CHƯƠNG 3: TÍNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN
1. Tổng quan về ứng suất và biến dạng hàn
1.1. Lý thuyết ứng suất và biến dạng hàn và ý nghĩa của nó
Khi hàn: các phần tử của kết cấu hàn bị nung không đồng đều tới nhiệt độ cao 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).
So với trường nhiệt độ, các trường ứng suất và biến dạng không hoàn toàn mất đi sau khi hàn, tức là quá trình hình thành ứng suất và biến dạng không phải là các quá trình có thể đảo ngược được(ta gọi là ứng suất và biến dạng còn lại trong vật hàn sau khi hàn là ứng suất và biến dạng dư).
*Ý nghĩa của việc nghiên cứu quá trình hình thành ứng suất và biến dạng hàn.
1.Để đánh giá xác suất có vết nứt khi chế tạo kết cấu.
2.Để xác định trường ứng suất dư nhằm đánh giá khả năng làm việc của kết cấu (liên quan đến độ bền công nghệ).
3.Để giải quyết các vấn đề liên quan đến độ chính xác trong chế tạo kết cấu hàn (tương đương độ bền sử dụng).
Vấn đề biến dạng dư 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) thông qua nhiều biện pháp như:
- Có qui trình công 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 dư trong phạm vi cho phép.
1.2. Phân loại ứng suất và biến dạng
Ứng suất hình thành trong quá trình hàn thuộc loại ứng suất riêng.
* Định nghĩa ứng suất riêng: là ứng suất tồn tại trong kết cấu khi không có ngoại lực tác động vào kết cấu.
(Các tên gọi khác của ứng suất riêng: nội ứng suất, ứng suất ban đầu, ứng suất dư).
Chúng xuất hiện khi chế tạo kết cấu: cán, cắt, mài, uốn, hàn v.v.
1.2.1. Phân loại ứng suất riêng hàn -Theo phạm vi tác động:
+ứng suất loại 1: nếu nó tác động và cân bằng trong phạm vi cỡ kích thước của vật hoặc từng phần (chi tiết) của nó. Đây là đối tượng nghiên cứu của chúng ta.
+ứng suất loại 2: nếu nó tác động và cân bằng trong pham vi một hoặc một số hạt tinh thể. Còn được gọi là ứng suất tế vi (ứng suất loại 1: ứng suất thô đại). Khác ứng suất loại 1, chúng không có hướng xác định so với trục của vật hàn.
40
+ứng suất loại 3: nếu nó tác động giữa các phần tử của mạng tinh thể kim loại (ứng suất tế vi). Chúng cũng không có hướng xác định so với trục của vật hàn hoặc mối hàn.
+Chú thích:
Với ứng suất riêng loại 1: vật liệu được coi là đẳng hướng.
Với ứng suất riêng loại 2: vật liệu không đẳng hướng.
ứng suất hàn được liệt vào loại ứng suất riêng thô đại (tức là ứng suất loại 1).
- Theo hướng phân bố trong không gian:
+ ứng suất một chiều (các chi tiết dạng thanh).
+ ứng suất hai chiều (phẳng): các chi tiết dạng tấm và vỏ.
+ ứng suất ba chiều (không gian): các chi tiết có cả ba chiều kích thước.
Giả thiết ở đây là có thể so sánh được giá trị các thành phần ứng suất với nhau.
-Theo thời gian tồn tại:
+ ứng suất tức thời: chỉ tồn tại trong quãng thời gian nhất định của quá trình nung nguội (ứng suất nhiệt).
+ ứng suất dư: tồn tại cả sau khi vật hàn đã nguội hoàn toàn.
- Theo hướng tác động so với trục mối hàn:
+ ứng suất dọc: song song với trục mối hàn.
+ ứng suất ngang: có hướng vuông góc với trục mối hàn.
1.2.2. Phân loại biến dạng hàn:
Biến dạng hàn khó phân loại hơn vì ngay cả với vật hàn đơn giản, biến dạng có thể rất phức tạp
- Phân loại biến dạng hàn theo thời gian tồn tại + Tức thời
+ Dư
- Phân loại biến dạng hàn theo hướng tác động:
+ Dọc: biến dạng song song với trục mối hàn + Ngang: biến dạng vuông góc với trục hàn
- Phân loại biến dạng hàn (tức thời hoặc dư) theo phạm vi tác động trong kết cấu:
+ Biến dạng toàn phần: là biến dạng gây nên sự biến đổi hình dạng và kích thước của toàn bộ phần tử hoặc toàn bộ kết cấu. Đó là sự thay đổi kích thước các chiều (dài, rộng, cao) của kết cấu và sự uốn cong trục của nó theo hướng dọc và ngang (so với trục mối hàn).
+ Biến dạng cục bộ: chỉ tồn tại trong các phần tử riêng biệt của kết cấu. Đó là biến dạng của các phần tử do chúng bị mất ổn định và biến dạng góc (hình mái nhà, lượn sóng…).
1.3. Nguyên nhân xuất hiện ứng suất và biến dạng khi hàn 1.3.1. Do nung nóng kim loại không đều
41
Ứng suất bên trong xuất hiện trong trường hợp sự dãn và co tự do của chi tiết bị cản trở bởi các phần lân cận có nhiệt độ thấp hơn nên có độ dãn và co ít hơn.
Khi hàn nhiệt lượng của hồ quang hay ngọn lửa hàn hơi… nung nóng chi tiết dọc theo trục đường hàn như vậy đã tạo ra sự nung nóng không đều kim loại cơ bản.
Đó là nguyên nhân cơ bản làm xuất hiện ứng suất và biến dạng nhiệt trong sản phẩm hàn.
1.3.2. Do độ ngót của kim loại đắp
Độ ngót là sự giảm thể tích khi kim loại từ trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái đặc. Điều đó có thể giải thích được khi kim loại ở trạng thái đặc thì có mật độ cao hơn vì nó có thể tích nhỏ hơn. Do có độ ngót của kim loại mối hàn nên làm xuất hiện ứng suất kéo ở vùng lân cận, làm biến dạng chi tiết. Kim loại khác nhau có độ ngót khác nhau được đo bằng phần trăm so với kích thước ban đầu như:
Ứng suất do độ ngót tạo ra làm cho các chi tiết có độ dẻo đủ lớn sẽ bị biến dạng dẻo. Nếu kim loại không đủ độ dẻo thì có thể xuất hiện vết nứt ở các vị trí yếu nhất (Vùng ảnh hưởng nhiệt). Do có độ ngót nên kim loại mối hàn bị giảm thể tích, đôi khi xuất hiện vết nứt trong quá trình đông đặc gọi là vết nứt nóng.
Trong quá trình hàn xảy ra hiện tượng ngót dọc và ngót ngang. Nếu trung tâm tiết diện ngang mối hàn không trùng với trung tâm tiết diện của chi tiết thì làm xuất hiện sự cong theo chiều dọc. Độ ngót ngang làm xuất hiện sự cong tấm.
Nếu chi tiết bị kẹp chặt thì trong nó sẽ xuất hiện ứng suất. Đối với kim loại dẻo thì ứng suất đó sẽ làm biến dạng dẻo và không gây nguy hiểm cho độ bền của kết cấu.
Độ lớn của biến dạng và mối quan hệ với ứng suất của nó phụ thuộc vào độ lớn của vùng kim loại được nung nóng. Nếu thể tích kim loại được nung nóng càng lớn thì khả năng gây ra biến dạng càng nhiều. Vì vậy các phương pháp hàn khác nhau sẽ cho mức biến dạng khác nhau.
Kích thước và bố trí vị trí các đường hàn cũng ảnh hưởng đến độ lớn của biến dạng. Mức biến dạng lớn nhất khi hàn các đường hàn dài, các đường hàn có tiết diện lớn và các đường hàn bố trí không đối xứng qua trục chính của tiết diện vật hàn. Kết cấu của vật hàn càng phức tạp, số lượng các đường hàn khác nhau trên kết cấu càng nhiều thi sự xuất hiện biến dạng và ứng suất càng nhanh. Khi hàn đắp một phía trên bề mặt chi tiết với chiều sâu nóng chảy ít thì diện tích kim loại đắp sẽ giảm đi mạnh làm cong chi tiết.
Làm lạnh nhân tạo chi tiết trong quá trình hàn cũng giảm được độ lớn của biến dạng.
1.3.3. Do tổ chức kim loại đắp thay đổi
Khi thay đổi tổ chức kim loại thì kích thước và sự sắp xếp các hạt thay đổi. Quá trình này cũng làm thay đổi thể tích của kim loại như vậy nó kích thích sự hình thành ứng suất bên trong. ứng suất xuất hiện do kết quả thay đổi tổ chức kim loại có thể sẽ rất lớn khi hàn thép hợp kim, thép cacbon cao có xu hướng dễ tôi.
42
Khi hàn các loại thép các bon thấp không thâm tôi thì ứng suất xuất hiện do thay đổi tổ chức kim loại không lớn vì vậy không cần tính đến khi chuẩn bị kết cấu hàn.