𝐹𝑟𝑜𝑛𝑡 ∶ 𝑞𝑓(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 6.√3.𝑓𝑓.𝑄 𝑏.𝑑.𝑎𝑓.𝜋.√𝜋𝑒( −3𝑥2 𝑎𝑓2). 𝑒( −3𝑦2 𝑏2 ) . 𝑒( −3𝑧2 𝑑2 ) (20) 𝐹𝑟𝑜𝑛𝑡 ∶ 𝑞𝑟(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 6.√3.𝑓𝑟.𝑄 𝑏.𝑑.𝑎𝑟.𝜋.√𝜋𝑒( −3𝑥2 𝑎𝑟2). 𝑒( −3𝑦2 𝑏2 ) . 𝑒( −3𝑧2 𝑑2 ) (21) Với: 𝑄 = (𝑉.𝐼.60 𝑆.1000) . 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 (22) 𝑓𝑓 = 2 1+(𝑎𝑟 𝑎𝑓) (23)
23 𝑓𝑟 = 2 1+(𝑎𝑓 𝑎𝑟) (24) Trong đó :
Q = nhiệt cấp vào (kJ/mm),
V = voltage (V), I = current (A),
S = tốc độ hàn (mm/min)
Efficiency : hiệu suất phụ thuộc vào loại phương pháp hàn, theo nghiên cứu của M. Seyyedian Choobi1 [7], “Investigation of the Effect of Clamping on Residual Stresses and Distortions in Butt- Welded Plates , M. Seyyedian Choobi1, M. Haghpanahi and M. Sedighi , (2010)” hiệu suất 60% sẽ đáp ứng được sự phù hợp giữa thực nghiệm và mô phỏng.
𝑓𝑓 : Hệ số nhiệt phía trước.
𝑓𝑟 : Hệ số nhiệt phía sau.
𝑎𝑓 : Giá trị này xác định chiều dài nguồn nhiệt phía trước
𝑎𝑟 : giá trị này xác định chiều dài nguồn nhiệt phía sau. Tổng chiều rộng của nguồn nhiệt được tính bằng (af + ar).
b: Chiều rộng một bên của nguồn nhiệt ( tổng chiều rộng là 2b). d: Độ sâu của nguồn nhiệt
2.4. Sự hình thành mối hàn 2.4.1. Khái niệm về mối hàn. 2.4.1. Khái niệm về mối hàn.
Mối nối được thực hiện bằng phương pháp hàn gọi là mối hàn. Mối hàn là mối nối liền khơng tháo được.Vị trí nối các chi tiết gọi là mối hàn
24
Hình 2.8 : Cấu tạo mối hàn
Mối hàn:
Mối hàn gồm: kim loại cơ bản và kim loại điện cực (que hàn) sau khi nóng chảy kết tinh tạo thành
Vùng tiệm cận mối hàn:
Vùng kim loại cơ bản được nung nóng từ nhiệt độ 1000C đến nhiệt độ gần nhiệt độ nóng chảy.
Kim loại cơ bản:
Vùng kim loại không bị tác dụng của nhiệt trong quá trình hàn
2.4.2. Sự tạo thành bể hàn
Khi hàn nóng chảy, dưới tác dụng của nguồn nhiệt làm cạnh hàn và kim loại phụ nóng chảy tạo nên bể kim loại lỏng. Bể kim loại đó gọi là bể hàn hay vũng hàn.
Trong quá trình hàn, nguồn nhiệt dịch chuyển theo kẻ hàn, đồng thời bể hàn cũng dịch chuyển theo. Bể hàn được chia làm hai phần: phần đầu và phần đuôi.
25
Phần đầu bể hàn:
Ở phần này xảy ra q trình nóng chảy của kim loại cơ bản và kim loại điện cực. Theo sự dịch chuyển của nguồn nhiệt, tất cả các kim loại ỏ phía trước bị
nóng chảy
Phần đi bể hàn:
Ở phần này xảy ra quá trình kết tinh của kim loại lỏng bể hàn để tạo nên mối hàn.
Trong quá trình hàn, kim loại lỏng trong bể hàn luôn chuyển động và xáo trộn không ngừng. Sự chuyển động của kim loại lỏng trong bể hàn là do tác dụng của áp lực dịng khí lên bề mặt kim loại lỏng và do tác dụng của lực điện từ, làm cho kim loại lỏng trong bể hàn bị đẩy về phía ngược với hướng chuyển dịch của nguồn nhiệt và tạo nên chỗ lõm trong bể hàn.
2.4.3. Sự dịch chuyển của kim loại lỏng từ điện cực vào bể hàn:
Sự dịch chuyển của kim loại lỏng từ điện cực và bể hàn không những ảnh hưởng đến sự tạo thành mối hàn, mà còn ảnh hưởng đến thành phần và chất lượng mối hàn.
Khi hàn hồ quang tay, dù hàn bằng phương pháp nào và hàn ở bất kỳ vị trí nào thì kim loại lỏng cũng đều chuyển dịch từ que hàn vào bể hàn dưới dạng những giọt kim loại có kích thước khác nhau. Sự chuyển dịch của kim loại lỏng từ que hàn vào bể hàn là do các yếu tố sau:
Trọng lực của giọt kim loại lỏng:
Những giọt kim loại được hình thành ở mặt đầu que hàn, dưới tác dụng của trọng lực sẽ dịch chuyển từ trên xuống dưới theo phương thẳng đứng vào bể hàn Lực trọng trường chỉ có tác dụng làm chuyển dịch các giọt kim loại lỏng vào bể hàn khi ở vị trí sấp, cịn khi hàn ngửa yếu tố này hồn tồn khơng thuận lợi.
Sức căng bề mặt:
Sức căng bề mặt sinh ra do tác dụng của lực phân tử. Lực phân tử ln có khuynh hướng tạo cho bề mặt kim loại lỏng có một năng lượng nhỏ nhất, tức là
26
làm cho bề mặt kim loại lỏng thu nhỏ lại. Muốn vậy thì những giọt kim loại lỏng phải có dạng hình cầu. Những giọt kim loại lỏng hình cầu chỉ mất đi khi chúng rơi vào bể hàn và bị sức căng bề mặt của bể hàn kéo vào thành dạng chung của nó.
Lực từ trường:
Dịng điện khi đi qua điện cực sẽ sinh ra một từ trường. Lực của từ trường này ép lên que hàn làm cho ranh giới giữa phần rắn và phần lỏng của que hàn bị thắt lại.
Hình 2.10 : Tác dụng của lực từ trường lên điện cực
Do bị thắt lại nên diện tích tiết diện ngang tại chỗ đó giảm, làm mật độ và cường độ của lực từ trường mạnh lên. Mặt khác, tại chỗ thắt do có điện trở cao nên nhiệt sinh ra lớn, làm kim loại nhanh chóng đạt đến trạng thái sơi và tạo ra áp lực lớn đẩy các giọt kim loại lỏng vào bể hàn.
Lực từ trường có khả năng làm chuyển dịch các giọt kim loại lỏng từ đầu que hàn vào bể hàn ở mọi vị trí.
Áp lực khí:
Khi hàn, kim loại lỏng ở đầu que hàn bị quá nhiệt mạnh và sinh ra khí. Ở nhiệt độ cao, thể tích của khí tăng và tạo ra áp lực lớn đủ để đẩy các giọt kim loại.
2.5. Các thông số công nghệ hàn:
Dòng điện hàn: phụ thuộc vào đường kính điện cực, dạng truyền của
kim loại lỏng và chiều dày của chi tiết hàn. Khi dịng điện thấp khơng đảm bảo độ ngấu, giảm độ bền của mối hàn, khi dòng điện quá cao sẽ làm bắn tóe rỗ khí, mối hàn khơng đồng đều.
27
Điện áp hồ quang: là thơng số rất quan trọng, nó quyết định dạng truyền
kim loại lỏng. Điện áp hồ quang phụ thuộc vào chiều dày kim loại nền, kiểu liên kết, vị trí hàn. Để có giá trị điện áp hợp lý có thể phải hàn thử hoặc tra bảng sau đó tăng hoặc giảm cho phù hợp.
Tốc độ di chuyển: là tốc độ tuyến tính mà hồ quang dọc theo. Trong
điều kiện tất cả các yếu tố khác giữ nguyên không đổi, chiều sâu của mối hàn là lớn nhất với tốc độ di chuyển trung bình. Khi tốc độ di chuyển giảm đi, sự điền đầy của kim loại một điện cực trên một đơn vị chiều dài sẽ tăng lên. Với những tốc độ di chuyển rất chậm, hồ quang hàn tác động mạnh lên vũng hàn nóng chảy hơn là lên kim loại cơ bản, do đó làm giảm hiệu ứng thâm nhập sâu vào kim loại cơ bản khi đó mối hàn sẽ rộng hơn. Khi tốc độ di chuyển tăng lên, nhiệt lượng cấp trên một đơn vị mối hàn truyền vào kim loại cơ bản từ hồ quang đầu tiên tăng lên, do hồ quang tác dụng trực tiếp hơn vào kim loại cơ bản. Do đó, sự nóng chảy của kim loại cơ bản trước tiên tăng lên rồi giảm đi với tốc độ di chuyển tăng lên. Khi tốc độ di chuyển tăng thêm nữa, sẽ có xu hướng tạo nên sự khoét ngách dọc theo vách của mối hàn và kim loại điền đầy không đủ để điền vào tuyến đường kim loại bị nóng chảy do hồ quang gây nên.
Chiều dài nhô ra của điện cực: Chiều dài nhô ra của điện cực là khoảng
cách giữa đầu của ống tiếp điện và đầu của điện cực như thể hiện trên hình 2.10. Khi chiều dài nhô ra tăng lên, điện trở của nó sẽ tăng lên. Nhiệt tỏa ra trên phần điện cực đó sẽ tăng lên, làm tăng nhiệt độ của điện cực và làm tăng tốc độ nóng chảy của điện cực. Nói chung, điện trở tăng sẽ tạo ra điện áp lớn hơn từ ống tiếp điện tới vật hàn. Điện áp rơi này sẽ được cảm nhận bởi nguồn điện, mà sẽ tạo ra bù trừ bởi sự giảm cường độ dịng điện. Điều đó sẽ làm giảm ngay lập tức tốc độ nóng cháy của điện cực, dẫn đến chiều dài hồ quang sẽ ngắn lại. Vì vậy, trừ khi có sự tăng điện áp trong máy hàn, kim loại điền đầy sẽ được đưa vào mối hàn như là một mối hàn hẹp có phần trên lồi cao. Chiều dài nhô ra của điện cực thường t ẳ n ẵ inch (6 n 13 mm) đối với sự chuyển kim loại dạng đoản mạch và ½ đến 1 inch (13mm đến 25mm) đối với những kiểu chuyển kim loại vào mối hàn khác.
28
Hình 2.11 : a) Hồ quang dài; b) Hồ quang trung bình; c) Hồ quang ngắn
Kích cỡ điện cực (đường kính điện cực): ảnh hướng đến cấu hình của
mối hàn. Điện cực lớn đòi hởi cường độ dòng điện tối thiểu lớn hơn so với điện cực nhỏ với những đặc điểm chuyển kim loại vào mối hàn như nhau, cường độ dòng điện lớn hơn sẽ làm cho điện cực nóng chảy nhanh hơn và vũng hàn nóng hơn. Cường độ dịng điện lớn cũng tạo ra tốc độ điền đầy cao hơn và chiều sâu mối hàn lớn hơn. Tuy đường kính nhỏ hơn và cường độ dòng điện thấp hơn.
2.6. Ứng suất và biến dạng trong quá trình hàn:
2.6.1. Lý thuyết ứng suất và biến dạng hàn và ý nghĩa của nó:
- Khi hàn: các phần tử của kết cấu hàn bị nung nóng khơng đồng đều tới nhiệt độ cao Þ gây nên ứng suất và biến dạng.
- Tuỳ theo mức độ truyền nhiệt và cân bằng nhiệt độ, xảy ra sự thay đổi ứng suất và biến dạng một cách liên tục tại các điểm khác nhau của các chi tiết được hàn (nói cách khác: sự thay đổi của các trường ứng suất và biến dạng). Vấn đề biến dạng do 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) thơng qua nhiều biện pháp như:
- Có qui trình cơng nghệ lắp ghép và hàn đúng - Chọn chế độ hàn hợp lý
- Tạo biến dạng ngược sơ bộ, v.v.
- Như vậy mới có thể khống chế được biến dạng trong phạm vi cho phép. - Sự biến đổi hình dạng và kích thước của vật trong nhiều trường hợp có ảnh hởng 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.
29
- Vì vậy vấn đề là phải xác định được biến dạng, ảnh hưởng của nó tới khả năng làm việc của kết cấu, đa 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.
- Tất cả kim loại đều giản nở khi bị đốt nóng và co lại khi nguội đi. Mức dãn nở của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ đốt nóng và hệ số dãn nở nhiệt của kim loại. Khi đốt nóng thanh kim loại đến nhiệt độ nhất định, sau đó ngừng đối nóng và để thanh kim loại nguội tự nhiên xuống nhiệt độ mơi trường thì thanh kim loại sẽ trở về với kích thước và hình dạng ban đầu. Khơng có sự thay đổi kích thước và hình dạng. Nhưng nếu trong q trình bị đốt nóng hay nguội đi. thanh kim loại bị khống chế bởi một lực nào đó thì ngay lập tức x́t hiện ứng suất trong thanh kim loại. gây nên biến dạng dẻo, thay đổi kích thước, hình dạng của nó.
- Trong quá trình hàn xảy ra hiện tượng thay đổi cấu trúc kèm theo sự thay đổi thể tích kim loại mối hàn, dẫn đến hình thành ứng śt trong (cịn gọi là ứng suất dư). Tuy nhiên đối với kim loại thuộc nhóm thép các bon thấp thì ứng śt trong có giá trị khơng lớn, khơng đáng quan tâm. nhưng đối với thép hợp kim thì ứng suất trong xuất hiện trong quá trình hàn rất đáng xem xét.
2.6.2. Cơ chế hình thành ứng suất và biến dạng trong mối hàn:
Q trình hàn. kim loại bị đốt nóng đến nhiệt độ nhất định, thường là nhiệt độ nóng chảy và nguội đi. Quá trình nguội, các tinh thể kim loại chuyển từ trạng thái lỏng (nóng chảy) sang thể rắn tức là kết tinh tạo thành mối hàn. Trong q trình đó, kim loại trải qua hai trạng thái : dán nở và co ngót. Nhưng cả hai đều bị khống chế không thể dán nở tự do hay co ngót tự do. Trong lịng mối hàn x́t hiện lực nén và lực kéo. Tức là xuất hiện nội lực và tạo thành ứng suất dư.
30
Thí nghiệm 1:
Nung nóng thanh kim loại có chiều dài ban đầu 200mm, một đầu được ngàm cố định, đầu cịn lại tự do
Khi nung nóng đến 4000c vật giãn ra 1 mm.
Sau đó để nguội về nhiệt độ thường vật thể trở về hình dạng và kích thước ban đầu
Hình 2.12 : Sự giãn nở vì nhiệt của kim loại khi bị cố định một đầu
Thí nghiệm 2 :
Cố định hai đầu thanh kim loại rồi đốt nóng thanh kim loại lên đến nhiệt độ T. Hiện tượng gì xảy ra trong thanh kim loại.
Vì khơng được dán nở tự do, trong lòng thanh kim loại xuất hiện lực nén P từ hai đầu thanh theo phương dọc theo trục của thanh với chiều ngược nhau. Lực nén này là nội lực và chính nó làm phát sinh ứng śt nén trong lịng thanh kim loại bị đất nóng và cố định khống chế hai đầu.
Hình 2.13 : Sự giãn nở vì nhiệt của kim loại khi bị cố định hai đầu
2.6.3. Phân loại ứng suất và biến dạng hàn
Ứng suất hàn
31
l) Theo nguyên nhân cơ bản tạo ra ứng suất, có các loại:
Ứng suất nhiệt, do nhiệt lượng hàn phân bổ không đều gây nên;
Ứng suất cấu trúc, do sự chuyển biến cấu trúc ở vùng ảnh hưởng nhiệt gây nên
2) Theo thời gian tồn tại của ứng suất:
Ứng suất tạm thời, chỉ xuất hiện nhất thời ở mối nối trong quá trình hàn
Ứng suất dư, loại ứng suất này còn tồn tại vĩnh viễn trong chi tiết hàn sau khi hàn nếu không áp dụng biện pháp cơng nghệ nào giải toả.
3) Theo tính chất hoạt động, tác dụng của ứng suất:
Ứng suất chủ động, là loại ứng suất hàn xuất hiện và chi phối tình trạng chịu tải của chi tiết.
Ứng suất phản ứng, là loại ứng suất xuất hiện trong tình trạng chi tiết hàn bị khống chế biến dạng tự do bằng các đồ gá hàn.
Ngồi ra cịn phân biệt ứng śt theo đặc tính trạng thái ứng suất:
Ứng suất đường chỉ tác dụng theo một chiều.
Ứng suất mặt phẳng tác dụng theo hai chiều trên hai phương khác nhau (hai đường thẳng tạo nên một mặt phẳng).
Ứng suất khối tác dụng theo ba chiều trong không gian.
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của ứng suất hàn đến sức bền của kết cấu hàn chỉ ra rằng thiết kế kết cấu và cơng nghệ chế tạo hợp lý có ý nghĩa quyết định đèn hình thành ứng suất và sức bền của sản phẩm hàn. Ngoài ra biến dạng cũng là yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến sự định hình khơng gian và sức bền của chi tiết hàn.
Biến dạng hàn
Biến dạng hàn là hậu quả của ứng suất hàn. Biến dạng hàn được phân biệt các loài biến dạng ngang, dọc và góc.
32
X́t hiện trong q trình lực tác dụng hay kim loại bị gia nhiệt. nhưng sẽ mất đi ngay sau khi ngừng tác dụng lực hoặc chấm dứt gia nhiệt làm nguội chi tiết, đưa chi tiết trở về trạng thái nhict độ bình phương.
Biến dạng dẻo hay biến dạng dư
Xuất hiện dưới tác dụng của lực cơ học hay nguồn nhiệt đốt nóng kim loại và giữ nguyên biến dạng đó sau khi ngừng tác dụng lực vào chi tiết hoặc ngừng đốt nóng và làm nguội đưa chi tiết trở về trạng thái nhiệt độ bình thường.