Bai 3TÍNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN

MỤC TIÊU CỦA BÀI:- Tính toán được ứng suất và biến dạng khi hàn đắp vào mép tấm, khi hàn liên kết giáp mối và khi hàn liên kết chữ ’’T’’ - Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh công

BÀI 3: TÍNH ỨNG SUẤT VÀ

BIẾN DẠNG KHI HÀN

I MỤC TIÊU CỦA BÀI:

- Tính toán được ứng suất và biến dạng khi hàn đắp vào mép tấm, khi hàn liên kết giáp mối và khi

hàn liên kết chữ ’’T’’

- Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh công nghiệp

II Nội dung bài

1 Tính ứng suất và biến dạng khi hàn đắp vào mép tấm

Ứng suất khi nung nóng hay hàn đắp vào cạnh của tấm kim loại phụ thuộc vào chiều dài của tấm; tốc độ hàn; tấm có

bị kẹp chặt hay không Nói chung sau khi nguội và để chi tiết

tự do thì đều cong lõm về phía hàn (Hình vẽ)

- Khi các cạnh bị giới hạn thì không có hiện tượng cong và

ứng suất dư do nội lực tác dụng dọc trục gây ra sẽ phân bố

theo tiết diện ngang của tấm như trên hình vẽ và ở vùng ứng

suất tác dụng bn sẽ đạt đến giới hạn chảy nếu: bn ≤ 0,5h

Nếu tấm để tự do thì nó sẽ bị uốn cong do mô men trên và

độ võng dư sẽ được xác định theo công thức sức bền thông

- M là mômen gây ra bởi nội lực tác dụng

- L là chiều dài của tấm hàn

- E là Mô đun đàn hồi

- J là mô men quán tính của tấm hàn

a, Mô men gây ra bởi nội lực tác

Trong đó:

- P là nội lực tác dụng

- F0 là diện tích tiết diện ngang phần bị nung nóng

- σT Giới hạn chảy của vật liệu

bn = b1 + b2

- Chiều rộng của vùng b1 phụ thuộc vào công suất của nguồn nhiệt, tốc độ hàn, khối lượng kim loại nóng chảy và tính chất

lý hoá của nó Trong mức độ đủ chính xác có thể áp dụng

công thức gần đúng của RưkaLin Khi đó ta đặt b1 = y và lấy

Trong đó: q – công suất hữu ích của nguồn nhiệt (Calo/s)

v – tốc độ hàn (cm/s)

S - là chiều dày tấm hàn (cm)

C – nhiệt dung của kim loại (Calo/g.0C)

γ - khối lượng riêng của kim loại (g/cm3)

q được tính như sau: q = η 0,24 U I

η - hệ số phụ thuộc vào phương pháp hàn

q0 = q

v.S0

Chiều rộng vùng đàn hồi dẻo b2 rất khó xác định, nó không chỉ phụ thuộc vào sự phân bố nhiệt theo tiết diện ngang

của tấm khi hàn (mức độ không đồng đều), mà còn phụ thuộc

vào độ cứng vững của mỗi tấm hàn Độ cứng vững của mỗi tấm hàn được xác định bởi mômen quán tính của tiết diện ngang của tấm và độ bền cơ học của kim loại, biểu thị bằng chiều rộng h

của tấm và giới hạn chảy σT

Chuẩn số cơ bản để xác định đặc tính nung nóng khi hàn

và sự phân bố nhiệt theo tiết diện ngang của chi tiết chính là năng lượng riêng q0 được xác định theo công thức sau:

S0 – chiều dày tính toán của kết cấu (cm) Khi hàn vào

mộp tấm thì S0 = S

Như vậy vung biến dạng dẻo b2 là một hàm nhiều biến số:

b2 = f (q0 , h, σT)Khi tăng q0 và h sẽ làm tăng vùng b2 vì nó làm tăng phần kim loại được đốt nóng và tăng trở lực cho sự dãn dài

tự do của các thớ bị nung, còn khi tăng ϬT thì vùng b2 sẽ

giảm vì nó làm tăng trở kháng của kim loại, làm cho kim loại khó tiến đến trạng thái dẻo - đàn hồi Người ta có thể tính b2theo công thức sau:

b2 = K2’ (h – b1)

Trong đó: h – là chiều rộng tính toán của tấm hàn:

K2’ – Hệ số phụ thuộc vào năng lượng riêng q0

K2’ được chọn theo biểu đồ thực nghiệm trên hình vẽ xây dựng đối với hai loại thép có σT = 22KN/cm2 và

ϬT ‘ trên biểu đồ còn K2’ là hệ số năng lượng cần tìm của

loại thép có giới hạn chảy ϬT nào đó

• Theo điều kiện cân bằng các nội lực dọc trục ta có:

Trong đó: F – tiết diện ngang của tâm kim loại

F = h S (cm2)

b Xác định chiều dài chi tiết (L)

Chiều dài tấm kim loại thường được cho sẵn

c Xác định Môdul đàn hồi (E)

Mô đun dàn hồi được xác định sẵn: E = 2,1 104KN/cm2

d Xác định mômen quán tính của chi tiết hàn (J)

Jx = S h3

12

Ta cũng có thể tính ngay được ứng suất gây ra do uốn là:

+ Ứng suất dư tổng

Một cách gần đúng ta xác định ứng suất tổng bằng cách cộng đại số các ứng suất ở cùng thớ

Ta tính một số điểm:

Tại y = o σtổng = σu - σ2

Tại y = h – bn σtổng = σu + σ2

Ta thấy khi y = h/2 thì σu = 0

Ví dụ: Tìm độ võng dư khi hàn đắp vào mép tấm có kích

Bài tập thực hành : Cho chi tiết có kích thước như hình vẽ:

Biết: Vật liệu cơ bản là thép cacbon có giới hạn chảy σT = 22kN/cm 2 ;

Môdul đàn hồi E =2,1.10 4 kN/cm 2 ; Nhiệt dung khối C γ = 1,25calo/cm 3 0 C; Hàn dưới thuốc với chế độ hàn: I = 600A; U = 32V; V = 40m/h;

Hệ số nhiệt hữu ích η = 0,85; k’2 = 0,2

Tính độ võng dư lớn nhất sau khi hàn đắp vào mép tấm theo chiều dài?

Bài tập thực hành : Cho chi tiết có kích thước như hình vẽ:

Hệ số nhiệt hữu ích η = 0,85; k’2 = 0,2

Tính độ võng dư lớn nhất sau khi hàn đắp vào mép tấm theo chiều dài?

Bài tập thực hành : Cho chi tiết có kích thước như hình vẽ:

Hệ số nhiệt hữu ích η = 0,85; k’2 = 0,4

Tính độ võng dư lớn nhất sau khi hàn đắp vào mép tấm theo chiều dài.

2 Tính ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối:

* Trường hợp hai tấm thép có chiều rộng bằng nhau

Lúc đầu các thớ bị nung nóng không thể tăng chiều dài tự do được vì có

sự cản của các thớ nguội hơn ở kề bên Vì thế ở các thớ được nung nóng cao sẽ xuất hiện ứng suất nén dọc trục, ứng suất này nhanh chóng đạt đến giới hạn chảy σT và gây ra ở phần nguội hơn của tấm ứng suất phản kháng kéo dọc trục σ2 Cùng với việc tăng nhiệt lớn hơn nữa thì vùng ứng suất tác dụng sẽ chuyển sang trạng thái dẻo, ứng suất nén trong nó mất đi, đồng thời ứng suất phản kháng trong vùng nguội của tấm cũng triệt tiêu.

Ngược lại trong quá trình nguội khi phần kim loại chảy ở mối hàn trở lại trạng thái dẻo thì kim loại cơ bản chuyển từ trạng thái dẻo sang đàn hồi Cũng vì không có sự co tự do nên vùng ứng suất tác dụng sẽ chịu ứng suất kéo dọc trục, tương ứng vùng ngoài sẽ chịu ứng suất phản kháng nén Nếu chiều rộng vùng ứng suất tác dụng nhỏ hơn 1/2 tấm hàn thì ứng suất kéo dư bằng giới hạn chảy σT Biểu đồ ứng suất được biểu diễn trên hình vẽ.

Hiện tượng trên chỉ đúng khi tấm hàn là nhỏ hay trung bình, nghĩa là phù hợp với giả thuyết tiết diện phẳng (theo thực nghiệm thì thông thường h0 ≤ 300mm).

Đối với những tấm lớn thì ứng suất phản kháng σ2 ở những vùng càng xa trục hàn sẽ càng nhỏ dần cho đến bằng không.

Độ co của chi tiết hàn có thể tính theo ứng suất phản kháng

dư nén dọc trục theo công thức:

∆l = σ2

LE

* Khi hàn giáp mối các tấm thép có chiều rộng khác nhau

Khi hàn giáp mối các tấm thép có chiều rộng khác nhau thì vùng ứng suất tác dụng sẽ lệch về một phía so với trục trung tâm của tiết diện

ngang của kết cấu Nếu cho rằng các cạnh biên bị hạn chế thì biểu đồ lý thuyết của ứng suất dư dọc trục gây ra bởi nội lực tác dụng dọc trục (vì không có hiện tượng cong) có dạng như hình vẽ

Sơ đồ ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối 2 tấm có

chiều rộng không đều nhau (h2 > h1)

Điểm đặt của lực P là tâm vùng ứng suất tác dụng, nó sẽ tạo ra

mô men uốn với các lực Pa và Pc:

Ma = Pa a + b0

2

Mc = Pc c + b0

2

Hai mômen trên có dấu trái nhau Khi tấm hàn để tự do không

bị chặn thì có hiện tượng cong và mô men uốn do nội lực phản kháng và nội lực tác dụng sẽ là:

M = Ma - Mc

Từ công thức trên ta thấy:

- Khi hc = 0 nghĩa là hàn vào mép tấm nên có mô men uốn cực đại.-

Khi hc = ha nghĩa là hàn giáp mối hai tấm thép có chiều rộng bằng nhau và khi đó mô men uốn bằng không

Từ trị số mô men uốn trên ta xác định được ứng suất gây ra khi uốn

σu = M = 6 P h0 (a – c) = 3 σT b0 ( a – c)

W 2 (h0 – b0) S h2

F(x) = M x ( l – x )

2 E J

Do mô men uốn làm vật hàn bị cong theo chiều dọc Theo lý

thuyết sức bền thỡ độ võng tại một điểm bất kỳ nào đó có toạ độ

x được xác định theo công thức:

Trong đó: x – là hoành độ điểm ta xét.

l – chiều dài của tấm mà ta xét.

Như vậy độ võng cực đại khi x = 0,5l

Khi đó:

fmax = Ml2

8 E J

Thay giá trị của M vào ta có:

Bài tập thực hành: Cho liên kết giáp mối như hình vẽ:

Nhiệt dung khối Cγ= 1,25calo/cm3 0C

Hàn dưới lớp thuốc với chế độ hàn: Cường độ dòng điện hàn

Ih = 620A; Điện áp hồ quang U = 32V; Tốc độ hàn V =

35m/h;

Hệ số nhiệt hữu ích η=0,85

Tính: Độ cong lớn nhất do co dọc sau khi hàn?

Bài tập thực hành: Cho liên kết giáp mối như hình vẽ:

Nhiệt dung khối C γ = 1,25calo/cm3 0C

Hàn dưới lớp thuốc với chế độ hàn:

Ih = 650A; U = 35V; V = 40 m/h; Hệ số nhiệt hữu ích

η=0,85

Tính: Độ cong lớn nhất do co dọc sau khi hàn?

Bài tập về nhà: Cho liên kết giáp mối như hình vẽ:

Nhiệt dung khối C.γ = 1,25calo/cm3 0C

Hàn dưới lớp thuốc với chế độ hàn:

Ih = 650A; U = 35V; V = 35 m/h; Hệ số nhiệt hữu ích

η=0,85

Tính: Độ cong lớn nhất do co dọc sau khi hàn?

Bài tập : Cho liên kết giáp mối như hình vẽ:

Nhiệt dung khối C.γ= 1,25calo/cm3 0C

Hàn dưới lớp thuốc với chế độ hàn:

Ih = 630A; U = 32V; V = 35 m/h; Hệ số nhiệt hữu ích

η=0,85

Tính: Độ cong co dọc và ứng suất dư ?

3 Tính ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết “chữ T”

Kết cấu hàn “chữ T” được dùng khá rộng rãi trong công

nghiệp chế tạo các dạng dầm “chữ T” và “chữ I”

Hàn kết cấu “chữ T” gồm hai tấm và hàn lại với nhau bằng hai mối hàn góc

* Nội lực tác dụng dọc trục P và ứng suất phản kháng σ2 được xác định theo công thức đã có:

P = σT F0 và σ2 = P

F – F0

Vùng ứng suất tác dụng cũng được tính toán như các trường hợp ở trên, cụ thể

b11 b12

Sơ đồ tác dụng của nội lực P và các nội lực phản kháng P1 và P2

và biểu đồ ứng suất gây ra bởi nội lực được biểu diễn như trên hình vẽ

Giả thiết rằng liên kết “chữ T” được giới hạn bởi các cạnh

biên đáy do đó không có biến dạng do uốn ngang, thì từ các

điều kiện cân bằng nội lực ta có:

P = 2 P1 + P2Trong đó: P1 là nội lực phản kháng tác dụng trên phần còn lại của 2 đầu tấm đế ta có:

P1 = σ2 (h1 – bn1 – S2

) S12

P2 là nội lực phản kháng tác dụng trên phần còn lại của tấm vách:

P2 = σ2 ( h2 – bn2 ) S2

* Mô men uốn M của các nội lực tác dụng lên kết cấu “chữ T”

sẽ là:

M = P2y2 – 2P1y1.Trong đó y1 và y2 là khoảng cách từ các điểm đặt lực phản kháng P1 và P2 đến trọng tâm của vùng ứng suất tác dụng (đó

cũng là điểm đặt của nội lực tác dụng P)

σu = M y

J

Nếu kết cấu “chữ T” để tự do không bị giới hạn thì dưới tác

dụng của mô men M nó sẽ bị uốn và ứng suất do uốn sẽ là:

y – là khoảng cách từ thớ ta xét đến trọng tâm của kết cấu “chữ T”.

J – mô men quán tính của tiết diện ngang của “chữ T” lấy đối với trọng tâm của nó.

Do tác dụng của ứng suất uốn mà kết cấu “chữ T” bị cong đi (theo

chiều dọc) như hình vẽ, độ cong f được tính theo công thức:

f = M l2

8 E J

Độ cong của liên kết “chữ T” sau khi hàn

Bài tập thực hành: Cho liên kết “chữ T” như hình vẽ:

Biết : ha = 150mm; hc = 180mm;

L = 3000mm; Sa = Sc = 12mm;

k=1,2cm Vật liệu là thép cacbon có σT = 24kN/cm2;

Môdul đàn hồi E = 2,1.104 kN/cm2; Nhiệt dung khối C.γ = 1,25calo/cm3 0C

b1a b2a

Tính: Độ cong lớn nhất

do co dọc sau khi hàn?

Bài tập thực hành: Cho liên kết “chữ T” như hình vẽ:

Biết : ha = 100mm; hc = 120mm; L = 3000mm; Sa = Sc =

12mm; k=1,2cm; Vật liệu là thép cacbon có σT = 24kN/cm2; Môdul đàn hồi E = 2,1.104 kN/cm2;

Nhiệt dung khối C.γ = 1,25calo/cm3 0C

b1a b2a

Tính: Độ cong lớn nhất

do co dọc sau khi hàn?

Bài tập thực hành: Cho liên kết “chữ T” như hình vẽ :

Biết : ha = 120mm; hc = 180mm; L = 2500mm;

Sa = Sc = 10mm; k=1,0cm;

Vật liệu là thép cacbon có σT = 22kN/cm 2 ; Môdul đàn hồi E = 2,1.10 4 kN/cm 2 ;

Nhiệt dung khối C γ = 1,25calo/cm 3 0 C

b1a b2a

Tính: Độ cong lớn nhất do

co dọc sau khi hàn?

1.5 An toàn lao động – vệ sinh phân xưởng

+ An toàn lao động: Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong suốt quá trình học tập

+ Vệ sinh phân xưởng:

- Thu dọn thiết bị, dụng cụ

- Vệ sinh phân xưởng

- Nhắc nhở nhiệm vụ cho bài học sau