CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ỨNG SUẤT và BIẾN DẠNG hàn

CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN
1. Các biện pháp giảm ứng suất khi hàn
- Trong hầu hết trường hợp thực tế, ứng suất kéo dư trong vùng ứng suất
tác động đặt tới giá trị giới hạn chảy σch.
- Do đó, các biện pháp trước và trong khi hàn, ngoài các biện pháp kéo sơ
bộ hoặc nung nóng sơ bộ đến nhiệt độ cao, sẽ không loại bỏ được sự suất hiện,
cũng như không giảm đáng kể được giá trị ứng suất dư do co dọc.
- Tuy nhiên, có thể giảm được nhiều ứng suất ngang do co ngang, tức là
giảm trạng thái ứng suất hai chiều và ba chiều, và giảm biến dạng dẻo kéo khi
mối hàn nguội đi. Điều này đảm bảo độ bền và khả năng làm việc của kết cấu.
- Có thể chia các biện pháp đó thành: Các biện pháp kết cấu; Các biện
pháp công nghệ trong khi hàn.
1.1. Các biện pháp kết cấu để giảm ứng suất khi hàn.
- Kim loại cơ bản không nên dễ bị tôi tại vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn.
- Vật liệu hàn nên bảo đảm kim loại mối hàn có độ dẻo không thấp hơn
tính dẻo của kim loại cơ bản.
- Không nên để các mối hàn giao nhau nhiều để tránh và giảm ứng suất
nhiều chiều, đặc biệt với các kết cấu chịu tải trọng động và va đập.
- Không nên dùng các mối hàn tạo thành các biên dạng kín không lớn
(hàn các tấm tăng cứng..) vì chúng có thể làm tăng trạng thái ứng suất phẳng.
- Số lượng và kích thước mối hàn chỉ nên vừa đủ, không nên lớn quá mức
cần thiết (trên cơ sở tính toán thiết kế).

Hình 1-

- Các gân cứng vững nên được bố trí sao cho khi hàn kim loại cơ bản
được nung nóng tại cùng vị trí, để đảm bảo giảm được co ngang tấm vách đứng
(Hình 1- ).
1

- Nên ưu tiên sử dụng các mối hàn giáp mối vì chúng có mức độ tập trung
ứng suất nhỏ hơn các mối hàn góc.
- Khi hàn giáp mối các tấm có chiều dày khác nhau, để dảm bảo nung
nóng đồng đều, hàn ngấu các mép và tránh mức độ tập trung ứng suất cao, cần
vát tấm dày hơn cho thích hợp (Hình 1- ).

Hình 1-

- Khi thiết kế các kết cấu hàn tích hợp, cần xem xét khả năng hàn chúng
dưới dạng các khối riêng rẽ, sau đó mới hàn chúng lại thành kết cấu hoàn chỉnh.
Điều này làm giảm ràng buộc lên co ngang mối hàn và giảm trạng thái ứng suất
phẳng.
- Các kết cấu hàn có hình dạng phức tạp nên dùng các chi tiết từ thép tấm
dập và các khối thép đúc. Các kết cấu đó được hàn với các kết cấu khác để làm
nên các kết cấu hàn hoàn chỉnh.
- Cần tính đến khả năng bảo đảm việc dễ dàng việc cơ giới hoá công việc
hàn (thông qua bố trí các mối hàn).
- Cần tăng cường sử dụng đồ gá hàn để đảm bảo chính xác trong lắp ghép
và thực hiện đúng trình tự hàn.
1.2. Các biện pháp công nghệ để giảm ứng suất khi hàn:
Các biện pháp này rất đa dạng và phụ thuộc vào đặc trưng và loại kết cấu,
phương pháp hàn, chế độ hàn, cơ tính và thành phần hoá học của kim loại cơ
bản. Có thể chia chúng thành hai loại:
a) Các biện pháp công nghệ giảm ứng suất, thực hiện trong quá trình hàn:
- Tăng chế độ nhiệt (năng lượng đường) khi hàn các chi tiết không kẹp và
thép dễ tôi nhằm tránh nứt (làm tăng thể tích vùng kim loại được nung, giảm tốc
độ nguội).
- Nung nóng sơ bộ khi hàn tấm dày và thép dễ tôi.
- Giảm chế độ nhiệt khi hàn các chi tiết được kẹp chặt nhằm tránh nứt.
- Với các chi tiết được kẹp chặt và có chiều dày lớn, nên hàn nhiều lớp.

Kim loại đắp nên có tính dẻo cao.
- Trình tự hàn nên đảm bảo cho các chi tiết ở trạng thái tự do, đặc biệt với
các mối hàn giáp mối (có giá trị co ngang lớn). Trước tiên hàn các mối hàn giáp
2


mối, sau đó mới đến các mối hàn góc. Với các vật hàn có dạng trụ rỗng, trước
hết hàn các mối hàn dọc trước, sau đó đến các mối hàn theo chu vi.
- Mỗi mối hàn nên thực hiện một lượt hoặc thực hiện từ giữa ra đầu.
- Không bố trí các mối hàn đính tại chỗ các mối hàn giao nhau.
- Để giảm ảnh hưởng của co ngang, cần giảm khe hở hàn của các mối hàn
giáp mối và hàn ngấu chân mối hàn.
- Cần hàn nhanh để đảm bảo kim loại nguội đều theo chiều dày và chiều
dài mối hàn (hàn tự động và bán tự động).
b) Các biện pháp công nghệ giảm ứng suất, thực hiện sau khi hàn:
Với các kết cấu quan trọng, để tăng khả năng làm việc của chúng, người
ta thường tiến hành khử ứng suất riêng sau khi hàn, đặc biệt khi đó là thép hợp
kim hay thép có hàm lượng cacbon trung bình. Các biện pháp đó là:
- Ram cao toàn phần trong lò. Nhiệt độ ram 600 ÷ 650°C. Thời gian giữ ở
nhiệt độ cao 3 phút/1mm chiều dày. Sau đó chi tiết được để nguội tự do trong lò.
- Ram cục bộ tới 600°C vùng quanh mối hàn bằng phương pháp nung cao
tần hoặc mỏ nung khí cháy. Phương pháp này không loại bỏ hoàn toàn nhưng
làm giảm ứng suất dư.
- Khử ứng suất dư bằng phương pháp cơ học như kéo kết cấu tới giới hạn
chảy, hoặc dùng rung động để phân bố lại ứng suất dư.
2. Các biện pháp giảm biến dạng khi hàn.
* Sự hình thành ứng suất và biến dạng dư khi hàn là do sự tác động của
nội lực khi kim loại được nung cục bộ.
- Trong các kết cấu không có hiện tượng vênh rõ rệt, ứng suất dư kéo
thường đạt tới các giá trị cao.

- Ngược lại, trong các kết cấu bị biến dạng mạnh sau khi hàn, ứng suất dư
kéo có thể không lớn lắm.
- Vì vậy, một số biện pháp giảm biến dạng dư sẽ đối nghịch lại các biện
pháp giảm ứng suất dư.
* Có thể chia các biện pháp giảm biến dạng dư thành ba loại: Biện pháp
kết cấu; Biện pháp công nghệ trong quá trình hàn; Biện pháp công nghệ sau khi
hàn
2.1. Các biện pháp kết cấu giảm biến dạng hàn:
- Không thiết kế tiết diện mối hàn lớn hơn mức cần thiết (xuất phát từ
khía cạnh độ bền) vì sẽ làm tăng vùng ứng suất tác động và nội lực tác động.

3


- Phân bố các mối hàn càng gần các trục đi qua trọng tâm kết cấu càng tốt,
hoặc ngay tại các trục đó để giảm mô men uốn do nội lực tác động gây ra.
- Mỗi cặp mối hàn song song cần được bố trí trên cùng một mặt phẳng đi
qua trục trọng tâm của vật, sao cho mô men của các nội lực tác động của các
mối hàn đó cân bằng nhau và không gây vênh kết cấu so với trục đó.
- Số lượng mối hàn trong kết cấu càng ít càng tốt để giảm các lực co tác
động lên kết cấu.
- Lượng dư cho co mối hàn phải bảo đảm sau khi hàn, các kích thước của
kết cấu được như thiết kế.
- Để hạn chế biến dạng góc, cần giảm góc vát mép các mối hàn vát mép
chữ V, hoặc dùng các mối hàn vát mép chữ X khi chiều dày chi tiết lớn.
2.2. Các biện pháp công nghệ giảm biến dạng trong khi hàn:
- Chọn chế độ hàn sao cho chiều rộng vùng ứng suất tác động là nhỏ nhất.
Để nung đều kim loại theo chiều dày, cần tăng mật độ dòng điện hàn để hàn
ngấu sâu.
+ Việc hàn ngấu sâu các mối hàn giáp biên và các liên kết hàn giáp mối sẽ

cân bằng co ngang theo chiều dày mối hàn và giảm biến dạng góc.
+ Trong một số trường hợp, khi thực hiện mối hàn thứ hai trong cặp mối
hàn đối xứng qua trục của vật hàn, nên tăng chế độ hàn để tăng vùng ứng suất
tác động để cho lực co của mối hàn này khử hoàn toàn độ võng dư do mối hàn
thứ nhất gây ra.
- Trình tự thực hiện các mối hàn nên bảo đảm cho biến dạng của mối hàn
trước đó khử hết được biến dạng của mối hàn sau (có hướng ngược lại).
Các mối hàn đối xứng hoặc song song nên được hàn đồng thời hoặc hàn
theo thứ tự từng đoạn xen kẽ.
- Phương pháp hàn phân đoạn nghịch tạo biến dạng nhỏ hơn.
- Việc rèn các mối hàn trong quá trình hàn làm giảm đáng kể biến dạng.
Sau khi hàn lớp trên cùng thì không cần rèn vì có thể gây nứt bề mặt.
- Nung nóng sơ bộ toàn bộ vật hàn sẽ giảm ứng suất và biến dạng dư.
- Có thể uốn ngược cục bộ để giảm độ võng dư.
- Các mối hàn giáp mối của liên kết hàn tấm mỏng cho các bể chứa nên
hàn trên các bàn gá từ tính (chúng không cản trở co ngang nhưng ngăn được
biến dạng góc).
- Khi hàn các tấm mỏng theo biên dạng kín, để tránh mất ổn định tấm do
nén, có thể nung cục bộ phần giữa tấm trước khi hàn…
4


2.3. Các biện pháp công nghệ giảm biến dạng sau khi hàn:
a) Nắn nguội: Dựa trên cơ sở kéo các đoạn kết cấu đã bị co, tới kích
thước và hình dạng thiết kế.
- Các đoạn và các chỗ bị co
trong kết cấu hàn: vùng ứng suất tác
động của các mối hàn mà tại đó sau
khi hàn suất hiện ứng suất kéo có giá
trị σch (giới hạn chảy).

- Khi nắn nguội kết cấu hàn:
Hình 1xảy ra giãn dẻo các vùng ứng suất tác
động mối hàn.
- Có thể xẩy ra nứt khi nắn nguội, làm ảnh hưởng tới khả năng làm việc
của kết cấu.
- Chỉ có thể giảm ứng suất dư khi nắn nguội nếu kết cấu hàn được kéo tới
ứng suất bằng giới hạn chảy σch. Tuy nhiên khi đó làm tăng biến cứng kim loại
vùng ứng suất tác động của các mối hàn (có thể gây nứt).
Đây là quá trình công nghệ khó thực hiện (cần có các máy ép thuỷ lực
công suất lớn và đồ gá lớn). Do đó khả năng ứng dụng hạn chế.
b) Nắn nóng: Là nung bằng điện hoặc bằng ngọn lửa (của mỏ nung) và
được sử dụng rộng rãi trong thực tế.

Hình 1- Bản chất phương pháp: dùng biện pháp nung cục bộ để làm co các đoạn,
các vùng của kết cấu mà tại đó chiều dài của chúng lớn hơn chiều dài vùng ứng
suất tác động của các mối hàn tương ứng trong kết cấu.
- Tại các chỗ được nung nóng của kết cấu hàn khi nắn nóng, cũng như khi
hàn, sẽ hình thành biến dạng dẻo nén. Khi nguội sau đó, các chỗ này sẽ co lại và
cân bằng chỗ bị biến dạng.
5


- Do đặc điểm đơn giản, rẻ tiền, dễ thao tác, phương pháp này cho phép
nắn mọi loại biến dạng dư. Việc nắn nóng hiện nay chủ yếu dựa vào các nghiên
cứu và số liệu thực nghiệm.
- Có thể sử dụng một cách có hiệu quả để khử ứng suất dư uốn và nắn
thẳng trục trọng tâm kết cấu hàn (hoặc các khối của chúng), để khử các hiện
tượng lõm, lượn sóng tại các vùng chịu nén của các phần tử dạng tấm trong kết
cấu.
- Để khử độ võng dư trong kết cấu hàn, cần tạo ra mô men uốn

ngượcchiều bằng cách nung một dải kim loại dọc đường mm (Hình 1- .a) hoặc
nung tấm theo hình nêm (Hình 1- .b). Trường hợp đầu sử dụng co dọc, trường
hợp thứ hai sử dụng co ngang chỗ nung cục bộ.

Hình 1- Trọng tâm tiết diện ngang vùng ứng suất tác động của nung dọc phải
nằm trong mặt phẳng uốn (Hình 1- .a).
- Trong các kết cấu có tiết diện ngang không đối xứng, mặt phẳng uốn đi
qua trọng tâm vùng ứng suất tác động của các mối hàn O a và trọng tâm tiết diện
ngang kết cấu O (Hình 1- .a và Hình 1- .b ). Nối điểm O với điểm Oa ta có
đường OOa trên mặt phẳng uốn.
- Trên ta thấy khi nắn nóng nên nung dải nằm gần rìa kết cấu.
- Các tính toán cho trường hợp dùng phương pháp trên:
1) Tiết diện cần thiết của vùng ứng suất tác động do nung cục bộ khi nắn
nóng được xác định xuất phát từ mô men uốn M gây võng dư sau khi hàn
(M = Po*yo) hoặc từ độ võng dư (f = M*l*l/8*E*J).
2) Nội lực quy ước ban đầu P on bảo đảm vùng ứng suất tác động của nung
cục bộ khi nắn (Hình 6-5a và 6-5b) được xác định từ công thức:
Pon=M/yn
(6.1)

6


Hình 1Trong đó yn là khoảng cách từ tâm tiết diện vùng ứng suất tác động nung
khi nắn Om đến trọng tâm tiết diện ngang O của kết cấu.
3) Tiết diện vùng ứng suất tác động khi nắn nóng Fn :
Fn = Pon/σon

(6.2)

Trong đó σon ứng suất ban đầu của vùng ứng suất tác động nung khi
nắn nóng, được coi như gần bằng giới hạn chảy σch . Khi đó
Fn = Pon/σch = M/yn*σch

(6.3)

4) Chiều rộng vùng ứng suất tác động bon sẽ là:
bon=Fn/S
(6.4)
5) Công suất hữu ích của nguồn nhiệt nung khi nắn nóng (q), được
xác định từ công thức tính chiều rộng vùng ứng suất tác động theo phương
pháp tuần tự xấp xỉ gần đúng đã biết:
q = (bn.v.So.σch.h)/9,86.(h - bn)

(6-5)

Trong đó:
bn: chiều rộng vùng ứng suất tác động về một bên trục nung, và
bằng 0,5bon
v: tốc độ dịch chuyển của nguồn nhiệt nung, cm/s.
So: tổng chiều dày của các tấm nhận nhiệt từ nguồn nhiệt (tổng
chiều dày truyền nhiệt).
h: chiều rộng tính toán của tấm được nung.

7


+ Trong trường hợp mặt phẳng
uốn không cắt thân kết cấu hàn tại
phía nằm ngược với các mối hàn

(Hình 6-6), để tạo nên mô men uốn
ngược trong mặt phẳng uốn, cần phải
nung hai dải nằm cách trọng tâm kết
cấu xa hơn là tại điểm m1 và m2 .
Hình 1Để xác định vùng ứng suất tác động của mỗi dải, ta nối chúng với trọng
tâm tiết diện ngang của kêt cấu (điểm O) và chia mô men uốn M ra thành 2
thành phần M1và M2 theo hai hướng Om1 và Om2. Biết được giá trị của M 1và
M2, ta có thể xác định được vùng ứng suất tác động của mỗi dải được nung theo
các công thức (6.3) và (6.4), cũng như xác định được công suất nguồn nhiệt
nung khi nắn theo công thức đã biết (6.5).
+ Một số nhược điểm của phương pháp nắn theo dải (Hình 6-4a):
1, Trong một số trường hợp làm cho vùng ứng suất tác động của các mối
hàn bị biến dạng dẻo kéo và tăng ứng suất dư.
2, Các vùng bị nén xunh quanh mối hàn gây tác động chống lại co dọc của
các dải được nung khi nắn nóng, làm giảm hiệu quả nắn nóng các dải dọc.
3, Gía trị co dọc mối hàn thường vào khoảng 0,2÷0,5 mm trên một mét
chiều dài mối hàn, do đó tác động gây biến dạng khi nung một dải dọc là tương
đối nhỏ. Nếu tăng số lượng các dải dọc được nung lên (hoặc chiều rộng dải) hiệu
quả nung sẽ giảm đi vì khó thực hiện (hiệu quả chỉ tăng khi tăng khoảng cách
yn).
+ Một số ưu điểm của phương pháp nắn theo hình nêm (Hình 6-4b):
1, Các dải ngang được nung được phân bố trong vùng có ứng suất nén, và
chỉ phần nào trong vùng có ứng suất kéo của liên kết hàn. Do đó sự co ngang
của chúng đồng thời với sự ngắn lại của các vùng được nung sẽ dẫn đến sự giảm
ứng suất dư trong kết cấu hàn.
2, Độ co ngang của một mối hàn thường lớn hơn độ co dọc của nó 3 đến 5
lần, tính theo chiều dài 1 mét mối hàn.
Giá trị tương đối lớn của độ co ngang, chiều dài nhỏ của các mối hàn
ngang và khả năng giảm ứng suất dư khiến cho phương pháp này có ứng dụng
rộng rãi trong thực tế.

8


+ Cách tính toán theo trường hợp dùng phương pháp trên hình (6-4b):
(xem hình 6-7a)
1, Để khử độ võng dư sau khi hàn, cần tạo ra biến dạng co là ∆ trong các
dải của tấm rộng hơn (trường hợp liên kết gồm hai tấm có chiều rộng khác
nhau). Sự co đó phải tăng theo khoảng cách tính từ vùng ứng suất tác động của
mối hàn. Giá trị co lớn nhất ∆max của dải bên ngoài của mép lồi trong liên kết:
∆ma x=L1-Lm

(6.6)

Trong đó L1 chiều dài của dải ngoài cùng của mép lồi của liên kết hàn.
Lm: chiều dài của mối hàn.
Để đảm bảo co cho mỗi dải (giá trị ∆), cần nung tạo biến dạng dẻo trong
chúng tại các đoạn có chiều dài tương ứng.
2, Tổng chiều dài trên mép ngoài cùng của các nêm nhiệt nói trên được
xác định từ công thức tính độ co ngang;
ln=∆ma x/α*Ttb=(L1-Lm)/α*Ttb

(6.7)

Trong đó α_hệ số giãn nở nhiệt của kim loại
Ttb: giá trị trung bình của nhiệt độ đoạn được nung ở thời điểm nó chuyển
từ trạng thái dẻo sang đàn hồi.
Việc nung theo hình nêm có đáy là l n bảo đảm cho các dải co tự do theo
chiều dài Lm, cần thiết cho việc khử độ võng dư sau khi hàn. Việc nung theo
hình nêm như vậy, với đỉnh nêm nằm trên đường giới hạn của vùng ứng suất tác
động mối hàn, có ảnh hưởng nhỏ đến sự giảm ứng suất dư trong vùng ứng suất

tác động, do có lực phản kháng của vùng kim loại cơ bản chịu nén lân cận.
3, Vì ứng suất dư kéo trong vùng ứng suất tác động thường bằng σt, để
giảm giá trị của chúng, cần tạo ra sự co do nung tất cả các dải của liên kết hàn
∆2, ngoài các dải của vùng ứng suất tác động:
∆2=ξT.Lm

(6.8)

Trong đó ξT: độ co tương đối ứng với ứng suất tại σch.
1, Chiều dài nung cần thiết l t của tất cả các dải liên kết hàn, ngoài các dải
của vùng ứng suất tác động, được xác định tương tự như với ln:
lt=∆2/α.Ttb=ξT.Lm/α.Ttb

(6.9)

2, Do đó tổng chiều dài nung của các đoạn hình nêm theo mép lối ngoài
cùng của liên kết là: lo = ln + lt

9


Để nắn đều từ giá trị độ võng dư cho trước sau khi hàn, và để giảm ứng
suất dư sau khi nắn, cần chọn kích thước các nêm nhiệt nhỏ và tăng số lượng
của chúng (trên cơ sở thực nghiệm).
1, Số lượng các đoạn được nung, xuất phát từ tổng chiều dài nung l o, xác
định theo công thức:
n =lo/bn=(ln+lt)/bn (6.10)
+ Nắn nóng cần được thực hiện trong thời gian ngắn. Nhiệt độ nung vào
khoảng 800 ÷ 850°C. Có thể nung cục bộ bằng hồ quang của điện cực không
nóng chẩy, hoặc bằng ngọn lửa khí cháy. Nên bắt đầu nung từ phía đỉnh nêm

(nơi kim loại ở trạng thái nén).
Chú ý:
Thay vì các giá trị đo được của L 1và L2 kể trên, có thể dùng giá trị độ
võng dư đo được f. Biết độ võng dư, ta xác định mô men uốn:
M =8*E*J*f/l*l
(6.11)
Sau đó xác định góc xoay tiết diện khi uốn:
ϕ =M*l/2*E*J

(6.12)

Giá trị co của dải ngoài của mép lồi của liên kết, cần cho việc khử độ
võng dư:
∆ma x=2*ϕ*h

(6.13)

Trong đó: h_chiều rộng tấm được nung tính từ vùng ứng suất tác động
mối hàn đến mép ngoài cùng .
Theo công thức 6.7 ta xác định ln và tính các thông số còn lại như đề cập ở
trên.
+ Ngoài hai phương pháp nêu trên hình 6-4a và 6-4b, để xử lý hiện tượng
lồi lõm, lượn sóng, …tại các phần tử tấm chịu nén, người ta sử dụng phương
pháp nắn nóng theo điểm.
Bản chất của phương pháp này là việc nung các điểm nhất định tới trạng
thái dẻo làm nó nở ra và gặp phải sự phản kháng từ phía xung quanh có nhiệt độ
thấp hơn. Trong kim loại của các điẻm đó xảy ra biến dạng dẻo nén. Khi nguội,
vùng kim loại được nung sẽ co lại và gặp phải sự phản kháng từ xung quanh. Do
đó tại các điểm đó hình thành ứng suất kéo, đạt tới giá trị σch. Vùng kim loại
được nung sẽ co hướng tâm, làm giảm kích thước ngang của nó và tác động đến

vùng bị nén lân cận, làm cho các chỗ bị lồi được dẹt bớt đi. Lượng kim loại cần
được nung có thể được xác định như sau:
10


Nếu bề mặt phần lồi là F1,diện tích đáy (hình chiếu nằm) của nó là F 2, thì
diện tính ∆F mà khi nung phải chịu biến dạng dẻo nén là;
∆F = F1- F2

(6.14)

Khi vết lồi có dạng mặt cầu, các điểm nung được bố trí theo các đường
tròn đồng tâm (Hình 6-7b).
Các giá trị t và a được xác định bằng thực nghiệm.
∆
/n
max

n

L

t

/n

L

/2n

T

b
L

n

1

h

a

0



L
/nL

T
m

)

11

a
H×nh 6 7



b
)