CHƯƠNG 3. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN
3.2. SỰ TẠO THÀNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN
3.2.1. Khái niệm:
Trong quỏ trỡnh hàn chi tiết nung núng khụng ủều, những phần ở gần mối hàn cú nhiệt ủộ cao, ở xa mối hàn cú nhiệt ủộ thấp do ủú sự gión nở nhiệt trong cỏc vựng khỏc nhau (về mặt vị trớ khụng gian) khụng ủồng ủều, tạo cỏc trạng thỏi ứng suất khỏc nhau, dẫn ủến tạo ra ứng suất dư (ứng suất nhiệt).
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 58
- Vùng kim loại tổ chức mối hàn và một phần vùng ảnh hưởng nhiệt có sự chuyển biến về pha, tạo ra cỏc tổ chức khỏc tổ chức ban ủầu dẫn ủến tạo ra ứng suất dư với phạm vi ảnh hưởng nhỏ.
- Ở nhiệt ủộ cao cỏc chỉ tiờu cơ tớnh của vật liệu giảm rừ rệt, mụ ủun ủàn hồi phỏp tuyến E giảm, mụ ủun trượt G giảm do ủú hỡnh thành vựng xung yếu tại mối hàn (ủặc biệt là hợp kim ủồng và hợp kim nhụm).
Do ủú trong qỳa trỡnh hàn bao giờ cũng phỏt sinh ứng suất, dấu của ứng suất này thay ủổi phụ thuộc vào trạng thỏi khi nung. Khi ứng suất dư lớn hơn ứng suất chảy thỡ tạo ra biến dạng. Khi ứng suất dư lớn hơn ứng suất bền thì tạo ra vết nứt.
Vì vậy trong quá trình hàn việc tính toán và khống chế ứng suất dư là vô cùng quan trọng .Nú quyết ủịnh chất lượng của sản phẩm sau khi hàn. ðể thực hiện ủiốu ủú chỳng ta cần nghiờn cứu về quỏ trỡnh hỡnh thành và quy luật phõn bố của nú, thụng qua ủú cú cỏc biện pháp giảm tác hại của ứng suất dư.
3.2.2. Mụ tả qỳa trỡnh hỡnh thành ứng suất co dọc khi hàn ủường.
Hỡnh 3.2. Mụ tả qỳa trỡnh hỡnh thành ứng suất co dọc khi hàn ủường.
Coi mỗi dải cú nhiệt ủộ trung bỡnh bằng Ti (i = 1, n).
ðộ giãn dài của từng dải nếu các dải biến dạng tự do khi nung: ∆ li = α. Ti. L Trong ủú:
α : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
L : chiều dài của tấm hàn hoặc của vật hàn
Các dải này trong thực tế không biến dạng tự do, do tấm liên kết cứng tạo ∆lΣ, tạo các vựng ứng suất cú dấu khỏc nhau, do ủú ứng suất kộo ở vựng ứng suất trung tõm tạo ứng suất co dọc của mối hàn, có xu hướng làm cong chi tiết theo chiều dài mối hàn.
T’5
0C kéo
nén
l ∆lΣ
T5 T4 T3 T2 T1 T’2 T’1 T’3 T’4
nén kéo
σ+ σ+
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 59
Sau khi hàn xuất hiện xoắn.
Xu hướng xoắn khi hàn 3.2.3. ứng suất xuất hiện trên mặt cắt mối hàn.
Xảy ra lớn nhất khi hàn thép hình có dạng sau
Hình 3.3. ứng suất xuất hiện trên mặt cắt mối hàn
3.2.4. Ứng suất xuất hiện khi vật hàn có chiều dày khác nhau.
Thể hiện rừ nhất khi hàn giỏp mối, tạo biến dạng gúc khi hàn giỏp mối.
Hình 3.4. Ứng suất xuất hiện khi vật hàn có chiều dày khác nhau
Ứng suất và biến dạng làm giảm cơ tính mối hàn, làm sai khác kích thước và vị trí không gian của liên kết hàn. Vì vậy cần phải loại trừ ứng suất và biến dạng trong qúa trình hàn.
Phân tích ứng suất khi hàn.
Khi hàn ta tiến hành nung núng cục bộ và trong một thời gian ngắn ủạt ủến nhiệt ủộ rất cao. Do nguồn nhiệt luụn di ủộng lờn phớa trước nờn những khối kim loại mới ủược nung núng cũn những phần kim loại ủằng sau dần dần ủồng ủều về nhiệt ủộ. Sự phõn bố nhiệt ủộ theo phương thẳng gúc với hướng hàn rất khỏc nhau, do ủú sự thay ủổi thể tớch ở cỏc vựng lõn cận mối hàn cũng khỏc nhau, ủưa ủến sự tạo thành nội lực và ứng suất trong vật hàn.
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 60
Hỡnh 3.5. Hỡnh dạng và ứng suất khi ủốt núng từ giữa tấm a, Sự phõn bố nhiệt ủộ và gión nở.
b, Sự phân bố ứng suất khi nung nóng.
c, Sự phân bố ứng suất khi nguội.
Khi hàn ủắp giữa tấm hay hàn giỏp mối, hai tấm hàn cú cựng chiều dày thỡ sự phõn bố nhiệt ủộ theo tiết diện ngang sẽ khụng ủều làm cho sự gión nở của kim loại sẽ khụng ủều, ứng suất bờn trong khi nung núng và làm nguội cũng khỏc nhau. Ta giả thiết sự gión nở của cỏc dải kim loại của tấm là tự do và khụng ảnh hưởng lẫn nhau thỡ ủộ gión nở tự do của mỗi một dải sẽ là:
∆l0 = α . T . l (mm) Trong ủú:
- α: Hệ số giãn nở nhiệt của kim loại (1 / 0C).
- T: Nhiệt ủộ trung bỡnh của dải ta xột (0C).
- l: Chiều dài của dải ủang xột (mm).
Thực ra không thể có sự giãn nhiệt tự do, bởi vì kim loại là một khối liên tục, giữa chỳng cú mối liờn kết phõn tử chặt chẽ. Những vựng nhiệt ủộ thấp hơn sẽ ngăn cản sự gión nở kim loại của những vựng cú nhiệt ủộ cao hơn. Vỡ khi hàn, sự phõn bố nhiệt ủối xứng qua trục hàn nên biến dạng dọc thực tế của tất cả các thớ của tấm là như nhau và bằng ∆l (theo giả thuyết tiết diện phẳng). Sự trỏi ngược giữa ủộ gión nở nhiệt tự do ∆l0 và ủộ gión nở nhiệt thực tế ∆l là nguyờn nhõn tạo thành nội lực và ứng suất trong tấm hàn.
Khi hàn phần ở giữa của tấm ủược nung núng nhiều (cú xu hướng gión nở nhiều) thỡ bị nộn, cũn cỏc phần nung núng ớt và nguội thỡ bị kộo . Sau khi hàn nhiệt ủộ theo tiết diện ngang của tấm sẽ dần dần cân bằng, khi nguội các phần của tấm sẽ co lại. Biến dạng dọc co rỳt ở phần giữa phải lớn hơn vỡ ở ủú nhiệt ủộ cao hơn. Nhưng biến dạng co rỳt thực tế tất cả các phần của tấm phải bằng nhau theo giả thiết tiết diện phẳng, bởi vậy
T’5
0C kéo
nén
l ∆lΣ
T5 T4 T3 T2 T1 T’2 T’1 T’3 T’4
nén kéo
σ+ σ+
a, b, c,
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 61
phần giữa của tấm khi nung nóng bị nén dọc thì sau khi nguội hoàn toàn nó sẽ trở nên bị kộo. Những phần tiếp ủú khụng cú sự co như phần giữa thị lại bị nộn .Trạng thỏi ứng suất ủú gọi là “ứng suất dư” trong vật hàn. ứng suất dư trong kết cấu hàn kết hợp với ứng suất sinh ra do ngoại lực tác dụng khi làm việc sẽ có thể làm giảm khả năng làm việc của kết cấu và tạo khả năng suất hiện những vết nứt, gãy trong chúng. Biến dạng hàn thường làm sai lệch hỡnh dỏng và kớch thước của cỏc kết cấu, do ủú sau khi hàn phải tiến hành cỏc công việc sửa, nắn.
3.2.5. Phương pháp tính toán biến dạng và ứng suất khi hàn.
Cỏc bài toỏn về biến dạng và ứng suất khi hàn rất phức tạp, ủặc biệt là trong thực tế cỏc kết cấu hàn thường gồm nhiều chi tiết hàn cú nhiều ủường hàn, trong quỏ trỡnh hàn sẽ gây những tác dụng tương hỗ làm cho sự tạo thành các ứng suất và biến dạng càng trở nờn phức tạp. ở ủõy chỉ trỡnh bày một vài phương phỏp tớnh toỏn biến dạng và ứng suất khi hàn trờn cơ sở của nội ứng lực tỏc dụng trong mối hàn của cỏc kết cấu ủơn giản. Việc tính toán này dựa trên các giả thiết sau:
- Ứng suất dư (là ứng suất sinh ra trong qỳa trỡnh nung núng khụng ủề) khi hàn ủược cõn bằng trong vựng tiết diện ảnh hưởng và ủạt ủến giới hạn chảy σch. - Tấm ủốt núng khụng bị ảnh hưởng bờn ngoài.
- Biến dạng của kết cấu hàn phù hợp với giả thiết tiết diện phẳng.
3.3. BIẾN DẠNG VÀ ỨNG SUẤT KHI HÀN GIÁP MỐI