Ứng suất và biến dạng trongquá 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 xuất hiện ứng suất trong thanh kim loại. gây nên biến dạng dẻo, thay đổi kích thước, hình dạng của nó.

- Trong q 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, không 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. Q 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 còn 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 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.

 Ngoài 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 công 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

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 q 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 lơ 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 khơng dẻo. bến dạng khơng 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 suất có thể xuất hiện trongquá 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 śt 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 q 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 đơng 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 khơng 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 (ngoài 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 tốn về ứng śt 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 vơ 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 vô 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 không gian T(x,y,z).

37

CHƯƠNG 3

MÔ 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 tốn:

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 quá trình làm thực nghiệm

 Dòng: 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