỉ bằng các kẹp, thực tế nó không làm việc (hoạt động) và khong chống lại uốn cong Kết quả là dầm có võng 1 ít f1; f2 Khi đặt một cắp mối hàn thứ 2hai 3,4 cũng tạo nên vùng hoạt động Nhưng bây giờ không phải chỉ thép hình T mà toàn bộ chữ I sẽ chống lại độ co ngót của nó Độ võng thép I lớn đáng kể so với ở

chữ T Độ võng f3, f4 sẽ nhỏ dần theo giá trị của độ võng f1,2 và vì vậy không

có thể bù lại được Kết quả dầm có độ võng là f = f1,2 – f3,4 và hướng về phái

mà đầu cong về đó do khi đặt mối hàn 1 và 2 Để đưa độ võng này đến nhỏ nhất phải hàn các mối theo thứ tự 1-4-3-2 hoặc 1-3-4-2 hoặc hàn đồng thới mối 1 và 3 sau đó cũng đồng thời mói hàn 2 và 4

Ngoài các biến dạng chung dầm còn bị biến dạng cục bộ nữa – Dạng hình nấm ở một vài trường hợp nếu như daamf được chế tạo từ kim loại

mỏng có thể xuất hiện cả các phần lồi cục bộ ở các phần lồi sẽ nói ở phần sau Dạng hình nấm có quan hệ khi nó xuất hiện do co ngót ngang tất cả các mối hàn Kết quả dầm có hình dập nổi phức tạp được chỉ ra trên hình 14.δ

Phân bố ứng suất dư trong hình I hàn xem hình 14.Γ Trong vùng hoạt

động giống như đã quan sát, ứng suất kéo hoạt động ở các phần còn lại của dầm, ứng suất nén của chúng cân bằng nhau

Biến dạng và ứng suất khi đốt nóng điểm

Khi hàn điểm và hàn tán bằng điện chúng ta đốt một nguồn nhiệt nào

đó, ví dụ bằng mỏ đốt khí một điện tròn trong tấm thép toàn bộ chiều dày

tấm (hinh 15.a) Kim loại tròn mà chúng ta coi như nguội sẽ cản trở mở rộng nhiệt của điểm tròn Kết quả trong diểm xuất hiện ứng suất nén từ các phía Khi đốt nóng đủ cao ứng suất đạt giá trị giưới hạn chạy khi nén (nó bằng

theo giá trị giới hạn chảy khi kéo) và điểm có nén dẻo và sẽ làm cho kim loại vòng tròn dày hơn (hình 15.δ)

Khi nguội điểm sẽ cống gắng nhỏ đi về đường kính tức là đường kính

sẽ nhỏ hơn ban đầu một đại lượng nén dẻo Nhung ngược lại kim loại nguội bao quanh cũng tác dụng chống lại diều đó Kết quả của tác dụng chông slại

ấy điểm sau khi nguội thể hiện trong trạng thái kéo ra các phía (hình 15.b) khi nung nóng đủ cao các ứng suất này sẽ bằng giới hạn chảy

Khi đốt nóng cao hơn nữa trong điểm sau khi nguội còn biểu hiện

không những ứng suất bằng σT mà còn biến dạng kéo dẻo Nung nóng càng cao giá trị biến dạng kéo dẻo càng lớn Điểm được làm nguội sẽ kéo mạnh kim loại nguội xung quanh tạo nên trong nó ứng suất kéo dọc các bán kính – ứng suất hướng kính σr và ứng suất nén ở các hướng vuông góc với bán kính – ứng suất tiếp σT

Để làm rõ hơn đặc điểm phân bố ứng suất dư trong tấm thép chúng ta tách ra trong nó 1 phần tử được giưói hạn bởi hai vòng tròn đồng tâm và hai bán kính (hình 16.a) Trên hình cho thấy ứng suất sẽ tác dụng lên phần tử

ứng suất hướng kính σr được gây nên do tác dụng kéo của điểm, ứng suất

tiếp σT trong điểm là ứng suất kéo và ngoài điểm là ứng suất nén Sự thay đổi ứng suất với khoảng cách từ tâm của điểm chỉ ra ở hình 16.δ và δ

Khi hàn điểm tiếp xúc và hàn đính bằng điện cũng xảy nung điểm

tròn Những điểm này là vùng tạo nên ứng suất và biến dạng Khi đó đường kính vùng hoạt động sẽ nhận được 2 – 4 lần lớn hơn đường kính điểm tán

Tại sao có biểu hiện lồi và lõm khi hàn kim loại mỏng

Ta làm một thí nghiệm đơn giản CHúng ta lấy một thanh thép có

chiều dài lớn hơn nhiều so với kích thước ngang ví dụ thước kẻ chẳng hạn Một đầu chống lên bàn, đầu kia ta giữ tay sao cho lực nén hướng dọc theo

trục dọc của thước kẻ (hinh 18.a) Chúng ta tăng dần lực nén P đầu tiên khi

P nhỏ thước sẽ lòn giữ đường thảng, đó là thử biến dạng nén đơn giản Khi lực P đạt tới giá trị tới hạn nào đó, thước sẽ cong di có hình dạng cân bằng mợi (hinh 18.δ) Như vậy dạng trước đay ccan bằng trở thành khong vững

chắc nữa Đay là biểu hiện mang tên sự mất mát tính ổn định (mất ổn định) Mất ổn định có thể có vị trí cả trong các lá mỏng, chịu tác dụng của ứng suất nén (hình 18.b)

Khi hàn kim loại mỏng ở các vị trí nối xuất hiện ứng suất dư nén cũng

có thể xảy ra mất tính ổn định kèm theo biểu hiện lồi hoặc lõm Trên hình

18.Γ cho thất sự cong vênh các tấm mỏngđược hàn nối Chúng ta biết rằng ứng suất dư kéo tác dụng trong mối hàn và trong vùng xung quanh mối hàn ứng suất nén được tạo nên một vài nơi cách xa mối hàn Bởi vậy lồi và lóm

sẽ hiện ở xa mối hàn

Nếu như một thanh với tấm mỏng tác dụng nhiệt lên tấm sẽ giống như nung một điểm tròn (hình 15) Nung nóng như vậy như chúng ta đã biết gây nên hiện tượng ứng suất dư nên tiếp tuyến bên ngoài điểm nung nóng, ứng suất này có thể dẫn đến biểu hiện hình sóng trong tấm giông như đã chỉ ra ở hình 18σ

Khi hàn kim loại mỏng luôn có thể có sự mất ổn định cục bộ Vì vậy cần thiết pahỉ có biện pháp chống lại các biểu hiện này Đó là biện pháp sẽ nói ở dưới đây

ứng suất và biến dạng hàn có ảnh hưởng đến độ bền của kết cấu hàn

chăng?

Hiện nay hàn nhờ tính ưu việt của mình đã hầu như thay thế tán đinh Thuộc về số lượngtính ưu việt ngoài năng suất cao và tính kinh tế khả năng tạo nên dạng kết cấu hàn hoàn hảo còn có độ bền cao, độ tin cậy tà tuổi thọ của chúng Cái đó được kiểm nghiệm bằng sự vận hành lâu dài của các kết cấu hàn có dạng khác nhau Nhà thiết kế đã tiến hành thiết kế kết cấu mới

hoặc công trình trong phần lớn các trường hợpn chọn phương án chế tạo

chung với việc sử dụng hàn

Nhung không phải luôn luôn như vậy Hàn không ngay lập tức chiếm

được vị thế vững chắc như nó bây giờ Không ít người hoài nghi, không tin tưởng vào độ tin cậy của hàn Khi đó một trong những sự phản đối chống lại hàn là do nó tạo nên ứng suất dư mà nó làm giảm độ bền của kết cấu hàn khi

đó còn rất ít hiểu biết về ứng suất hàn về bản chất của chúngvề ảnh hưởng

của chúng tới độ 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 đó Khó có thể chống lại bởi vì vấn đề ứng suất

được nghiên cứu quá yếu đó là một sự cản trở lớn để áp dụng hàn

Vì vậy các nhà bác học Xô viết và ngoại quốc đã đưa ra không ít công trình nghiên cứu khoa học để nghiên cứu ứng suất và biến dạng xuất hiện khi hàn và ảnh hưởng của chúng đến tính chất vận hành kết cấu Các nhf khoa học đã mở ra ánh sáng cho nhiều vấn đề liên quan tới biến dạngvà ứng suất hàn, trong đó có vấn đề ảnh hưởng của chúng tới độ bền kết cấu

Đã chứng minh được rằng trong rất nhiều trường hợp ứng suất hàn

thực tế không ảnh hưởng tới độ bền Nếu nó không nhỏ thì lúc này thỉnh

thoảng trong công việc chế tạo sản phẩm hàn nguyên công khử ứng suất

bằng sử lý nhiệt được định trước Để cho mục đích này người ta xây các lò tiêu thụ bằng chất đốt nhiên liệu hay năng lượng điện thời gian chế tạo kết cấu bị kéo dài ra và tất cả trong hàng loạt trường hợp làm vo ích vì không

biét ảnh hưởng của ứng suất hàn đến độ bền kết cấu có thật không

Nhưng cuộc sống vẫn tiến về phái trước Các nhà máy bỏ việc xử lý nhiệt của kết cấu hàn trong trường hợp khi mà nó không có căn cứ và từ thực

tế đã chỉ ra rằng độ bền kết cấu không giảm đi tính kinh tế đạt cao hơn

Trong tập sách mỏng phổ thông này chúng ta không có khả năng dẫn giải lý thuyết tại làm sao ứng suất hàn không chỉ ra ảnh hưởng độ bền

Chúng ta chỉ có thể chỉ ra rằng ứng suất hàn không bằng phép đại số đơn

giản mà theo cách đặc biệt cộng lại cùng với các ứng suất do ngoại lực Vì trong bất kỳ mặt cắt nào ứng suất hàn cũng cân bằng nhau đó có nghĩa là

trong nó có cả ứng suất kéo lẫn ứng suất nén Nếu như trong mặt cắt cho

trước ngoại lực gây lên ứng suất kéo thì sẽ chỉ nhận được các bộ phận nén

của tiết diện sau khi hàn, đó là cái phần mà nó giông như sự dự trữ phụ độ bề chống lại sự kéo Bắng cách áp dụng các ngoại lực có cường độ đủ nhỏ có

thể hoàn toàn loại bỏ ứng suất hàn Tất cả những điều nói ở trên có nghĩa

rằng ứng suất hàn không bao giờ giảm độ bền, không có thể tạo nên những

ảnh hưởng không tốt khác nhau và không cần quan tâm tới ứng suất này?

Trong một vài trường hợp ứng suất hàn có thể gây phá vỡ kết cấu Vì vậy cần chú ý để biết tình trạng này như thế nào và ngăn ngừa trước biểu hiện của

chúng

Có thể chứng minh được rằng nếu như kim loại dùng để chế tạo kết

cấu hàn và kim loại hàn là dẻo có khả năng chịu biến dạng dẻo lớn kéo tới phá huỷ thì ứng suất hàn không làm giảm độ bền của kết cấu Nếu như kim loại này ròn thì ứng suất có thể làm giảm độ bền rõ rệt

ứng suất ở hai hướng Điều kiện này được tạo ra nếu như

Ví dụ: Các tấm thép chiều dày không lớn được hàn bằng các mối hàn cắt

nhau(hình 19.δ)

Nếu như khối cơ bản trong kết cấu chịu ứng suất như trên hình 19,β đó

sẽ nói về trạng thái ứng suất khối trạng thái ứng suất đó xuất hiện , ví dụ khi hàn kim loại có chiều dày lớn hoặc ở các vị trí nơi giao nhau ba mối hàn

vuông gọc với nhau

ứng suất phẳng và đặc biệt kéo theo khối gây trở ngại và giữ biến dạng dẻo của kim loại, làm nó chuyển sang trạng thái ròn Điều đó đặc biệt có hại khi tải trọng va đập và tải trọng rung Vì vậy nói rằng ảnh hưởng xấu của tập

trung ứng suất khong chỉ ở những chỗ gắn các tâm tích tụ có ứng suất cao

hơn mà ở đó thường mang tích chất khối Tiếp theo trong trường hợp đó khi