Đề cương bài giảng ứng suất biến dạng hàn

So với trường nhiệt độ, các trường ứng suất và biến dạng không hoàn toàn mất đi sau khi hàn, tức là quá trình hình thành ứng suất và biến dạng không phải là các quá trình có thể đảo ngượ

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN 3

1.1 Lý thuyết ứng suất và biến dạng hàn và ý nghĩa của nó 3

1.2 Phân loại ứng suất và biến dạng 4

1.2.1 Phân loại ứng suất riêng hàn 4

1.2.2 Phân loại biến dạng hàn: 6

1.3 Nguyên nhân phát sinh ứng suất và biến dạng hàn 8

1.3.1 Do sự phân bố không đồng đều của biến dạng không dẻo 8

1.3.2 Do ảnh hưởng của ngoại lực 10

1.3.3 Do sự thay đổi pha 11

1.4 Trường nhiệt độ khi hàn 11

1.4.1 Trường nhiệt độ khi hàn tấm mỏng 13

1.4.2 Trường nhiệt độ khi hàn vật bán vô hạn 16

1.4.3 Trường nhiệt độ khi hàn các tấm dày 18

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG DỌC DO CO DỌC GÂY RA KHI HÀN 22

2.1 Phương pháp tính theo nội lực tác động 22

2.1.1 Khái niệm các giả thuyết 22

2.1.2 Trường hợp hàn đắp lên mép tấm 23

2.2 Xác định vùng ứng suất tác dụng (giá trị bn) 27

2.2.1 Khái niệm vùng ứng suất tác động 27

2.2.2 Phương pháp đồ thị (để tính bn) 27

2.2.3 Phương pháp tuần tự xấp xỉ (để tính bn) 30

2.2.4 Phương pháp tính theo biến dạng thực 31

2.2.5 Phương pháp rút gọn theo biến dạng thực 35

2.3 Ứng suất và biến dạng dọc do co dọc gây ra trong liên kết hàn giáp mối 39

2.3.1 Hai tấm có chiều rộng như nhau 39

2.3.2 Hai tấm có chiều rộng khác nhau 40

2.4 Ứng suất và biến dạng ngang do co dọc gây ra trong mối hàn giáp mối 41

2.4.1 Trường hợp hàn giáp mối hai tấm rộng như nhau 41

2.4.2 Hàn giáp mối hai tấm có chiều rộng khác nhau 45

2.5 Giảm biến dạng do co dọc khi hàn bằng biện pháp kéo sơ bộ 49

2

CHƯƠNG 3: ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG DO CO NGANG GÂY RA KHI

HÀN GIÁP MỐI 54

3.1 Khái niệm 54

3.2 Ứng suất và biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối các tấm tự do 55

3.2.1 Ta xét trường hợp hàn các tấm không bị kẹp chặt, sự nung nóng xảy ra đông đều theo chiều dày ( không có biến dạng góc ) 55

3.2.2 Xác định biến dạng do co ngang 59

3.3 Ứng suất và biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối có gá kẹp 65

3.4 Biến dạng góc do co ngang trong liên kết hàn giáp mối 67

3.4.1 Định nghĩa 67

3.4.2 Biến dạng góc khi hàn giáp mối vát mép chữ V 67

3.4.3 Trường hợp giáp mối các tấm có chiều dày lớn và không vát mép (hàn từ một phía) 71

3.4.4 Ảnh hưởng của ngoại liên kết đến biến dạng góc 73

CHƯƠNG 4: ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN CÁC MỐI HÀN GÓC77 4.1 Các khái niệm 77

4.2 Ứng suất và biến dạng của liên kết hàn góc 77

4.2.1 Ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn góc ngoài 77

4.2.2 Ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn chồng 80

4.2.3 Ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn chữ T 84

4.2.4 Ứng suất và biến dạng do co doc dầm hàn chữ I 91

CHƯƠNG 5: CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN 96

5.1 Các biện pháp giảm ứng suất khi hàn 96

5.1.1 Các biện pháp kết 96

5.1.2 Các biện pháp công nghệ 98

5.2 Các biện pháp giảm biến dạng khi hàn 99

5.2.1 Các biện pháp kết cấu 100

5.2.2 Các biện pháp công nghệ trong quá trình hàn 100

5.2.2.1 Các biện pháp công nghệ trong quá trình hàn 100

5.2.2.2 Các biện pháp công nghệ sau khi hàn 101

So với trường nhiệt độ, các trường ứng suất và biến dạng không hoàn toàn mất đi sau khi hàn, tức là quá trình hình thành ứng suất và biến dạng không phải là các quá trình

có thể đảo ngược được(ta gọi là ứng suất và biến dạng còn lại trong vật hàn sau khi hàn là ứng suất và biến dạng dư)

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

1 Để đánh giá xác suất có vết nứt khi chế tạo kết cấu

2 Để xác định trường ứng suất dư nhằm đánh giá khả năng làm việc của kết cấu (liên quan đến độ bền công nghệ)

3.Để giải quyết các vấn đề liên quan đến độ chính xác trong chế tạo kết cấu hàn (tương đương độ bền sử dụng)

• Các vấn đề nói trên hỏi có các cách tiếp cận khác nhau

• ad1: Phải phân tích các hiện tượng trong vùng nhiệt độ cao xung quanh nguồn nhiệt hàn Điều này đòi hỏi cách đặt vấn đề một cách tổng quát và phức tạp nhất

• ad2: Để xác định trường ứng suất và biến dạng dư, khi xem xét quá trình nung khi hàn người ta đưa ra các giả thiết đơn giản hoá về nguồn nhiệt hàn và về tính chất của kim loại (lý tưởng hoá chúng)

• ad3: Các sơ đồ tính toán còn được đơn giản hoá hơn nữa (Ví dụ: bỏ qua các đăc trưng của trạng thái ứng suất khi bắt đầu và kết thúc mối hàn nếu nó đủ dài)  nội dung chủ yếu mà ta đề cập tới

• Vấn đề biến dạng dư ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình chế tạo kết cấu và chất lượng của nó Trong nhiều trường hợp, ta phải khử nó (loại bỏ) thông qua nhiều biện pháp như:

- Có qui trình công nghệ lắp ghép và hàn đúng

- Chọn chế độ hàn hợp lý

4

- Tạo biến dạng ngược sơ bộ, v.v

Như vậy mới có thể khống chế được biến dạng dư trong phạm vi cho phép

• Sự biến đổi hình dạng và kích thước của vật trong nhiều trường hợp có ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sử dụng chúng Ví dụ các kết cấu dạng trụ bị cong còn làm xuất hiện thêm ứng suất uốn bổ sung

• Vì vậy vấn đề là phải xác định được biến dạng dư, ảnh hưởng của nó tới khả năng làm việc của kết cấu, đưa ra được các biện pháp tăng độ chính xác khi hàn chế tạo chúng Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với các khâu thiết kế và chế tạo kết cấu hàn

• Vấn đề ứng suất và biến dạng hàn đã được nghiên cứu cách đây 70 năm

• Ngày nay lý thuyết ứng suất và biến dạng hàn là một nhánh ứng dụng của lý thuyết ứng suất nhiệt

• Lý thuyết ứng suất biến dạng hàn có hai hướng:

1 Hoàn thiện các phương pháp tính gần đúng dành cho kỹ sư, để giải quyết các vấn

đề về mặt độ chính xác trong chế tạo kết cấu hàn

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

1.2 Phân loại ứng suất và biến dạng

• Ứng suất hình thành trong quá trình hàn thuộc loại ứng suất riêng

• Định nghĩa ứng suất riêng: là ứng suất tồn tại trong kết cấu khi không có ngoại lực tác động vào kết cấu

(Các tên gọi khác của ứng suất riêng: nội ứng suất, ứng suất ban đầu, ứng suất dư)

• Chúng xuất hiện khi chế tạo kết cấu: cán, cắt, mài, uốn, hàn v.v

1.2.1 Phân loại ứng suất riêng hàn

-Theo phạm vi tác động:

+ứng suất loại 1: nếu nó tác động và cân bằng trong phạm vi cỡ kích thước của vật hoặc từng phần (chi tiết) của nó Đây là đối tượng nghiên cứu của chúng ta

5

+ứng suất loại 2: nếu nó tác động và cân bằng trong pham vi một hoặc một số hạt tinh thể Còn được gọi là ứng suất tế vi (ứng suất loại 1: ứng suất thô đại) Khác ứng suất loại 1, chúng không có hướng xác định so với trục của vật hàn

+ứng suất loại 3: nếu nó tác động giữa các phần tử của mạng tinh thể kim loại (ứng suất tế vi) Chúng cũng không có hướng xác định so với trục của vật hàn hoặc mối hàn

+Chú thích:

 Với ứng suất riêng loại 1: vật liệu được coi là đẳng hướng

 Với ứng suất riêng loại 2: vật liệu không đẳng hướng

 ứng suất hàn được liệt vào loại ứng suất riêng thô đại (tức làứng suất loại 1)

- Theo hướng phân bố trong không gian:

+ ứng suất một chiều (các chi tiết dạng thanh)

+ ứng suất hai chiều (phẳng): các chi tiết dạng tấm và vỏ

+ ứng suất ba chiều (không gian): các chi tiết có cả ba chiều kích thước

Giả thiết ở đây là có thể so sánh được giá trị các thành phần ứng suất với nhau -Theo thời gian tồn tại:

+ ứng suất tức thời: chỉ tồn tại trong quãng thời gian nhất định của quá trình nung

 nguội (ứng suất nhiệt)

+ ứng suất dư: tồn tại cả sau khi vật hàn đã nguội hoàn toàn

- Theo hướng tác động so với trục mối hàn:

+ ứng suất dọc: song song với trục mối hàn

+ ứng suất ngang: có hướng vuông góc với trục mối hàn

• Chú thích về ứng suất riêng loại 1:

1) Vì ứng suất riêng tồn tại trong vật khi không có ngoại lực (tải trọng bên ngoài)

nó phải tự cân bằng trong vật

 Vì vậy, bất kể đến đặc trưng phân bố của nó, ứng suất riêng trong tiết diện bất kể của vật, bao giờ cũng cân bằng về mặt lực và mômen (điều kiện cân bằng tĩnh) Ví dụ xét tiết diện vuông góc với trục x:

ad b): xuất hiện tại các vùng lân cận với vùng bị nung nóng, chúng chống lại biến dạng tự do của vùng bị nung nóng Chúng xuất hiện đồng thời với ứng suất tác động

và tạo cùng với ứng suất tác động một hệ thống trạng thái cân bằng lực khép kín Nếu có ngoại liên kết (ngoại lực) thì còn có cả ứng suất phản kháng do ngoại liên kết (Hình 1-2)

1.2.2 Phân loại biến dạng hàn:

- biến dạng hàn khó phân loại hơn vì ngay cả với vật hàn đơn giản, biến dạng có thể rất phức tạp

- Làm rõ về một số khái niệm: thí dụ về một thanh chịu lực kéo (Hình 1_3)

a) b) c) d) Hình 1-2

Hình 1-3

- Phân loại biến dạng hàn theo thời gian tồn tại (Hình 1-4)

+ Tức thời

+ Dư

- Phân loại biến dạng hàn theo hướng tác động:

+ Dọc: biến dạng song song với trục mối hàn

+ Ngang: biến dạng vuông góc với trục hàn

- Phân loại biến dạng hàn (tức thời hoặc dư) theo phạm vi tác động trong kết cấu: + Biến dạng toàn phần: là biến dạng gây nên sự biến đổi hình dạng và kích thước của toàn bộ phần tử hoặc toàn bộ kết cấu (Hình 1-4a) Đó là sự thay đổi kích thước các chiều (dài, rộng, cao) của kết cấu và sự uốn cong trục của nó theo hướng dọc và ngang (so với trục mối hàn)

+ Biến dạng cục bộ (Hình 1-4b,c,d,e,f): chỉ tồn tại trong các phần tử riêng biệt của kết cấu Đó là biến dạng của các phần tử do chúng bị mất ổn định và biến dạng góc (hình mái nhà, lượn sóng…)

8

1.3 Nguyên nhân phát sinh ứng suất và biến dạng hàn

1.3.1 Do sự phân bố không đồng đều của biến dạng không dẻo

• Nguyên nhân do sự phân bố không đồng đều của biến dạng không dẻo

- Biến dạng không dẻo có thể là biến dạng đàn hồi hoặc biến dạng nhiệt (khi hàn) Xét một tấm mỏng được nung nóng dọc trục x (Hình 1-5)

- Tấm được coi như gồm các dải kim loại (a)

- Do nhiệt độ phân bố không đồng đều (b), sự dãn nở nhiệt tự do của các dải cũng khác nhau

- Giả sử các dải này có thể tự do thay đổi chiều dài, độ dãn dài tự do của mỗi dải sẽ là: L=.T.l (1.3)

T_nhiệt độ trung bình của dải đó

9

_hệ số dàn nở nhiệt của vật liệu của dải

l_chiều dài ban đầu của dải

- Trên thực tế: các dải liên kết với nhau, sẽ xảy ra sự phân bậc như trên hình (a) Các dải bị nung ít hơn (nằm xa đường x) sẽ dữ các dải bị nung nhiều hơn

- Giả thiết về tiết diện phẳng được áp dụng, biến dạng dọc thực tế của các dải là như nhau (lo)

- Sự khác nhau giữa giá trị dãn nở nhiệt tự do và dãn nở nhiệt thực tế của các dải kim loại dọc: nguyên nhân xuất hiện nội lực và hình thành trạng thái ứng suất trong tấm

- Trong quá trình nung nóng: các dải bị nung nóng với l > lo sẽ bị nén, các dải bị nung nóng với l < lo sẽ bị kéo (hình c) Thực tế khi hàn: các dải lân cận mối hàn sẽ

bị biến dạng dẻo nén

- Khi nguội: nhiệt độ trong tấm giảm, kéo theo sự co của các dải Biến dạng co dọc ở những dải đã trải qua nhiệt độ cao nhất và từng chịu biến dạng dẻo nén (khi nung) sẽ lớn nhất Tuy nhiên xuất phát từ giả thiết về tiết diện phẳng, biến dạng co dọc thực tế của tất cả các dải phải như nhau Vì vậy, sau khi tấm đã nguội hoàn toàn, phần kim loại từng co l > lo (khi nung) sẽ chịu kéo Các phần còn lại (l < lo khi nung) sẽ chịu nén (vì phải chống lại sự co dọc tự do của các dải kia)

- Mở rộng: về mặt toán học, có thể biểu diễn trường hợp này như sau:

10

T: chênh lệch nhiệt độ so với nhiệt độ ban đầu

ứng suất thỏa mãn điều kiện cân bằng:

xy



(1.7) biến dạng toàn phần thỏa mãn điều kiện:

y

xy y

2

' 2 2

y

xy y

x

"

2 2

"

2 2

y

xy y

x

"

2 2

"

2 2

"

0 (1.9) Nếu biến dạng không đàn hồi là hàm tuyến tính của vị trí:

x"=a+bx+dy

y"=e+fx+gy (1.10)

"

xy=k+lx+my

thì R=0 lúc đó sẽ không xuất hiện ứng suất dư

1.3.2 Do ảnh hưởng của ngoại lực

- Xét trường hợp trên hình 1.6: Ba thanh thép cacbon giống nhau bị kẹp chặt từ hai phía

- Thanh thứ hai được nung đều, thanh 1 và 3 không thay đổi nhiệt độ Sau đó thanh 2 được làm nguội tới nhiệt độ bình thường

a )

b )

11

- Vì thanh 1 và 3 ngăn biến dạng nhiệt của thanh 2, ứng suất trong chúng bao giờ cũng bằng 1/2 ứng suất của thanh 2 nhưng có dấu ngược lại

- Sự thay đổi ứng suất trong thanh 2 được biểu diễn trên hình 1-6.b:

+ Khi nung, vì không thể dãn được, ứng suất của nó thay đổi theo đường AB Điểm

B là giới hạn chảy nén tại nhiệt độ đó (1700C)

+ Đường BC: đường giới hạn chảy nén cho (170595)0C và cũng là giới hạn ứng suất thanh giữa

+ Khi nhiệt độ giảm từ 5950C, thanh 2 trở về trạng thái đàn hồi  ứng suất nén giảm nhanh (CD) và đổi dấu, đạt tới giới hạn chảy kéo ở điểm DC (4300C)

+ Sau đó ứng suất trong nó bị giới hạn ở các nhiệt độ theo đường DE

+ Đường EB': ứng suất dư cùng độ lớn, bằng ứng suất chảy (giới hạn chảy) cho

200C, xuất hiện ở thanh 2, cho mỗi nhiệt độ cao hơn 3150C

1.3.3 Do sự thay đổi pha

Một số kim loại: thép hợp kim thấp, hợp kim Titan v.v có thay đổi cấu trúc pha khi nhiệt độ thay đổi (ví dụ tại vùng ảnh hưởng nhiệt), kèm theo sự thay đổi thể tích (ví dụ

sự xuất hiện Martenzit), tạo nên ứng suất trong kim loại

1.4 Trường nhiệt độ khi hàn

• Như đã nói ở phần trước ứng suất và biến dạng hàn xuất hiện do ba nguyên nhân

mà đều liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ không đồng đều trong vật hàn bởi có việc

sử dụng nguồn nhiệt hàn có mức độ tập trung cao (hồ quang) Nói cách khác, sự truyền nhiệt hay là trạng thái nhiệt là nguyên nhân sâu xa nhất ứng gây ra suất và biến dạng hàn (ngoài ra còn có các yếu tố khác như trạng thái ứng suất của kim loại trước khi hàn)

• Vấn đề là ta biết dự đoán trước (bằng tính toán) sự truyền nhiệt đó với độ chính xác như thế nào để có thể giải các bài toán về ứng suất và biến dạng hàn

• Trường nhiệt độ và phương trình truyền nhiệt

- Trường nhiệt độ: tập hợp các điểm với các nhiệt độ tương ứng Nó được biểu diễn thông qua các đường đẳng nhiệt và mặt đẳng nhiệt (những điểm có cùng nhiệt độ) Hình 1-7

T y

T x

T x

T T



trong đó: _khối lượng riêng kim loại (g/cm3)

c_nhiệt dung của kim loại (cal/g.0

C ) _hệ số truyền nhiệt của kim loại (cal/cm.s 0

C ) T_nhiệt độ (0

C) t_thời gian (s)

W_cường độ nguồn nhiệt (0

z

T y

T x

z

T y

T x

đẳng nhiệt nguồn

nhiệt

T2 = const

13

- Để tránh các phức tạp trong việc giải phương trình (1.12) người ta giả thiết:

+ Các tính chất nhiệt của kim loại không thay đổi:

T





=0, (ví dụ , , c, a) hoặc bằng giá trị ban đầu hay giá trị trung bình của chúng trong khoảng nhiệt độ xét tới + Như vậy ta sẽ chỉ phải giải phương trình (1.13) hoặc (1.14)

+ Có nhiều cách giải, nhưng phổ biến nhất là phương pháp nguồn nhiệt (Rykalin) + Để làm cơ sở cho việc tính ứng suất và biến dạng hàn, ta chỉ xét một số nội dung sau:

 Trường nhiệt độ khi hàn tấm mỏng

 Trường nhiệt độ khi hàn tấm rất dày (vật bán vô hạn)

 Trường nhiệt độ khi hàn tấm dày (hữu hạn), trường hợp trung gian

 Xác định tốc độ nguội của kim loại khi hàn

 Sự thay đổi cơ tính của kim loại khi hàn

1.4.1 Trường nhiệt độ khi hàn tấm mỏng

- Định nghĩa tấm mỏng: là chi tiết dạng tấm mà khi hàn một lượt thì sự phân bố nhiệt

độ theo chiều dày của nó được coi là đồng đều Tz(xo,yo)=const

- Với thép cacbon thấp, có thể coi tấm mỏng là tấm có chiều dày <20 mm

- Ta sẽ khảo sát 3 trường hợp:

+ Nguồn nhiệt di động,

+ Nguồn nhiệt đứng yên,

+ Nguồn nhiệt di động với tốc độ lớn

sẽ bằng lượng nhiệt tỏa ra xung quanh; ta gọi trường nhiệt độ như vậy là trường ổn định

14

+ Khi hàn hồ quang, trường nhiệt độ ổn định xuất hiện khá nhanh (vài giây đến vài phút)

+ Vì nguồn nhiệt di động (v>0) nên trường nhiệt độ cũng chuyển động cùng với nó

So với tâm nguồn nhiệt thì trường nhiệt độ là ổn định Nhưng so với điểm cố định bất

kì của tấm thì trường nhiệt độ không ổn định (liên hệ: xe cứu hỏa rú còi Nếu ngồi trên

xe, ta nghe tiếng rú to như nhau ở mọi thời điểm Nhưng nếu ngồi trong nhà, lúc tiếng

rú to nhất là lúc xe chạy qua cổng nhà ta, lúc đầu hơi nhỏ, to dần, to nhất lúc qua cổng, rồi nhỏ dần lúc xe đã chạy xa) Ta gọi trường nhiệt độ như vậy là trường nhiệt

độ giả ổn định, chuyển động với vận tốc v cùng với tâm nguồn nhiệt

+ Khi hàn các tấm mỏng, ta coi tất cả các lượng nhiệt của nguồn nhiệt được truyền

đi từ OO' (Hình 1-8d) và nhờ kim loại có khả năng dẫn nhiệt mà các lớp kim loại lân cận được dần dần nung nóng Sơ đồ truyền nhiệt như vậy được gọi là sơ đồ nguồn nhiệt đường Giả thiết kèm theo nó là trường nhiệt độ trong tấm là trường nhiệt độ phẳng (tọa độ x,y là đủ), được biểu diễn bằng các mặt trụ đẳng nhiệt khép kín với các đường sinh có độ lớn bằng chiều dày tấm (Hình 1-8a)_ trên bề mặt tấm đó là các đường đẳng nhiệt khép kín và bị kéo dài về phía sau nguồn nhiệt, bị sít lại ở phía trước nguồn nhiệt Điều này thể hiện sự chênh lệch nhiệt độ rất lớn giữa các điểm gần nhau phía trước nguồn nhiệt (Hình 1-8c) Sự chênh lệch cũng thể hiện tương đối rõ theo chiều y-y (Hình 1-8b): về phía sau nguồn nhiệt, nhiệt độ chênh lệch ít hơn so với phía trước

+ Như vậy, trường nhiệt độ phẳng xuất hiện khi hàn ngấu hết một lượt suốt chiều dày tấm (ví dụ hàn tự động dưới lớp thuốc với =1620 mm)

v r K e

q vx a

2 2 0

x  : khoảng cách từ điểm cần khảo sát đến tâm nguồn nhiệt (cm)

q: công suất hữu ích của nguồn nhiệt (cal/s)

với hồ quang hàn q=0,24UI. (cal/s)

,

0

80 , 0 70

d-íi hµn -

tay quang hå hµn -

, với km=(cal/ cm2.s.0C) là hệ số mất nhiệt bề mặt do bức xạ

K0(U): hàm Bessel, với biến số U = r

a

b a

v



2 2

4 Tra bảng sổ tay toán cao cấp hoặc tính trong Microsoft exel (hàm Bessel bậc không loại hai)

- Nguồn nhiệt đứng yên v=0

+ Đường đẳng nhiệt sẽ là các đường tròn đồng tâm, có tâm nguồn nhiệt là gốc tọa

q

16

+ Trong trường nhiệt độ phẳng do nguồn nhiệt di động tạo ra đặc điểm thay đổi nhiệt độ của các điểm trong tấm phụ thuộc vào tốc độ v (Hình 1-9) Tốc độ càng lớn các đường đẳng nhiệt càng bị thu hẹp lại, vùng kim loại được nung tới nhiệt độ cao càng hẹp

+ Khi hàn tốc độ lớn, vùng kim loại được nung nóng đến nhiệt độ cao tập trung thành một dải hẹp dọc trục Ox Các điểm nằm cách trục Ox một khoảng như nhau sẽ

có nhiệt độ như nhau Công thức:

T(y,t)= at bt

y

e t c v

4

2

, ta có nhiệt độ cực đại của các điểm, sau khi rút gọn

và bỏ qua tổn thất nhiệt vào môi trường xung quanh:

Tmax=

y c v

q

.

2

484 , 0

1.4.2 Trường nhiệt độ khi hàn vật bán vô hạn

- Định nghĩa vật bán vô hạn: là những tấm có chiều dày lớn (>50 mm) và có một nguồn nhiệt điểm tác dụng lên một bề mặt giới hạn

- Lý do định nghĩa như vậy:

+ Khi hàn, trường nhiệt độ là trường không gian T(x,y,z)

+ Sơ đồ tính toán: sơ đồ nguồn nhiệt điểm

+ Nhiệt độ các điểm phân bố rất không đồng đều theo chiều dày tấm

- So sánh với trường hợp hàn tấm mỏng:

+ Với tấm mỏng, hiện tượng mất nhiệt bề mặt có vai trò quan trọng Với vật bán vô hạn, ảnh hưởng này không đáng kể

17

+ Trong trường nhiệt độ không gian, mức độ tập trung nhiệt xung quanh nguồn nhiệt là lớn hơn so với trường hợp của trường nhiệt độ phẳng Hầu như toàn bộ năng lượng nhiệt của nguồn được truyền vào kim loại của vật bán vô hạn xuất hiện sớm hơn so với khi hàn tấm mỏng

- Công thức tính nhiệt độ của điểm bất kì của trường nhiệt độ giả ổn định trong vật bán vô hạn (bỏ qua hiện tượng mất nhiệt):

vx a vR

e R

2

x   : khoảng cách từ điểm cần khảo sát tới tâm nguồn nhiệt (cm) v: vận tốc di chuyển của nguồn nhiệt (cm/s)

q: công suất hữu ích của nguồn nhiệt (cal/s)

a: hệ số truyền nhiệt độ (cm2/s)

- Trên hình 1-9 là biểu diễn của trường nhiệt độ (tới hạn) nói trên trong đó: a)Trên mặt giới hạn xOy

b)Trong các tiết diện vuông góc với trục Oy

c)Trong các tiết diện vuông góc với trục Ox

d)Trên mặt phẳng yoz

- Giải thích công thức (1.19) và hình 1-9:

+ Nhiệt độ của một điểm bất kì phụ thuộc không những vào khoảng cách R của nó

so với nguồn nhiệt, mà còn cả vào vị trí của nó so với mặt phẳng yoz (tức là tọa độ x) + Gradient nhiệt độ là tối đa ở phía trước nguồn nhiệt theo hướng trục x trong mặt phẳng xOz

2



 (1.20)

2 Khi y=0, nhiệt độ của các điểm thuộc mặt phẳng xoz là:

+Tại điểm x=R nằm phía trước nguồn nhiệt (x>0):

T(x=R)= a

vR

e R

.

2 (1.21)

4.Khi nguồn nhiệt có công suất lớn, di chuyển nhanh, nhiệt độ của các điểm lân cận trục Ox là:

y  : khoảng cách từ điểm cần khảo sát đến trục x-x

t: thời gian tính từ lúc nguồn nhiệt đi qua tiết diện y'O'z' chứa điểm cần khảo sát

Từ đó suy ra công thức tính nhiệt độ cực đại của các điểm trong vật hàn bán vô hạn:

Tmax= 2

2

736 , 0 2

q r

c v e

1.4.3 Trường nhiệt độ khi hàn các tấm dày

- Khái niệm về tấm dày

+ Khi hàn vật bán vô hạn (chiều dày >50 mm), vùng kim loại có nhiệt độ cao tập trung xung quanh nguồn nhiệt Tại các điểm xa nguồn nhiệt, nhiệt độ tăng lên không đáng kể

+ Khi hàn các tấm thép có chiều dày =2050 mm, sự phân bố nhiệt độ trong các điểm nằm gần nguồn nhiệt không giống với trường hợp của nhiệt độ phẳng (tấm mỏng

<20 mm) và trường nhiệt độ không gian (vật bán vô hạn >50 mm) mà ta đã tìm hiểu

+ Với tấm dày, ta phải tính toán theo sơ đồ nguồn nhiệt điểm tác động lên bề mặt

và chịu ảnh hưởng của hiện tượng mất nhiệt bề mặt giới hạn

19

- Sơ đồ truyền nhiệt trong tấm dày khi hàn (Hình 1-10) Có thể coi tấm dày, được nguồn nhiệt điểm có vận tốc v tác động trên bề mặt giới hạn trên, gồm ba vùng với các đặc điểm phân bố nhiệt độ khác nhau:

- Công thức tính nhiệt độ cho các điểm nằm trên trục oz:

+ Ta sử dụng công thức của trường nhiệt độ không gian có kết hợp với hệ số hiệu chỉnh k:

T(z,0 )= k a

vz

e z

1

c) Với z= thuộc bề mặt giới hạn dưới ta có trường hợp ngoại lệ.Nhiệt độ tại đây

có thể lớn hơn nhiệt độ các điểm có cùng độ sâu trong vật bán vô hạn đến 2 lần hoặc hơn nữa (tùy vận tốc v)

- Công thức tính nhiệt độ tới hạn của tất cả các điểm không nằm trên trục oz:

+ Ta sử dụng công thức cho trường nhiệt độ phẳng (công thức 1.15) kết hợp với hệ

số hiệu chỉnh m:

2 (

.

2

a

vr K e

x  _véctơ bán kính của các điểm xét tới

+ Xác định m (Hình 1-12) trên cơ sở 3 tham số không thứ nguyên

b) Lớp kim loại ở giữa z=

2



c) Mặt không bị nung nóng z=

+ ý nghĩa hệ số m: Nó biểu thị tính tập trung của nguồn nhiệt Với các điểm lân cận nguồn nhiệt, nhiệt độ các điểm thuộc bề mặt trên lớn hơn nhiệt độ các điểm tương ứng thuộc bề mặt giới hạn dưới Với các điểm cách xa nguồn nhiệt, giá trị m 1, tức là không ảnh hưởng gì đến sự thay đổi nhiệt độ theo chiều dày Khi r4 thì sự chênh lệch nhiệt độ của các bề mặt trên và dưới 5%

• Tóm tắt về trường nhiệt độ khi hàn:

- Với tấm mỏng  20 mm, sơ đồ tính toán là nguồn nhiệt đường, trường nhiệt độ là trường phẳng T(x,y)

- Với vật bán vô hạn 50 mm, sơ đồ tính toán là nguồn nhiệt điểm, trường nhiệt độ là trường không gian T(x,y,z)

- Với tấm dày  thuộc (20; 50 mm) ta có 2 trường hợp:

22

Nội lực tác động ứng suất tác động

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG DỌC DO CO DỌC

GÂY RA KHI HÀN 2.1 Phương pháp tính theo nội lực tác động

2.1.1 Khái niệm các giả thuyết

• Cơ sở tính toán: coi nội lực tác động (còn gọi là nực co) như là những lực tập trung tác động lên vật hàn tại vị trí mối hàn Các công thức tính dựa trên lý thuyết đàn hồi và sức bền vật liệu

• Bốn giả thuyết của phương pháp:

1) Coi vùng tác động của lực co (bằng vùng nội lực tác động) có ứng suất kéo dọc trục phân bố đều và bằng giới hạn chảy của kim loại =T Hình 2-1

4) Trong tính toán, ta sử dụng các liên kết giả tạo vào các cạnh dọc của tấm, khi độ võng của tấm đổi dấu (=0) Không có sự tăng độ cứng vững của chi tiết, cũng không ảnh hưởng đến sự thay đổi giá trị vùng ứng suất tác động Giải thích: Hình 2-2b để có thể tính toán được giá trị độ

co dọc, ta đặt các hạn chế giả tạo tại thời điểm hình thành biến dạng dẻo nén, tấm chuyển sang trạng thái đàn hồi khi nguội (f=0) sao cho nó không bị uốn theo hướng ngược lại nhưng vẫn có thể co dọc Trên thực tế khi nung bằng nguồn nhiệt hàn lên mép tấm, do tiết dạng ngang của nó

bị nung không đồng đều, dẫn tới việc co dãn khác nhau trong từng thớ, tấm bị uốn (Hình 2-2a), sau đó f=0 (Hình 2-2b) và uốn ngược lại khi nguội (Hình 2-2c) Còn muốn tính đến độ võng,

ta vẫn có thể dùng mômen uốn để tính

nội lực phản kháng

nội lức phản kháng

Hình 2 - 1 Nội lực phản kháng ứng suất phản kh¸ng

nội lực tác động

+ Tiết diện 1-1 bất kì sẽ quay đi một góc tới vị trí 1'-1' Ta sẽ tìm hiểu nó

+ Tại thời điểm khi nguồn nhiệt còn cách nó một khoảng nào đó nhiệt độ của các thớ trên cùng T6000C (kim loại thép bị biến dạng dẻo) Nhưng do không tăng chiều dài một cách tự

do nên chúng bị nén Vùng này còn hẹp

+ Tại thời điểm khi nguồn nhiệt dịch chuyển đến tiết diện 1-1, các thớ trên cùng bị nóng chảy, vùng tiếp theo bị nung đến trạng thái dẻo So với thời điểm trước, chiều rộng của nó tăng lên (vùng bị nén)

Hình 2 - 2

Hình 2-3

L d

v

24

+ Do trạng thái dẻo, ứng suất của các thớ trên cùng giảm dần tới không Các thớ bị nén sẽ chuyển dần xuống dưới

+ Vùng (của các thớ) kim loại ở dưới (bị nung ít hơn) sẽ bị kéo

+ Còn vùng kim loại ở mép dưới sẽ bị nén do hiện tượng uốn gây ra (Hình 2-4a) + Khi nguồn nhiệt đi khỏi tiết diện 1-1, nhiệt độ ở đó sẽ cân bằng dần Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 6000C, các thớ bị nung nóng cao nhất sẽ chuyển dần sang trạng thái đàn hồi Khi T=6000C, ứng suất nén trong vùng này giảm đến không Độ võng giảm dần trong quá trình nguội

+ Quá trình nguội tiếp theo: Các thớ đã từng bị biến dạng dẻo nén (đã từng có nhiệt độ cao nhất) không thể co lại một cách tự do nên sẽ bị kéo (bởi chúng liên kết với phần còn lại của tấm Sau khi cân bằng nhiệt độ trong tiết diện, trong chúng xuất hiện ứng suất kéo Tấm bị uốn cong theo hướng ngược lại (Hình 2-4b) Sự phân bố ứng suất dư: Hình 2-4c, trong đó

1=T=const, phù hợp với các giả thiết đã đưa ra, f là độ võng dư (một đặc trưng của biến dạng dư) và bn là vùng ứng suất tác động (ta sẽ tính sau)

- Tính toán cụ thể cho trường hợp hàn đắp lên mép tấm (Hình 2-5)

Hình 2- 4

y

y 1

P=T.bn. = 2.(h-bn). (2.2) + Vì vậy ứng suất nén phản kháng 2 sẽ là:

2=

n

n T

b h

b



 (2.3) +Mômen uốn do cặp nội lực tác động-nội lực phản kháng gây ra sẽ là:

f=

EJ

Ml

8 (2.5) với J= 3

2 2

4

).

( 3

4

3

h E

l b h h

u=

h

b h

Ph W

+ Sau khi bỏ qua các hạn chế giả tạo, ứng suất dư sẽ như hình 3

+ Tại hình 4 là trường hợp của ứng suất dư khi không dùng các hạn chế giả tạo, tấm được hàn đắp ở trạng thái tự do nên ứng suất dư và độ võng dư được tích lũy từ từ Vì vậy tất cả các thớ của vùng ứng suất tác động có ứng suất dư là T (giới hạn chảy)

+ Tại hình 5 là trường hợp có thể xảy ra khi các lớp kim loại trên cùng (mép hàn) nguội nhanh và chuyển sang trạng thái đàn hồi sớm hơn so với các lớp dưới Vì vậy các thớ này có

26

ứng suất kéo dư nhỏ hơn T, thậm chí là ứng suất nén Các thớ trên cùng, mặt khác khi bn lớn cũng có thể bị nén do tấm bị uốn

❖ Một số mở rộng cho trường hợp hàn đắp lên mép tấm:

1 Khi bn tăng thì P,M,f đều tăng Chúng đạt tới giá trị cực đại khi bn= 0,5h Lúc đó theo (2.6) ta có:

f=

h E

l h

3

8

.

2.2.1 Khái niệm vùng ứng suất tác động

1) Vùng ứng suất tác động là vùng bao gồm kim loại mối hàn và kim loại cơ bản nằm cạnh nó, đã từng chịu biến dạng dẻo nén khi bị nung nóng bởi nguồn nhiệt hàn 2) Có hai phương pháp xác định bn là phương pháp đồ thị và phương pháp tuần tự xấp xỉ 3) Các giả thiết cho tính toán giá trị bn:

a ứng suất tác động kéo dư dọc trục là như nhau trong mọi thớ của vùng ứng suất tác động và bằng giới hạn chảy T với điều kiện là bn< 0,5h

b Nhiệt độ của các điểm cách trục mối hàn một khoảng (tọa độ y) như nhau thì đều như nhau, tức là ta bỏ qua ảnh hưởng của chiều rộng và chiều dày tấm

2.2.2 Phương pháp đồ thị (để tính bn)

+ Ta xét Hình 2-9: một liên kết hàn giáp mối tự do Vùng ứng suất tác động có chiều rộng b0=2bn

+ Ta chia bn thành hai vùng b1 và b2

+ Vùng b1: nằm gần nguồn nhiệt hàn và bao gồm kim loại mối hàn và phần kim loại

cơ bản đã trải qua trạng thái biến dạng dẻo khi hàn (với thép cacbon nhiệt độ tối đa của chúng khi hàn vượt 5506000

C)

+ Vùng b2: là vùng kim loại cơ bản đã trải qua trạng thái đàn hồi-dẻo khi hàn Nhiệt

độ tối đa của các thớ trong vùng này khi hàn không vượt quá 5506000C, nhưng do bị nung không đồng đều, chúng vẫn bị biến dạng dẻo nén

f Nguội Nung

Hình 2 - 8

28

➢ Cách tính giá trị vùng b 1: Khi hàn vùng b1 ở trạng thái nóng chảy-dẻo Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

b1=f(q,v,c,…) Trong phần 1, ta đã biết cách xác định nhiệt độ tối đa của các điểm lân cận mối hàn (công thức 1-18) Nếu ta thay Tmax=5500C (nhiệt độ khi thép đạt tới trạng thái dẻo và y=b1, ta có:

b1=

550 2

484 , 0



 c v

q

(2.10) Trong trường hợp tổng quát, thay vì giá trị chiều dày 2 trong công thức (2.10) ta có giá trị , gọi là tổng chiều dày truyền nhiệt (cm) Hình 2-10 Lúc đó công thức (2.10)

sẽ trở thành:

b1=

550

484 , 0

d3

d1

d2

d1 d2

Hình 2 - 10 Hình 2 - 9

29

➢ Cách tính giá trị vùng b 2: Chiều rộng b2 phụ thuộc vào sự phân bố nhiệt độ theo chiều rộng liên kết hàn cùng độ cứng vững của nó Độ cứng vững của tấm được xác định trên cơ sở momen quán tính của tiết diện ngang và độ bền của vật liệu Nói cách khác b2 phụ thuộc vào T và chiều rộng h Còn sự phân bố nhiệt độ theo tiết diện ngang phụ thuộc vào năng lượng riêng của nguồn nhiệt q0:

k2- hệ số phụ thuộc vào q0 và T Hệ số này xác định theo đồ thị trên Hình 2-11

Khi biết k21 cho thép có giới hạn chảy T1, ta có thể xác định được k22 cho thép có giới hạn chảy T2 với điều kiện q01=q02:

k



 (2.14)

Giải thích về chiều rộng tính toán (Hình 2-12): kim loại không phải là vật đàn hồi tuyệt đối nên với các tấm có chiều rộng lớn, do lực cục bộ, sự biến dạng sẽ bị tắt dần nếu càng xa trục hàn Tức là sự biến dạng thực tế sẽ không phù hợp với giả thiết về tiết diện phẳng nữa Vì vậy khi tính toán, ta không phải lấy toàn bộ giá trị chiều rộng

1

2

Hình 2 - 11

T

68,9

.1

q0 - năng lượng riêng [cal/cm2]

 - tổng chiều dày truyền nhiệt [cm]

m_ hệ số tính đến sự tiêu hao năng lượng

Hình 2 - 12

q h

2.2.4 Phương pháp tính theo biến dạng thực

❖ Đặc điểm của phương pháp: Xác định độ cong của liên kết hàn theo biến dạng

thực của các thớ, có tính đến sự tích lũy biến dạng dẻo liên tục của chúng trong quá trình nung nóng và nguội sau khi hàn

❖ Trường hợp điển hình - hàn đắp lên mép tấm

- Khi hàn đắp lên mép tấm, nhiệt độ phân bố trong tiết diện ngang có thể được biểu diễn như trên hình 2-13a

- Giả thử các thớ dọc (theo chiều dài, cũng tức là theo chiều hàn đắp) không phụ thuộc vào nhau, biến dạng nhiệt tự do tương đối của chúng sẽ là (tại tọa độ y-vị trí của thớ):

y y

y

T l

- Trên thực tế, biến dạng thực của mỗi thớ kim loại mà ta kí hiệu là y, phụ thuộc vào

sự liên kết của nó với các thớ còn lại của tấm

- Nếu công nhận giả thuyết về tiết diện phẳng, tiết diện Oy sẽ phải quay đến vị trí  nào đó

- Biến dạng thực của một thớ bất kì sẽ được xác định như sau:

;

DC

DE

AC AB  AB=h; AC=0+h vì 0 có dấu cộng (biến dạng kéo khi nung) và h

có dấu trừ (biến dạng co khi nung) Hình 2-13c

Cho nên AC=0- h

DE = y; DC = 0- y Vậy ta có công thức (2.18)

+ Trong công thức (2.18):

0 - biến dạng thực của thớ ở mép hàn

h - biến dạng thực của thớ ở mép ngoài cùng dưới

32

H - chiều rộng của tấm

y - biến dạng thực của thớ cần khảo sát, cách hàn là y

- Do biến dạng nhiệt tự do =f(y) và biến dạng thực (đường thẳng ) của các thớ

có giá trị khác nhau (Hình 2-13b) nên trong tấm sẽ xuất hiện ứng suất

- Tại các nơi mà y>y (biến dạng nhiệt lớn hơn biến dạng thực) các thớ sẽ bị nén khi nung Nếu y<y, các thớ tương ứng sẽ bị kéo

- Vậy trong một thớ y bất kì, biến dạng tương đối là:

 =0 (2.22)

Thay (2.20) vào ta có h y y Edy

0

)(  =0 hay là:

hy dyh y dy

 (2.23)

(  =0 hay là  

y y dy dy

y y

 (2.24)

33

+ Vế phải của phương trình (2.23) là biến dạng nhiệt (tổng biến dạng tự do) của toàn bộ tiết diện đang khảo sát (ở đây hiểu là biến dạng tương đối %) Vế phải của (2.24) là tổng mômen biến dạng nhiệt của tiết diện này

+ Các vế trái của (2.23) và (2.24) là tổng biến dạng thực và tổng mômen biến dạng thực được xác định theo đường thẳng 

- Vì ta có thể biết qui luật phân bố nhiệt độ nên có thể xác định được tổng biến dạng nhiệt F tại tiết diện cụ thể

- Các phương trình (2.23) và (2.24) cho phép xác định được vị trí đường thẳng , cụ thể (ứng suất biến dạng ở thớ bất kì của tiết diện)

+ ở (h-y3) trên hình 2-13b, chỉ có biến dạng đàn hồi vì ở thớ bất kì trong đó y< T

(với T là biến dạng tương đối tương ứng với T), ứng suất trong các thớ của đoạn này

3

)(

)(

)(

2

1

2 3 1

3

0 ) (

( 2

1 ) (

) (

3

2 )

(

2

1

) 2 3 2 2 3 1

0 1 1

- Khi thay công thức (2.18) vào các công thức (2.26), (2.27) và (2.28) và các giá trị y1,

y2 và y = Ty (các giá trị này được tính theo qui luật phân bố nhiệt độ đã biết) ta sẽ tìm được 0, h và y3

- Khi quá trình nung nóng kết thúc, nhiệt độ trong tiết diện bắt đầu giảm

- biến dạng dẻo nén do quá trình nung nóng gây ra sẽ ảnh hưởng đến ứng suất và biến dạng sau đó trong quá trình nguội

- Nếu các thớ có thể thay đổi tự do chiều dài khi nguội thì các thớ đã từng bị biến dạng dẻo khi nung nóng sẽ phải ngắn đi một đoạn bằng giá trị của biến dạng dẻo nén Đường cong BD nhiệt tự do khi nguội (kí hiệu là ') sẽ khác với đường cong  mà ta

đã xét khi nung một giá trị bằng đúng biến dạng dẻo trước kia của các thớ đó Tức là:

'=y-dy (2.30) trong đó dy là biến dạng dẻo của thớ cách trục một khoảng y ở tại thời điểm trước lúc chúng ta khảo sát quá trình nguội và có tính đến dấu của nó

- Trên thực tế, các thớ có liên quan với nhau nên đáng lẽ xảy ra biến dạng nhiệt tự do khi nguội ' thì chúng lại có biến dạng thực y xác định bởi đường thẳng 

- Khi đó, theo các công thức (2.26) và (2.27) ta xác định đường thẳng  như trước, chỉ khác ở chỗ thay vì y, ta dùng giá trị '=y-dy (tức là ta dùng công thức 2.30)

- Khi đã biết vị trí đường thẳng , ta có thể xác định được biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo của thớ có nhiệt độ  6000C (tại thời điểm nguội đang khảo sát)

- Qua đó ta có thể biết được biến dạng dẻo dư, ví dụ tại thời điểm T=6000C, giá trị biến dạng dẻo nén là -d tại một thớ nào đó Trong quá trình nguội tiếp theo, sẽ xuất hiện biến dạng dẻo kéo là +d biến dạng dẻo dư của thớ này tại một thời điểm nguội nào đó sẽ là:

0d=-d+d' (2.31)

35

- Nếu nghiên cứu hàng loạt thời điểm trong quá trình nguội, ta có thể xác định được giá trị biến dạng dẻo dư của từng thớ khi tấm đã nguội hoàn toàn

- Nhờ biết được biến dạng dẻo dư của từng thớ nên với các công thức (2.26) và (2.27),

ta có thể xác định được vị trí của đường thẳng ' tương ứng

- Qua đó ta biết được biến dạng thực còn dư của tất cả các thớ cần khảo sát thuộc tiết diện Sau đó có thể xác định độ võng dư và sự phân bố ứng suất dư của tấm

❖ Ưu điểm của phương pháp tính theo biến dạng thực

2.2.5 Phương pháp rút gọn theo biến dạng thực

- Phương pháp này cho phép xác định biến dạng dư một cách gần đúng mà không cần tính toán công phu một loạt trạng thái trung gian trong quá trình nung và nguội

- Ta đã biết là biến dạng dư phụ thuộc chủ yếu vào tổng biến dạng dẻo nén mà phần

tử trải qua khi hàn

- Trong phần lớn liên kết hàn và chế độ hàn thực tế, tổng biến dạng dẻo nén có quan

hệ tuyến tính với năng lượng đường của nguồn nhiệt ( tỷ số giữa q/v )

- Công thức gần đúng để xác định độ co tương đối t của trục trọng tâm liên kết hàn (thép) và độ cong của nó như sau:

F là tiết diện ngang của tấm ( cm2 )

yt là khoảng cách từ trục trọng tâm tiết diện tấm tới trọng tâm thể tích co ( trục mối hàn ) (cm)

36

J là mômen quán tính tiết diện ngang của tấm ( cm4 )

t =

F v

q

10

q

10

l J E C

8

.

= 8

.l2C

f =

J v

l q

8

10

l q

.

10 6

l q

10

l q

10.6,

37

❖ Phương pháp rút gọn theo biến dạng thực, có sử dụng đồ thị:

- Trên Hình 2-15 là đồ thị tương đối chính xác để xác định biến dạng (độ co) tương đối t

- Phần trái của đồ thị là đường thẳng với

F v

q

.  150

- Với các giá trị lớn hơn 150 (cal/cm3), mối quan hệ không còn tuyến tính nữa (khi bs> 0,15h)

❖ Mở rộng cho phương pháp tính theo biến dạng thực

➢ Ảnh hưởng của hai mối hàn song song:

+ Khi mối thứ hai song song với mối thứ nhất, ngoài biến dạng do mối hàn thứ hai này gây ra, còn có biến dạng do trạng thái ứng suất sau khi mối hàn thứ nhất gây ra + Ví dụ hàn đắp lên mép 1 Sau đó hàn đắp lên mép đối diện hai thì sau khi nguội, vẫn còn độ võng ứng với ảnh hưởng của mối hàn thứ nhất Tức là sau khi mối hàn thứ nhất, tiết diện ngang quay đi một góc  Khi nung bởi nguồn nhiệt mối hàn hai, góc này tăng tới giá trị  +, vì mômen chống uốn của tiết diện tấm giảm đi một phần

do các thớ dọc ở trạng thái dẻo Nếu giả thuyết mối hàn hai sau khi nguội cũng gây biến dạng giống như mối hàn một gây ra (nhưng theo hướng ngược lại), tức là -, lúc

đó biến dạng dư là:

 +  -  = , và tấm sẽ bị cong theo hướng sau khi hàn mối hàn một

+ Các công thức nêu ở trên không cho phép tính tới ảnh hưởng của những mối hàn

đã thực hiện trước (vì không xét tới trạng thái ứng suất ban đầu)

➢ Ảnh hưởng của gá kẹp:

q /vF { cal /cm-3 }

200 400 600 0,0002

38

+ Nếu trong quá trình hàn đắp lên mép tấm tương đối rộng, ta kẹp nó giữa hai gá sao cho nó không uốn được nhưng vẫn giãn và co theo chiều dài được thì biến dạng

dư sau khi bỏ gá kẹp sẽ nhỏ hơn so với khi không có gá kẹp

+ Nguyên nhân: trong tấm không có gá kẹp, trong quá trình nguội đã xảy ra biến dạng dẻo kéo lớn hơn

+ Lưu ý: khi vùng biến dạng dẻo bs > 0,15h thì gá kẹp lại có thể làm tăng chứ không giảm độ cong sau khi bỏ gá kẹp

+ Nguyên nhân: xuất hiện vùng biến dạng dẻo nén rộng khi nung Do đó khi tấm hẹp, vùng bs lớn, gá kẹp làm tăng biến dạng dẻo (tấm rộng và vùng bs nhỏ, gá kẹp làm giảm biến dạng dẻo)

➢ Ảnh hưởng của hàn nhiều lớp và hàn gián đoạn:

+ Việc xác định biến dạng trong trường hợp hàn nhiều lớp cần xét tới việc các vùng biến dạng dẻo của từng đường hàn phủ chồng lên nhau Đã có phương pháp đặc biệt cho những trường hợp như vậy Nói chung khi hàn hai hoặc ba lượt thì thể tích co tương đối (và biến dạng dư) sẽ được xác định bởi đường hàn thứ nhất, khi phải dùng năng lượng đường lớn nhất

+ Khi hàn mối hàn góc (liên kết chữ T) từ hai phía chẳng hạn, mối hàn thứ hai phủ lên vùng ứng suất tác động của mối hàn thứ nhất không phải hoàn toàn mà chỉ một phần và biến dạng dư sau khi hàn mối hàn thứ hai sẽ tăng Khi đó có thể tính toán như với một mối hàn có năng lượng đường nhiều hơn 15  20% (so với năng lượng đường của từng mối hàn 1, 2)

+Với hàn gián đoạn, đặc biệt khi đường hàn ngắn, chế độ nhiệt không ổn định Do

đó độ co dư không đồng đều trên chiều dài mối hàn Độ cong của tấm sẽ phụ thuộc vào chiều rộng tấm Do chế độ nhiệt không ổn định, còn xuất hiện biến dạng dẻo kéo

dư ở đầu và cuối mối hàn

+ Có thể coi chế độ nhiệt là ổn định, thể tích co tương đối cho mối hàn gián đoạn được xác định như sau:

ak_thể tích co tương đối của mối hàn gián đoạn

a_chiều dài đoạn hàn

t_bước hàn

+ Trên thực tế, biến dạng dư còn phụ thuộc vào cả thứ tự thực hiện mối hàn

39

2.3 Ứng suất và biến dạng dọc do co dọc gây ra trong liên kết hàn giáp mối

2.3.1 Hai tấm có chiều rộng như nhau

- Đây là trường hợp hàn giáp mối hai tấm có kích thước l*h* theo chiều dài l

- ở thời điểm nung nóng, các thớ có nhiệt độ cao hơn không thể giãn nở tự do vì bị liên kết với các thớ nguội hơn Trong các thớ nóng hơn đó sẽ xuất hiện ứng suất nén dọc trục Chúng sẽ nhanh chóng đạt tới giá trị T và gây ra ứng suất phản kháng 2 ở các thớ nguội hơn

- Do nhiệt độ tăng, trong vùng ứng suất tác động bn sẽ xảy ra biến dạng dẻo nén Nhiệt độ tiếp tục tăng thì kim loại được nung nóng nhất trong vùng ứng suất tác động sẽ chuyển sang trạng thái dẻo và ứng suất nén trong nó sẽ mất đi

- ứng suất nén tác động càng giảm thì ứng suất phản kháng cũng giảm theo

- Trong quá trình nguội, phần kim loại đã trải qua trạng thái dẻo (hoặc nóng chảy) sẽ chuyển dần sang trạng thái đàn hồi Nhiệt độ càng giảm thì kim loại càng co lại, nhưng chúng không thể co lại một cách tự do vì bị các thớ đã từng bị nung nóng ít hơn (trong quá trình nung trước đó) cản lại

- Trong vùng ứng suất tác động sẽ xuất hiện ứng suất kéo dọc trục và làm cho ứng suất nén phản kháng nén xuất hiện (trong các thớ đã từng bị nung nóng ít hơn)

- Sau khi nguội hẳn, trong vùng ứng suất tác động sẽ có ứng suất kéo T nếu b0  0,3h0 (b0 = 2bn; h0 = 2h) Tại các thớ còn lại sẽ xuất hiện ứng suất nén phản kháng dọc trục 2

- Nội lực tác động dọc trục sẽ là:

P = T.Fc = T.b0. (2.38)

trong đó Fc là tiết diện vùng ứng suất tác động

- Theo điều kiện cân bằng nội lực:

40

với F = h0  là tiết diện ngang của liên kết hàn

- Vì vậy:

0 0

0 2

b h

b F

F

c

c T

2.3.2 Hai tấm có chiều rộng khác nhau

- Ta hàn giáp mối dọc chiều dài l hai tấm

+ Tấm 1: l*h1*

+ Tấm 2: l*h2*

+ Cho trước h1 > h2

- Khi hàn, vung ứng suất tác động sẽ nằm lệch so với trục của liên kết hàn

- Giả sử có hạn chế giả tạo trên hai mép dọc liên kết thì không có hiện tượng uốn và biểu đồ ứng suất sẽ là như trên hình 2-17a

0

b h

b c