Đề cương bài giảng ứng suất biến dạng hàn

Ứng suất biến dạng hàn MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN 1.1 Lý thuyết ứng suất biến dạng hàn ý nghĩa 1.2 Phân loại ứng suất biến dạng 1.2.1 Phân loại ứng suất riêng hàn 1.2.2 Phân loại biến dạng hàn: 1.3 Nguyên nhân phát sinh ứng suất biến dạng hàn 1.3.1 Do phân bố không đồng biến dạng không dẻo 1.3.2 Do ảnh hưởng ngoại lực 10 1.3.3 Do thay đổi pha 11 1.4 Trường nhiệt độ hàn 11 1.4.1 Trường nhiệt độ hàn mỏng 13 1.4.2 Trường nhiệt độ hàn vật bán vô hạn 16 1.4.3 Trường nhiệt độ hàn 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 giả thuyết 22 2.1.2 Trường hợp hàn đắp lên mép 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 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 biến dạng dọc co dọc gây liên kết hàn giáp mối 39 2.3.1 Hai có chiều rộng 39 2.3.2 Hai có chiều rộng khác 40 2.4 Ứng suất biến dạng ngang co dọc gây mối hàn giáp mối 41 2.4.1 Trường hợp hàn giáp mối hai rộng 41 2.4.2 Hàn giáp mối hai có chiều rộng khác 45 2.5 Giảm biến dạng co dọc hàn biện pháp kéo sơ 49 Ứng suất biến dạng hàn 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 biến dạng co ngang hàn giáp mối tự 55 3.2.1 Ta xét trường hợp hàn không bị kẹp chặt, nung nóng xảy đông theo chiều dày ( biến dạng góc ) 55 3.2.2 Xác định biến dạng co ngang 59 3.3 Ứng suất biến dạng co ngang hàn giáp mối có gá kẹp 65 3.4 Biến dạng góc co ngang liên kết hàn giáp mối 67 3.4.1 Định nghĩa 67 3.4.2 Biến dạng góc hàn giáp mối vát mép chữ V 67 3.4.3 Trường hợp giáp mối có chiều dày lớn không vát mép (hàn từ phía) 71 3.4.4 Ảnh hưởng 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 biến dạng liên kết hàn góc 77 4.2.1 Ứng suất biến dạng liên kết hàn góc 77 4.2.2 Ứng suất biến dạng liên kết hàn chồng 80 4.2.3 Ứng suất biến dạng liên kết hàn chữ T 84 4.2.4 Ứng suất biến dạng 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 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 hàn 99 5.2.1 Các biện pháp kết cấu 100 5.2.2 Các biện pháp công nghệ trình hàn 100 5.2.2.1 Các biện pháp công nghệ trình hàn 100 5.2.2.2 Các biện pháp công nghệ sau hàn 101 Ứng suất biến dạng hàn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN 1.1 Lý thuyết ứng suất biến dạng hàn ý nghĩa • Khi hàn: phần tử kết cấu hàn bị nung không đồng tới nhiệt độ cao  gây nên ứng suất biến dạng • Tuỳ theo mức độ truyền nhiệt cân nhiệt độ, xảy thay đổi ứng suất biến dạng cách liên tục điểm khác chi tiết hàn (nói cách khác: thay đổi trường ứng suất biến dạng) So với trường nhiệt độ, trường ứng suất biến dạng không hoàn toàn sau hàn, tức trình hình thành ứng suất biến dạng trình đảo ngược được(ta gọi ứng suất biến dạng lại vật hàn sau hàn ứng suất biến dạng dư) • ý nghĩa việc nghiên cứu trình hình thành ứng suất biến dạng hàn Để đánh giá xác suất có vết nứt chế tạo kết cấu Để xác định trường ứng suất dư nhằm đánh giá khả làm việc kết cấu (liên quan đến độ bền công nghệ) 3.Để giải vấn đề liên quan đến độ xác chế tạo kết cấu hàn (tương đương độ bền sử dụng) • Các vấn đề nói hỏi có cách tiếp cận khác • ad1: Phải phân tích tượng vùng nhiệt độ cao xung quanh nguồn nhiệt hàn Điều đòi hỏi cách đặt vấn đề cách tổng quát phức tạp • ad2: Để xác định trường ứng suất biến dạng dư, xem xét trình nung hàn người ta đưa giả thiết đơn giản hoá nguồn nhiệt hàn tính chất kim loại (lý tưởng hoá chúng) • ad3: Các sơ đồ tính toán đơn giản hoá (Ví dụ: bỏ qua đăc trưng trạng thái ứng suất bắt đầu kết thúc mối hàn đủ dài)  nội dung chủ yếu mà ta đề cập tới • Vấn đề biến dạng dư ảnh hưởng tiêu cực đến trình chế tạo kết cấu chất lượng Trong nhiều trường hợp, ta phải khử (loại bỏ) thông qua nhiều biện pháp như: - Có qui trình công nghệ lắp ghép hàn - Chọn chế độ hàn hợp lý Ứng suất biến dạng hàn - Tạo biến dạng ngược sơ bộ, v.v Như khống chế biến dạng dư phạm vi cho phép • Sự biến đổi hình dạng kích thước vật nhiều trường hợp có ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sử dụng chúng Ví dụ kết cấu dạng trụ bị cong làm xuất thêm ứng suất uốn bổ sung • Vì vấn đề phải xác định biến dạng dư, ảnh hưởng tới khả làm việc kết cấu, đưa biện pháp tăng độ xác hàn chế tạo chúng Điều có ý nghĩa quan trọng khâu thiết kế chế tạo kết cấu hàn • Vấn đề ứng suất biến dạng hàn nghiên cứu cách 70 năm • Ngày lý thuyết ứng suất biến dạng hàn nhánh ứng dụng lý thuyết ứng suất nhiệt • Lý thuyết ứng suất biến dạng hàn có hai hướng: Hoàn thiện phương pháp tính gần dành cho kỹ sư, để giải vấn đề mặt độ xác chế tạo kết cấu hàn Đưa giải pháp tính toán chặt chẽ việc giải toán biến dạng dẻo nhiệt với kết hợp sử dụng thành tựu lý thuyết tính toán (máy tính điện tử) nhằm nghiên cứu toàn diện trình nhiệt hàn (dành cho giới nghiên cứu) 1.2 Phân loại ứng suất biến dạng • Ứng suất hình thành trình hàn thuộc loại ứng suất riêng • Định nghĩa ứng suất riêng: ứng suất tồn kết cấu ngoại lực tác động vào kết cấu (Các tên gọi khác ứng suất riêng: nội ứng suất, ứng suất ban đầu, ứng suất dư) • Chúng xuất 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: tác động cân phạm vi cỡ kích thước vật phần (chi tiết) Đây đối tượng nghiên cứu Ứng suất biến dạng hàn +ứng suất loại 2: tác động cân pham vi hạt tinh thể Còn gọi ứng suất tế vi (ứng suất loại 1: ứng suất thô đại) Khác ứng suất loại 1, chúng hướng xác định so với trục vật hàn +ứng suất loại 3: tác động phần tử mạng tinh thể kim loại (ứng suất tế vi) Chúng hướng xác định so với trục vật hàn mối hàn +Chú thích:  Với ứng suất riêng loại 1: vật liệu coi đẳng hướng  Với ứng suất riêng loại 2: vật liệu không đẳng hướng  ứng suất hàn liệt vào loại ứng suất riêng thô đại (tức làứng suất loại 1) - Theo hướng phân bố không gian: + ứng suất chiều (các chi tiết dạng thanh) + ứng suất hai chiều (phẳng): chi tiết dạng vỏ + ứng suất ba chiều (không gian): chi tiết có ba chiều kích thước Giả thiết so sánh giá trị thành phần ứng suất với -Theo thời gian tồn tại: + ứng suất tức thời: tồn quãng thời gian định trình nung  nguội (ứng suất nhiệt) + ứng suất dư: tồn sau vật hàn 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 ứng suất riêng loại 1: 1) Vì ứng suất riêng tồn vật ngoại lực (tải trọng bên ngoài) phải tự cân vật  Vì vậy, đến đặc trưng phân bố nó, ứng suất riêng tiết diện vật, cân mặt lực mômen (điều kiện cân tĩnh) Ví dụ xét tiết diện vuông góc với trục x:  F x dF =0;   y y.dF =0;   x z.dF =0 F (1.1) F đó: x-ứng suất pháp tuyến điểm có tọa độ (y,z) nằm tiết diện F 2) Có thể chia ứng suất riêng loại thành: Ứng suất biến dạng hàn a) ứng suất tác động (bằng ứng suất sơ cấp) b) ứng suất phản kháng (bằng ứng suất thứ cấp) ad a): xuất vùng kim loại nung, nơi xảy biến dạng dẻo nén thớ kim loại nung nguồn nhiệt hàn Sau nguội, thớ xuất ứng suất tác động dư kéo ad b): xuất vùng lân cận với vùng bị nung nóng, chúng chống lại biến dạng tự vùng bị nung nóng Chúng xuất đồng thời với ứng suất tác động tạo với ứng suất tác động hệ thống trạng thái cân lực khép kín Nếu có ngoại liên kết (ngoại lực) có ứng suất phản kháng ngoại liên kết (Hình 1-2) a) b) c) d) Hình 1-2 1.2.2 Phân loại biến dạng hàn: - biến dạng hàn khó phân loại với vật hàn đơn giản, biến dạng phức tạp - Làm rõ số khái niệm: thí dụ chịu lực kéo (Hình 1_3) L x Ux1 Ux2 L+ L Hình 1-3 x P Ứng suất biến dạng hàn + Dưới tác động lực kéo dọc trục P, điểm có chuyển vị ux1 so với điểm cố định O Điểm có chuyển vị ux2 + Chiều dài đoạn L, tác dụng lực P, tăng thêm giá trị L + Định nghĩa biến dạng x= L u x  u x1 Trong trường hợp tổng quát:  L L x= lim L 0 L = L u x u x  x x0 x lim (1.2) + Ta thấy chuyển vị có thứ nguyên chiều dài, biến dạng đại lượng không thứ nguyên + Trong lý thuyết ứng suất biến dạng hàn, người ta không phân biệt rõ thực tế nói đến biến dạng, người ta hàm ý biến dạng riêng, lẫn chuyển vị (ví dụ độ võng, góc quay, v.v.) - Phân loại biến dạng hàn theo thời gian tồn (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 dư) theo phạm vi tác động kết cấu: + Biến dạng toàn phần: biến dạng gây nên biến đổi hình dạng kích thước toàn phần tử toàn kết cấu (Hình 1-4a) Đó thay đổi kích thước chiều (dài, rộng, cao) kết cấu uốn cong trục theo hướng dọc ngang (so với trục mối hàn) + Biến dạng cục (Hình 1-4b,c,d,e,f): tồn phần tử riêng biệt kết cấu Đó biến dạng phần tử chúng bị ổn định biến dạng góc (hình mái nhà, lượn sóng…) Ứng suất biến dạng hàn f B- B L- L a) b b) H - H c) d) b b e) f) Hình 1-4 1.3 Nguyên nhân phát sinh ứng suất biến dạng hàn 1.3.1 Do phân bố không đồng biến dạng không dẻo • Nguyên nhân phân bố không đồng biến dạng không dẻo - Biến dạng không dẻo biến dạng đàn hồi biến dạng nhiệt (khi hàn) Xét mỏng nung nóng dọc trục x (Hình 1-5) y y T x O L L a) b) Hình 1- σx Khi nung c) σx (dư) Khi ))nguội d) - Tấm coi gồm dải kim loại (a) - Do nhiệt độ phân bố không đồng (b), dãn nở nhiệt tự dải khác - Giả sử dải tự thay đổi chiều dài, độ dãn dài tự dải là: L=.T.l (1.3) T_nhiệt độ trung bình dải Ứng suất biến dạng hàn _hệ số dàn nở nhiệt vật liệu dải l_chiều dài ban đầu dải - Trên thực tế: dải liên kết với nhau, xảy phân bậc hình (a) Các dải bị nung (nằm xa đường x) dải bị nung nhiều - Giả thiết tiết diện phẳng áp dụng, biến dạng dọc thực tế dải (lo) - Sự khác giá trị dãn nở nhiệt tự dãn nở nhiệt thực tế dải kim loại dọc: nguyên nhân xuất nội lực hình thành trạng thái ứng suất - Trong trình nung nóng: dải bị nung nóng với l > lo bị nén, dải bị nung nóng với l < lo bị kéo (hình c) Thực tế hàn: dải lân cận mối hàn bị biến dạng dẻo nén - Khi nguội: nhiệt độ giảm, kéo theo co dải Biến dạng co dọc dải trải qua nhiệt độ cao chịu biến dạng dẻo nén (khi nung) lớn Tuy nhiên xuất phát từ giả thiết tiết diện phẳng, biến dạng co dọc thực tế tất dải phải Vì vậy, sau nguội hoàn toàn, phần kim loại co l > lo (khi nung) chịu kéo Các phần lại (l < lo nung) chịu nén (vì phải chống lại co dọc tự dải kia) - Mở rộng: mặt toán học, biểu diễn trường hợp sau: z=0: giả thiết (vì mỏng) x='x+x"; y='y+y"; xy='xy+"xy (1.4) x, y, xy: thành phần biến dạng toàn phần 'x, 'y, 'xy: thành phần đàn hồi biến dạng x", y", "xy: thành phần không đàn hồi biến dạng 'x= ( x    y ) E 'y= ( y    x ) E  xy'  (1.5)  xy G x"=y"=.T (1.6) "xy=0 Ứng suất biến dạng hàn T: chênh lệch nhiệt độ so với nhiệt độ ban đầu ứng suất thỏa mãn điều kiện cân bằng:  y  xy  x  xy    0 x y y x (1.7) biến dạng toàn phần thỏa mãn điều kiện: "    x'   y'  2 xy     x"   "y  2 xy       =0  +  2 xy  xy   y x x  y (1.8) ứng suất dư tồn khi: "    x"   "y  2 xy  R=-     0 xy  x  y (1.9) Nếu biến dạng không đàn hồi hàm tuyến tính vị trí: x"=a+bx+dy y"=e+fx+gy (1.10) "xy=k+lx+my R=0 lúc không xuất ứng suất dư 1.3.2 Do ảnh hưởng ngoại lực - Xét trường hợp hình 1.6: Ba thép cacbon giống bị kẹp chặt từ hai phía MPd 250 E 430 170 D A 600 540 T C 545 B' a) -250 B 170 b) Hình 1-6 - Thanh thứ hai nung đều, không thay đổi nhiệt độ Sau làm nguội tới nhiệt độ bình thường 10 Ứng suất biến dạng hàn E_mô đun đàn hồi vật liệu - Bước sau hoàn thành mối hàn nói xoay dầm 1800(lật ngược dầm) thực nốt cặp mối hàn số số lại - Ta coi khoảng cách trọng tâm vùng ứng suất tác động cặp mối hàn số số tới trọng tâm tiết diện ngang dầm chữ I gần nửa chiều cao dầm (0,5h) - Ta có mô men uốn M2 nội lực mối hàn số số gây ra: M2  P02 h (4.38) đó: P02_lực ban đầu quy ước mối hàn P02   bn    T   bn    T   Fc (4.39) với Fc2_tiết diện vùng ứng suất tác động cặp mối hàn Chú ý: Lực co ban đầu P02 dùng sơ đồ tính độ võng dư, với giả thiết vùng ứng suất tác động bn có ứng suất 0=T+2 thớ lại ứng suất - Mô men M2 tác động theo hướng ngược với M1 - Mô men quán tính J tiết diện ngang toàn liên kết dầm hàn chữ I (lớn J1) chống lại tác dụng uốn mô men M2 - Độ võng dư M2 gây ra: f2  M l 8.E.J (4.40) - Vì chế độ hàn nên: P01= P02 Fc1= Fc2 P y J y J f1 M J M J    01 01  01 f M J M J P02 0,5.h.J J h - Thông thường: [y01=( M1 J  0,5  0,66  J1 M2 1  ).h] - f1 f  0.5  0.66.2 1 f2 f2 - đó, sau hàn,độ võng dư f0 = f1 - f2 ( 4.42 ) - Tức dầm bị lõm phía mối hàn 1và 93 (4.41) Ứng suất biến dạng hàn ➢ Phương án 2: hình 4.20 Các mối hàn thực theo thứ tự chéo 3 4 a ) b Hình -20) 20 - Lúc này, có nội lực mối hàn ( số1 ) gây tượng uốn dầm chữ T ( gồm biên vách) - Nội lực ba mối hàn lại tác động lên toàn tiết diện dầm chữ I - Vì độ võng dư cuối không đáng kể độ võng dư: f 2,3  M 2,3 l E.J ; M l f4  E.J M l f1  E J ; ( 4.43 ) triệt tiêu lẫn - Theo phương án này, phải lật dầm nhiều lần ( hai lần quay 1800 ) - Nếu hàn lớp thuốc, hợp lý để mối hàn vị trí hàn sấp ( hình 4.20b ), bảo đảm nung đồng taams vách biên, chân mối hàn ngấu tốt thuốc hàn thuận tiện Tuy nhiên, số lần lật dầm lại tăng lên ( ba lần ) ➢ Phuơng án 3: hình 4.21 Hình - 21 - Đầu tiên người ta hàn mối hàn 1và - Sau xoay lật 1800 hàn cácmối hàn - Độ võng dư f không đáng kể lý sau: + Nội lực hai cặp mối hàn ( 1và ) ( 3và ) tác động lên toàn dầm chữ I nên độ võng mối hàn gây bị triệt tiêu mối hàn khác + Cụ thể: mặt phẳng vách: f1 bị f2 khử ( M1 = - M2; J1 = J2 = J ) 94 Ứng suất biến dạng hàn f3 bị f4 khử ( M3 = - M4 ; J3 = J4 =J ) + Trong mặt phẳng vuông góc với vách: f1’ bị f’3 khử ; f’2 bị f’4 khử • Để tăng khả chịu tải kết cấu dầm hàn chữ I , dầm hộp người ta tăng chiều cao vách Mặt khác, giảm chiều dày vách tằng chiều dầy hai biên có tác dụng tiết kiệm vật liệu Vì sau hàn, mỏng quá, vách dễ bị ổn định không chịu ứng suất nén mối hàn giáp biên gây ra, suất chỗ lồi lõm vách • Để chống lại hiên tượng nói trên, người ta thường tiên hành kéo sơ vách trước hàn chế tạo sau: Tấm vách đưa lên thóêt bị kéo để kéo dài thêm đoạn ( biến dạng đàn hồi ) Ghép với biên Hàn đính hai máy hàn tự động Kích thước mối hàn đính nhỏ Tháo dầm lắp ghép khỏi thiết bị kéo sơ Hàn hai máy hàn tự động theo phương án vừa nêu Đó phương pháp sản suất với quy mô hàng loạt với dầm hàn chữ I 95 Ứng suất biến dạng hàn CHƯƠNG 5: CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN 5.1 Các biện pháp giảm ứng suất hàn • Trong hầu hết trường hợp thực tế, ứng suất kéo dư vùng ứng suất tác động đặt tới giá trị ghới hạn chảy t • Do đó, biện pháp trước hàn, biện pháp kéo sơ nung nóng sơ đến nhiệt độ cao, không loại bỏ suất hiện, cĩng không giảm đáng kể giá trị ứng suất dư co dọc • Tuy nhiên, giảm nhiều ứng suất ngang co ngang, tức giảm trạng thái ứng suất hai chiều ba chiều, giảm biến dạng dẻo kéo mối hàn nguội Điều đảm bảo độ bền khả làm việc kết cấu • Có thể chia biện pháp thành : - Các biện pháp kết cấu - Các biện pháp công nghệ hàn 5.1.1 Các biện pháp kết - Lựa chọn kim loại vật liệu hàn cho kết cấu - Kim loại không nên dễ bị vùng ảnh hưởng nhiệt hàn - Vật liệu hàn nên bảo đảmkim loại mối hàn có độ dẻo không thấp tính dẻo kim loại - Không nên để mối hàn giao nhiều để tránh giảm ứng suất nhiều chiều, đặc biệt với kết cấu chịu tải trọng động va đập - Không nên dùng mối hàn tạo thành biên dạng kín không lớn (hàn tăng cứng ) chúng làm tăng trạng thái ứng suất phẳng - Số lượng kích thước mối hàn nên vừa đủ, không nên lớn mức cần thiết (trên sở tính toán thiết kế) - Các gân cứng vững nên bố trí cho hàn kim loại nung nóng vị trí, để đảm bảo giảm co ngang vách đứng (Hình 5-1) 96 Ứng suất biến dạng hàn a ) Đúng Hình - b) Sai - Nên ưu tiên sử dụng mối hàn giáp mối chúng có mức độ tập chung ứng suất nhỏ mối hàn góc - Khi hàn giáp mối có chiều dày khác nhau, để dảm bảo nung nóng đồng đều, hàn ngấu mép tránh mức độ tập trung ứng suất cao, càn vát dày cho thích hợp ( Hình 6-2) - Khi thiết kế kết cấu hàn thích hợp, cần xem xét khả hàn chúng dạng khối riêng rẽ, sau hàn chúng lại thành kết cấu hoàn chỉnh Điều làm giảm ràng buộc lên co ngang mối hàn giảm trạng thái ứng suất phẳng - Các kết cấu hàn có hình dạng phức tạp nên dùng chi tiết từ thép dập khối thép đúc Các kết cấu hàn với kết cấu khác để làm nên kết cấu hàn hoàn chỉnh - Cần tính đến khả bảo đảm việc dễ dàng việc giới hoá công việc hàn(thông qua bố trí mối hàn) - Cần tăng cường sử dụng đồ gá hàn để đảm bảo xác lắp ghép thực trình tự hàn a ) Đúng Hình - 97 b) Sai Ứng suất biến dạng hàn 5.1.2 Các biện pháp công nghệ + Các biện pháp đa dạng phụ vào đặc trưng loại kết cấu, phương pháp hàn, chế độ hàn, tính thành phần hoá học kim loại + Có thể chia chúng thành hai loại: Các biện pháp thực trình hàn Các biện pháp thực sau hàn Các biện pháp công nghệ giảm ứng suất, thực trình hàn: - Tăng chế độ nhiệt (năng lượng đường) hàn chi tiết không kẹp thép dễ nhằm tránh nứt(làm tăng thể tích vùng kim loại nung, giảm tốc độ nguội) - Nung nong sơ hàn dày thép dễ - Giảm chế độ nhiệt hàn chi tiết kẹp chặt nhằm tránh nứt - Với chi tiết kẹp chặt có chiều dày lớn, nên hàn nhiều lớp Kim loại đắp nên có tính dẻo cao - Trình tự hàn nên đảm bảo cho chi tiết trạng thái tự do, đặc biệt với mối hàn giáp mối( có giá trị co ngang lớn) Trước tiên hàn mối hàn giáp mối, sau đến mối hàn góc Với vật hàn có dạng trụ rỗng, trước hết hàn mối hàn dọc trước, sau đến mối hàn theo chu vi - Mỗi mối hàn nên thực lượt thực từ đâù - Không bố trí mối hàn đính chỗ mối hàn giao - Để giảm ảnh hưởng co ngang, cần giảm khe hở hàn mối hàn giáp mối hàn ngấu chân mối hàn - Cần hàn nhanh để đảm bảo kim loại nguội theo chiều dày chiều dài mối hàn(hàn tự động bán tự động) - Để giảm ứng suất riêng, số trường hợp, nên nung nóng cục vùng lân cận mối hàn(Hình 5-3) Ví dụ hình 6-3 cho thấy, hàn vết nứt, nên nung nóng sơ vùng A B Khi đó, lúc cân nhiệt độ, nung co theo hướng co mối hàn Trước hàn nên khoan đầu vết nứt 98 Ứng suất biến dạng hàn 1 2 1 Hình - Các biện pháp công nghệ giảm ứng suất, thực sau hàn: Với kết cấu quan trọng, để tăng khả làm việc chúng, người ta thường tiến hành khử ứng suất riêng sau hàn, đặc biệt thép hợp kim hay thép có hàm lượng cacbon trung bình Các biện pháp là: - Ram cao toàn phần lò Nhiệt độ ram 600 650C Thời gian giữ nhiệt độ cao 3min/1mm chiều dài Sau chi tiết để nguội tự lò - Ram cục tới 600C vùng quanh mối hàn phương pháp nung cao tần mỏ nung khí cháy Phương pháp không loại bỏ hoàn toàn nhung làm giảm ứng suất dư - Khử ứng suất dư phương pháp học kéo kết cấu tới giới hạn chảy, dùng rung động để phân bố lại ứng suất dư 5.2 Các biện pháp giảm biến dạng hàn • Sự hình thành ứng suất biến dạng dư hàn tác động nội lực kim loại nung cục - Trong kết cấu tượng vênh rõ rệt, ứng suất dư kéo thường đạt tới giá trị cao - Ngược lại, kết cấu bị biến dạng mạnh sau hàn, ứng suất dư kéo không lớn - Vì vậy, số biện pháp giảm biến dạng dư đối nghịch lại biện pháp giảm ứng suất dư • Có thể chia biện pháp giảm biến dạng dư thành ba loại: 99 Ứng suất biến dạng hàn 5.2.1 Các biện pháp kết cấu - Không thiết kế tiết diện mối hàn lớn mức cần thiết (xuất phát từ khía cạnh độ bền) làm tăng vùng ứng suất tác động nội lực tác động - Phân bố mối hàn cằng gần trục qua trọng tâm kết cấu tốt, trục để giảm mô men uốn nội lực tác động gây - Mỗi cặp mối hàn song song cần bố trí mặt phẳng qua trục trọng tâm vật, cho mô men nội lực tác động mối hàn cân không gây vênh kết cấu so với trục - Số lượng mối hàn kết cấu tốt để giảm lực co tác động lên kết cấu - Lượng dư cho co mối hàn phải bảo đảm sau hàn, kích thước kết cấu thiết kế - Để hạn chế biến dạng góc,cần giảm góc vát mép mối hàn vát mép chữ V, dùng mối hàn vát mép chữ X chiều dày chi tiết lớn 5.2.2 Các biện pháp công nghệ trình hàn 5.2.2.1 Các biện pháp công nghệ trình hàn - Chọn chế độ hàn cho chiều rộng vùng ứng suất tác động nhỏ Để nung kim loại theo chiều dày, cần tăng mật độ dòng điện hàn để hàn ngấu sâu + Việc hàn ngấu sâu mối hàn giáp biên liên kết hàn giáp mối cân co ngang theo chiều dày mối hàn giảm biến dạng góc + Trong số trường hợp, thực mối hàn thứ hai cặp mối hàn đối xứng qua trục vật hàn, nên tăng chế độ hàn để tăng vùng ứng suất tác động lực co mối hàn khử hoàn toàn độ võng dư mối hàn thứ gây - Trình tự thực mối hàn nên bảo đảm cho biến dạng mối hàn trước biến dạng mối hàn sau(có hướng ngược lại) khử hết Các mối hàn đối xứng song song nên hàn đồng thời hàn theo thứ tự đoạn xen kẽ - Phương pháp hàn phân đoạn nghịch tạo biến dạng nhỏ - Việc rèn mối hàn trình hàn làm giảm đáng kể biến dạng Sau hàn lớp lót không cần rèn gây nứt bề mặt - Nung nóng sơ toàn vật hàn giảm ứng suất biến dạng dư 100 Ứng suất biến dạng hàn - Có thể uốn ngước để giảm độ võng dư - Các mối hàn giáp mối liên kết hàn mỏng cho bể chứa nên hàn bàn gá từ tính(chúng không cản trở co ngang ngăn biến dạng góc) - Khi hàn mỏng theo biên dạng kín, để tránh ổn định nén, nung cục phần trước hàn… 5.2.2.2 Các biện pháp công nghệ sau hàn - Nắn nguội: + Dựa sở kéo đoạn kết cấu bị co, tới kích thước hình dạng thiết kế + Các đoạn chỗ bị co kết cấu hàn: vùng ứng suất tác động mối hàn mà sau hàn suất ứng suất kéo có giá trị t(giới hạn chảy) + Khi nắn nguội kết cấu hàn: xẩy dãn dẻo vùng ứng suất tác động mối hàn + Có thể xẩy nứt nắn nguội, làm ảnh hưởng tới khả làm việc kết cấu + Chỉ giảm ứng suất dư nắn nguội kết cấu hàn kéo tới ứng suất giới hạn chẩy t Tuy nhiên làm tăng biến cứng kim loại vùng ứng suất tác động mối hàn(có thể gây nứt) + Đây trình công nghệ khó thực hiện(cần có máy ép thuỷ lực công suất lớn đồ gá lớn) + Do khả ứng dụng hạn chế - Nắn nóng: + Là nung điện lửa(của mỏ nung) vàđược sử dụng rộng rãi thực tế + Bản chất phương pháp: dùng biện pháp nung cục để làm co đoạn, vùng kết cấu mà chiều dài chúng lớn chiều dài vùng ứng suất tác động mối hàn tương ứng kết cấu + Tại chỗ nung nóng kết cấu hàn nắn nóng, hàn, hình thành biến dạng dẻo nén Khi nguội sau đó, chỗ co lại cân chỗ bị biến dạng + Do đặc điểm đơn giản, rẻ tiền, dễ thao tác, phương pháp cho phép nắn loại biến dạng dư + Việc nắn nóng chủ yếu dựa Vào nghiên cứu số liệu thực nghiệm 101 Ứng suất biến dạng hàn + Có thể sử dụng cách có hiệu để khử ứng suất dư uốn nắn thẳng trục trọng tâm kết cấu hàn(hoặc khối chúng), để khử tượng lõm, lượn sóng vùng chịu nén phần tử dạng kết cấu + Để khử độ võng dư kết cấu hàn, cần tạo mô men uốn ngượcchiều cách nung dải kim loại dọc đường mm (Hình 6-4a) nung theo hình nêm (Hình 6-4b) Trường hợp đầu sử dụng co dọc, trường hợp thứ hai sử dụng co ngang chỗ nung cục + Trọng tâm tiết diện ngang vùng ứng suất tác động nung doc phải nằm mặt phẳng uốn(Hình 5-4a) m m a) Hình - b) + Trong kết cấu có tiết diện ngang không đối xứng, mặt phẳng uốn qua trọng tâm vùng ứng suất tác động mối hàn Oa trọng tâm tiết diện ngang kết cấu O(Hình 6-5a 6-5b) Nối điểm O với điểm Oa ta có đường O Oa mặt phẳng uốn + Trên hình 6-4 6-5 ta thấy nắn nóng nên nung dải mm nằm gần rìa kết cấu + Cách tính toán cho trường hợp dùng phương pháp hình 6-4a: 1)Tiết diện cần thiết vùng ứng suất tác động nung cục nắn nóng xác định xuất phát từ mô men uốn M gây võng dư sau hàn(M = Po*yo) từ độ võng dư (f = M*l*l/8*E*J) 2) Nội lực quy ước ban đầu Pon bảo dảmm vùng ứng suất tác động nung cục nắn(Hình 6-5a 6-5b) xác định từ công thức: Pon=M/yn (5.1) 102 Ứng suất biến dạng hàn m m m yn m om yo om bn o bn o yn oa yo Hình b) Trong yn khoảng cách từ tâm tiết diện vùng ứng suất tác động nung nắn Om a) đến trọng tâm tiết diện ngang O kết cấu 3) Tiết diện vùng ứng suất tác động nắn nóng Fn : Fn = Pon/on (5.2) Trong on ứng suất ban đầu vùng ứng suất tác động nung nắn nóng, coi gần giới hạn chẩy t Khi Fn= Pon/t=M/yn*t (5.3) 4) Chiều rộng vùng ứng suất tác động bon là: bon=Fn/ (5.4) 5) Công suất hữu ích nguồn nhiệt nung nắn nóng (q), xác định từ công thức tính chiều rộng vùng ứng suất tác động theo phương pháp xấp xỉ gần biết: q =(bn*v*o*t*h)/9,86*(h-bn) (5-5) Trong đó: bn_chiều rộng vùng ứng suất tác động bên trục nung, 0,5bon v_tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt nung, cm/s o_tổng chiều dày nhận nhiệt từ nguồn nhiệt(tổng chiều dày truyền nhiệt) h_chiều rộng tính toán nung + Trong trường hợp mặt phẳng uốn không cắt thân kết cấu hàn phía nằm ngược với mối hàn(Hình 6-6), để tạo nên mô men uốn ngược mặt phẳng uốn, cần phải 103 Ứng suất biến dạng hàn nung hai dải nằm cách trọng tâm kết cấu xa điểm m1 m2 Để xác dịnh vùng ứng suất tác động dải, ta nối chúng với trọng tâm tiết diện ngang kêt cấu(điểm O) chia mô men uốn M thành thành phần M1và M2 theo hai hướng Om1 Om2 Biết giá trị M1và M2, ta xác dịnh vùng ứng suất tác động dảidược nung theo công thức(5.3) (5.4), xác định công suất nguồn nhiệt nung nắn theo công thức biết(5.5) + Một số nhược điểm phương pháp nắn theo dải(Hình 5-4a): M1 M o M oa M2 Hình - 1) Trong số trường hợp làm cho vùng ứng suất tác động mối hàn bị biến dạng dẻo kéo tăng ứng suất dư 2) Các vùng bị nén xunh quanh mối hàn gây tác động chống lại co dọc dải nung nắn nóng, làm giảm hiệu nắn nóng dải dọc 3) Gía trị co dọc mối hàn thường vào khoảng 0,20,5 mm mét chiều dài mối hàn, tác động gây biến dạng nung dải dọc tương đối nhỏ Nếu tăng số lượng dải dọc nung lên(hoặc chiều rộng dải) hiệu nung giảm khó thực hiện(hiệu tăng tăng khoảng cách yn) + Một số ưu điểm phương pháp nắn theo hình nêm(Hình 5-4b): 1) Các dải ngang nung phân bố vùng có ứng suất nén, phần vùng có ứng suất kéo liên kết hàn Do co ngang chúng đồng thời với ngắn lại vùng nung dẫn đến giảm ứng suất dư kết cấu hàn 2) Độ co ngang mối hàn thường lớn độ co dọc đến lần, tính theo chiều dài mét mối hàn 104 Ứng suất biến dạng hàn Gía trị tương đối lớn độ co ngang, chiều dài nhỏ mối hàn ngang khả giảm ứng suất dư khiến cho phương pháp có ứng dụng rộng rãi thực tế + Cách tính toán theo trường hợp dùng phương phấp hình (5-4b): (xem hình 5-7a) 1) Để khử độ võng dư sau hàn, cần tạo biến dạng co  dải rộng hơn(trường hợp liên kết gồm hai có chiều rộng khác nhau) Sự co phải tăng theo khoảng cách tính từ vùng ứng suất tác động mối hàn Gía trị co lớn maxcủa dải bên mép lồi liên kết: ma x=L1-Lm (5.6) Trong L1_chiều dài dải cùngcủa mép lồi liên kết hàn Lm_chiều dài mối hàn Để đảm bảo co cho dải(giá trị ), cần nung tạo biến dạng dẻo chúng đoạn có chiều dài tương ứng 2) Tổng chiều dài mép nêm nhiệt nói xác định từ công thức tính độ co ngang; ln=ma x/*Ttb=(L1-Lm)/*Ttb (5.7) Trong _hệ số giãn nở nhiệt kim loại Ttb_giá trị trung bình nhiệt độ đoạn nung thời điểm chuyển từ trạng thái dẻo sang đàn hồi Việc nung theo hình nêm có đáy ln bảo đảm cho dải co tự theo chiều dài Lm, cần thiết cho việc khử độ võng dư sau hàn Việc nung theo hình nêm vậy,với đỉnh nêm nằm đường giới hạn vùng ứng suất tác động mối hàn, có ảnh hưởng nhỏ đến giảm ứng suất dư vùng ứng suất tác động, có lực phản kháng vùng kim loại chịu nén lân cận 3)Vì ứng suất dư kéo vùng ứng suất tác đông thường t, để giảm giá trị chúng, cần tạo co nung tất dải liên kết hàn 2, dải vùng ứng suất tác động: 2=T*Lm (5.8) Trong T_độ co tương đối ứng với ứng suất t 105 Ứng suất biến dạng hàn 4) Chiều dài nung cần thiết lt tất dải liên kết hàn, dải vùng ứng suất tác động, xác định tương tự với ln: lt=2/*Ttb=T*Lm/*Ttb (5.9) 5) Do tổng chiều dài nung đoạn hình nêm theo mép lối liên kết là: lo=ln+lt ( ) Để nắn từ giá trị độ võng dư cho trước sau hàn, để giảm ứng suất dư sau nắn, cần chọn kích thước nêm nhiệt nhỏ tăng số lượng chúng(trên sở thực nghiệm) 6) Số lượng đoạn nung, xuất phát từ tổng chiều dài nung lo, xác định theo công thức: n =lo/bn=(ln+lt)/bn (5.10) + Nắn nóng cần thực hiểntong thời gian ngắn Nhiệt độ nung vào khoảng 800850C Có thể nung cục hồ quang điện cực không nóng chẩy, lửa khí cháy Nên bắt đầu nung từ phía đỉnh nêm(nơi kim loại trạng thái nén) Chú ý: Thay giá trị đo dược L1và L2kể trên, dùng giá trị độ võng dư đo f Biết độ võng dư, ta xác định mô men uốn: M =8*E*J*f/l*l (5.11) Sau xác dịnh góc xoay tiết diện uốn:  =M*l/2*E*J (5.12) Gýa trị co dải mép lồi liên kết, cần cho việc khử độ võng dư: ma x=2**h (5.13) Trong đó: h_chiều rộng nung tính từ vùng ứng suất tác động mối hàn đến mép Theo công thức 5.7 ta xác định ln tính thông số lại đề cập + Ngoài hai phương pháp nêu hình 5-4a 5-4b, để xử lý tượng lồi lõm, lượn sóng, …tại phần tử chịu nén, người ta sử dụng phương pháp nắn nóng theo điểm 106 Ứng suất biến dạng hàn Bản chất phương pháp việc nung điểm định tới trạng thái dẻo làm nở gặp phải phản kháng từ phía xung quanh có nhiệt độ thấp Trong kim loại điẻm xảy biến dạng dẻo nén Khi nguội, vùng kim loại nung co lại gặ phải phản kháng từ xung quanh Do điểm hình thành ứng suất kéo, đạt tới giá trị t Vùng kim loại nung co hướng tâm, làm giảm kích thước ngang tác động đến vùng bị nén lân cận, làm cho chỗ bị lồi dẹt bớt Lượng kim loại cần nung xác định sau: Nếu bề mặt phần lồi F1,diện tích đáy(hình chiếu nằm) F2, diện tính F mà nung phải chịu biến dạng dẻo nén là: F = F1- F2 (5.14).Khi vết lồi có dạng mặt cầu, điểm nung bố trí theo đường tròn đồng tâm (Hình 5-7b).Các giá trị t a xác định thực nghiệm Hình 5-7 107 ... nhiệt độ, trường ứng suất biến dạng không hoàn toàn sau hàn, tức trình hình thành ứng suất biến dạng trình đảo ngược được(ta gọi ứng suất biến dạng lại vật hàn sau hàn ứng suất biến dạng dư) • ý... tạo kết cấu hàn • Vấn đề ứng suất biến dạng hàn nghiên cứu cách 70 năm • Ngày lý thuyết ứng suất biến dạng hàn nhánh ứng dụng lý thuyết ứng suất nhiệt • Lý thuyết ứng suất biến dạng hàn có hai... dạng liên kết hàn góc 77 4.2.1 Ứng suất biến dạng liên kết hàn góc 77 4.2.2 Ứng suất biến dạng liên kết hàn chồng 80 4.2.3 Ứng suất biến dạng liên kết hàn chữ T 84 4.2.4 Ứng