Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn tới biến dạng của liên kết hàn giáp mối thép các bon thấp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP


BÙI THANH BÌNH


NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ
ĐỘ HÀN TỚI BIẾN DẠNG CỦA LIÊN
KẾT HÀN GIÁP MỐI THÉP CÁC BON
THẤP
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

PHÒNG QLĐT SAU ĐẠI HỌC



NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC




KHOA CƠ KHÍ
TRƢỞNG KHOA

THÁI NGUYÊN – 2014




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện
và chƣa đƣợc sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá
nhân, chƣa có tài liệu khoa học nào tƣơng tự đƣợc công bố, trừ những thông tin tham khảo
đƣợc trích dẫn.
Học viên



Bùi Thanh Bình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
iii

LỜI CẢM ƠN

Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa học của tôi,
thầy giáo PGS. TS. Phan Quang Thế, ngƣời đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ tôi
rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo
PSG. TS. Nguyễn Văn Dự đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn này.
Học viên bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban Giám hiệu và Khoa Sau đại học của
Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản luận

văn này.
Do năng lực bản thân còn có những hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót,
tác giả rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và
các bạn đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!
Học viên


Bùi Thanh Bình











Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
iv

MỤC LỤC
Trang phụ bìa…………………………………………………………… i
Lời cam đoan…………………………………………………………… ii
Mục lục… ………………………………………………………………….iii
Danh mục các chữ viết tắt dùng trong luận văn…………………………… vii
Danh mục các bảng dùng trong luận văn……………… ………………… vii
Danh mục các hình vẽ dùng trong luận văn… …… ……………………….iv

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU…………………………………………………… 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ………………… ……………………………………… 1
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU…….……………………………………… 4
1.3. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN………………………………………….4
1.5. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC……………….………………………… 4
1.6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN……………………………………………… 5
1.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1……………………………………………… 5
CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN MỐI HÀN GIÁP MỐI 8
2.1. GIỚI THIỆU…………………………………………………………… 8
2.2. CÁC KIỂU HÀN GIÁP MỐI…………………………………………….8
2.3. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN. 8
2.4. TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG DO CO DỌC GÂY RA
KHI HÀN GIÁP MỐI……………………………………………………… 8
2.4.1. Xác định vùng ứng suất tác động và nội lực tác động….………………9
2.4.2. Tính ứng suất và biến dạng do co dọctrong trƣờng hợp hàn hai tấm có
chiều rộng bằng nhau……………………………………………………… 17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
v

2.5. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG DO CO NGANG GÂY RA KHI HÀN
GIÁP MỐI 18
2.5.1. Tính ứng suât và biến dạng do co ngang gây ra khi hàn giáp mối các
tấm tự do……………………………………………………… ……………18
2.5.2. Biến dạng góc do co ngang trong liên kết hàn giáp mối 27
2.6. TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TRONG MỘT VÀI
TRƢỜNG HỢP VỚI CÁC QUY TRÌNH HÀN KHÁC NHAU……………28
2.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2……………………………………………….32
CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH KẾT QUẢ …………… 33
3.1. GIỚI THIỆU ………………………………………………………… 33
3.2. TRANG THIẾT BỊ TIẾN HÀNH DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM……33

3.3. CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM……………………………………35
3.3.1. Xác định độ biến dạng do co dọc, độ võng của liên kết hàn giáp
mối 36
3.3.2. Xác định độ biến dạng do co ngang và biến dạng góc của liên kết hàn
giáp mối…………………………………………………………… 37
3.4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ … ………………………………………… 39
3.4.1. GIỚI THIỆU………………………………………………………… 40
3.4.2. KHI THAY ĐỔI CƢỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN I, GIỮ NGUYÊN
U,V………………………………………………………………………… 40
3.4.2.1. Kết quả…………………………………………………… ………40
3.4.2.2. Thảo luận kết quả………………………………………………… 45
3.4.3. KHI GIỮ NGUYÊN CƢỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN I, THAY ĐỔI U,V,
THỰC HIỆN VỚI QUY TRÌNH HÀN SMAW……………… ………… 46
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vi

3.4.3.1. Kết quả…………………………………………… ….……………46
3.4.3.2. Thảo luận kết quả………………………………………………… 48
3.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3….………………………………………….49
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………….55
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 57
PHỤ LỤC………………………………………………………………… 59

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN VĂN
Chữ viết tắt
Diễn giải
Ghi
chú
WSP
Các quy trình hàn

111/MMA/SMAW
Hàn hồ quang tay

135/MAG/GMAW
Hàn khí bảo vệ điện cực nóng chảy

141/TIG/GTAW
Hàn khí bảo vệ điện cực không nóng
chảy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
viii

DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN VĂN
TT
Bảng
Tên gọi
Trang
1
Bảng 3.1
Thiết bị SMAW của máy WP300
33
2
Bảng 4.1

Thông số chế độ hàn, giữ nguyên các thông
số cho I tăng dần với quy trình hàn SMAW
40
3
Bảng 4.2
Thông số chế độ hàn, giữ nguyên các thông
số cho I tăng dần với quy trình hàn GMAW
40
4
Bảng 4.3
Bảng thông số chế độ hàn, giữ nguyên các
thông số chỉ tăng I với quy trình hàn GTAW
41
5
Bảng 4.4
Biến dạng do co dọc và độ võng của mối
hàn giáp mối với quy trình hàn GTAW
42
6
Bảng 4.5
Biến dạng do co dọc và độ võng của mối
hàn giáp mối với quy trình hàn SMAW khi
giữ nguyên I và v, tăng U
43
7
Bảng 4.6
Biến dạng do co dọc và độ võng của mối
hàn giáp mối với quy trình hàn SMAW khi
giữ nguyên U và I, giảm v
44

8
Bảng 4.7
Giá trị chuyển vị góc của mối hàn giáp mối
SMAW
45





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ix

DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
Hình
Tên hình vẽ
Trang
Hình 2.1
Vùng phân bố ứng suất và nội lực lên mối hàn
9
Hình 2.2
Trạng thái tấm khi hàn đắp lên mép tấm
10
Hình 2.3
Hàn đắp lên mép tấm chiều dày δ
10
Hình 2.4
Trạng thái ứng suất biến dạng hàn đắp lên mép tấm
11
Hình 2.5

Ứng suất khi hàn đắp lên mép tấm
12
Hình 2.6
Liên kết hàn giáp mối ở trạng thái tự do
13
Hình 2.7
Tổng chiều dày truyền nhiệt trong một số loại liên kết
14
Hình 2.8
Đồ thị xác định hệ số k
2

15
Hình 2.9
Chiều rộng tính toán h
16
Hình 2.10
Hàn giáp mối hai tấm rộng nhƣ nhau
17
Hình 2.11
Ứng suất ngang trên tiết diện ngang của tấm
19
Hình 2.12
Biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối
20
Hình 2.13
Xác định tiết diện ngang của mối hàn tại vị trí bắt đầu
có lực tác động do co ngang
21
Hình 2.14

Phân bố nhiệt độ tại tiết diện ngang x
1

22
Hình 3.1
Máy hàn WP300
32
Hình 3.2
Vị trí lấy dấu các vị trí đặt thiết bị đo
34
Hình 3.3
Bàn gá và dụng cụ đo độ co dọc của liên kết hàn
35
Hình 3.4
Bàn gá và dụng cụ đo để đo độ võng của dầm
36
Hình 3.5
Đo chuyển vị góc của các điểm trên mối hàn
37
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
x

Hình 3.6
Chuẩn bị phôi
37
Hình 3.7
Hàn đính các phôi hàn
38
Hình 3.8
Lấy dấu trên các phôi hàn

38
Hình 3.9
Đo vị trí trƣớc khi hàn
39
Hình 3.10
Đo vị trí sau khi hàn
39
Hình 4.1
Đồ thị biến dạng do co dọc khi thay đổi các
thông số hàn, quy trình hàn SMAW
44
Hình 4.2
Đồ thị độ võng (độ cong), đo tại vị trí võng lớn nhất
( vị trí 5) khi thay đổi các thông số của quy trình hàn
SMAW
44
Hình 4.3
Đồ thị so sánh thị độ võng (độ cong), đo tại vị trí võng
lớn nhất
45
Hình 4.4
Đo chuyển vị góc các điểm của mối hàn
45
Hình 4.5
Đồ thị so sánh biến dạng góc do co ngang của 3 quy
trình hàn: SMAW, GMAW,GTAW khi thay đổi
cƣờng độ dòng điện I ( vị trí 5) giữa 3 quy trình hàn:
SMAW, GMAW, GTAW
46

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hàn là phƣơng pháp nối các chi tiết máy thành một khối không thể tháo
rời đƣợc bằng cách nung nóng chúng đến trạng thái chảy hay chảy dẻo, sau đó
có thể không dùng áp lực hoặc dùng áp lực để ép chi tiết hàn dính chặt với
nhau. Có trƣờng hợp không cần nung nóng mà chỉ dùng áp lực hàn kim loại
đạt đến trạng thái dẻo và dính lại với nhau.
Trong chế tạo vỏ tàu thủy, phƣơng pháp hàn đƣợc ứng dụng rất phổ
biến để thay cho phƣơng pháp ghép cũ bằng đinh tán và bulông. Bằng phƣơng
pháp hàn, giá thành 01 con tàu giảm 30 ÷ 40%. Trong lĩnh vực xây dựng, hàn
là phƣơng pháp phổ biến để tạo ra các kết cấu thép, ngoài ra nó còn đƣợc ứng
dụng rất rộng rãi trong chế tạo: dầm cầu, các thép hình xây dựng. Công
nghiệp hàn phục vụ nền công nghiệp chế tạo các trang bị quốc phòng chiếm tỉ
trọng 40 ÷ 50%.
Trong công nghệ hàn nói chung thì hàn thép các bon thấp không hợp kim
đƣợc sử dụng rộng rãi. Do thép các bon thấp không hợp kim là vật liệu đƣợc
sử dụng rất rộng rãi, có mặt gần nhƣ trong tất cả các lĩnh vực kỹ thuật, vì vậy
nhu cầu chế tạo, phục hồi, sửa chữa các chi tiết làm từ thép CT3 là rất lớn.
Bên cạnh đó thép các bon thấp không hợp kim là vật liệu có tính hàn rất tốt ,
khi hàn không cần yêu cầu gì đặc biệt, kết cấu hàn bằng thép CT3 có cơ tính
tốt . Độ bền kéo thông thƣờng khoảng 42 kgf/mm2 (60,000psi) với giới hạn
chảy khoảng 28 kgf/mm2 (40,000psi).
Trong công nghệ hàn thì hàn giáp mối là kiểu hàn phổ biến nhất.

Mối hàn giáp mối là mối hàn thực hiện giữa hai phôi hàn nằm trong cùng
mặt phẳng, hai phôi hàn nằm đối đầu với nhau, mối hàn hình thành ở giữa liên
kết chúng lại thành một chi tiết không thể tháo rời. Trong hàn giáp mối thì tùy
theo chiều dày của phôi hàn, để đảm bảo liên kết hàn có độ bền cao, mép mối

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2

hàn có thể đƣợc vát tƣơng ứng: Đối với các chi tiết mỏng (có chiều dày nhỏ
hơn 5mm) thì khi hàn giáp mối không cần vát mép. Với các chi tiết có chiều
dày trung bình (dày từ 5mm đến 20mm ) thì khi hàn có thể vát mép một phía
(nửa chữ V), vát mép hai phía (chữ V), hàn một phía. Với các chi tiết có chiều
dày ( chiều dày trên 20mm) thì khi hàn thực hiện vát mép kiểu chữ X và tiến
hành hàn hai phía. Trong đó thì hàn giáp mối các chi tiết có độ dày trung bình
là phổ biến nhất, nhƣ khi hàn các vỏ hộp, thân máy, các xi lanh, kết cấu vỏ tàu
thủy, kết cấu khung giàn thép trong xây dựng …Do chiều dày của các chi tiết
hàn là nhỏ do đó khi hàn thì sự truyền nhiệt trong mối hàn xảy ra nhanh, vật
liệu bị nung nóng và nguội cục bộ trong thời gian ngắn do đó mối hàn rất dễ
bị cong vênh đặc biệt là khi chế độ hàn không hợp lý.
Trong thực tế các thông số công nghệ hàn thƣờng đƣợc chọn theo kinh
nghiệm của công nhân hàn. Điều đó dẫn đến các mối hàn thƣờng bị biến
dạng, cong vênh, hình dáng kích thƣớc chi tiết không đảm bảo. Trƣờng hợp
nguy hiểm hơn, chế độ hàn chƣa hợp lý có thể gây nên hàng loạt vấn đề
chẳng hạn nhƣ. Ứng suất dƣ quá lớn, làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu
đặc biệt là khi làm việc dƣới tác động của tải trọng động, tải trọng thay đổi
theo chu kỳ.
Việc xác định chế độ hàn hợp lý, để hoàn thiện các công nghệ hàn thép
các bon thấp không hợp kim là rất cần thiết. Đề tài này tập trung tìm giải pháp
công nghệ nhằm hạn chế biến dạng của mối hàn giáp mối có độ dày tấm ghép
Đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về biến dạng khi hàn giáp mối

Ứng suất và biến dạng hàn đƣợc nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc rất
quan tâm. Với hƣớng chủ yếu trong nghiên cứu là ứng dụng tính toán các ứng
suất và biến dạng hàn trong quá trình hàn và qua đó đƣa ra chế độ công nghệ
hàn hợp lý nhằm đạt năng suất cao, chất lƣợng sản phẩm hàn tốt nhất. Có thể

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3

kể ra một số đề tài nghiên cứu đƣợc các tác giả trong nƣớc công bố gần đây
nhƣ:
Tác giả Nguyễn Tiến Dƣơng đã trình bày báo cáo “Tính toán ứng suất
và biến dạng khi hàn giáp mối kết cấu tấm”, trong báo cáo của mình tác giả
Nguyễn Tiến Dƣơng đã trình bày các kết quả tính toán chung cho các kết cấu
dạng tấm, đối với các kết cấu dạng tấm mỏng, vật liệu là thép CT3 thì chƣa có
các công thức tính toán cụ thể. Tại hội nghị Khoa học Toàn quốc về Cơ học
Vật rắn biến dạng lần thứ mƣời, Thái Nguyên 12 -13/11/2010.
Ngoài ra còn có nhiều bài báo, báo cáo khoa học nghiên cứu ứng suất
và biến dạng với nhiều cách tiếp cận khác nhau nhƣ dùng phƣơng pháp mô
phần tử hữu hạn hay bằng công nghệ sử dụng sóng siêu âm. Có thể kể đến các
nghiên cứu sau:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn MAG tới ứng suất và biến
dạng dư trong liên kết hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn” của tác giả
Võ Văn Phong.
“Mô phỏng trường nhiệt độ, trường ứng suất và biến dạng nhiệt trong
quá trình hàn nóng chảy bằng phương pháp phần tử hữu hạn” của các tác
giả Võ Văn Phong, Vũ Đình Toại đăng trên tạp chí Khoa học Công nghệ,
2006.
“Nghiên cứu xác định ứng suất dư trong mối hàn giáp mối khi hàn tự
động dưới lớp thuốc bằng công nghệ sử dụng sóng siêu âm” của các tác giả
Đỗ Cao Đoan, Đào Quang Kế, Hoàng Văn Châu trình bày tại hội nghị Khoa

học Toàn quốc về Cơ khí 2011.
Wang Rui và cộng sự [37] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và mô
phỏng về biến dạng khi hàn giáp mối các tấm mỏng. Tác giả xác định đƣợc
ảnh hƣởng của các thông số, cƣờng độ dòng điện, hiệu điện thế, tốc độ hàn tới
biến dạng của kết cấu hàn. Các thực nghiệm đƣợc tiến hành trên các thiết bị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4

hiện đại với các hệ thống cảm biến đã đƣợc thiết lập, so sánh với kết quả thực
nghiệm để đánh giá kết luận. Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng có thể sử
dụng để dự đoán biến dạng mối hàn.
Các nghiên cứu kể trên đều tiếp cận bằng các phƣơng pháp lý thuyết
với tính toán khá phức tạp, đòi hỏi ngƣời nghiên cứu phải hiểu biết rất chuyên
sâu về các phƣơng pháp tính toán đòi hỏi sử dụng máy tính và các công nghệ
tiên tiến khác, thiết bị hiện đại mà điều kiện hiện nay ở Việt Nam chƣa có.
Trong trƣờng hợp hàn thép các bon thấp không hợp kim thì với những
lý thuyết về trƣờng nhiệt độ, ứng suất và biến dạng khi hàn đã đƣợc nghiên
cứu và công bố, kết hợp nhiều kiến thức từ cơ học, sức bền vật liệu, nhiệt
học, điện… ta hoàn toàn có cơ sở lý thuyết để tính toán ảnh hƣởng của chế độ
hàn tới ứng suất và biến dạng. Từ đó tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm
để xác định đƣợc chế độ hàn hợp lý.
Xuất phát từ đó mà đề tài này đƣợc thực hiện nhằm nghiên cứu các ảnh
hƣởng của các chế độ hàn cụ thể qua các thông số: Điện thế hàn U, cƣờng độ
dòng điện I, vận tốc hàn v ứng với từng quy trình hàn lần lƣợt là hàn hồ quang
tay (111/E/SMAW), hàn khí bảo vệ điện cực nóng chảy (135/MAG/GMAW)
và quá trình hàn khí bảo vệ điện cực không nóng chảy (141/TIG/GTAW).
Chế độ hàn hợp lý xác định bằng lý thuyết kết hợp với thực nghiệm của đề
tài có thể đƣợc ứng dụng trong giảng dạy, sản xuất……
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề tài này nhằm thực hiện một số mục tiêu cụ thể nhƣ sau:
- Xác định đƣợc các quan hệ giữa chế độ hàn ( I, U, V) đến mức độ biến
dạng do co dọc và độ võng của mối hàn. Mức độ biến dạng đƣợc đánh giá qua
các thông số: Lƣợng co dọc của mối hàn, độ võng và biến dạng góc do co ngang.
- So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết để nhận xét về tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5

đúng đắn của lý thuyết và phƣơng pháp thực nghiệm.
- Phân tích so sánh và đánh giá ảnh hƣởng của các qui trình hàn (WPS)
mức độ biến dạng, và ứng suất dƣ của các liên kết hàn giáp mối.
- Lựa chọn quy trình hàn và chế độ hàn hợp lý để biến dạng của mối hàn ít
nhất.
- Phân tích các cơ sở lý thuyết về ảnh hƣởng của chế độ hàn đến biến dạng
của mối hàn.
- Xây dựng và triển khai các nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá các quan
hệ giữa chế độ hàn và mức độ biến dạng.
- Thông kê xử lý số liệu để xác định các mối quan hệ nói trên.
- Đánh giá kết quả, để chỉ ra đƣợc chế độ hàn hợp lý cho độ biến dạng ít
nhất, từ đó so sánh với kết quả tìm đƣợc bằng lý thuyết.
1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối với hàn giáp mối thì hàn các chi tiết có chiều dày trung bình (dày từ
5mm đến 20mm) là phổ biến nhất, do đó luận văn tập trung nghiên cứu với đối
tƣợng là các tấm hàn có chiều dày trung bình 10mm. Với kiểu hàn một phía có
vát mép kiểu chữ V. Nghiên cứu hàn một phía là cơ sở, sau khi có thể tính toán
thực nghiệm về hàn một phía thì hàn 2 phía chỉ là phép cộng của các ứng suất
và biến dạng thêm vào theo hƣớng ngƣợc lại.
1.4. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC.
- Đã tiến hành thực nghiệm trên loại máy WP 3000 – Panasonic

- Đã thực nghiệm khảo sát đƣợc sự ảnh hƣởng của các thông số chế độ
hàn (U, I, V) đến biến dạng của mối hàn.
- Đã tìm đƣợc chế độ hàn hợp lý cho các kiểu hàn khác nhau. Để cho
biến dạng ít nhất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6

- Đã so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết.
1.5. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng với nội dung chính nhƣ sau:
Chƣơng I: Chƣơng Mở đầu: Trình bày các cơ sở, tính cần thiết thực
hiện đề tài, tổng quan về ứng suất biến dạng hàn, các nghiên cứu tƣơng tự
cũng đƣợc trình bày nhằm nêu đƣợc những đóng góp mới của luận văn. Bên
cạnh đó nội dung chƣơng 1 cũng nêu đƣợc những mục tiêu và các kết quả
chính đạt đƣợc của luận văn.
Chƣơng 2: Chƣơng Tính toán mối hàn giáp mối: Trình bày phƣơng
pháp tính toán ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối các tấm thép CT3 có
chiều dày mỏng trong các trƣờng hợp cụ thể
Chƣơng 3: Chƣơng Thực nghiệm và Phân tích kết quả: Trình bày
phƣơng pháp, cách thức tiến hành và đo đạc kết quả thực nghiệm, xử lý các
kết quả thực nghiệm. Từ đó so sánh với kết quả tính toán lý thuyết và rút ra
các nhận xét kết luận. .
Cuối cùng là phần Các kết luận và đề xuất hƣớng nghiên cứu tiếp theo,
phần Tài liệu tham khảo và Phụ lục.
1.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Trong nội dung chƣơng 1, tác giả đã trình bày và làm rõ tầm quan trọng
và ý nghĩa của đề tài, nêu đƣợc đối tƣợng, mục tiêu và các kết quả chính đạt
đƣợc của đề tài và phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài. Tổng quan một số vấn
đề về ứng suất và biến dạng hàn. Nội dung chƣơng 1 còn khái quát một số các

kết quả nghiên cứu tƣơng tự gần đây từ đó nêu bật đƣợc những đóng góp mới
của luận văn.
Phƣơng pháp nghiên cứu là kết hợp lý thuyết với thực nghiệm. Trong
đó phần tính toán lý thuyết sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 2, bằng việc đƣa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7

ra các mô hình tính toán lý thuyết, các giả thiết và xây dựng các công thức
ứng suất và biến dạng. Nội dung thực nghiệm sẽ đƣợc thực hiện trong chƣơng
3, đó là phần kiểm chứng lại các kết quả tính toán lý thuyết. Từ đó sẽ tiến
hành phân tích kết quả thực nghiệm đƣa ra các nhận xét kết luận.



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8

CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN MỐI HÀN GIÁP MỐI
2.1. GIỚI THIỆU
Chƣơng này trình bày về các cơ sở lý thuyết về chế độ hàn giáp mối,
tìm hiểu nguyên nhân gây ra ứng suất biến dạng khi hàn.
Phần 2.2 giới thiệu các kiểu hàn giáp mối. Phần 2.3 trình bày về ứng
suất và biến dạng hàn. Phần 2.4 trình bày về ứng suất và biến dạng co dọc khi
hàn giáp mối. Phần 2.5 trình bày về ứng suất và biến dạng do co ngang. Phần
2.6 trình bày về tính toán ứng suất và biến dạng trong một vài trƣờng hợp với
các quy trình hàn khác nhau và cuối cùng phần 2.7 đƣa ra các kết luận chính
của chƣơng.
2.2. CÁC KIỂU HÀN GIÁP MỐI
Trong hàn giáp mối tùy theo chiều dày của phôi hàn, để đảm bảo liên kết

hàn có độ bền cao, mép mối hàn có thể đƣợc vát tƣơng ứng:
- Chi tiết mỏng: không cần vát mép

Hình 2.1. Hàn giáp mối không vát mép chi tiết thành mỏng
- Với chi tiết có chiều dày trung bình: Vát mép một phía (nửa chữ V) hàn
một phía và vát mép hai phía (chữ V), hàn một phía

Hình 2.2. Vát mép nửa chữ V, hàn một phía


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9


Hình 2.3. Vát mép chữ V, hàn một phía
- Với chi tiết có chiều dày lớn hơn 20mm: Vát mép kiểu chữ X, chữ k,
hàn 2 phía.


Hình 2.4.Vát mép chữ X, hàn 2 phía


Hình 2.5. Vát mép chữ k, hàn 2 phía
2.3. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN.
* Nung nóng, làm nguội và biến dạng dẻo không đều
Khi một chi tiết bị nung nóng sẽ giãn nở ra, trong quá trình giãn nở đó
lại bị giới hạn về không gian sẽ làm cho chi tiết không thể giãn nở đƣợc thì
trong chi tiết sẽ sản sinh ra ứng suất, và biến dạng. Quá trình co lại do làm
nguội bị giới hạn hoàn toàn tƣơng tự cũng sinh ra ứng suất và biến dạng.
* Thay đổi về tổ chức kim loại mối hàn và vùng lân cận nhiệt

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 hƣởng nhiệt), kèm theo sự
thay đổi thể tích , tạo nên ứng suất trong kim loại.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10

Trong vấn đề nghiên cứu của luận văn thì ứng suất và biến dạng sinh ra
bởi 2 nguyên nhân: Do co dọc và do co ngang.
Trong đó nguyên nhân chính gây ra ứng suất trong mối hàn giáp mối là
do co dọc, hiện tƣợng co ngang chỉ đƣợc xét nhƣ là nguyên nhân gây ra biến
dạng của mối hàn. Do vậy trong chƣơng 2 trƣớc hết ta sẽ đi xây dựng công
thức tính toán ứng suất và biến dạng lần lƣợt gây ra bởi co dọc và co ngang
trong các trƣờng hợp cụ thể.
2.4. TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG DO CO DỌC GÂY RA
KHI HÀN GIÁP MỐI
Úng suất và biến dạng do co dọc gây ra khi hàn giáp mối có nhiều
phƣơng pháp tính toán nhƣ: Tính toán theo nội lực tác dụng (theo lực co),
theo biến dạng thực Trong nội dung luận văn này tác giả sử dụng phƣơng
pháp tính toán theo nội lực tác dụng.
2.4.1 Xác định vùng ứng suất tác động và nội lực tác động
Cơ sở tính toán: Coi nội lực tác động (còn gọi là lực co) nhƣ là những
lực tập trung tác động lên vật hàn tại vị trí mối hàn. Các công thức tính dựa
trên lý thuyết đàn hồi và sức bền vật liệu.
* Các giả thuyết của phƣơng pháp:
- Coi vùng tác động của lực co (bằng vùng nội lực tác động) có ứng suất kéo
dọc trục phân bố đều và bằng giới hạn chảy của kim loại
T





Hình 2.1. Vùng phân bố ứng suất và nội lực trên mối hàn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11

Nội lực tác động  ứng suất tác động
Nội lực phản kháng  ứng suất phản kháng.
- Ở các vùng còn lại bên cạnh, hình thành ứng suất phản kháng do sự đàn hồi
với lực co, gọi là vùng nội lực phản kháng.
- Các chi tiết dạng tấm có chiều rộng nhỏ và trung bình ta dùng giả thiết tiết
diện phẳng, tức là sau khi biến dạng, tiết diện vẫn giữ nguyên hình dạng, chỉ
thay đổi kích thƣớc.
- Trong tính toán, ta sử dụng các liên kết giả tạo vào các cạnh dọc của tấm,
khi độ võng của tấm đổi dấu (=0). Không có sự tăng độ cứng vững của chi
tiết, cũng không ảnh hƣởng đến sự thay đổi giá trị vùng ứng suất tác động.

Hình 2.2. Trạng thái tấm khi hàn đắp lên mép tấm
- Để có thể tính toán đƣợc giá trị độ co dọc, ta đặt các hạn chế giả tạo tại thời
điểm hình thành biến dạng dẻo nén, tấm chuyển sang trạng thái đàn hồi khi
nguội (f=0) sao cho nó không bị uốn theo hƣớng ngƣợc lại nhƣng vẫn có thể
co dọc. Trên thực tế, khi nung bằng nguồn nhiệt hàn lên mép tấm, do tiết diện
ngang của nó của nó bị nung không đồng đều, dẫn tới việc co dãn khác nhau
trong từng thớ, tấm bị uốn (hình 2.2-a), sau đó f = 0 (hình 2.2-b) và uốn
ngƣợc lại (hình 2.2-c). Còn muốn tính đến độ võng, ta có thể dùng momen
uốn để tính.
* Khảo sát trƣờng hợp cơ bản là hàn đắp lên mép tấm.

Để có cơ sở tính toán ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra khi hàn
giáp mối, ta xét trƣờng hợp đơn giản là hàn đắp lên mép tấm. Các kết quả tính


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12

toán trong trƣờng hợp hàn đáp lên mép tấm chính là cơ sở để ta mở rộng tính
toán trong tất các các trƣờng hợp còn lại khi nghiên cứu ứng suất và biến
dạng do co dọc gây ra.

Hình 2.3. Hàn đắp lên mép tấm chiều dày δ
Khi hàn đắp lên mép tấm, do tác động của nguồn nhiệt hàn, các dải
nằm gần nguồn nhiệt không thể dãn nở tự do cho phù hợp với trạng thái nhiệt
của chúng, do bị các thớ lân cận giữ lại. Vì vậy chúng sẽ bị nén dẫn đến tấm
bị uốn cong lồi về phía có nguồn nhiệt (hình vẽ đứt đoạn).

Hình 2.4. Các trạng thái ứng suất biến dạng khi hàn đắp lên mép tấm
a) Tính toán cụ thể cho trƣờng hợp hàn đắp lên mép tấm


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13


Hình 2.5. Ứng suất khi hàn đắp lên mép tấm
Vì giả thiết có các hạn chế giả tạo ở mép nên không có hiện tƣợng uốn
ngang mặc dù vẫn có ứng suất uốn.
Ứng suất do nội lực dọc trục (lực co, nội lực tác động) sinh ra sẽ tạo ra
nhƣ trên hình 2.5. Trong vùng ứng suất tác động, ứng suất dƣ tối đa là σ

T
nếu
b
n
≤ 0,5h.
- Nội lực tác động dƣ là:
P = σ
T
.b
n
. δ (2. 1)
- Vì trong một vật, nội lực tác động cân bằng, ta có nội lực tác động bằng nội
lực phản kháng (nhƣng khác dấu):
P = δ
T
.b
n
. σ = σ
2
.(h-b
n
). δ (2.2)
- Vì vậy ứng suất nén phản kháng σ
2
sẽ là:
2
.
Tn
n
b

hb




(2.3)
- Momen uốn do cặp lực nội lực tác động – nội lực phản kháng gây ra sẽ là:
.
2
Ph
M 
(2.4)
- Nếu bỏ qua các hạn chế giả tạo đi, độ võng dƣ tấm do momen này gây uốn
sẽ là:


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14

.
8
Ml
f
EJ

(2.5)
Với
3
1
.

12
Jh


;
.
2
Ph
M 
;

Tn
Pb


suy ra
22
2
22
3 . . 3. ( ).
4. . 4. .
T n b
b l h h l
f
E h E h



(2.6)
- Ứng suất uốn sẽ là :

2
3.
6
W2
Tn
u
b
M Ph
hh



  
(2.7)
Trong đó W=1/6 δ.h
2

b) Xác định kích thƣớc của vùng ứng suất tác động (giá trị b
n
)
Vùng ứng suất tác động là vùng bao gồm kim loại mối hàn và kim loại
cơ bản lân cận, đã chịu biến dạng dẻo – nén khi bị nung nóng bởi nguồn nhiệt
hàn.
Có hai phƣơng pháp xác định b
n
là phƣơng pháp đồ thị và phƣơng pháp tuần
tự xấp xỉ. Ở đây tác giả dùng phƣơng pháp đồ thị để xác định giá trị của b
n

* Các giả thiết cho tính toán giá trị b

n

- Ứng suất tác động kéo dƣ dọc trục là nhƣ nhau trong mọi thớ của vùng ứng
suất tác động và bằng giới hạn chảy σ
T
với điều kiện là b
n
<0,5h.
- Nhiệt độ của các điểm cách trục mối hàn một khoảng nhƣ nhau thì đều nhƣ
nhau (bỏ qua ảnh hƣởng của chiều rộng tấm và sử dụng nguồn nhiệt di
chuyển nhanh).
* Phương pháp đồ thị để tính b
n

Xét một liên kết hàn giáp mối ở trạng thái tự do. Vùng ứng suất tác động có
chiều rộng là b
0
= 2b
n
.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15


Hình 2.6. Liên kết hàn giáp mối ở trạng thái tự do
Ta chia b
n
thành hai vùng b

1
và b
2
.
- Vùng b
1
: Nằm ở gần nguồn nhiệt hàn và bao gồm kim loại mối hàn và phần
kim loại cơ bản đã trải qua trạng thái biến dạng dẻo khi hàn (với thép cacbon
nhiệt độ tối đa của chúng khi hàn vƣợt 550-600
o
C).
- Vùng b
2
: Là vùng kim loại cơ bản đã trải qua trạng thái đàn hồi dẻo khi
hàn. Nhiệt độ tối đa của các thớ trong vùng này khi hàn không vƣợt quá 550-
600
o
C, nhƣng do bị nung không đồng đều, chúng vẫn bị biến dạng dẻo nén.
- Cách tính giá trị vùng b
1
: Khi hàn vùng b
1
ở trạng thái chảy-dẻo. Nó phụ
thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ : công suất nguồn nhiệt, vận tốc hàn, các tính chất
lý nhiệt của vật liệu,
1
( , , , )b f q v c



Theo cách tính về trƣờng nhiệt độ khi hàn tấm mỏng, ta có nhiệt độ tối đa của
điểm lân cận mối hàn
ax
0,484.
2. . . . .
m
q
T
vc
  

[13]
Thay T
max
= 550
o
C và y = b
1
, ta có:
1
0,484.
2. . . .550
q
b
v


(2.8)