Nghiên cứu biến dạng khi hàn dầm chữ i và biện pháp xử lý biến dạng dư

Khi chế tạo và lắp ghép do có ứng suất và biến dạng nên có những sai số nhất định, nhờ việc nghiên cứu về chúng mà ta có thể đảm bảo được độ chính xác của kết cấu hàn.. Vì vậy, việc nghi

Trang 1

Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn GVHD: PGS.TS Nguyễn Tiến Dương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng những số liệu nghiên cứu và kết quả trong Luận văn này là trung thực, chưa được sử dụng để bảo vệ ở một học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các trích dẫn trong Luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 15 tháng 03 năm 2014

Học viên

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh

sự nỗ lực cố găng của bản thân còn có sự hướng dẫn giúp đỡ của quý thầy cô, bạn

Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn một cách tốt nhất có thể, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn

Trang 3

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1.Tổng quan về các loại dầm hàn và ứng dụng của chúng 4

1.2.Ứng dụng của dầm hàn chữ I: 6

1.3.Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I: 7 1.3.1 Tính kinh tế: 7

1.3.2 Tính công nghệ: 8

CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ HÀN DẦM CHỮ I 10

2.1 Cấu tạo của dầm chữ I 10

2.2 Lựa chọn phương pháp hàn dầm 11

2.3 Lựa chọn vật liệu chế tạo dầm 15

2.4 Lựa chọn phương án hàn dầm 20

2.5 Chế độ hàn cho kết cấu dầm chữ I 25

2.5.1.Tổng quan về cách tính toán chế độ hàn: 26

2.5.2 Xác định chế độ hàn: 28

CHƯƠNG III ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN DẦM CHỮ I 33

3.1 Các thành phần ứng suất và biến dạng trong kết cấu dầm chữ I 33

3.1.1.Biến dạng theo trục X: 33

3.1.2.Biến dạng theo trục Y: 33

3.1.3.Biến dạng theo trục Z: 34

3.2 Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất và biến dạng 34

3.2.1 Lý thuyết ứng suất và biến dạng hàn và ý nghĩa của nó 34

3.2.2 Phân loại ứng suất và biến dạng 36

Trang 4

3.2.3 Nguyên nhân phát sinh biến dạng và ứng suất hàn: 39

3.3 Ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn góc 39

3.3.1 Vùng ứng suất tác động và nội lực tác động 39

3.3.2 Mô men uốn và độ võng 42

3.3.3 Biến dạng góc 48

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ HÀN, ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN DẦM CHỮ I 53

4.1 Các kích thước của dầm chữ I 53

4.2 Xác định chế độ hàn dầm chữ I 53

4.3 Xác định ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I 57

4.3.1 Tính toán ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra 57

4.3.2 Xác định nội lực và ứng suất phản kháng 59

4.3.3 Xác định ứng suất uốn và độ võng 60

4.3.4 Tính toán biến dạng góc: 63

CHƯƠNG V NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ĐO BIẾN DẠNG HÀN 67

5.1 Mẫu hàn thử 67

5.2 Thiết bị và vật liệu hàn: 67

5.3 Chế độ hàn mẫu thử 68

5.4 Dụng cụ chuẩn bị: 68

5.5 Sơ đồ đo biến dạng co dọc 68

5.6 Sơ đồ đo biến dạng độ võng của dầm: 69

5.7 Sơ đồ đo biến dạng góc: 69

5.8.Trình tự tiến hành thực nghiệm đo biến dạng 70

5.8.1 Hàn các mẫu thử: 70

5.8.2 Chuẩn bị phôi chế tạo dầm: 71

5.8.3 Gá đính, hàn, đo biến dạng 71

5.8.4 Kết quả đo biến dạng 75

CHƯƠNG VI CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ BIẾN DẠNG DƯ 78

6.1 Các biện pháp giảm biến dạng khi hàn 78

Trang 5

6.2 Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

1.Kết luận: 85

2 Kiến nghị: 87

TÓM TĂT LUẬN VĂN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

Trang 6

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

b [mm] Kích thước các vùng tính toán

 [mm] Chiều dày vật liệu

h [mm] Kích thước các chi tiết

F [mm2] Diện tích tiết diện

J [mm] Mô men quán tính

б [N/m2] Ứng suất pháp

η [N/m2] Ứng suất tiếp

E [N/m2] Mô đun đàn hồi

γ [g/cm3] Khối lượng riêng

Trang 7

Hình 2.2 Tấm biên và tấm vách dầm trước khi chế tạo dầm I Hình 2.3 Nguyên lý máy hàn tự động

Hình 2.4 Thiết bị hàn tự động Hình 2.5 Trạm hàn tự động dưới lớp thuốc Hình 2.6 Hình dây hàn sử dụng chế tạo dầm I Hình 2.7 Hình thuốc hàn sử dụng chế tạo dầm I Hình 2.8 Phương án hàn dầm số 1

Hình 2.9 Độ võng của phương án hàn dầm số 2 khi hàn xong mối hàn 1 và 2

Hình 2.10 Phương án hàn dầm số 2

Hình 2.11 Phương án hàn dầm thứ 3 Hình 2.12 Liên kết hàn giáp mối Hình 2.13 Sơ đồ tính toán kích thước mối hàn Hình 2.14 Kích thước mối hàn giáp mối vát mép có khe hở Hình 2.15 Kích thước mối hàn giáp mối vát mép có khe hở Hình 2.16 Kích thước mối hàn góc trong không vát mép, hàn một lớp Hình 2.17 Sơ đồ tính toán chiều cao toàn bộ kim loại đắp khi hàn nhiều lớp

Hình 3.1 Biến dạng toàn phần của dầm I Hình 3.2 Vùng ứng suất tác động và biểu đồ ứng suất do nội lực dọc trục gây ra Hình 3.3 Phương án hàn dầm số 1

Z

Trang 8

Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn GVHD: PGS.TS Nguyễn Tiến Dương Hình 3.4 Phương án hàn dầm số 2

Hình 4.1 Kích thước mối hàn góc trong không vát mép, hàn một lớp

Hình 4.2 Hệ số ngấu và hệ số đắp

Hình 4.3 Biểu thị vùng ứng suất biến dạng

Hình 4.4.Sơ đồ xác định nội lực và ứng suất

Hình 5.1 Liên kết hàn mẫu

Hình 5.2 Thiết bị hàn sử dụng thí nghiệm

Hình 5.3 Sơ đồ đo co dọc

Hình 5.4 Sơ đồ đo độ võng

Hình 5.5 Sơ đồ đo biến dạng góc

Hình 5.6 Các mẫu thử kiểm tra chế độ hàn

Hình 5.7.Vị trí đồng hồ đo kích thước dầm sau khi hàn đính

Hình 5.8 Hàn lần lư t các mối hàn

Hình 5.9 Chất lư ng đường hàn sau khi hàn xong các mối hàn

Hình 5.10.Các trị số biến dạngthay đổi sau khi hàn hoàn thiện các mối hàn

Hình 6.1 Hình ảnh máy nắn dầm

Hình 6.2 Các biện pháp giảm biến dạng hàn

Trang 9

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, ngành Hàn đã và đang đóng một vai trò đặc biệt quan trọng Ở đâu, chúng ta cũng bắt gặp các sản phẩm của ngành Hàn từ gia đình đến các Công ty, tại các phân xưởng sản xuất hay các công trường xây dựng Đặc biệt các sản phẩm của ngành Hàn đang chiếm một tỷ trọng lớn trong các lĩnh vực như: Đóng tàu, giao thông, xây dựng, dầu khí, y tế, Hiện nay, ngành Hàn đang phát triển rất mạnh mẽ với sự ra đời của hàng loạt các phương pháp hàn mới, không những hàn được kim loại với kim loại mà còn hàn được kim loại với phi kim, hàn được vật liệu dẻo và vật liệu composite Các thiết bị hàn ngày càng hiện đại từ hàn hồ quang tay đến hàn Bán Tự Động, hàn Tự Động, Flux core, Mig/Mag… nhằm giải phóng sức lao động cho con người và đem lại hiệu quả kinh tế và năng suất lao động cao, giảm thiểu thời gian thao tác, thi công Các sản phẩm của ngành hàn ngày càng có tính ưu việt từ chất lượng đến kiểu dáng mẫu mã

Việc nghiên cứu tính toán trạng thái ứng suất và biến dạng khi hàn có một ý nghĩa hết sức quan trọng Biết được ứng suất và biến dạng của kết cấu sau khi hàn cho phép đánh giá khả năng làm việc của kết cấu Khi chế tạo và lắp ghép do có ứng suất và biến dạng nên có những sai số nhất định, nhờ việc nghiên cứu về chúng mà ta có thể đảm bảo được độ chính xác của kết cấu hàn

Ta cần tính toán ứng suất và biến dạng sẽ xuất hiện do hàn gây ra thì mới có được quy trình công nghệ hàn phù hợp để giảm ứng suất và biến dạng

Chất lượng của các tổ hợp dầm hàn thường phụ thuộc rất lớn vào hệ thống hàn Hiện nay, trong sản xuất tại các doanh nghiệp đã xuất hiện rất nhiều máy hàn hiện đại, sử dụng các quy trình hàn, tiêu chuẩn quốc tế.Nếu quy trình hàn không hợp lí, sẽ xuất hiện biến dạng và ứng suất dư rất lớn Biến dạng sau khi hàn làm thay đổi hình dạng và kích thước của dầm, ảnh hưởng đến quá trình chế tạo kết cấu và chất lượng của nó Ứng suất dư sau khi hàn làm giảm khả năng làm việc của dầm Vì vậy, việc nghiên cứu biến dạng và ứng suất dư khi hàn dầm chữ I cho phép đánh giá khả năng làm việc của dầm và đưa ra các biện pháp để giảm biến

Trang 10

dạng, tăng độ chính xác khi chế tạo kết cấu dầm

Chính vì tính cấp thiết của việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng hàn tác giả

đã chọn đề tài:

“Nghiên cứu biến dạng khi hàn dầm chữ I và biện pháp xử lý biến dạng

dư sau khi hàn”

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu

- Xác định chế độ hàn khi hàn liên kết chữ I;

- Xác định ứng suất và biến dạng liên kết chữ I;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến biến dạng của liên kết hàn chữ I ;

- Đưa ra các biện pháp để xử lý biến dạng dư sau khi hàn

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là:

- Tính toán và xác định chế độ hàn cho liên kết chữ I;

- Tính toán ứng suất và biến dạng liên kết hàn chữ I;

- Ảnh hưởng của chế độ hàn đến biến dạng của liên kết hàn chữ I

- Xác định chế độ hàn hợp lý để giảm biến dạng liên kết hàn chữ I

Phạm vi nghiên cứu đi vào nghiên cứu, tính toán ứng suất và biến dạng do co dọc và do co ngang gây ra khi hàn dầm chữ I Trước hết vùng ứng suất tác động và nội lực tác động được xác định Tiếp theo là biến dạng co dọc, biến dạng góc, mô men uốn và độ võng dư của dầm sau khi hàn được tính toán, dựa vào quá trình nghiên cứu ứng suất và biến dạng hàn liên kết chữ I, thực nghiệm nghiên cứu biến dạng khi hàn liên kết chữ I, từ đó đưa ra chế độ hàn hợp lý để làm giảm biến dạng khi hàn liên kết chữ I Cuối cùng, tác giả đề cập đến một số biện pháp để giảm biến dạng khi hàn dầm chữ I

Trang 11

3 Tóm tắt nội dung thực hiện

- Nghiên cứu tổng quan về dầm chữ I

- Nghiên cứu vật liệu chế tạo dầm hàn

- Kết cấu chung của dầm hàn

- Xây dựng chế độ hàn dầm

- Nghiên cứu thực nghiệm đo biến dạng hàn dầm

- Các biện pháp xử lý và giảm biến dạng khi hàn dầm

Với ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tế của luận văn sau khi hoàn thành sẽ có những đóng góp đáng kể cho các doanh nghiệp và nhà sản xuất kết cấu thép

Ý nghĩa khoa học: Bằng cơ sở lý thuyết kết hợp với quá trình thực nghiệm tại

các cơ sở sản xuất, luận văn xác định được biến dạng khi hàn dầm chữ I

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của tác giả sẽ đóng góp thêm vào việc

nâng cao chất lượng của sản phẩm dầm hàn chữ I tại các doanh nghiệp, rút ngắn đáng kể về thời gian và các công đoạn trong quá trình sản xuất Làm cơ sở cho việc nghiên cứu, tính toán ứng suất và biến dạng hàn cho các sản phẩm cơ khí khác và đạt được năng suất cao nhất khi sản xuất dầm chữ I nhưng vẫn đảm bảo chất lượng của sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết;

- Tiến hành thực nghiệm tại xưởng Kết cấu thép 1 Công ty TNHH MTV Dịch vụ cơ khí Hàng Hải - PTSC M&C

Trang 12

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về các loại dầm hàn và ứng dụng của chúng

Trong nền sản xuất cơ khí, sản lượng sản xuất bằng công nghệ hàn hoặc liên quan đến hàn chiếm một tỷ trọng rất lớn Công nghệ hàn đã và đang đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong ngành sản xuất cơ khí Tại một số ngành, có thể nói công nghệ hàn là không thể thiếu vì nó chiếm khối lượng rất lớn Điển hình là các ngành công nghiệp như: Đóng tàu, Dầu khí, Công trình nổi, Ôtô, Xây dựng…, Dầm là loại cấu kiện cơ bản trong kết cấu.Về mặt chịu lực thì dầm chủ yếu chịu uốn Ưu điểm nổi bật của dầm thép là cấu tạo rất đơn giản, chi phí cho chế tạo dầm không lớn, do đó dầm thép được sử dụng rất phổ biến

Ngày nay, với xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật thì kết cấu thép ngày càng được nghiên cứu,phát triển, hoàn thiện hơn, sử dụng ngày càng rộng rãi hơn trong nhiều công trình khác nhau từ những công trình nhỏ như nhà ở, nhà máy, xí nghiệp cho đến các công trình đòi hỏi vượt nhịp lớn như nhà thi đấu, sân vận động, hănga máy bay,… Dầm thép có rất nhiều loại tiết diện khác nhau như dầm hình ( chữ I, C, T, hình tròn…),dầm tổ hợp, dầm hộp,dầm có sườn lượn sóng,…

Mỗi loại dầm đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó tùy thuộc các điều kiện về loại kết cấu công trình, tính toán thiết kế ban đầu, về giải pháp kiến trúc, thi công, điều kiện về kinh tế kỹ thuật,…mà sử dụng các loại dàm khác nhau

Hình 1.1 Các loại dầm có biên dạng không đổi trong thực tế sản xuất

a) Dầm chữ T b) Dầm chữ I c) Dầm chữ H

Theo sơ đồ chịu lực, có các loại dầm sau:

- Dầm đơn giản

- Dầm liên tục

Trang 13

- Dầm consol

Hình 1.2.Phân loại dầm theo sơ đồ kết cấu

* Theo đặc điểm cấu tạo:

- Dầm tổ hợp: Là dầm được làm từ các bản thép hoặc từ các bản thép và các

thép hình Nếu dùng liên kết hàn để liên kết các bộ phận của dầm thì dầm được gọi

là dầm tổ hợp hàn, dầm chế tạo bằng Phương pháp hàn thường là dầm có kích thước

và khối lượng lớn hoặc là các dầm không theo bộ kích thước tiêu chuẩn Dầm tổ

- Dầm hình:

Trang 14

Được làm từ thép hình, thường sử dụng hai loại thép chữ I và thép chữ C.Trong đó thép chữ I có tiết diện đối xứng, có mômen chống uốn đối với trục x – x lớn nên thích hợp khi chịu uốn phẳng, thép chữ C có tiết diện không đối xứng nhưng có cánhrộng nên chịu uốn xiên hợp lý hơn

- Dầm hộp: Dầm hộp là dầm được tạo từ các thanh thép (bản thép) ghép lại với nhau bằng liên kết hàn

- Dầm có sườn lượn sóng: là dầm có sườn được chế tạo theo hình lượn sóng nhằm tăng cường độ ổn định cho thanh bụng đồng thời tăng độ ổn định cho dầm

Do sườn được chế tạo theo hình lượn sóng làm mômen chống uốn của sườn tăng, làm tăng độ cứng tổng thể của dầm.tuy nhiên do việc chế tạo sườn theo hình lượn sóng nên việc chế tạo sẽ phức tạp hơn,công tác liên kết sườn với thanh bụng khó khăn hơn so với dầm hình thông thường

1.2 Ứng dụng của dầm hàn chữ I:

- Với dầm chữ I do có tiết diện đối xứng, lại có mômen chống uốn khá lớn nên rất hợp lý với những dầm chịu uốn phẳng như dầm sàn nhà, dầm sàn công tác, sàn kết cấu, dầm cầu,…

-Với dầm thép chữ I còn tham gia trong lĩnh vực kết cấu xây dựng, xây dựng nhà xưởng…

Hình 1.4 Hình minh hoa ứng dụng của dầm I trong kết cấu chế tạo giàn khoan dầu khí

Trang 15

Hình 1.5 Hình ảnh dầm I chế tạo bằng phương pháp hàn

Hình 1.6 Hình ảnh chế tạo sàn thao tác dàn khoan bằng dầm I

1.3 Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng khi hàn

dầm chữ I:

1.3.1 Tính kinh tế:

Trong quá trình chế tạo dầm hàn chữ I, ứng suất và biến dạng hàn có vai trò

quyết định khả năng làm việc của kết cấu

Biến dạng dư trong hàn làm thay đổi hình dáng và kích thước của các chi tiết được hàn, ảnh hưởng đến quá trình lắp ráp và chế tạo Sau khi hàn tốn thời gian và chi phí để xử lý biến dạng dư Ngoài ra nó còn ảnh hưởng rất lớn đến khả khả năng

Trang 16

làm việc của kết cấu Cần phải tính toán các biến dạng dư xảy ra sau khi hàn để từ

đó có các biện pháp công nghệ hàn hợp lý để giảm biến dạng dư cũng như giảm ảnh hưởng của chúng, đảm bảo độ chính xác và khả năng làm việc tốt cho kết cấu hàn.Vì vậy muốn đạt được năng suất và hiệu quả sản xuất cao ta phải hạn chế tốt được ứng suất và biến dạng hàn

Từ đó ta thấy được giá trị tiềm ẩn của việc tính toán ứng suất và biến dạng hàn để từ

đó tìm ra biện pháp khắc phục chúng

1.3.2 Tính công nghệ:

- Sản xuất bằng công nghệ hàn là một phương pháp gia công có độ biến dạng rất lớn Vì vậy trong và sau khi gia công, các chi tiết hoặc kết cấu thường bị thay đổi về cả hình dáng cũng như kích thước Vấn đề này sẽ được giải quyết khi ta tính toán ứng suất và biến dạng hàn để từ đó đưa ra biện pháp khắc phục

- Bên cạnh đó, trong thực tế sản xuất, có nhiều dạng chi tiết hay kết cấu có những đường hàn phức tạp, có biên dạng đặc biệt mà nếu đơn thuần người công nhân dù tay nghề rất cao cũng rất khó hoặc không thực hiện được một cách tốt nhất Vấn đề này sẽ được giải quyết thông qua quá trình tính toán ứng suất và biến dạng hàn để từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục như: tiết kế đồ

gá hàn giải quyết nhiệm vụ: ―Luôn đưa chi tiết hàn về vị trí thuận lợi nhất‖ để thực hiện công việc hàn, một số biện pháp công nghệ và kết cấu khi hàn

Vì vậy việc nghiên cứu ứng suất dư và biến dạng sau khi hàn dầm chữ I cho phép đánh giá khả năng làm việc của dầm và đưa ra các biện pháp để giảm biến dạng tăng độ chính xác khi chế tạo kết cấu dầm Luận án tác giả đi vào nghiên cứu, tính toán ứng suất và biến dạng do co dọc và do co ngang gây ra khi hàn dầm chữ I theo phương pháp hàn lựa chọn Trước hết vùng ứng suất tác động và nội lực tác động được xác định Tiếp theo là biến dạng co dọc, biến dạng góc, mô men uốn và độ võng dư của dầm sau khi hàn được tính toán Cuối cùng, đề cập đến một số biện pháp để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I

Trang 17

Kết luận chương I

Trong chương 1, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:

1 Tổng quan về các loại dầm hàn

2 Ứng dụng của dầm hàn chữ I

3.Tính cấp thiết của đề tài

4 Từ những phân tích đó tác giả đi đến kết luận về tính cấp thiết của công việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I là phù hợp với khuôn khổ luận văn của mình

Trang 18

CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ HÀN DẦM CHỮ I

2.1 Cấu tạo của dầm chữ I

Kết cấu của dầm I bao gồm 2 tấm biên ( hay còn gọi là bản bụng ) và 1 tấm vách ( hay còn gọi là bản cánh )

 δc: Chiều dầy tấm biên

 a: chiều cao mối hàn

Đối với dầm có chiều dài lớn, thông thường các biên và tấm vách được chế tạo trước bằng các mối hàn giáp mối từ các tấm riêng lẻ để đạt được chiều dài mong muốn Sau đó toàn bộ kết cấu được lắp ghép thành một kết cấu hoàn chỉnh nhờ các mối hàn đính Cuối cùng là thực hiện 4 mối hàn góc giữa 2 tấm biên và tấm vách

Giữa hai tấm biên và tấm vách được liên kết với nhau bằng liên kết hàn góc Chiều cao dầm là kích thước cơ bản của dầm tổ hợp, chính nó đánh giá

Trang 19

khả năng chịu lực và giá thành của dầm

Trong quá trình chế tạo kết cấu việc tính toán và lựa chọn các kích thước hợp lý sẽ tạo cho kết cấu sự hoàn hảo nhất đảm, bảo được các yêu cầu kỹ thuật

và kinh tế

Tấm biên gồm hai tấm, có thể có chiều dầy giống nhau hoặc khác nhau Tấm biên thường có chiều dầy lớn hơn tấm vách Tấm biên là một bộ phận cấu thành nên dầm hàn chữ I, có vai trò liên kết với tấm vách tạo thành khối liên kết cứng có khả năng chịu lực rất tốt

Tấm vách cũng có cấu tạo giống như tấm biên, được chế tạo từ thép tấm Bản chất chịu lực trong kết cấu dầm I của tấm vách là tốt hơn tấm biên khi nó chịu uốn

Ngày nay, với xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật thì dầm chữ I ngày càng được nghiên cứu,phát triển, hoàn thiện hơn, sử dụng ngày càng rộng rãi hơn trong nhiều công trình khác nhau từ những công trình nhỏ như nhà ở, nhà máy, xí nghiệp cho đến các công trình đòi hỏi vượt nhịp lớn như tàu thuyền, các cấu kiện dầu khí…

Hình 2.2 Tấm biên và tấm vách dầm trước khi chế tạo dầm I

2.2 Lựa chọn phương pháp hàn dầm

Hiện nay người ta sử dụng nhiều phương pháp hàn hồ quang cho việc hàn chế tạo dầm như: hàn hồ quang tay, Mig/Mag, hàn flux core, hàn tự động hoặc bán

Trang 20

tự động dưới lớp thuốc hay trong môi trường khí bảo vệ Điều này phụ thuộc vào điều kiện, khả năng sản xuất của Công ty Nhưng, để nâng cao chất lượng cũng như năng suất chế tạo của dầm hàn chữ I, trong thực tế người ta thường sử dụng phương pháp hàn tự động, có thể là hàn tự động dưới lớp thuốc hoặc hàn tự động trong môi trường khí bảo vệ Do nhiều ưu điểm nổi trội nên trong thực tế để hàn dầm chữ I, phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc thường được sử dụng phổ biến và rộng rãi hơn Vì vậy, trong luận án này tác giả sẽ lựa chọn phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc

Hàn hồ quang dưới lớp thuốc hay còn gọi là hàn hồ quang chìm, trong tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged are welding) , là quá trình hàn nóng chảy mà hồ quang cháy giữa dây hàn (điện cực hàn) và vật hàn dưới một lớp thuốc bảo vệ Dưới tác dụng của nhiệt hồ quang, mép hàn, dây hàn và một phần của thuốc hàn sát hồ quang sẽ bị nóng chảy tạo thành vũng hàn.Dây hàn được đẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu đặc biệt với tốc độ phù hợp với tốc độ cháy của nó.Với hàn

tự động dưới lớp thuốc bảo vệ thì khâu cấp dây hàn vào vùng hồ quang và chuyển động của hồ quang theo trục mối hàn được tự động hóa

Trang 21

Hình 2.3 Nguyên lý máy hàn tự động

Ưu điểm của hàn tự động dưới lớp thuốc:

- Không phát sinh khói, hồ quang kín, do đó làm giảm thiểu nhu cầu PPE Không đòi hỏi kỹ năng cao của thợ hàn, điều kiện lao động thuận lợi

- Chất lượng kim loại mối hàn cao Bề mặt mối hàn trơn và đều, không bắn tóe kim loại Tiết kiệm kim loai do sử dụng dây hàn liên tục

- Tốc độ đắp và tốc độ hàn cao Năng suất cao Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, ít biến dạng sau khi hàn Dễ tự động hóa

Tuy nhiên hàn tự động dưới lớp thuốc có một số nhược điểm sau:

- Phải làm sạch kim loại, vệ sinh mối hàn sạch trước khi tiến hành hàn

- Công tác chuẩn bị cho việc hàn công phu

- Không quan sát được trực tiếp vũng hàn.Chỉ hàn được ở tư thế hàn xấp

- Gía thành thiết bị cao

Trang 22

Hình 2.4 Thiết bị hàn tự động

Hình 2.5 Trạm hàn tự động

Trang 23

2.3 Lựa chọn vật liệu chế tạo dầm

Với phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc, vật liệu hàn ( bao gồm dây hàn

và thuốc hàn) có ảnh hưởng quyết định đến tính chất kim loại mối hàn Loại dây hàn ảnh hưởng đáng kể đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn Thuốc hàn cũng ảnh hưởng đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn và hình dạng mối hàn Do đó việc lựa chọn dây hàn và thuốc hàn là một bước hết sức quan trọng

Chọn vật liệu- Kết cấu hàn là tổ hợp của nhiều chi tiết mà trong đó mỗi chi tiết

có chức năng và điều kiện làm việc không giống nhau Do đó phải căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật của từng chi tiết để lựa chọn vật liệu chế tạo cơ bản sao cho hợp lý Vừa phải đảm bảo chất lượng năng suất và giá thành chế tạo kết cấu Nói cách khác

là vật liệu phải đảm bảo đồng thời 2 chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật

- Chọn vật liệu kim loại chế tạo dầm:

Để vừa đảm bảo độ bền vừa đảm bảo tính hàn , giá thành lại phù hợp ta chọn vật liệu

là thép CT38 (TCVN 1695-75) tương đương với thép CT3 (TC Nga ГOG380-71) Bởi

vì loại vật liệu này được sử dụng phổ biến trên thị trường, nó vừa đảm bảo tính kính tế, tính hàn tốt cũng như đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của kết cấu khi làm việc

- CT38 có các thành phần và độ bền tương đương với các mác thép trên thế giới như: SS400 (Jis - Nhật); Q235 (GB – Trung Quốc); A570Gr.A (ASTM - Mỹ); S235JA (BS – Anh); S235JA (Din – Đức); CT3 (ГОСТ –Nga); S235JA (NF – Ph áp)…

1651 - 85

(1765 - 85

)

0.14 - 0.22 0.12 - 0.30 0.40 - 0.65 0.04 0.045

Trang 24

Bảng 2.2 Thành phần cơ tính của thép CT38

Tiêu chuẩn

(Standard)

Mác thép (Grade)

(Mechanical Properties)

Giới hạn chảy (Yeild Point) (N/mm2)

Giới hạn bền kéo (Tensile

Strength) (N/mm2)

Độ giãn dài (Elongation) (%)

E = 2,1.106

( kG/ cm2

) + Khối lượng riêng:

γ = 7,85 ( g/cm3

) = 7,85.10 3

( kG/cm3

) -Với vật liệu dẻo: ζo = giới hạn chảy

Bảng2.3.Thống kê cơ tính của thép CT38:

Trang 25

Bảng 2.4 Thành phần hoá học của thép CT38

- Chọn dây hàn:

Dựa vào thành phần hóa học và cơ tính của thép CT38 ta chọn dây hàn Linconl premeierweld L8 của hãng sản xuất Linconl, đây là nhà cung cấp vật tư tiêu hao nổi tiếng trên thế giới, hiện dây hàn Linconl premeierweld L8 đang sử dụng vào việc chế tạo BG Beam của Topside dự án HRD trong Công ty PTSC M&C Dây hàn Linconl Premeierweld L8 áp dụng tiêu chuẩn tương đương với tiêu chuẩn AWS A5.17:1997

Dây hàn Linconl premeierweld L8là loại dây hàn có hàm lượng carbon, sillic thấp, hàm lượng mangan tương đối cao, tạp chất lưu huỳnh và phốtpho vô cùng nhỏ tạo

ra mối hàn với nền kim loại tốt, có thể kết hợp với nhiều loại thuốc hàn khác nhau tạo ra những mối hàn có chỉ tiêu cơ lý tương đối cao theo mong muốn

Dây hàn Linconl premeierweld L8 thích hợp sử dụng cho hàn các kết cấu thép carbon thấp và hợp kim trung bình như: bồn áp lực, đường ống, kết cấu thép chịu tải trọng nặng, các kết cấu dân dụng, cầu đường, ôtô, tàu thuyền, kết cấu giàn khoan dầu khí

Nhãn hiệu thép Thành phần hoá học

CT38 0,140,22 0,4 0,65 0,120,3 <0,04 <0,05

Trang 26

Hình 2.6 Hình dây hàn sử dụng chế tạo dầm I + Bảng 2.5.Thành phần hoá học của dây hàn Linconl premeierweld L8

Loại dây hàn Thành phần hóa học(%)

+ Bảng 2.6.Cơ tính của mối hàn đư c xác định như sau:

Loại dây hàn Các chỉ tiêu về cơ tính

Linconl

premeierweld

L8

Giới hạn bền kéo

(b) (Mpa)

Giới hạn chảy

(c) (Mpa)

Độ dãn dài tương đối

(%)

Độ dai va đập

Trang 27

- Chọn thuốc hàn:

Dựa vào thành phần hóa học , cơ tính của vật liệu chế tạo dàm và dây hàn, ta chọn loại thuốc hàn F4A2-HO8A theo tiêu chuẩn của Mỹ AWS A5.17:1997, thuốc hàn F4A2-HO8A có nguồn gốc và xuất xứ từ Trung Quốc

Thuốc hàn F4A2-HO8A (tương đương với tiêu chuẩn AWS A5.17:1997) là một loại thuốc kết dính silicon, canxi Kích thước hạt thuốc 10-40(2.0-0.45mm) Có thể sử dụng dưới dòng điện một chiều hoặc xoay chiều,nhưng dây hàn phải được kết nối với điện cực dương khi dùng dòng một chiều Tính năng hàn tuyệt vời với hồ quang ổn định, dễ bong xỉ và mối hàn đẹp Kim loại hàn chịu được độ dai va đập cao ở nhiệt độ thấp,

Thuốc hàn F4A2-HO8A được sử dụng kết hợp với nhiều loại dây hàn hồ quang chìm như EL12, EM12K, 5/32 Electrode L-S3, Linconl premeierweld L8

…dùng cho kết cấu thép C và thép hợp kim thấp và cao như nồi hơi, đường ống chịu áp lực cao, kết cấu giàn khoan …

Hình 2.7 Hình thuốc hàn sử dụng chế tạo dầm I Bảng 2.8 Thành phần hóa học chính

SiO2+TiO2 Al2O3+MnO CaO+MgO CaF2 S P

Trang 28

Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn GVHD: PGS.TS Nguyễn Tiến Dương Bảng 2.9 Cơ tính mối hàn sau khi hàn:

Dây hàn

Chuẩn hóa

Ứng suất chảy

(Mpa)

Độ bền kéo (Mpa) Sức căng

Akv (J)

Premeierweld

Hệ số an toàn

Trong quá trình thiết kế bất kỳ kết cấu nào, chúng ta luôn phải chú ý đến hệ số

an toàn ( hệ số vượt tải) n

Hệ số an toàn giúp cho kết cấu vẫn ổn định khi làm việc quá công suất đã thiết

kế khi chúng ta chọn hệ số an toàn cần phải chú ý đến các vấn đề:

- Tính chất của vật liệu sử dụng chế tạo

- Điều kiện làm việc và phương pháp tính toán, yêu cầu mức độ tính toán

- Tính chất quan trọng của kết cấu và yêu cầu về tuổi thọ

- Tính chất của tải trọng tác dụng (tĩnh hay động) và mức độ phản ánh chính xác

2.4 Lựa chọn phương án hàn dầm

Kết cấu dầm hàn chữ I có thể coi như hai dầm chữ T ghép lại, nó có một tấm vách

và hai tấm đế được hàn với nhau bằng bốn mối hàn góc; do vậy các trị số nội lực tác dụng và nội lực phản kháng xét như đối với dầm chữ T

Biến dạng của liên kết chữ I phụ thuộc chủ yếu vào trình tự công nghệ

thực hiện các mối hàn

1)Phương án 1:

Trang 29

8

EJ

l M

f 

J1 : mô men quán tính của dầm chữ T

- Sau khi hàn mối hàn 3 và 4, dầm I chịu mô men M2, độ võng :

2

2 2 2

8

EJ

l M

Trang 30

Để tránh cong sau khi hàn kết cấu chữ I thì f1 = f2

1

2 1

1 02

2 1 01 2

2 2

J y J

h P

J y P l M

EJ EJ

Trang 31

.8

J E

l M

f 

;

2

2 3 , 2 3

,

2

8

.

J E

l M

f  ;

J E

l M f

8

.2

4

4  ( 2.6 ) triệt tiêu lẫn nhau

Trang 32

Kết luận:

- Theo phương án này, phải lật dầm nhiều lần ( hai lần quay 1800 )

- Nếu hàn dưới lớp thuốc, hợp lý nhất là để các mối hàn ở vị trí hàn sấp, sẽ bảo đảm nung đồng đều các tấm vách và biên, chân mối hàn ngấu tốt và dữ thuốc hàn thuận tiện Tuy nhiên, số lần lật dầm lại tăng lên ( ba lần )

3) Phương án 3:

- Đầu tiên người ta hàn các mối hàn 1và 2

- Sau đó xoay lật 1800 và hàn các mối hàn 3 và 4

- Độ võng dư f hầu như không đángkể vì các lý do sau:

+ Nội lực của hai cặp mối hàn ( 1và 2 ) và ( 3và 4 ) tác động lên toàn bộ dầm chữ I nên độ võng do mỗi mối hàn gây ra đều bị triệt tiêu bởi các mối hàn khác

Trang 33

- Để chống lại hiên tượng nói trên, người ta thường tiên hành kéo sơ bộ tấm vách trước khi hàn và chế tạo như sau:

1 Tấm vách được đưa lên thíêt bị kéo để kéo dài thêm một đoạn ( biến dạng đàn hồi )

2 Ghép nó với các tấm biên

3 Hàn đính bằng hai máy hàn tự động Kích thước các mối hàn đính là nhỏ

4 Tháo dầm đã lắp ghép ra khỏi thiết bị kéo sơ bộ

5 Hàn bằng hai máy hàn tự động theo phương án 3 vừa nêu

Đó là phương pháp sản suất với quy mô hàng loạt với dầm hàn chữ I

Kết luận chung:

Theo sự phân tích trên ta thấy phương án 1 và phương án 3 là ưu việt nhất, Tuy nhiên suất phát từ điều kiện thí nghiệm của bản thân tác giả chọn Phương án 1 để chế tạo dầm chữ I

2.5 Chế độ hàn cho kết cấu dầm chữ I

Việc lựa chọn và đưa ra được chế độ hàn của quá trình hàn là một bước hết sức quan trọng, đưa ra được chế độ hàn hợp lý sẽ tạo ra sự ổn định trong suốt quá trình hàn, giảm thiểu khả năng gây ra khuyết tật sau khi hàn và tăng chất lượng mối hàn

Các thông số của chế độ hàn được xác định dựa trên các giá trị biết trước về hình dạng mối hàn và kích thước mối hàn Khi biết trước kích thước mối hàn, có thể xác định được các thông số của chế độ hàn Kích thước của mối hàn ( chiều sâu ngấu h, chiều cao đắp c, chiều rộng mối hàn b) có thể được xác định thông qua tra bảng hoặc thông qua tính toán dựa trên chiều dày tấm cần hàn, các hệ số ngấu và hệ

số hình dạng mối hàn được chọn trước hay tính toán bằng các công thức thực nghiệm Các thông số của chế độ hàn bao gồm: đường kính dây hàn, cường độ dòng điện hàn, điệp áp hồ quang, tốc độ hàn

Trang 34

2.5.1.Tổng quan về cách tính toán chế độ hàn:

1)Xác định kích thước mối hàn:

Kích thước mối hàn là cơ sở để chọn các thông số chế độ hàn phù hợp Thông số kích thước mối hàn có thể tra bảng hoặc thông qua tính toán

* Tính kích thước mối hàn giáp mối:

- Trường hợp không vát mép và không có khe hở :

Hình 2.12 Liên kết hàn giáp mối

Để đảm bảo hàn ngấu toàn bộ chiều dầy chi tiết từ hai phía thi : h1 + h2 = s + k Kích thước và hình dạng mối hàn được xác định từ lượng nhiệt đưa vào cơ bản và đặc trưng của nguồn nhiệt đó Khi dùng sơ đồ nguồn nhiệt điểm chuyên động

nhanh thì ta có :

m ax

T ec

Trang 35

Trong đó Tmax = 15000C : nhiệt độ của đường đẳng nhiệt (đường chảy)

Trong thực tế khi Ih lớn và Uh nhỏ (n < 2) ta nhận được đường đẳng nhiệt là đường 2; nếu n > 2 ta nhận được đường đẳng nhiệt là đường 3 Để đơn giản cho việc tính toán ta coi diện tích phần kim loại nóng chảy là một nửa đường tròn, được giới hạn bởi đường 1

Ta có :

max

2 2

2

.42

.22

q r

h h

h

b h

n

I

U d I

Khi hàn bằng dòng một chiều cực dương :

k' = 0,92 nếu j  120 (A/mm2) k' = 0,367.j0,1925 nếu j <120 (A/mm2)

Chiều cao đắp của mối hàn xác định qua biểu thức :

Trang 36

Diện tích tiết diện ngang phần lồi mối hàn được coi gần bằng diện tích tiết diện ngang kim loại đắp

2

a b

a H tg f F

a a

min   (a là chiều dày của mối hàn) Trong đó: min a maxt  0 , 5  8  0 , 5  2 , 3 mm (2.13)

 mm t

Trang 37

- Trường h p hàn giáp mối không khe hở, hàn từ hai phía, mỗi phía hàn một lư t + Chiều sâu chảy khi hàn từ một phía h

Trong đó s là chiều dầy vật liệu (mm)

+ Cường độ dòng điện hàn tính theo công thức kịnh nghiệm sau

Trang 38

- Trường h p hàn giáp mối có khe hở (hàn từ hai phía, mỗi phía hàn một lư t)

Khe hở và góc vát mép chỉ ảnh hưởng đến lượng kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn, còn chiều cao tổng thể của mối hàn hầu như không thay đổi :

H = h + c = const

Và :  

).(

2

a b

a H tg f F

Hình 2.16 Kích thước mối hàn góc trong không vát mép, hàn một lớp

- Tính tiết diện ngang kim loại đắp

Trang 39

Trong thiết kế thường cho trước cạnh mối hàn nên : Fd = 0,5.k2

- Sau khi chọn đường kính dây hàn và mật độ dòng điện cho phép ta tính tốc độ hàn

- Xác định năng lượng đường và các thông số hình học của mối hàn theo các thông

số đã biết Ở đây ta có hH c H F d khi góc rãnh hàn bằng 900

- Chiều sâu chảy lớn nhất của bản bụng tấm vách : s0 = (0,8  1,0).h

Khi cần hàn ngấu toàn bộ chiều dầy tấm vách ta tiến hành vát mép Trường hợp hàn xong lớp 1 mà kim loại đắp đã điền đầy phần vát mép thì chiều cao của kim loại đắp

chiều cao toàn bộ c của kim loại đắp bằng : c = c1 + c2

Hình 2.17 Sơ đồ tính toán chiều cao toàn bộ kim loại đắp khi hàn nhiều lớp

Nếu coi phần vát được điền đầy là một tam giác cân, khe hở a = 0 thì ta có:

cos

f m





Trang 40

2 2

qđ = 14500.Fd (cal/cm) với Fd = 0,5.k2 (cm2)

Kết luận chương II

Trong chương 2, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:

1 Đưa ra kết cấu của dầm hàn

2 Lựa chọn vật liệu, phương pháp hàn

3 Đưa ra các phương án hàn dầm để từ đó chọn phương án hàn dầm thích hợp

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	3,32 MB