(NB) Giáo trình Tính toán kết cấu hàn với mục tiêu giúp các bạn có thể tính toán đúng vật liệu hàn, vật liệu chế tạo kết cấu hàn khi gia công các kết cấu hàn; Tính toán nghiệm bền cho các mối hàn đơn giản như: Mối hàn giáp mối, mối hàn góc, mối hàn hỗn hợp phù hợp với tải trọng của kết cấu hàn; Vận dụng linh hoạt kiến thức tình toán kết cấu hàn vào thực tế sản xuất.
66 BÀI 3: TÍNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN Giới thiệu Việc tính ứng suất biến dạng hàn giúp giảm thiểu sai hỏng biến dạng hàn, có phương án hạn chế biến dạng qua không nhiều thời gian khắc phục sai hỏng sau thực xong trình hàn Mục tiêu Học xong học sinh có khả năng: - Nhận biết loại thép định hình U, I, V , thép tấm, loại vật liệu khác nhôm, hợp kim nhôm, đồng hợp kim đồng, thép hợp kim thường dùng để chế tạo kết cấu hàn - Giải thích cơng dụng loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn - Tính tốn vật liệu gia cơng kết cấu hàn xác, đạt hiệu suất sử dụng vật liệu cao - Thực tốt cơng tác an tồn vệ sinh phân xưởng - Tn thủ quy định, quy phạm tính tốn ứng suất biến dạng - Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, xác cơng việc Nội dung Tính ứng suất biến dạng hàn đắp 1.1 Khái niệm Lấy dải băng có tiết diện góc vng hàn đắp đường hàn lên cạnh (hình 29.3.1a) sau hàn đắp để nguội dải băng nhận biến dạng dư, bị cong cong lõm phía nơi diễn hàn đắp mặt cắt ngang phần hàn đắp dải băng xuất ứng suất dư (hình 29.3.1b) đường hàn phần dãi băng gần với chịu nung nóng cao có ứng suất dư kéo giới hạn chảy Phần dãi băng bị nén gần cạnh có ứng suất dư kéo 67 Hình 29.3.1 Để hiểu đựơc quan sát sơ đồ đơn giản hoá sau Chúng ta cho đường hàn vùng dải băng gần đốt nóng đồng thời theo tồn chiều dài phần cịn lại dãi băng cịn nguội Khi đường hàn đắp vùng bị nung nóng dãi băng coi dầm Khi nung nóng dầm có xu hướng nở ép phần nguội dãi băng gây nên kéo với uốn Tự dầm bị nén phần cịn lại dãi băng cản trở giản nở nhiệt chúng Kết bên phía nung nóng bị cong lồi cạnh cong lõm xuống Trong điều kiện dầm phân chia bị nén ép dẻo sau nguội bị ngót lại giá trị nén dẻo co ngót lại bị ngăn cản kim loại xung quanh lúc dầm bị nứt Như so sánh biến dạng tức thời ứng suất thép nung nóng biến dạng ứng suất dư sau làm nguội thấy độ võng hướng phía đối diện phân bố ứng suất ngược lại theo dấu Trong thực tế thường nói biến dạng xuất mối hàn bị kéo, thực chất lại Như biết, phần lớn cơng việc hàn tiến hành đốt nóng cục chi tiết hàn dến nhiệt độ xác định tùy thuộc kim loại vật hàn phương pháp hàn Với phương pháp hàn chảy nhiệt độ đốt nóng chỗ định hàn Th phải 68 lớn nhiệt độ chảy Tc Khi hàn áp lực nhiệt độ hàn phải lớn nhiệt độ tối thiểu T1 để hàn thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật Th T1 phụ thuộc vật liệu hàn Muốn sử dụng cách có lợi nguồn nhiệt hàn phải triệt để tập trung nhiệt để vật hàn bị đốt nóng khối lượng tối thiểu cần thiết Khi hàn đốt nóng lửa, thực tế lượng lửa khơng thể sử dụng tồn Hiệu suất lửa tính sau: Qc Qtc Trong đó: Qc: Là lượng sử dụng hữu ích Qtc: Là tồn lượng lửa sản Hiệu suất lớn tốt Các phương pháp hàn có khả giữ nhiệt trình hàn khác hiệu suất khác nhau: Hàn điện cực khơng nóng chảy, = 0,45÷0,6; Hàn điện cực nóng chảy có thuốc bọc; ÷0,75; Hàn tự động lớp thuốc, = 0,75÷0,9 1.2 Ảnh hưởng nguồn nhiệt hàn đến kim loại vật hàn Khi hàn, nhiệt sinh từ nguồn nhiệt hàn nung nóng chảy khối lượng nhỏ kim loại vị trí hàn truyền vùng lân cận Trong thời gian ngắn, nhiệt độ kim loại chỗ hàn biến đổi từ nhiệt độ bình thường (nhiệt độ môi trường) đến nhiệt độ cao nhiệt độ chảy (khoảng 2000÷30000C) hàn khí khoảng 4.0000C hàn hồ quang tay), sau lại nguội dần khơng nung tiếp (nguồn nhiệt di chuyển qua chỗ khác tản nhiệt) Nhưng nhiệt độ tối đa vùng vật thể khác nên tốc độ nguội sau hàn vùng không giống nhau, vùng gần trục hàn nhiệt độ cao nên nguội tốc độ nguội lớn vùng xa trục hàn tốc độ nguội giảm dần Như vùng hàn có phản ứng hóa lý q trình luyện kim cịn kim loại vùng lân cận kim loại mối hàn đơng đặc xảy q trình thay đổi tổ chức thay đổi thể tích, làm cho lý tính kim loại vật hàn bị thay đổi Cơ tính kim loại thay đổi chủ yếu phụ thuộc vào trạng thái nhiệt độ 69 Hình 29.3.2 Cơ tính thép phụ thuộc vào nhiệt độ Hiện người ta chưa nghiên cứu đầy đủ tính kim loại nhiệt độ cao, nghiên cứu tương đối tỷ mỷ tính kim loại vùng đàn hồi Hình 13.3.2 biểu thay đổi tính thép phụ thuộc vào nhiệt độ nung nóng đến 500÷6000 C Mơđun đàn hồi E đốt nóng giảm từ từ, cịn hệ số giãn nở nhiệt tăng lên: Trong vùng đàn hồi thép tích số: E = 12 10-6 2.1 107 = 250 N/cm2 0C coi không đổi Giới hạn bền σb thay đổi không đáng kể nhiệt độ tăng đến 1000C, sau tiếp tục nung nóng đến 200 ÷ 3000C giới hạn bền thép thường giảm từ từ; nhiệt độ vượt 5000C độ bền thép giảm cách mãnh liệt Tính dẻo thép biểu thị độ giãn dài tương đối δ% Trong khoảng từ 150 ÷ 3000C tính dẻo thép giảm ít, cịn nhiệt độ vượt q 3000C, tính dẻo tăng Khi tăng nhiệt độ đến 5000C giới hạn chảy σch giảm mạnh không nhiệt độ 6000C 70 1.3 Sự tạo thành ứng suất biến dạng 1.3.1 Khái niệm: Trong trình hàn chi tiết nung nóng khơng đều, phần gần mối hàn có nhiệt độ cao, xa mối hàn có nhiệt độ thấp giãn nở nhiệt vùng khác (về mặt vị trí khơng gian) không đồng đều, tạo trạng thái ứng suất khác nhau, dẫn đến tạo ứng suất dư (ứng suất nhiệt) - Vùng kim loại tổ chức mối hàn phần vùng ảnh hưởng nhiệt có chuyển biến pha, tạo tổ chức khác tổ chức ban đầu dẫn đến tạo ứng suất dư với phạm vi ảnh hưởng nhỏ - Ở nhiệt độ cao tiêu tính vật liệu giảm rõ rệt, mô đun đàn hồi pháp tuyến E giảm, mơ đun trượt G giảm hình thành vùng xung yếu mối hàn (đặc biệt hợp kim đồng hợp kim nhơm) Do qúa trình hàn phát sinh ứng suất, dấu ứng suất thay đổi phụ thuộc vào trạng thái nung Khi ứng suất dư lớn ứng suất chảy tạo biến dạng Khi ứng suất dư lớn ứng suất bền tạo vết nứt Vì q trình hàn việc tính tốn khống chế ứng suất dư vô quan trọng Nó định chất lượng sản phẩm sau hàn Để thực điều cần nghiên cứu trình hình thành quy luật phân bố nó, thơng qua có biện pháp giảm tác hại ứng suất dư 1.3.2 Mô tả qúa trình hình thành ứng suất co dọc hàn đường Hình 29.3.3 - Mơ tả qúa trình hình thành ứng suất co dọc hàn đường Coi dải có nhiệt độ trung bình Ti (i = 1, n); độ giãn dài dải 71 dải biến dạng tự nung: li .Ti.L Trong đó: : hệ số dẫn nhiệt vật liệu L: chiều dài hàn vật hàn Các dải thực tế không biến dạng tự do, liên kết cứng tạo , tạo vùng ứng suất có dấu khác nhau, ứng suất kéo vùng ứng suất trung tâm tạo ứng suất co dọc mối hàn, có xu hướng làm cong chi tiết theo chiều dài mối hàn 1.3.3 Ứng suất xuất mắt cắt mối hàn - Xảy lớn hàn thép hình có dạng sau - Sau hàn xuất xoắn Hình 29.3.4 - Ứng suất xuất mặt cắt mối hàn 1.3.4 Ứng suất xuất vật hàn có chiều dày khác Thể rõ hàn giáp mối, tạo biến dạng góc hàn giáp mối Hình 29.3.5 - Ứng suất xuất vật hàn có chiều dày khác Ứng suất biến dạng làm giảm tính mối hàn, làm sai khác kích thước vị trí khơng gian liên kết hàn Vì cần phải loại trừ ứng suất biến dạng qúa trình hàn 72 1.3.5 Phân tích ứng suất hàn Khi hàn ta tiến hành nung nóng cục thời gian ngắn đạt đến nhiệt độ cao Do nguồn nhiệt di động lên phía trước nên khối kim loại nung nóng cịn phần kim loại đằng sau đồng nhiệt độ Sự phân bố nhiệt độ theo phương thẳng góc với hướng hàn khác nhau, thay đổi thể tích vùng lân cận mối hàn khác nhau, đưa đến tạo thành nội lực ứng suất vật hàn Hình 29.3.6 - Hình dạng ứng suất đốt nóng từ a, Sự phân bố nhiệt độ giãn nở b, Sự phân bố ứng suất nung nóng c, Sự phân bố ứng suất nguội Khi hàn đắp hay hàn giáp mối, hai hàn có chiều dày phân bố nhiệt độ theo tiết diện ngang không làm cho giãn nở kim loại không đều, ứng suất bên nung nóng làm nguội khác Ta giả thiết giãn nở dải kim loại tự khơng ảnh hưởng lẫn độ giãn nở tự dải là: T l (mm) l0 = Trong đó: - : Hệ số giãn nở nhiệt kim loại (1/ 0C) - T: Nhiệt độ trung bình dải ta xét (0C) - l: Chiều dài dải ñang xét (mm) 73 Thực khơng thể có giãn nhiệt tự do, kim loại khối liên tục, chúng có mối liên kết phân tử chặt chẽ Những vùng nhiệt độ thấp ngăn cản giãn nở kim loại vùng có nhiệt độ cao Vì hàn, phân bố nhiệt đối xứng qua trục hàn nên biến dạng dọc thực tế tất thớ l (theo giả thuyết tiết diện phẳng) Sự trái ngược độ giãn nở nhiệt tự l0 độ giãn nở nhiệt thực tế l nguyên nhân tạo thành nội lực ứng suất hàn Khi hàn phần nung nóng nhiều (có xu hướng giãn nở nhiều) bị nén, cịn phần nung nóng nguội bị kéo Sau hàn nhiệt độ theo tiết diện ngang cân bằng, nguội phần co lại Biến dạng dọc co rút phần phải lớn nhiệt độ cao Nhưng biến dạng co rút thực tế tất phần phải theo giả thiết tiết diện phẳng, phần nung nóng bị nén dọc sau nguội hồn tồn trở nên bị kéo Những phần tiếp khơng có co phần thị lại bị nén Trạng thái ứng suất gọi “ứng suất dư” vật hàn Ứng suất dư kết cấu hàn kết hợp với ứng suất sinh ngoại lực tác dụng làm việc làm giảm khả làm việc kết cấu tạo khả suất vết nứt, gãy chúng Biến dạng hàn thường làm sai lệch hình dáng kích thước kết cấu, sau hàn phải tiến hành cơng việc sửa, nắn 1.3.6 Phương pháp tính tốn biến dạng ứng suất hàn Các toán biến dạng ứng suất hàn phức tạp, đặc biệt thực tế kết cấu hàn thường gồm nhiều chi tiết hàn có nhiều đường hàn, trình hàn gây tác dụng tương hỗ làm cho tạo thành ứng suất biến dạng trở nên phức tạp Ở trình bày vài phương pháp tính tốn biến dạng ứng suất hàn sở nội ứng lực tác dụng mối hàn kết cấu đơn giản Việc tính tốn dựa giả thiết sau: - Ứng suất dư (là ứng suất sinh qúa trình nung nóng khơng đề) hàn cân vùng tiết diện ảnh hưởng đạt đến giới hạn chảy ch - Tấm đốt nóng khơng bị ảnh hưởng bên ngồi - Biến dạng kết cấu hàn phù hợp với giả thiết tiết diện phẳng 1.4 Ứng suất biến dạng hàn đắp 74 Phụ thuộc vào kích thước dài hay ngắn, tốc độ hàn, có kẹp chặt hay khơng mà có dạng khác nhau, xong nói chung sau nguội để tự bị cong lõm phía mối hàn Khi cạnh bị giới hạn khơng có tượng cong ứng suất dư nội lực tác dụng dọc trúc gây phân bố theo tiết diện ngang có vùng ứng suất tác dụng bn ứng suất kéo đạt đến giới hạn chảy nếu: bn = 0,5.h Ta có nội lực tác dụng dọc trục là: P = F0 σT = bn.δ.σT Theo điều kiện cân nội lực dọc trục ta có: P = bn.δ.σT = σ2 (h-bn) δ Trong đó: σ2 ứng suất phản khánh vùng ứng suất tác dụng 2 ( T bn ). P (h bn ). F F Mômen gây nội lực tác dụng là: M P.h Nếu để tự bị uốn cong theo mơmen độ võng dư xác định theo công thức sức bền thông thường: M l f 8.E.J Trong đó: E = 2,1.106 ( KN/cm2 ) J h 12 3. T bn l 3. (h bn ).l f 4.E.h 4.E.h Ta tính ứng suất gây uốn là: Do đó: f M 6.P.h 3. T bn u W 2. h h 75 Tính ứng suất biến dạng hàn giáp mối 2.1 Khái niệm Để bảo đảm hàn tốt thép khe hở đặt cho khơng lớn Nếu không kẹp chặt trước hàn Sau hàn bị co lại hướng chiều dọc lẫn chiều ngang phần khác co ngót khác độ co ngót khác Chúng ta nói hàn nối mối hàn chữ X từ phía gây biến dạng mà khơng cản trở gi Khi hàn mối hàn từ phía thứ hai gây biến dạng góc vị trí đối diện Nhưng phần hàn mối hàn gây cản trở việc đặt hướng biến dạng lần thứ hai Vì theo giá trị nhỏ khơng bù biến dạng từ phần đầu mối hàn Kết biến dạng mối hàn nhỏ tất có vị trí định Vì mối hàn chữ X hàn vài đường hàn hàn nên lật vài đường hàn phái phía Cái làm giảm biểu (hiện tượng) hàn không thời gian biến dạng góc Đoạn ống cán (lốc) xác hình trụ hàn nối dọc trục có biến dạng góc nên có hình dáng hình 29.3.7 Hình 29.3.7 2.2 Ứng suất biến dạng co dọc ... khác tính tốn theo lý thuyết Song loại kết cấu dầm gồm bốn mối hàn tùy theo trình tự cơng nghệ biến dạng kết cấu có khác Xét trường hợp quy trình cơng nghệ hàn hình vẽ sau hàn mối hàn 1 ,2 kết cấu. .. dọc độ cong tính theo cơng thức: 82 M l f 8.E.J Trong đó: E = 2, 1.106 ( KN/cm2 ) J h23 12 3.3 Kết cấu chữ I Hình 29 .3.13 Kết cấu liên kết hàn chữ I Kết cấu chữ I gồm ba thép, thành hai bảm... hàn- NXBKHKT 20 06 [2] Kết cấu hàn- Trường ĐHBK Hà Nội- 20 06 [3] Đồn Đình Kiến-Thiết kế kết cấu thép-NXB xây dựng 20 04 [4] Trung tâm đào tạo chuyển giao cơng nghệ Việt – Đức, “Chương trình đào tạo