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 công 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 lồi biến dạng ngang, dọc và góc.
32
Xuất hiện trong quá 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.
Do quá trình bị đốt nóng ứng śt trong x́t hiện dọc theo đường tâm của chi tiết. Cùng với q trình nguội, hiện tượng co ngói xuất hiện dọc theo trục mối hàn đối xứng qua trọng tâm mát cắt chi tiết, khiến cho chiều dài chi tiết giảm đi.
Biến dạng ngang
Của chi tiết hàn khiến chiều rộng của chi tiết (theo chiều đường góc
với đường tâm trục mối hàn) co lại ngắn đi. Trong trường hợp hàn tôn tấm, tấm lô sẽ cong về phía khối lượng kim loại nóng chảy nhiều hơn (phía chiều dầy của mối hàn lớn). Biến dạng ngang có khả năng gây nên nứt xé mối nối. Độ lớn của biến dạng phụ thuộc vào tính dẻo của kim loại, kích thước của vùng bị đốt nóng, vùng hàn. kích thước. Hình dạng của chi tiết hàn. cấu trúc của kim loại cơ bản, tính dẫn nhiệt, và hệ số dãn dài của kim loại chi tiết hàn. Những chi tiết có độ dẫn nhiệt tốt và hệ số dàn dải nhỏ thì độ biến dạng hàn nhỏ. So với thép các bon thấp, thép khơng gỉ có biến dạng hàn lớn, cịn nhơm dẫn nhiệt tốt hơn, biến dạng hàn ít hơn. Như vậy. biến dạng của chi tiết hàn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố.
Biến dạng góc
Biến dạng góc hình thành sau khi hàn do kim loại mối hàn bị co lại không đều xảy ra ở những mối hàn đối đầu và mối hàn ghép góc. Thể tích kim loại nóng chảy của những mối hàn nối này khơng bằng nhau. kim loại ở vùng trên mối hàn co nhiều hơn và mạnh hơn kim loại cùng dưới mối hàn dẫn đến hiện tượng cong kim loại ở hai phía đối xưng nhau qua trục mối hàn về cùng một phía, tức là gây biến dạng góc ở những mối hàn đối đầu và ghép góc. Bằng giải pháp tạo biến dạng góc
33
ban đầu có thể loại trừ biến dạng góc sau khi hàn đối với kiểu hàn chữ V. Cũng có thể ứng dụng kiểu mối hàn chữ X để loại trừ hồn tồn biến dạng góc.
Hình 2.14 : Biến dạng ngang của mối hàn; a) Biến dạng mối hàn giáp mí; b) Biến dạng mối hàn chữ T
Hình 2.15 : Biến dạng mối hàn chữ T
2.6.4. Nguyên nhân phát sinh biến dạng và ứng suất trong quá trình hàn.
- Nguyên nhân do sự phân bố không đồng đều của biến dạng không dẻo. bến dạng không dẻo có thể là biến dạng đàn hồi hoặc biến dạng nhiệt (khi hàn).
- Do ảnh hưởng của ngoại lực - 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 hởng nhiệt), kèm theo sự thay đổi thể tích (ví dụ sự xuất hiện Martenzit), tạo nên ứng suất trong kim loại.
- Khi hàn, nguồn nhiệt hàn làm nóng chảy một khối lượng nhất định kim loại cơ bản tại vị trí hàn và nhiệt được lan truyền ra vùng lân cận của kim loại cơ bản. Trong thời gian rất ngắn, nhiệt độ kim loại tại chỗ mối hàn được nâng lên, từ nhiệt độ bình thường của mơi trường tăng lên nhanh chóng tới nhiệt độ nóng chảy kim loại (chịu tác dụng của nguồn nhiệt đạt đến 20000 30000 khi dùng hàn hơi và đạt tới 40000 khi dùng hàn điện), sau đó nhiệt độ mối hàn hạ thấp dần vì nguồn nhiệt hàn
34
khơng tiếp tục đốt nóng nữa, di chuyển theo chiều phát triển của mối nối và bắt đầu hiện tượng tản nhiệt ra xung quanh.
- Dưới tác dụng của hồ quang điện hàn, nhiệt độ kim loại vùng hàn nóng chảy, khi nhiệt độ xuống đến khỏang 15000C, kim loại bắt đầu đơng đặc, hình thành vách bao xung quanh vũng kim loại lỏng (chưa kịp hạ thấp nhiệt độ). Kim loại bắt đầu kết tính nhưng cịn dẻo, dễ dàng giải phóng ứng suất nhiệt, (loại ứng śt có thể x́t hiện trongq trình kim loại nguội). Kim loại mối hàn tiếp tục kết tinh, đông đặc kéo theo giảm dần tính dẻo. Đó là lúc co ngót nhiều nhất. Hiện tượng này gây ra ứng suất, biến dạng kim loại nguội bao bọc xung quanh môi hàn đang đông đặc. Khi kim loại vách xung quanh mối hàn rất rắn, ứng suất nhiệt khu vực này phức tạp, dẫn đến phá vỡ mối liên kết (hiện tượng nứt xuất hiện).
- Tính dẻo của kim loại bảo đảm cho kim loại biến dạng trong giớ hạn nhất định thì mối hàn khơng bị nứt. Sự phân bố ứng suất và hình thành biến dạng phụ thuộc vào tính dẻo của vách kim loại và trạng thái co ngót, dãn nở của kim loại mối hàn.
- Kim loại nóng chảy và đơng đặc tạo thành mối hàn nối có tiến trình diễn biến tương tự như quá trình đúc kim loại. Tỉ lệ co ngót thể tích kim loại đúc có thể được tham khảo như tỉ lệ co ngót kim loại trong q trình hình thành mối hàn. Kinh nghiệm cho thấy rằng tỉ lệ co ngót kim loại đúc phụ thuộc vào giai đoạn đông đặc của kim loại. Tỉ lệ co ngót tính bằng % của thể tích tồn phần vật đúc. Cơ tính của thép các bon thấp thay đổi ở nhiệt độ khác nhau được liệt kê ở bảng :
Nhiệt độ 0C Modul đàn hồi E.10-6 kG/cm2 Giới hạn bền Re kG/mm2 Hệ số dẫn dài .10-6 20 2.07 23.8 12.3 100 1.87 21.7 12.7 200 1.79 25.1 13.4 300 1.70 14.9 14.6 400 1.61 12.9 15.4
35
500 1.30 10.9 15.6
600 - 5.6 15.6
1000 - 24.0
Bảng 2.2 : Sự thay đổi cơ tính của thép cacbon dưới sự tác động của nhiệt độ
Hình 2.16 : Tính chất của kim loại thay đổi do nhiệt độ
2.6.5. Trường nhiệt độ khi hàn
- 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 suất và biến dạng hàn (ngồi ra cịn có các yếu tố khác như trạng thái ứng suất của kim loại trớc khi hàn).
- Vấn đề là ta biết dự đốn trước (bằng tính tốn) 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 khi hàn tấm mỏng
- Định nghĩa tấm mỏng: là chi tiết dạng tấm mà khi hàn một lợt thì sự phân bố nhiệt độ theo chiều dày của nó được coi là đồng đều
36
- Với thép cacbon thấp, có thể coi tấm mỏng là tấm có chiều dày d<20 mm.
Trường nhiệt độ khi hàn vật bán vô hạn
- Định nghĩa vật bán vô hạn: là những tấm có chiều dày lớn (d>50 mm) và có một nguồn nhiệt điểm tác dụng lên một bề mặt giới hạn.
- Lý do định nghĩa như vậy
Khi hàn, trờng nhiệt độ là trờng không gian T(x,y,z).
Sơ đồ tính tốn: sơ đồ nguồn nhiệt điểm.
Nhiệt độ các điểm phân bố rất không đồng đều theo chiều dày tấm.
Trường nhiệt độ khi hàn các tấm dày
Khái niệm về tấm dày
Khi hàn vật dày vô hạn (chiều dày d>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 d=20¸50 mm, sự phân bố nhiệt độ trong các điểm nằm gần nguồn nhiệt không giống với trờng hợp của nhiệt độ phẳng (tấm mỏng d<20 mm) và trường nhiệt độ không gian (vật bán vơ hạn d>50 mm) mà ta đã tìm hiểu.
Với tấm dày, ta phải tính tốn theo sơ đồ nguồn nhiệt điểm
tác động lên bề mặt và chịu ảnh hưởng của hiện tượng mất nhiệt bề mặt giới hạn.
Tóm tắt về trường nhiệt độ khi hàn
- Với tấm mỏng d£ 20 mm, sơ đồ tính tốn là nguồn nhiệt đờng, trờng nhiệt độ là trờng phẳng T(x,y)
- Với vật bán vơ hạn d³50 mm, sơ đồ tính tốn là nguồn nhiệt điểm, trờng nhiệt độ là trờng khơng gian T(x,y,z).
37
CHƯƠNG 3
MƠ PHỎNG BIẾN DẠNG SẢN PHẨM DẠNG HỘP TRONG Q TRÌNH HÀN HỜ QUANG
BÁN TỰ ĐỘNG
3.1. Mơ hình hình học, thơng số hàn và kim loại hàn của bài toán:
Hình 3.1 : Mơ hình hình học của bài tốn. Ta xét 8 trường hợp sản phẩm hộp có chiều dày 5mm .
Chiều dài: 300 mm
Chiều rộng: 170 mm
Chiều cao : 100 mm
Thông số hàn: lấy đúng với thực tế trong q trình làm thực nghiệm
Dịng: 50-90A
Voltage: 80V
Thành phần kim loại: sử dụng thép tấm cacbon thấp CT3 theo tiêu chuẩn TCVN 1651-85 Thành phần: C: 0.14 ÷ 0.22 Si: 0.12 ÷ 0.30 Mn: 0.40 ÷ 0.65 Đặc tính:
38
Yeild Strength (MPa): 355
Hệ số Poisson: 0.33
Nhiệt độ nóng chảy (°C): 1505
Hình 3.2 : Máy hàn MIG bán tự động
3.2. Kết quả mô phỏng biến dạng, ứng suất và nhiệt độ: 3.2.1. Trường hợp 1 : Tiến hành hàn từng đường một 3.2.1. Trường hợp 1 : Tiến hành hàn từng đường một
Hàn lần lượt từng đường 1 - 2 - 3 – 4 :
Nhiệt độ :
Hình 3.28 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-2-3-4 Nhiệt độ : Max = 2078,3oC ; Min = 27,441oC Nhiệt độ : Max = 2078,3oC ; Min = 27,441oC
39
Hình 3.29 : Kết quả mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-2-3-4 Biến dạng : Max = 0,47 mm ; Min = 0,056 mm
Biến dạng của hộp là: 0,47 - 0,056 = 0,414 (mm)
Biểu đồ biến dạng :
Hình 3.30 : Biểu đồ mơ phỏng biến dạng của đường hàn 1-2-3-4
Ứng suất :
Hình 3.31 : Kết quả mơ phỏng ứng suất của đường hàn 1-2-3-4
0 0.2 0.4
0 100 200 300 400
40 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 100 200 300 400 Simulation(mm)
Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 537,68 (MPa) Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,46 (MPa)
Hàn lần lượt theo thứ tự : 1 - 3 - 2 – 4 :
Nhiệt độ :
Hình 3.32 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-3-2-4 Nhiệt độ : Max = 2094,1oC; Min = 38,978oC Nhiệt độ : Max = 2094,1oC; Min = 38,978oC
Kết quả biến dạng :
Hình 3.33 : Kết quả mơ phỏng biến dạng của đường hàn 1-3-2-4 Biến dạng : Max = 0,514mm ; Min = 0,078 mm
Biến dạng của hộp là: 0,514 - 0,078 = 0,436 (mm) Biểu đồ biến dạng :
41
Ứng suất :
Hình 3.35 : Kết quả mô phỏng ứng suất của đường hàn 1-3-2-4 Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 485,54 (MPa) Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,466 (MPa)
Kết luận : Ta thấy ở cùng một thông số đầu vào nhưng khi hàn ở hai điều kiện
khác nhau thì sự phân bố nhiệt độ cũng có sự chênh lệch khá thấp khoảng 20oC, dựa vào kết quả mô phỏng trên ta thấy được khi hàn theo thứ tự các đường 1-2-3-4 thì cho kết quả biến dạng thấp hơn khi hàn theo thứ tự 1-3-2-4 do ở đường hàn 1-2-3-4 có phân bố nhiệt độ thấp hơn. Ứng suất dư của trường hợp hàn 1-2-3-4 thì nhỏ hơn gần 50 MPa.
3.2.2. Trường hợp 2 : Hàn 1 lần 2 đường
Hàn 2 đường 1 - 2 rồi tiếp đến 3 – 4 :
Nhiệt độ :
Hình 3.36 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-2 rồi hàn đường 3-4 Nhiệt độ : Max = 2058,7oC ; Min = 22,001oC Nhiệt độ : Max = 2058,7oC ; Min = 22,001oC
42
Hình 3.37 : Kết quả mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-2 rồi hàn đường 3-4 Biến dạng : Max = 0,415 mm ; Min = 0,078 mm
Biến dạng của hộp là: 0,415 - 0,078 = 0,337 (mm) Biểu đồ biến dạng :
Hình 3.38 : Biểu đồ mơ phỏng biến dạng của đường hàn 1-2 rồi hàn đường 3-4
Ứng suất :
Hình 3.39 : Kết quả mô phỏng ứng suất của đường hàn 1-2 rồi hàn đường 3-4 Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 597,69 (MPa)
43
Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,4366 (MPa)
Hàn 2 đường (1 – 4) rồi hàn 2 đường (2 – 3) :
Nhiệt độ :
Hình 3.40 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1- 4 rồi hàn đường 2-3 Nhiệt độ : Max = 2054,3oC Min = 20,985oC Nhiệt độ : Max = 2054,3oC Min = 20,985oC
Kết quả biến dạng :
Hình 3.41 : Kết quả mô phỏng biến dạng của đường hàn 1- 4 rồi hàn đường 2-3 Biến dạng : Max = 0,391mm Min = 0,101 mm
Biến dạng của hộp là: 0,391 - 0,101 = 0,29 (mm)
44
Hình 3.42 : Biểu đồ mô phỏng biến dạng của đường hàn 1- 4 rồi hàn đường 2-3
Ứng suất :
Hình 3.43 : Kết quả mô phỏng ứng suất của đường hàn 1- 4 rồi hàn đường 2-3 Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 603,2 (MPa)
Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,7292 (MPa)
45 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0 50 100 150 200 250 300 350 Simulation(mm) Nhiệt độ :
Hình 3.44 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-3 rồi hàn đường 2-4
Nhiệt độ : Max = 2050,7oC ; Min = 21,284oC
Kết quả biến dạng :
Hình 3.45 : Kết quả mơ phỏng biến dạng của đường hàn 1-3 rồi hàn đường 2-4 Biến dạng : Max = 0,436 mm , Min = 0,069 mm
Biến dạng của hộp là: 0,436 - 0,069 = 0,367 (mm)
Biểu đồ biến dạng :