Nghiên cứu và thiết kế đồ gá hàn nhằm giảm ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ i

Sự phong phú và đa dạng của đồ gá hàn phụ thuộc vào quy mô sản xuất và việc ứng dụng các phương pháp hàn khác nhau, do đó có thể sử dụng đồ gá đơn chiếc dùng cho sản xuất nhỏ lẻ hay đồ g

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện đang sử dụng và các công trình đã được công bố (ngoại trừ các bảng biểu

số liệu tham khảo và những kiến thức cơ bản trong các tài liệu học tập và nghiên cứu được phép sử dụng)

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Tác giả

Nguyễn Quốc Mạnh

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành của mình tới PGS TS Nguyễn Thúc Hà, người đã hướng dẫn trực tiếp và giúp đỡ tận tình trong việc định hướng nghiên cứu, tổ chức thực hiện đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Viện Cơ Khí và Viện đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này

Tác giả trân trọng cảm ơn PGS TS Bùi Văn Hạnh – Phó Viện trưởng Viện Cơ Khí đã có những gợi ý trong việc thay đổi thiết kế đồ gá nhằm đảm bảo

sự linh hoạt trong quá trình gia công dầm hàn

Tác giả trân trọng cảm ơn Văn phòng dự án Asia – link; Th.S, KSHQT

Vũ Đình Toại và Th.S, KSHQT Võ Văn Phong – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành phần mô phỏng trên phần mềm Sysweld và phần mềm Ansys được trình bày trong bản Luận văn này

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy/ Cô giáo, các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Tác giả

Nguyễn Quốc Mạnh

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

1.1 Tổng quan về các loại đồ gá hàn

1515

1.3 Tính cấp thiết của việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo đồ gá hàn

1.3.1 Tính kinh tế

1.3.2 Tính công nghệ

2222

2.2.4 Việc sử dụng đồ gá hàn 28

2.3 Lựa chọn phương án thiết kế đồ gá hàn

2.3.1 Khung đồ gá

2828

2.4 Ứng suất và biến dạng hàn khi hàn dầm

2.4.1 Ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn chữ T

3131

3.2 Xây dựng sơ đồ tính toán cho kết cấu

3.2.1 Phân tích kết cấu cần chế tạo

5353

3.3 Thiết kế sơ bộ các bộ phận chính của đồ gá

3.3.1 Thiết kế chi tiết các cụm của đồ gá

5556

3.3.2.2 Tính toán lực kẹp của đồ gá bằng mềm Ansys 64

3.3.3.2 Điều khiển các chuyển động của đồ gá 78

3.3.3.3 Thiết kế trình tự thực hiện các chuyển động của đồ gá khi hàn 79

Kết luận và kiến nghị

1 Kết luận

8383

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

b [mm] Kích thước các vùng tính toán

δ [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

τ [N/m2] Ứng suất tiếp

E [N/m2] Mô đun đàn hồi

γ [g/cm3] Khối lượng riêng

Hình 2.5 Ảnh hưởng của góc vát tới liên kết hàn 27Hình 2.6 Các kích thước của liên kết hàn chữ T 31Hình 2.7 Phân bố nội lực trong tiết diện dầm hàn 32Hình 2.8 Biểu đồ ứng suất khi hàn liên kết chữ T 33Hình 2.9 Các dạng tồn tại trọng tâm của liên kết 35Hình 2.10 Biến dạng do co dọc khi hàn liên kết chữ T 36Hình 2.11 Biến dạng khi hàn dầm Công xôn 38Hình 2.12 Ứng suất trong liên kết dầm chữ I 39Hình 2.13 Hàn từng cặp mối hàn giáp mối biên 40Hình 2.14 Các mối hàn được thực hiện chéo nhau 42Hình 2.15 Hàn đồng thời hai mối hàn cũng một phía 43

Hình 3.5 Cơ cấu thay đổi vị trí của dầm khi hàn 57

Hình 3.7 Cơ cấu định vị, kẹp chặt và chống biến dạng của dầm 58

Hình 3.14 Hệ thống điều khiển lực kẹp 63Hình 3.15 Xây dựng mô hình cần tính toán 64Hình 3.16 Chia lưới và đặt tải cho mô hình 65Hình 3.17 Chạy chương trình tính toán lần thứ nhất 65Hình 3.18 Chạy chương trình tính toán các lần tiếp theo 66

Hình 3.20 Xây dựng mô hình kết cấu cho quá trình chạy mô phỏng hàn 67Hình 3.21 Tạo mô hình đầy đủ của kết cấu 67Hình 3.22 Mô hình kết cấu sau khi chia lưới 68Hình 3.23 Mô hình kết cấu sau khi đặt tải và các điều kiện biên 68

Hình 3.25 Trường nhiệt độ khi chạy chương trình tại bước 2 69Hình 3.26 Trường nhiệt độ khi chạy các bước tiếp theo 70

Hình 3.28 Piston được sử dụng trong đồ gá 72Hình 3.29 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển của đồ gá 74

Hình 3.36 Đồ gá khi thực hiện mối hàn số 2 80Hình 3.37 Đồ gá khi thực hiện mối hàn số 3 80Hình 3.38 Đồ gá khi thực hiện mối hàn số 4 81Hình 3.39 Sự biến thiên nhiệt độ tại toạ độ (0,0,300) 122Hình 3.40 Sự biến thiên nhiệt độ tại toạ độ (0,0,1500) 122Hình 3.41 Sự biến thiên nhiệt độ tại toạ độ (0,0,2000) 123Hình 3.42 Sự biến thiên nhiệt độ tại toạ độ (0,0,3000) 123Hình 3.43 Ứng suất theo phương y tại toạ độ (0,0,1500) 124Hình 3.44 Ứng suất theo phương y tại toạ độ (0,0,50) 124Hình 3.45 Ứng suất theo phương y tại toạ độ (0,0,550) 125Hình 3.46 Ứng suất theo phương y tại toạ độ (0,0,2000) 125Hình 3.47 Ứng suất theo phương y tại toạ độ (0,0,3500) 126

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong nền sản xuất cơ khí, ngành Hàn đã và đang đóng một vai trò đặc biệt quan trọng Tại một số lĩnh vực như: Đóng tàu, sản xuất kết cấu thép, sản xuất Ô tô, … không thể thiếu hàn vì nó chiếm một khối lượng rất lớn trong tổng công việc cần hoàn thành Hiện nay ngành Hàn đang phát triển rất mạnh mẽ với

sự ra đời của các phương pháp hàn mới, các thiết bị ngày càng hiện đại nhằm giải phóng sức lao động và đem đến cho con người những sản phẩm mới với chất lượng ngày càng có tính ưu việt

Để có được những sản phẩm đạt yêu cầu theo thiết kế, trong sản xuất cơ khí nói chung và sản xuất hàn nói riêng đồ gá đóng một vai trò đặc biệt quan trọng, nó giúp cho quá trình gia công được thuận tiện, giúp các thiết bị máy móc làm việc linh hoạt và chính xác, các sản phẩm sản xuất ra đảm bảo các yêu cầu

kỹ thuật, mỹ thuật và kinh tế Ý tưởng về đồ gá hàn đã được hình thành ngay từ khi ngành Hàn ra đời, nó đã trở thành một trong ba bộ phận chính và không thể tách rời trong hệ thống sản xuất hàn: Nguồn hàn – Thiết bị hàn và Đồ gá

Đồ gá Hàn không chỉ có tác dụng định vị và kẹp chặt chi tiết trong quá trình gia công mà nó còn có nhiệm vụ giảm ứng suất và biến dạng trong hàn, giúp nâng cao tuổi thọ cho kết cấu khi sử dụng Sự phong phú và đa dạng của đồ

gá hàn phụ thuộc vào quy mô sản xuất và việc ứng dụng các phương pháp hàn khác nhau, do đó có thể sử dụng đồ gá đơn chiếc (dùng cho sản xuất nhỏ lẻ) hay

đồ gá chuyên dùng (dùng trong sản xuất hàng loạt)…

Trong sản xuất cơ khí hàn nói chung và sản xuất kết cấu thép nói riêng nhu cầu về chế tạo các loại dầm hàn là vô cùng lớn cả về số lượng cũng như chủng loại Do dầm cán thường có kích thước nhỏ và độ cứng vững không cao nên nó ít được sử dụng trong công nghiệp mà nhường chỗ cho các loại dầm có khối lượng và kích thước lớn được tổ hợp hay sản xuất bằng phương pháp hàn

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, nguồn hàn là vấn đề dễ dàng xử lý còn đồ gá hàn lại là vấn đề phức tạp đối với hầu hết các doanh nghiệp sản xuất thiết bị vì đồ gá vừa phải phù hợp với thiết bị hàn, phù hợp với các chi tiết phức tạp, thao tác dễ dàng, thuận lợi

và tối ưu hơn là có thể thích ứng với sự thay đổi của mẫu mã sản phẩm

Xuất phát từ tính cấp thiết và yêu cầu nêu trên, tác giả tiến hành chọn đề tài:

“Nghiên cứu và thiết kế đồ gá hàn nhằm giảm ứng suất và biến dạng

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là:

từ đó tìm phương án thiết kế đồ gá dầm hàn chữ I phù hợp với điều kiện thực tế

3 Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả

Toàn bộ nội dung nghiên cứu được thể hiện trong các phần sau đây:

- Nghiên cứu khái quát về việc sử dụng dầm hàn trong thực tế, quá trình

đồ gá trong việc chế tạo kết cấu thép ở Việt Nam;

- Nghiên cứu khái quát về ứng suất và biến dạng hàn;

- Thiết kế đồ gá hàn dầm chữ I phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam;

- Xây dựng mô hình và kiểm tra bền kết cấu dầm hàn chữ I trên phần mềm Ansys;

- Thiết kế đồ gá hàn dầm chữ I nhằm giảm ứng suất và biến dạng sau khi hàn;

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 đưa ra được phương án thiết kế đồ gá hàn dầm chữ I có thể hạn chế được ứng suất cũng như biến dạng sau khi hàn

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 và thiết kế đồ gá cho các sản phẩm cơ khí khác;

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 các doanh nghiệp và xử lý các số liệu;

- Thiết kế đồ gá để hạn chế ứng suất và biến dạng sau khi hàn;

- Mô phỏng quá trình tính toán lực kẹp và quá trình hàn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về các loại đồ gá hàn

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, Ôtô,… và theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành hàn đã và đang phát triển rất mạnh mẽ Các phương pháp hàn mới được nghiên cứu và thử nghiệm, các thiết bị hàn ngày càng hiện đại

về công nghệ và tính năng sử dụng đã đem lại cho nền sản xuất cơ khí những sản lượng khổng lồ với chất lượng ngày càng vượt trội, đồng thời giải phóng rất nhiều sức lao động cho con người thậm chí có những phương pháp không cần có sự tham gia trực tiếp của con người (điển hình là các dây truyền sản xuất ô tô tại một

số nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Đức, Nhật…)

Hình 1.1 Hệ thống đồ gá trong sản xuất kết cấu thép

Để sản xuất được những sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật, trong sản xuất

cơ khí nói chung, đồ gá đóng vai trò quan trọng Đồ gá giúp cho quá trình gia công được thuận lợi, giúp các thiết bị máy móc làm việc linh hoạt và chính xác Tương tự như trong sản xuất cơ khí, ý tưởng về đồ gá hàn đã được hình thành ngay từ khi ngành hàn ra đời Nó đã cùng với các loại thiết bị hàn khác làm nên những sản phẩm có chất lượng cao, đảm bảo về tính kỹ thuật, giảm chi phí cho quá trình chế tạo Các loại đồ gá hàn tham gia vào hầu hết việc chế tạo các chi tiết và kết cấu, từ đơn giản cho đến phức tạp Theo sự phát triển của các thiết bị máy móc, các phương pháp hàn và đồ gá hàn cũng ngày càng phát triển, phong phú về chủng loại, đa dạng về ứng dụng Ứng với mỗi dạng của kết cấu cần chế tạo hay mỗi loại thiết bị hàn, đồ gá hàn cũng được chế tạo cho tương thích và phù hợp, từ đồ gá đơn chiếc sử dụng cho sản xuất đơn chiếc cho đến đồ gá sử dụng cho sản xuất hàng loạt, sản xuất dây chuyền Đồ gá và hệ thống đồ gá đã trở thành vấn đề quan tâm đặc biệt trong sản xuất cơ khí nói chung và các ngành sản xuất có sự tham gia của công nghệ hàn nói riêng

Đồ gá hàn, ngoài tác dụng để kẹp chặt và định vị chi tiết khi hàn, nó còn

có một nhiệm vụ cũng rất quan trọng đó là Giảm tối đa ứng suất và biến dạng trong và sau khi hàn

Đồ gá hàn rất phong

phú, đa dạng và Nó được sử

dụng tuỳ theo loại hình, quy

mô sản xuất, từng phương

sản xuất hàng loạt và mang tính chuyên dùng

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồ gá trong ngành cơ khí nói chung và ngành hàn nói riêng đã và đang trở thành một vấn đề cực kỳ quan trọng trong nền sản xuất cơ khí hiện nay Trong sản xuất hàn, đồ gá luôn là 1 trong 3 bộ phận chính không thể thiếu và tách rời của một dây chuyền sản xuất tiên tiến: Nguồn hàn – Máy hàn – Đồ gá Để hệ thống hàn làm việc thực sự hiệu quả thì ba bộ phận trên phải luôn đảm bảo tính đồng bộ cao

Hiện nay, trên thế giới đã nghiên cứu và cho ra đời rất nhiều thiết bị hàn hiện đại Nguồn hàn là vấn đề dễ dàng được xử lý, còn đồ gá hàn lại là vấn đề rất phức tạp đối với hầu hết các tập đoàn cũng như các công ty sản xuất thiết bị Bởi vì: Đồ gá hàn không những luôn cần sự phong phú, đa dạng cùng với các loại máy hàn Quan trọng hơn, nó ngày càng phát triển đa dạng và mạnh mẽ vì càng ngày càng xuất hiện những sản phẩm mới có độ phức tạp cao và yêu cầu kỹ thuật khắt khe, đảm bảo tính hoán đổi cao khi lắp ráp và tổ hợp Bên cạnh đó xu thế xã hội ngày càng quan tâm nhiều đến việc giảm thiểu sự can thiệp trực tiếp sức lao động của con người vào quá trình sản xuất

Tuy nhiên vấn đề quan trọng hơn của đồ gá trong quá trình hàn là: Với

số lượng không nhỏ chi tiết, kết cấu hàn mà chỉ với người thợ đơn thuần không thực hiện được hoặc thực hiện với kết quả không cao hoặc mức độ đạt yêu cầu là hạn chế Những trường hợp đó hệ thống hàn đồng bộ sẽ giải quyết được triệt để Đặc biệt trong hàn tự động và bán tự động thì đồ gá thực sự cần thiết cần được nghiên cứu và chế tạo với yêu cầu cao về tính đồng bộ của cả hệ thống sản xuất, mang tính chuyên dùng và chỉ đạt hiệu quả cao khi đưa vào sản xuất hàng loạt

Ta có thể phân loại đồ gá hàn như sau:

* Theo quy mô sản xuất:

- Đồ gá đơn chiếc: Là loại đồ gá được sử dụng với mục đích sản xuất các mặt hàng mang tính đơn chiếc Loại đồ gá này là không cố định về thiết kế, sự thay đổi của nó tuân theo sự thay đổi của các mặt hàng sản xuất Chẳng hạn: Khi hàn dầm, ta có thể sử dụng các thanh vật liệu thừa với kích thước đủ lớn rồi gá

vào bản bụng và bản cánh của dầm để làm đồ gá Tuy nhiên, “đồ gá” này chỉ đảm bảo được hai yếu tố là định vị các chi tiết lại với nhau và hạn chế biến dạng cho dầm sau khi quá trình tổ hợp hoàn thành

- Đồ gá chuyên dùng: Là loại đồ gá sử dụng cho sản suất mang tính hàng loạt Loại đồ gá này được thiết kế với sự ổn định cao, không có sự thay đổi về cấu tạo cũng như hình dáng, đồng thời nó được chế tạo với hình thức hệ thống (thường tạo thành dây chuyền) Ví dụ: Hệ thống đồ gá sử dụng trong ngành công nghiệp sản xuất ôtô, xe máy, thiết bị điện, điện tử…

* Theo khả năng tự làm việc:

- Đồ gá điều khiển thủ công: Là loại đồ gá chỉ làm việc khi có sự điều khiển trực tiếp của con người Mỗi bước làm việc, mỗi di chuyển của đồ gá đều

do con người thực hiện Loại đồ gá này mang tính thô sơ và sử dụng để chế tạo các kết cấu hàn có yêu cầu kỹ thuật không cao và tính phức tạp không cao

- Đồ gá bán tự động và tự động: Đây là loại đồ gá đang được nghiên cứu, phát triển mạnh và ngày càng được sử dụng rộng rãi Nó được tích hợp điều khiển các hoạt động của mình bằng hệ thống điều khiển thông minh với sự tham gia của các phần tử điện, cơ khí và công nghệ thông tin Nó không những không đòi hỏi

sự can thiệp thường xuyên của con người trong quá trình làm việc mà nó còn mang đến sự chính xác rất cao cho kết cấu hàn

Loại đồ gá này đặc biệt mang lại hiệu quả cao khi hàn những kết cấu có hình dạng phức tạp, cần thực hiện hàn ở các vị trí mà người thợ khó thực hiện được thì việc lựa chọn đồ gá tự động kết hợp với máy hàn tự động sẽ là giải pháp tốt nhất để sản xuất

Bên cạnh đó, đồ gá tự động luôn mang lại hiệu quả cao cả về sản lượng lẫn chất lượng Tuy nhiên, đồ gá tự động và bán tự động có cấu tạo phức tạp mà không phải khi nào cũng có thể chế tạo được ngay theo ý đồ thiết kế ban đầu, thậm chí có những đồ gá rất khó chế tạo nếu như không nói là không thể chế tạo Việt Nam là một nước có sử dụng rất nhiều đồ gá trong sản xuất cơ khí nói chung

và sản xuất hàn nói riêng Những loại đồ gá đó phần lớn là nhập khẩu hoặc sản

xuất trong nước Với những chủng loại đồ gá nhập khẩu, tính hiệu quả trong sản xuất được đảm bảo nhưng giá thành nhập khẩu những thiết bị đó thường rất cao, không phải doanh nghiệp nào cũng có điều kiện để nhập nguyên chiếc Mặt khác, với các thiết bị nhập khẩu thông thường các doanh nghiệp không chủ động được

về mặt công nghệ khi mẫu mã sản phẩm có sự thay đổi

Với những đồ gá hiện nay được các doanh nghiệp sử dụng chủ yếu được thiết kế và sản xuất ở mức độ cơ khí hoá và tự động hoá thấp, mang tính tạm thời, chưa mang lại hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật

Đây chính là vấn đề mà ngành cơ khí nói chung và ngành hàn nói riêng hiện nay có mức quan tâm đặc biệt vì nó không những mang lại tính hiệu quả trong sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu sự can thiệp trực tiếp của người lao động trong quá trình sản xuất Đã có rất nhiều dự án, đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồ gá tự động và bán tự động trong ngành công nghệ hàn Chỉ có con đường duy nhất đó mới có được các sản phẩm chất lượng cao, giảm giá thành và nhân công cho các sản phẩm và phát huy tối đa khả năng làm việc của các đồ gá

Hình 1.3 Đồ gá tự động trong ngành công nghiệp ôtô

1.2 Đặc điểm công nghệ, tính chất làm việc của các loại đồ gá hàn

Phần lớn các sản phẩm được chế tạo bằng công nghệ hàn thường có khối lượng rất lớn và có kết cấu phức tạp Vì vậy đồ gá hàn cũng cần phải có kết cấu

đủ lớn, đủ độ cứng vững hay nói cách khác là nó phải chịu được hoàn toàn tải trọng của kết cấu gia công trong quá trình gá đính và hàn hoàn thiện sản phẩm

Bên cạnh đó, gia công bằng công nghệ hàn là một phương pháp gia công sinh ra sự biến dạng lớn về hình dáng, lực gây ra biến dạng có cường độ rất cao Trong và sau khi hàn, chi tiết hay kết cấu thường bị biến dạng ngoài ý muốn do

có sự co ngót kim loại khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Vì vậy,

đồ gá hàn cũng cần phải có kết cấu đảm bảo bền để thắng được lực biến dạng gây

ra trong và sau khi hàn Khi gia công, chế tạo các chi tiết, kết cấu khác nhau thường có sự thay đổi về vật liệu, sự thay đổi về kích thước và chủng loại vật liệu Với mỗi sự thay đổi chủng loại vật liệu như vậy sẽ dẫn đến sự thay đổi về ứng suất và biến dạng tương ứng Do đó, đồ gá làm việc trong điều kiện nào nó

sẽ có những yêu cầu cụ thể cho phù hợp

Hình 1.4 Đồ gá tự động trong sản xuất hàn

Như đã trình bầy ở trên, công nghệ hàn là một phương pháp gia công được sử dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp sản xuất cơ khí, vì vậy khi hàn rất cần đến tính chính xác của từng sản phẩm, nói cách khác các sản phẩm hàn cũng cần phải đạt được một mức độ chính xác nhất định Qua đó ta thấy đồ gá hàn có tác dụng rất lớn đến mức độ chính xác khi gia công, chế tạo các sản phẩm

Đồ gá phải đạt được sự chính xác và liên hoàn cùng với các thiết bị hàn khác Khi có sự kết hợp đồng bộ giữa máy hàn và đồ gá, những sản phẩm chế tạo ra không những sẽ đảm bảo được tính chính xác mà còn nâng cao tuổi thọ cho thiết

bị

Khi chế tạo kết cấu có sử dụng các phương pháp hàn, vật liệu hàn khác nhau cũng sẽ dẫn đến sự thay đổi của đồ gá Điều này càng thể hiện rõ trong các dây chuyền sản xuất mang tính hiện đại và liên tục, ở đó đồ gá hàn được chế tạo với độ chính xác cao, luôn đảm bảo sự linh hoạt và ổn định trong quá trình vận hành Trình tự làm việc của các bộ phận trong hệ thống đồ gá đảm bảo liên hoàn

và có tính logic và linh hoạt cao

Mặt khác, đồ gá hàn cần phải thực hiện một chức năng cũng rất quan trọng đó là phải thay đổi vị trí của sản phẩm gia công trong suốt quá trình hàn sao cho vị trí hàn của sản phẩm luôn luôn ở vị trí thuận lợi nhất cho cho sự hình thành mối hàn, giúp cho toàn bộ hệ thống hàn vận hành một cách trơn chu

Nói tóm lại, cho dù khi hàn các sản phẩm đơn giản hay phức tạp Khi sản xuất đơn chiếc hay sản xuất hàng loạt, hoặc hàn bất cứ vật liệu nào hay phương pháp hàn nào, thì đồ gá hàn cần phải đạt các yêu cầu sau:

- Yêu cầu về định vị: Đồ gá hàn phải cố định được vị trí của chi tiết hàn

hay kết cấu hàn trong suốt quá trình hàn

- Yêu cầu kẹp chặt: Đồ gá hàn phải kẹp chặt được các chi tiết rời rạc

trong quá trình lắp ghép hay kết cấu hàn vì nếu như đồ gá không kẹp chặt được thì nó sẽ định vị được các chi tiết hay kết cấu

- Yêu cầu về chống biến dạng kết cấu trong quá trình hàn: Để đồ gá có

thể chống được biến dạng của chi tiết hay kết cấu hàn thì đồ gá phải đảm bảo đủ

bền để có thể thắng được lực biến dạng sẽ gây ra trong và sau quá trình hàn Như vậy ta có thể thấy rằng ba yêu cầu của đồ gá hàn có sự liên quan chặt chẽ với nhau Tuy nhiên với những kết cấu hàn đơn giản: Hàn các dầm nhỏ hay hàn giáp mối,… thì đồ gá hàn có thể không cần tính đến sự kẹp chặt chi tiết hay kết cấu vì trước khi hàn, kết cấu đã được hàn đính và có tính toán đến sự biến dạng ngược

Để nâng cao chất lượng của sản phẩm hay năng suất của quá trình sản xuất trong quá trình hàn, đồ gá hàn được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo với các kết cấu và công nghệ khác nhau Ở đó ta có thể kết hợp thuỷ lực, khí nén hoặc điều khiển điện tử hay các dạng điều khiển tiên tiến hơn

1.3 Tính cấp thiết của việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo đồ gá hàn để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chứ I

1.3.1 Tính kinh tế

Để hệ thống đồ gá hàn dầm hoạt động có hiệu quả thì hệ thống gồm ba

bộ phận chính trong hệ thống hàn là: Nguồn hàn – Máy hàn – Đồ gá hàn phải luôn đảm bảo sự đồng bộ trong quá trình hoạt động

Như đã trình bày ở phần trên, nguồn hàn có thể xử lý một cách dễ dàng, nhưng đối với đồ gá hàn, do hình dáng của các chủng loại sản phẩm ngày càng

đa dạng về kết cấu, hình dáng cũng như yêu cầu làm việc khác nhau Vì vậy đồ

gá hàn cũng có những yêu cầu chế tạo tương ứng Nói cách khác, đồ gá không giống nguồn hàn nên rất khó để có thể lắp lẫn với nhau Do đó yêu cầu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồ gá hàn là một việc cần phải được đầu tư nhiều hơn nữa về thời gian nếu như các doanh nghiệp muốn đạt được năng suất và hiệu quả sản xuất cao

Từ đó ta thấy được lý do tại sao giá thành chế tạo đồ gá hàn hiện nay là rất đắt so với giá trị của các thiết bị hàn khác Điều này không chỉ xảy ra tại Việt Nam mà nó còn là tình trạng chung của toàn thế giới

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 nhiệm vụ

“định vị và kẹp chặt” của đồ gá hạn chế đến mức tối đa

- 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 đồ gá hàn giải quyết bởi nhiệm vụ: “Luôn đưa chi

tiết hàn về vị trí thuận lợi nhất” để thực hiện công việc hàn

- Trong sản xuất cơ khí nói chung và sản xuất hàn nói riêng, khi sử dụng

đồ gá, không những sẽ nâng cao được chất lượng của các sản phẩm mà nó còn mang lại năng suất lao động rất cao

Khác với các ngành công nghiệp khác, trong ngành công nghiệp hàn, để đưa đồ gá vào sản xuất đạt hiệu quả nhất, ngành hàn phải chế tạo được đồ gá đảm bảo các yêu cầu sau:

- Chuyển động của đồ gá phải đồng bộ và thích hợp với chức năng của nguồn hàn

- Đồ gá cần phải có kết cấu vững chắc, các cơ cấu kẹp chặt và kẹp định

vị đòi hỏi phải thao tác nhanh và đủ lực kẹp cần thiết để hạn chế tối đa biến dạng sinh ra khi hàn và giảm được ứng suất dư sau khi hàn

- Đồ gá sử dụng cho hàn dầm thường có kết cấu khá lớn vì các dầm hàn thường được thiết kế lớn để đảm bảo độ cứng vững trong suốt quá trình sử dụng,

đo đó đồ gá thường có kết cấu phức tạp và đòi hỏi phải chịu được tải trọng cao

Từ những yêu cầu trên ta thấy việc nghiên cứu và thiết kế đồ gá hàn nói chung và đồ gá sử dụng cho hàn dẫm chữ I nói riêng là một trong những yêu cầu cấp bách cần thực hiện

Ở Việt Nam hiện nay, hầu hết tại các Công ty, các doanh nghiệp sản xuất kết cấu thép vẫn đang sử dụng những đồ gá hàn có kết cấu đơn giản, những đồ gá mang tính hiện đại và tự động thường ít được sử dụng Những đồ gá dạng này hầu hết đều nằm trong các doanh nghiệp nước ngoài hoặc các doanh nghiệp liên doanh với nước ngoài Bởi vì cho đến nay, đồ gá hiện đại có giá thành rất cao, có

những trường hợp cao hơn rất nhiều so với thiết bị, máy hàn Mặt khác, những đồ

gá có tính năng như vậy không dễ dàng đặt hàng là có thể mua ngay được Để giải quyết vấn đề này chúng ta rất cần có sự đầu tư nhiều hơn nữa cho việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và nội địa hoá các đồ gá nhằm giảm chi phí đầu tư ban đầu cho các doanh nghiệp

Kết luận chương 1

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

1 Khái quát về các loại đồ gá hàn, tình hình sử dụng hệ thống đồ gá hàn tại các nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng

2 Phân tích được đặc điểm công nghệ và tính năng ưu việt của đồ gá hàn trong sản xuất

3 Từ những phân tích đó tác giả đi đến kết luận về tính cấp thiết của công việc nghiên cứu và chế tạo đồ gá hàn và tìm nội dung nghiên cứu phù hợp với khuôn khổ luận văn của mình

Chương 2 ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG KHI HÀN DẦM CHỮ I,

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ĐỒ GÁ

2.1 Sơ lược về việc sử dụng dầm trong ngành cơ khí

Dầm đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trong ngành công nghiệp cơ khí, nhất là các ngành sản xuất có sự tham gia của công nghệ hàn như ngành công nghiệp đóng tàu, xây dựng công nghiệp và dân dụng,… Ở mỗi ngành công nghiệp đó nó có thể có hình dạng (chữ I, U, V, hộp,…) và vai trò khác nhau (cột,

sà, ray, cầu trục,…)

Hiện nay dầm thường được chế tạo bằng hai phương pháp là cán và hàn Đối với dầm cán, kích thước của dầm thường là nhỏ, nó được sử dụng chủ yếu trong các kết cấu không đòi hỏi cao về tính chịu lực, chế tạo đơn giản và thường được sử dụng để chế tạo các kết cấu nhỏ Dầm tổ hợp bằng công nghệ hàn thường có kích thước lớn hơn dầm cán, nó đa dạng về hình dáng, phù hợp với nhiều dạng kết cấu khác nhau cũng như các yêu cầu sản xuất, có thể chịu tải cao, thường được chế tạo hình chữ I, chữ H, chữ U và dầm hộp (trong đó dầm chữ I là

Hình 2.1 Dầm được sử dụng tại các cây cầu

loại dầm được sử dụng chủ yếu) Tuy nhiên, khi chế tạo dầm bằng tổ hợp hàn cần phải đặc biệt quan tâm tới các yếu tố như: Hình dáng, kết cấu để đảm bảo sau khi chế tạo xong sự biến dạng và tồn tại ứng suất trong dầm là nhỏ nhất

a) b) c) Hình 2.2 Các loại dầm có biên dạng không đổi trong thực tế sản xuất

2.2 Ảnh hưởng của các thông số đến biến dạng khi hàn dầm

2.2.1 Chế độ hàn

Việc tính toán chế độ hàn là công việc bắt buộc trước khi hàn Các thông

số chủ yếu của chế độ hàn cần tính toán là:

- d: Đường kính que/ dây hàn (mm);

- Ih: Cường độ dòng điện hàn (A);

độ dòng điện để hàn ngấu sâu Việc hàn ngấu sâu các mối hàn giáp biên và các liên kết hàn giáp mối sẽ cân bằng co ngang theo chiều dày mối hàn và giảm biến dạng góc

Ở một số trường hợp, khi thực hiện mối hàn thứ 2 trong cặp mối hàn đối xứng qua trục của dầm hàn, ta nên tăng chế độ hàn để vùng ứng suất tác động sẽ tăng giúp cho lực co của nó có thể khử toàn bộ võng dư do mối hàn thứ nhất gây

2.2.3 Trình tự thực hiện các mối hàn

Việc thực hiện các mối hàn cần đảm bảo nguyên tắc sao cho biến dạng của các mối hàn trước được khử hết biến dạng của mối hàn sau (hàn theo hướng ngược lại với mối hàn trước)

Các mối hàn đối xứng hoặc song song nên được hàn đồng thời hoặc hàn theo thứ tự từng đoạn xen kẽ Sử dụng phương pháp hàn phân đoạn nghịch sẽ tạo biến dạng nhỏ hơn

2.2.4 Việc sử dụng đồ gá hàn

Việc sử dụng đồ gá trong quá trình hàn là giải pháp tốt nhất để giảm biến dạng khi hàn Một trong các nhiệm vụ quan trọng cần chú ý khi chế tạo đồ gá là: Định vị và kẹp chặt Khi đã định vị và kẹp chặt được thì việc khống chế và giảm biến dạng kết cấu hàn là rõ rệt Tuy nhiên, nếu ta tính toán lực kẹp không chính xác rất dễ dẫn đến hiện tượng giảm được về biến dạng nhưng vẫn tồn tại ứng suất

dư bên trong kết cấu sau khi hàn

2.3 Lựa chọn phương án thiết kế đồ gá hàn

Xuất phát từ những phân tích ở trên, để hạn chế sự bị biến dạng của dầm sau khi hàn tác giả lựa chọn phương án thiết kế đồ gá bao gồm các bộ phận cơ bản sau:

- Khung đồ gá; - Các cơ cấu dẫn động;

- Cơ cấu kẹp phôi khi hàn; - Cơ cấu định vị;

- Cơ cấu đẩy phôi; - Cơ cấu thay đổi vị trí khi hàn

2.3.2 Các cơ cấu dẫn động

Nhiệm vụ của các cơ cấu dẫn động là thay đổi vị trí của dầm trong không gian khi thực hiện quá trình hàn Mặt khác chúng cũng cần phải thay đổi linh hoạt góc độ cũng như vị trí làm việc của đồ gá khi cần thiết giúp cho quá trình hàn thực hiện được thuận lợi nhất

Các cơ cấu dẫn động phải thiết kế sao cho đảm bảo sự linh hoạt trong quá trình sử dụng Chúng là sự kết hợp giữa điều khiển điện và điều khiển có sự

2.3.5 Cơ cấu đẩy phôi khi hàn

Cơ cấu đẩy phôi được thiết kế nhằm mục đích giảm độ võng của dầm sau khi hàn Nó cần đảm bảo độ cứng vững trong quá trình hàn và có thể chống lại lực biến dạng sinh ra

Cơ cấu đẩy phôi được thiết kế đồng bộ với cơ cấu định vị Nó được thiết

kế dạng piston – xi lanh và được điều khiển bằng khí nén

2.3.6 Cơ cấu thay đổi vị trí của dầm

Nó có nhiệm vụ thay đổi trạng thái vị trí của dầm khi đã hàn xong một mối hàn nào đó cần thay đổi vị trí khác của mối hàn lần sau, do đó cơ cấu này

được thiết kế sao cho nó có thể quay được dầm từ 90° ÷3500 để hàn các mối hàn còn lại

Để thực hiện được việc đó ta sử dụng một động cơ xoay chiều ba pha có gắn hộp giảm tốc, nó được điều khiển hoàn toàn tự động bằng bộ vi điều khiển hay bằng bộ điều khiển PLC Động cơ này có tác dụng quay toàn bộ đồ gá để thay đổi vị trí hàn khi hàn lần lượt bốn mối hàn của dầm Trước khi thực hiện quá trình hàn, đồ gá sẽ quay vị trí hàn về vị trí thuận lợi nhất (vị trí hàn bằng) để đảm bảo nhận được mối hàn có chất lượng cao

Đồ gá hàn dầm chữ I được thiết kế gồm phần khung, cơ cấu định vị dầm,

cơ cấu đẩy phôi, hệ thống tạo lực kẹp và cơ cấu thay đổi vị trí Phần khung phải đảm bảo độ cứng vững để có thể hạn chế được biến dạng của dầm Việc tính toán thiết kế đồ gá phải căn cứ vào ứng suất và biến dạng sinh ra trong quá trình hàn (được trình bày cụ thể tại chương 3) Cơ cấu định vị dầm cần đảm bảo quá trình

gá kẹp nhanh nhất nhưng vẫn phải đạt độ chính xác yêu cầu

Để định vị dầm trên đồ gá, ta chọn gốc tọa độ của dầm và của đồ gá trùng nhau, sau đó tiến hành kẹp định vị Lực kẹp phải đảm bảo đủ lớn và tác dụng nhanh Để thực hiện điều này một cách hiệu quả nhất ta sử dụng piston – xylanh khí nén Áp suất cần thiết để kẹp định vị và kích thước của các xy lanh, hay loại xi lah được sử dụng sẽ được tính toán và lựa chọn cụ thể tại chương 4

Cơ cấu tạo lực kẹp hợp lý nhất là kéo hai phía ngoài của biên dầm, đồng thời nó phải tỳ vào phần giữa của biên dầm, tạo thành cơ cấu đòn bẩy Một mặt làm hạn chế biến dạng góc của cánh dầm sau khi hàn, mặt khác bộ phận tỳ đẩy của đồ gá sẽ hạn chế đến mức tối đa độ võng dư sinh ra sau khi hàn Việc này được thực hiện nhờ vào một hệ thống piston – xi lanh khí nén được lắp ráp bên sườn của đồ gá, hệ thống này sẽ đẩy và tạo biến dạng ngược cho dầm hàn với lực

ép không tập trung trên toàn bộ chiều dài của dầm

Một động cơ xoay chiều ba pha có gắn hộp giảm tốc sẽ điều khiển việc chuyển động của đồ gá một cách tự động hoàn toàn bằng vi điều khiển hoặc bằng

hệ điểu khiển PLC Động cơ này có chức năng quay toàn bộ hệ thống đồ gá

nhằm thay đổi vị trí hàn khi hàn lần lượt bốn mối hàn trên toàn bộ dầm Mỗi lần tiến hành hàn đồ gá sẽ quay để vị trí cần hàn đi về vị trí thuận lợi nhất (vị trí hàn bằng) để đảm bảo mối hàn đạt chất lượng cao nhất Toàn bộ hệ thống thay đổi vị trí của dầm hàn được đặt trên hai gối đỡ

Phương án thiết kế đồ gá và các bộ phận chính của đồ gá được thể hiện tại chương 3

2.4 Ứng suất và biến dạng hàn khi hàn dầm

2.4.1 Ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn chữ T

a Ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra

Có thể nói liên kết hàn chữ T gồm 2 thành phần, tấm biên (tấm ngang, tấm đế)

+ Vùng ứng suất tác động nằm đối xứng qua trục đứng của vách

+ Trong thực tế, các mối hàn được thực hiện không đồng thời, do đó khi xác định vùng ứng suất tác động, cần xét tới khả năng vùng ứng suất tác động do từng mối hàn tạo ra sẽ chồng một phần lên nhau

δ 2

Hình 2.6 Các kích thước liên kết

1 2 ) ( ) 2

F F

Với F là tiết diện ngang của liên kết

Từ đó ta dựng được biểu đồ ứng suất (hình 2.8):

Dạng liên kết chữ T vùng ứng suất tác động của trọng tâm không trùng với trọng tâm của liên kết Đó là nguyên nhân gây ra uốn

Hình 2.7 Phân bố nội lực trong tiết diện dầm hàn

Giả sử có các hạn chế giả tạo (ngoại liên kết) ở các mép trên và dưới, khiến liên kết không thể uốn ngang được Theo điều kiện cân bằng nội lực (hình trên) ta có:

2 1

2 σ .(h b b ).δ

Trong đó:

Hình a, b: Biểu đồ ứng suất do nội lực dọc trục gây ra

Hình c: Biểu đồ ứng suất uốn do nội lực dọc trục gây ra

Hình d, e: Biểu đồ tổng ứng suất dư tại các tấm vách và biên

Hình 2.8 Biểu đồ ứng suất khi hàn liên kết chữ T

d)

e)

Để tìm mô men uốn, ta thấy cả hai nội lực phản kháng P1 bằng một lực tập trung 2P1 và đặt nó vào trọng tâm của tấm biên Còn nội lực phản kháng P đặt vào trọng tâm Oc của vùng ứng tác động và chia nó thành 2 phần là 2 P1 và P2 Lúc đó ta sẽ có hai cặp lực tạo ra hai mô men uốn tác động theo chiều ngược nhau trong liên kết là 2P1y1 và P2y2, trong đó y1, y2 là khoảng cách từ điểm đặt lực phản kháng tới tâm của vùng ứng suất tác động (điểm đặt của nội lực tác động P)

Mô men uốn toàn phần được tính theo:

1 1 2

2 y 2P .y P

Hoặc:

0 2 0

0 y ( )F .y P

- y: Khoảng cách từ thớ đang xét đến trọng tâm O của liên kết

- J: Mô men quán tính của tiết diện ngang của liên kết đối với trọng tâm của nó

Độ võng dư:

J 8

2

E

l M

f = Với l là chiều dài mối hàn Căn cứ vào giá trị tính toán, có thể dựng được biểu đồ ứng suất uốn σu Trên thực tế, không có các hạn chếp\ giả tạo và biến dạng uốn dư hình thành từ sự tích luỹ dần dần trong quá trình nguội mối hàn (tích luỹ biến dạng dẻo)

Đồng thời trong quá trình nguội mối hàn sẽ có sự phát triển ứng suất kéo bởi co dọc trong các thớ của vựng ứng suất tác động (cho tới 6000C, tức là nhiệt

độ khi mà kim loại đang nguội chuyển từ trạng thái dẻo sang đàn hồi)

Sự cân bằng nhiệt độ tiếp theo sẽ ảnh hưởng rất ít đến biến dạng dư và ứng suất kéo

Sau khi nhiệt độ đó cân bằng hoàn toàn, ứng suất kéo toàn phần ở vùng ứng suất tác động là σT

Trong thực tiễn, để tăng độ cứng vững của liên kết, người ta lấy chiều cao của tấm vách lớn hơn chiều rộng của tấm biên và bố trí vị trí mối hàn sao cho trọng tâm của liên kết nằm cao hơn trọng tâm của vùng ứng suất tác động

Khi đó độ vùng của liên kết sẽ lồi từ phía tấm vách và từ phía tấm biên Nếu tăng chiều dày của tấm biên và giảm chiều cao của tấm vách, trọng tâm của tiết diện sẽ bị hạ thấp, có thể làm cho tiết diện ngang vùng ứng suất tác động có trọng tâm trùng với trọng tâm liên kết (M = 0; f = 0)

Nếu trọng tâm tiết diện nằm thấp hơn trọng tâm vùng ứng suất tác động, sau khi hàn, liên kết sẽ bị uốn theo chiều ngược lại

Trong liên kết chữ T, các mối hàn góc nằm đối xứng với nhau qua vách đứng

Nhiệt độ theo chiều dày tấm vách là đồng đều và vách sẽ bị uốn ngang khi ta hàn đắp dọc mép của nó

O cao hơn Oc O trùng với Oc O thấp hơn Oc

Nếu sau khi hàn ta cắt tấm vách ra khỏi tấm biên thì đặc điểm uốn của nó cũng giống như trước khi cắt Còn tấm biên, do có vùng ứng suất tác động nằm lệch nên nó sẽ bị uốn theo hướng ngược lại

b Ứng suất và biến dạng do co ngang gây ra

Các liên kết chữ T thường được hàn lần lượt

Giả sử ta hàn mối hàn bên phải (hình vẽ) trước và quá trình nguội của toàn bộ mối hàn là đồng đều trên suốt chiều dài và chiều dầy

Do hiện tượng co ngang, tấm vách quay đi một góc β so với vị trí ban đầu, khi đó:

k T b

ββ

tg

= nên β = 2 α.T tb

- Khi thực hiện mối hàn thứ hai (phía đối diện) thì sự co tự do của nó bị cản trở đàn hồi từ phía mối hàn thứ nhất, do đó trong kim loại đắp của mối hàn thứ hai sẽ xuất hiện ứng suất ngang

- Ứng suất kéo ngang cũng xuất hiện trong mối hàn thứ nhất do chống lại sự quay tự do của mối hàn thứ hai

Hình 2.10 Biến dạng do co dọc khi hàn liên kết chữ T

b

β

- Nếu hai mối hàn giống nhau, do nội lực cân bằng, ứng suất kéo ngang cũng như nhau Tức là tấm vách sẽ quay về vị trí ban đầu và được giữ ở trạng thái này bởi các nội lực giằng co nhau trong hai mối hàn Giá trị ứng suất này có thể rất lớn

Ta có thể giải thích việc này như sau:

Ví dụ ta có thể tính độ co tương đối:

0072 , 0 600 10 12

10 1 , 2

/ 2500

2 6

cm kg E

T T

σε

Như vậy ứng suất kéo do co ngang các mối hàn này có thể vượt quá giới hạn chảy rất nhiều (về mặt lý thuyết):

6 10 12

10 72

Nhưng do vật liệu thép kết cấu có khả năng biến dạng dẻo tốt nên ứng suất kéo

dư chỉ đạt tới giới hạn chảy σT

Do có ứng suất kéo ngang, 2 phần biên sẽ bị kéo quay đi một góc θ nào đó (2 nửa của biên bị uốn như dầm công xôn) hình vẽ

Nếu gọi yAlà chuyển vị của điểm A (đầu nút của tấm biên) và θ là góc quay của nửa biên sau khi hàn, ta có:

1

3 1

1

1

3

075 , 0

075 , 0

b

k b

b

b tg

b b

b

δδ

δθ

+ +

b1_ chiều rộng kim loại đắp

Khi hàn dưới lớp thuốc:

Trong đó:

- δb là chiều đày tấm biên

- δv là chiều dày tấm vách

2.4.2 Ứng suất và biến dạng do co dọc khi dầm hàn chữ I

Kết cấu dầm chữ I có thể coi như hai chữ T ghép lại Nó gồm có 2 tấm biên, 1 tấm vách và 4 mối hàn góc, do đó 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

Gọi Fc là tiết diện vùng ứng suất tác động do một cặp mối hàn (tại hai bên vách

về cùng một phía biên trên, hoặc biên dưới) gây ra, nội lực tác động của nó là (hình 3.7):

T c

2 = −

σ

Với F là tiết diện ngang của dầm

Hình 2.11 Biến dạng khi hàn dầm công xôn

Nội lực tác động toàn phần, nếu các mối hàn dược thực hiện như nhau(lực 2P),

sẽ đặt ở trọng tâm tiết diện ngang của dầm Vì vậy mô men uốn và độ võng dư toàn phần đều bằng không

Sau khi hàn song, dầm sẽ bị ngắn đi một đoạn ∆l:

l E

l

∆

Với ε là biến dạng co dọc tương đối;

L là chiều dài của dầm (của mối hàn)

Trong thực tế, độ võng dư f có thể sấp xỉ 0 nếu như cả 4 mối hàn được thực hiện một cách đồng thời, hoặc được thực hiện theo một thứ tự sao cho biến dạng uốn do các mối hàn trước gây ra được triệt tiêu hoàn toàn bởi biến dạng ngược chiều do các mối hàn

Hình 2.12 Ứng suất trong liên kết dầm chữ I

+-

+-

-sau gây ra Đây là điều rất khó thực hiện, vì vậy thực sự -sau khi hàn, các dầm này thường

* Phương án thứ nhất: Hàn từng cặp mối hàn giáp biên (hình 3.8):

Từ khía cạnh giảm công việc xoay lật, đây là một phương án thuận lợi

Mô men uốn do nội lực tác động dọc trục của mối hàn 1 và 2 gây ra sẽ tác động trong mặt phẳng tấm vách và có giá trị đã biết:

1 1 2 2

Biên trên của dầm được hàn đính với tấm vách nên ta coi như chúng không có ảnh hưởng đáng kể tới hiện tượng uốn của dầm và thực chất thì mô men uốn M1do các mối hàn số 1 và số 2 gây ra chỉ tác dụng lên phần tiết diện chữ T vừa hàn xong

Độ võng dư f1sau khi hàn cặp mối hàn giáp biên số 1 và số 2 sẽ là:

1

2 1

1 8

.

J E

l M

Trong đó:

M 1 : Mô men uốn do nội lực tác động của các mối hàn số 1 và số 2 gây ra L: Chiều dài của dầm (mối hàn)

J 1 : Mô men quán tính của phần dầm gồm tấm vách và tấm biên dưới

E: Mô đun đàn hồi của vật liệu

Sau khi hoàn thành 2 mối hàn nói trên (mối hàn số 1 và số 2) ta xoay dầm 1800(lật ngược dầm) và thực hiện nốt cặp mối hàn số 3 và số 4

Coi khoảng cách trọng tâm vùng ứng suất tác động của cặp mối hàn số 3 và số 4 tới trọng tâm tiết diện ngang dầm chữ I gần bằng một nửa chiều cao của dầm (0,5h)

Ta sẽ có mô men uốn M2 do nội lực của các mối hàn số 3 và số 4 gây ra:

2

.

02 2

h P

- Mô men M2 sẽ tác động theo hướng ngược với M1

- Mô men quán tính J tiết diện ngang của toàn bộ liên kết dầm hàn chữ I (lớn hơn J1) sẽ chống lại tác dụng uốn của mô men M2

- Độ võng dư do M2 gây ra: