H.2.16. Sự hỡnh thành sự co ngang khi hàn
Mặt cắt ngang dx đi qua ba vựng như đó đề cập ở trờn, vựng nguội bao quanh
những vựng khỏc, khụng cho phộp mặt cắt ngang đang xột gión nở. Trong trường hợp
vựng 1 và 2 kim loại bị đốt núng sẽ cú xu hướng gión nở, đõy là nguyờn nhõn gõy ra nộn ở vựng 1 và biến dạng dẻo dư. Cựng lỳc đú cỏc phần tử của vựng nguội cũn lại là
khụng thay đổi, cho nờn kim loại vựng 1 và vựng 2 phải di chuyển về phớa trước của
tõm mối hàn. Cỏc phần tử mềm của vựng 1 bị biến dạng dẻo một lượng Δtr là theo trục
y. Hay núi cỏch khỏc, cỏc phần tử của vựng thứ 2 gión nở theo trục y nhờ sự co ngút đàn hồi và dẻo của cỏc phần tử mềm vựng 1.
2.10.2. Xỏc định độ co ngang và co dọc của mối hàn giỏp mối tấm.
Trong quỏ trỡnh nguội cỏc phần tử của tấm dần dần trở lại trạng thỏi hỡnh dạng ban đầu, ngoại trừ những phần tử gần tõm mối hàn. Một số phần tử của vựng trung gian, trong suốt thời gian đốt núng cũng cú thể đạt đến trạng thỏi biến dạng dẻo. Kết
quả của trạng thỏi nguội là cỏc mộp ngoài của tấm bị dịch chuyển vào gần tõm đường hàn hơn.
Theo sự nghiờn cứu của Gatovskii [13], dựa trờn rất nhiều sự đơn giản húa đó
đưa ra mụ hỡnh vật lý cho sự co ngang và co dọc khi hàn giỏp mối. Theo ụng, sự co ngang dư và sự co dọc dư cú thể được biểu diễn theo dạng sau:
h q c h q c w w tr tr 1.25 (2.11) w w w l l L A q c h q c 0.335 . (2.12)
Trong đú: àtr là hệ số co ngang, àtr = (1.0ữ1.4)
àl là hệ số co dọc
α là hệ số truyền nhiệt đối lưu. c là tỷ nhiệt, [J.kg-1.K-1]
ρ là khối lượng riờng của vật liệu, [kg.m-3]
qw là tỷ lệ nhiệt đầu vào trờn một đơn vị chiều dài [J.s-1.m-1]
A là diện tớch mặt cắt ngang [m2]
Lw là chiều dài đường hàn [m]
Phương trỡnh 2.11 và 2.12, là những phương trỡnh gần đỳng, nhưng chỳng cho
kết quả tương đối chớnh xỏc trong nhiều trường hợp, ngoại trừ cỏc trường hợp sau :
- Sự ảnh hưởng đỏng kể của nguồn nhiệt bị mất trờn bề mắt tấm khi hàn tấm
mỏng hoặc quỏ trỡnh hàn với giỏ trị hệ số truyền nhiệt đối lưu αc cao. Trong
trường hợp này sự co ngang và co dọc cú thể bị giảm.
- Hàn khụng ngấu hoàn toàn, khi đú những vựng kim loại nguội bờn dưới sẽ đúng
vai trũ là cỏc nẹp cản trở sự biến dạng ngang và dọc của tấm.
- Hàn trước những phần cú tồn tại ứng suất thỡ ứng suất kộo ban đầu làm giảm
biến dạng theo chiều tương ứng và ứng suất nộn ban đầu sẽ cho kết quả ngược
lại.
Chắc chắn rằng cỏc phương trỡnh này chỉ cho kết quả ước lượng mà thụi vỡ theo chỳng thỡ cỏc tấm chỉ co ngút theo tỷ lệ. Nhưng hỡnh dạng thực của tấm bị biến dạng
phức tạp hơn nhiều so với tấm hỡnh chữ nhật ban đầu. Chứng minh cho điều này, chỳng ta cú thể nghiờn cứu hỡnh 2.17.
Theo hỡnh 2.17, rừ ràng sự co dọc tập trung chủ yếu tại vựng gần tõm mối hàn. Những phần cũn lại của chiều rộng tấm gần như bằng khụng nếu tấm rộng, như vậy
tấm đủ cứng để chịu được tải trọng dọc được ỏp dụng dọc theo tõm mối hàn.
Độ co ngang ở giữa tấm lớn hơn hai đầu mối hàn và nú cú xu hướng làm tấm
cong theo hỡnh chử U dọc theo chiều dài tấm. Đặc tớnh khụng đều của sự phõn bố này sẽ giảm dần đi khi chiều rộng tấm tăng lờn.
Sự phõn bố độ co ngang hỡnh chữ U cú thể giải thớch là do độ cứng của tấm bị
giảm tại cỏc vựng gần mộp tấm. Và theo mặt cắt ngang dx trờn hỡnh 2.16 đang được đặt tại vị trớ bắt đầu hoặc kết thỳc của mối hàn, tại vựng này giảm đi sự ngăn chặn trong giai đoạn đốt núng thứ nhất và dẫn đến giảm sự co ngang của hai đầu tấm.
Hỡnh dạng chữ U khụng phải là hỡnh dạng duy nhất khi hàn tấm vỡ trong những trường hợp đặc biệt khi hàn tấm nhỏ thỡ hoàn toàn cú thể xảy ra biến dạng như hỡnh trống.
2.10.3. Sự hỡnh thành và phỏt triển biến dạng xoay khi hàn tấm tụn bao vỏ tàu.
Biến dạng xoay của mối hàn giỏp mối trong quỏ trỡnh hàn bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ
của chiều dài tấm với chiều dài đường đẳng nhiệt kim loại mềm (đối với thộp mềm
T*=6000C). Trong trường hợp đường đẳng nhiệt T* mở rộng trờn phần lớn chiều dài tấm thỡ cỏc mộp tấm dọc theo đường hàn cú khả năng gión nở trờn cả hai chiều dọc,
hỡnh 2.18c.
Độ hở được hỡnh thành vỡ phần bị đốt núng liền kề vựng hồ quang đang mở rộng,
nhưng vựng nguội của tấm đang chống lại nú. Do đú, dẫn đến hiện tượng tấm bị xoay,
hỡnh 2.18d. Loại biến dạng xoay thường xảy ra nhất đối với quỏ trỡnh hàn hồ quang
dưới lớp thuốc trợ dung, kết hợp với tốc độ hàn cao và nguồn hàn lớn.
Đối với trường hợp đường đẳng nhiệt T* trũn và ngắn, hỡnh 2.18a, thỡ vựng bị đốt
núng cố gắng gión nở hơn hoặc co lại đều nhau trờn tất cả cỏc hướng. Phần kim loại
sau nguồn nhiệt đó đụng đặc và nguội đi đến nhiệt độ cú thể chịu được tải.
Trong trường hợp này chỳng ta cú thể thấy khe hở cú xu hướng hẹp đi vỡ phần bị đốt núng liền kề vựng hồ quang đang mở rộng nhưng vựng nguội của tấm chống lại nú.
Cỏc mộp tấm phớa sau nguồn hàn khụng cú khả năng gión nở tự do trờn tất cả cỏc hướng ngoại trừ là di chuyển về phớa trước. Khe hở bị thu hẹp ở phớa trước nguồn hàn
tạo nờn hỡnh dạng giống mũi tờn, hỡnh 2.18b. Kiểu biến dạng xoay này thường xảy ra
khi hàn tốc độ chậm và nguồn hàn thấp.
2.10.4. Sự hỡnh thành và phỏt triển biến dạng gúc khi hàn tấm tụn bao vỏ tàu. 2.10.4.1. Nghiờn cứu sự hỡnh thành biến dạng gúc khi hàn tấm.
Để dễ dàng hỡnh dung sự hỡnh thành biến dạng gúc khi hàn giỏp mối, chỳng ta cú
thể xem hỡnh 2.19 dưới dạng định tớnh. Trờn hỡnh này thể hiện cỏc đường đẳng nhiệt
với nhiệt độ kim loại mềm trờn bề mặt tấm T* 0
(đường liền đậm) và dưới đỏy tấm T* h
(đường nột đứt). Dựng một mặt cắt ngang dx, chỳng ta thấy mặt cắt ngang này cú ba
vựng đặc tớnh :
- Vựng 1 : là vựng kim loại mềm nằm bờn trong đường đẳng nhiệt T*.
- Vựng 2 : là vựng gữaT* và T0 đõy là vựng nhiệt độ nguội dần từ nhiệt độ mềm
xuống nhiệt độ ban đầu T0.
- Vựng 3 : là vựng nguội, khụng cú sự thay đổi nhiệt độ rừ ràng, vựng này bao quanh vựng ảnh hưởng nhiệt và khụng cho phộp vựng ảnh hưởng nhiệt gión nở.
Mặt cắt ngang dx đi qua cả ba vựng, hỡnh 2.19. Vựng nguội (vựng 3) bao quanh những vựng khỏc, nú khụng cho phộp mặt cắt ngang gión nở. Vỡ vậy kim loại bị đốt
núng ở vựng 1 và vựng 2 cú xu hướng gión nở về phớa gần tõm mối hàn hơn. Đõy là
nguyờn nhõn gõy ra nộn ở vựng 1 kể cả sự biến dạng dẻo dư.
H.2.18. Sự hỡnh thành biến dạng xoay khi hàn giỏp mối.
a,c) sự phõn bố nhiệt độ và sự hỡnh thành lực khi hàn tấm ngắn đường đẳng nhiệt
trũn và tấm dài đường đẳng nhiệt mở rộng;