Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện
đang sử dụng và các công trình đã đƣợc công bố (ngoại trừ các bảng biểu số liệu
tham khảo và những kiến thức cơ bản trong các tài liệu học tập và nghiên cứu đƣợc
phép sử dụng).
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.
Hà Nội, tháng 09 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Văn Diện

1


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành của mình tới PGS.TS Nguyễn
Tiến Dƣơng, ngƣời đã hƣớng dẫn trực tiếp và giúp đỡ tận tình trong việc định
hƣớng nghiên cứu, tổ chức thực hiện đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Viện Cơ Khí và Viện đào
tạo Sau đại học – Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để
hoàn thành bản Luận văn này.
Tác giả trân trọng cảm ơn lãnh đạo Trƣờng Cao Đẳng Nghề Thƣơng Mại
Và Công Nghiệp đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành phần thực nghiệm của Luận
văn này.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn khó 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 bạn bè đồng nghiệp.

Hà Nội, tháng 09 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Văn Diện

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 2
MỤC LỤC ................................................................................................................... 3
CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN .................................................... 6
HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................... 7
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 9
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................... 12
1.1.Tổng quan về các liên kết hàn góc và ứng dụng của chúng................................12
1.1.1.Tổng quan về các liên kết hàn góc ...................................................................12
1.1.2.Ứng dụng của liên kết hàn góc.........................................................................14
1.2. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất và
biến dạng liên kết hàn góc .........................................................................................14
1.2.1. Tính kinh tế .....................................................................................................14
1.2.2. Tính công nghệ ................................................................................................15
1.3. Kết luận chƣơng I ...............................................................................................15
CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÀN .................................. 16
2.1. Liên kết hàn góc .................................................................................................16
2.2. Các phƣơng pháp hàn .........................................................................................16
2.2.1. Phân loại các phƣơng pháp hàn.......................................................................16
2.2.2. Đặc điểm của một số phƣơng pháp hàn ..........................................................17
2.3. Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ ..............19
2.3.1.Thực chất, đặc điểm và nguyên lý của quá trình hàn hồ quang bằng điện cực
nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ ....................................................................19
2.3.2. Vật liệu hàn .....................................................................................................22

2.3.3. Chế độ và kỹ thuật hàn ....................................................................................27
2.4. Tính toán và xác định chế độ hàn cho liên kết góc ............................................37
2.4.1. Chọn chế độ hàn liên kết hàn góc theo bảng...................................................39
2.4.2. Chọn chế độ hàn hợp lý cho liên kết hàn góc .................................................40

3


2.5. Kết luận chƣơng II .............................................................................................43
CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT
GÓC .......................................................................................................................... 44
3.1. Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất và biến dạng liên kết hàn góc .....................44
3.1.1. Ứng suất và biến dạng do co dọc trong liên kết hàn góc ................................44
3.1.2. ứng suất và biến dạng do co ngang trong liên kết hàn góc .............................48
3.2. Tính toán ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết hàn góc .................................50
3.2.1. Tính toán ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra ..........................................50
3.2.2. Tính toán ứng suất và biến dạng do co ngang gây ra ......................................53
3.3. Kết luận chƣơng III ...........................................................................................55
CHƢƠNG 4. ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN
DẠNG CỦA LIÊN KẾT HÀN GÓC ........................................................................ 56
4.1. Ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện hàn(I) chế độ hàn 1 ..................................56
4.2. Ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện hàn(I) chế độ hàn 2 ..................................56
4.3. Ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện hàn(I) chế độ hàn 3 ..................................58
CHƢƠNG 5. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG KHI
HÀN LIÊN KẾT HÀN GÓC .................................................................................... 63
5.1. Mẫu hàn thử .......................................................................................................63
5.2. Thiết bị và vật liệu hàn .......................................................................................63
5.2.1. Thiết bị hàn .....................................................................................................63
5.2.2. Vật liệu hàn .....................................................................................................64
5.3. Chế độ hàn..........................................................................................................66

5.3.1.Chế độ hàn 1.....................................................................................................66
5.3.2. Chế độ hàn 2....................................................................................................66
5.3.3. Chế độ hàn 3....................................................................................................66
5.4. Sơ đồ nguyên lý và trình tự tiến hành thực nghiệm đo biến dạng .....................67
5.4.1. Các thiết bị sử dụng để đo biến dạng ..............................................................67
5.4.2. Sơ đồ đo biến dạng ..........................................................................................67
5.4.3. Tiến hành thực nghiệm....................................................................................67

4


5.5.2. Kết quả đo biến dạng góc ................................................................................73
5.6. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán. ..........................................74
CHƢƠNG VI. CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG
HÀN LIÊN KẾT HÀN GÓC .................................................................................... 76
6.1. Các biện pháp làm giảm ứng suất và biến dạng hàn ..........................................76
6.1.1. Các biện pháp kết cấu để làm giảm ứng suất và biến dạng hàn ......................76
6.1.2. Các biện pháp công nghệ để làm giảm ứng suất và biến dạng hàn. ...............77
6.2. Các biện pháp xử lý ứng suất và biến dạng sau khi hàn ....................................78
6.2.1. Biện pháp xử lý cơ ..........................................................................................78
6.2.2. Biện pháp xử lý nhiệt ......................................................................................79
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 80
1. Kết luận ................................................................................................................. 80
2. Kiến nghị ............................................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 82

5


CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Ký hiệu

Đơn vị

b

[mm]

Kích thƣớc các vùng tính toán



[mm]

Chiều dày vật liệu

h

[mm]

Kích thƣớc các chi tiết

F

[mm2]

Diện tích tiết diện

P

[kg]

б2

[kg/cm2]

Ứng suất phản kháng

бT

[kg/cm2]

Giới hạn chảy của kim loại

E

[kg/cm2]

Mô đun đàn hồi

ρ

[g/cm3]

Khối lƣợng riêng

c

[cal/g.0C]

m

[kg]

M

(N.m)

Mômen

Δl

[mm]

Co dọc

Δbo

[mm]

Co ngang

η

Nội dung

Lực tác dụng

Nhiệt dung của kim loại
Khối lƣợng

Hiệu suất hồ quang

β

(rad)

Biến dạng góc



(l/0C)

Hệ số dãn nở nhiệt của kim loại

đ

(g/Ah)

Hệ số kim loại đắp

Ih

(A)

Cƣờng độ dòng điện hàn

Uh

(V)

Điện áp hàn

Vh

(m/h)

Tốc độ/ vận tốc hàn

q

(Cal/s)

Công suất hữu ích của nguồn nhiệt

qđ

(cal/s)

Năng lƣợng đƣờng

6


HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các loại liên kết hàn ................................................................................. 12
Hình 1.2. Các dạng liên kết hàn góc ......................................................................... 12
Hình 1.3. Các thế hàn liên kết hàn góc trong không gian. ....................................... 13
Hình 1.4. Các dạng vát mép mối hàn trong liên kết hàn góc .................................. 13
Hình 1. 5 Các mối hàn trong liên kết hàn góc.......................................................... 14

Hình 2.1. Liên kết hàn góc ........................................................................................ 16
Hình 2.2. Sơ đồ hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ
................................................................................................................................... 20
Hình 2.3. Hình dạng mối hàn và ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện hàn ............... 28
Hình 2.4. Hình dạng mối hàn và ảnh hƣởng của mật độ dòng điện hàn. .................. 30
Hình 2.5. Hình dạng mối hàn và ảnh hƣởng của điện áp hàn ................................... 31
Hình 2.6. Ảnh hƣởng của tốc độ hàn lên hình dạng mối hàn. .................................. 33
Hình 2.7. Chiều dài điện cực phía ngoài mỏ hàn (a) và ............................................ 34
Hình 2.8. Chiều chuyển động của súng hàn .............................................................. 36
Hình 2.9. Ký hiệu liên kết hàn góc ........................................................................... 37
Hình 2.9. Ký hiệu của liên kết hàn góc ..................................................................... 40
Hình 3.1. Biểu thị vùng ứng suất biến dạng.............................................................. 44
Hình 3.2. Đồ thị tra hệ số k2 ...................................................................................... 45
Hình 3.3. Sơ đồ xác định nội lực và ứng suất ........................................................... 46
Hình 3.4. Biểu đồ ứng suất bao gồm biểu đồ ứng suất do nội lực dọc trục gây ra và
biểu đồ ứng suất uốn do nội lực dọc trục gây ra. ...................................................... 47
Hình 3.5. Biểu diễn thành phần mô men.................................................................. 47
Hình 3.6. Biến dạng góc........................................................................................... 49
Hình 3.7. Tiết diện mối hàn ..................................................................................... 50
Hình 3.3. Sơ đồ xác định nội lực và ứng suất ........................................................... 52
Hình 3.5. Biểu diễn thành phần mô men................................................................... 52
Hình 3.6: Biến dạng góc............................................................................................ 54
Hình 3.7: Tiết diện mối hàn ...................................................................................... 55

7


Hình 4.1. Ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện hàn đến ứng suất. ............................ 61
Hình 4.2. Ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện hàn đến độ co dọc ........................... 61
Hình 4.3 Ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện hàn đến độ co ngang. ....................... 62

Hình 5.1. Liên kết hàn góc ........................................................................................ 63
Hình 5.2. Thiết bị hàn ............................................................................................... 63
Hình 5.3. Sơ đồ đo độ co dọc, độ co ngang, đo biến dạng góc ................................. 67
Hình 5.4. Chế độ hàn chƣa hợp lý............................................................................. 68
Hình 5.5. Chế độ hàn hợp lý. .................................................................................... 68
Hình 5.6. Chuẩn bị phôi ............................................................................................ 69
Hình 5.7. Gá đính chi tiết. ......................................................................................... 69
Hình 5.8. Đo độ co dọc và co ngang trƣớc khi hàn .................................................. 70
Hình 5.9. Đo biến dạng góc trƣớc khi hàn. ............................................................... 70
Hình 5.10. Chỉnh máy trƣớc khi hàn ......................................................................... 71
Hình 5.11. Tiến hành hàn hết đƣờng hàn .................................................................. 71
Hình 5.12. Chi tiết sau khi hàn xong......................................................................... 72
Hình 5.13. Đo độ co dọc và co ngang sau khi hàn .................................................... 72
Hình 5.14. Đo biến dạng góc sau khi hàn. ................................................................ 73
Hình 3.6. Biến dạng góc ............................................................................................ 74
Hình 5.15. Cách tính biến dạng góc .......................................................................... 74

8


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiên nay, trên thế giới khoa học kỹ thuật và công nghệ đang phát triển rất
mạnh mẽ. Trong số đó phải kể đến nghành công nghiệp nặng cũng đang có những
bƣớc tiến vƣợt bâc. Nhắc đến ngành công nghiệp nặng không thể không nhắc đến
ngành công nghiệp hàn. Ngành công nghiệp hàn đóng một vai trò đặc biệt quan
trọng trong đời sống. Các ứng dụng của ngành hàn xuất hiện ở khắp mọi nơi. Chúng
ta có thể thấy nó ở cơ quan, nhà xƣởng, công trƣờng hay gần gũi hơn là ngay trong
gia đình…. Đặc biệt, các sản phẩm của ngành Hàn chiếm một tỷ trọng rất lớn trong
các lĩnh vực nhƣ: đóng tàu, giao thông, xây dựng, y tế, …..Vì vậy, mà nó góp phần

quan trọng vào thúc đẩy kinh tế và giải phóng sức lao động của con ngƣời. Chính vì
thế mà sản phẩm của ngành hàn không chỉ ngày càng phổ biến mà chất lƣợng cũng
ngày đƣợc nâng cao.
Để có một sản phẩm hàn hoàn thiện đảm bảo chất lƣợng cần phụ thuộc vào
nhiều yếu tố: vật liệu hàn, phƣơng pháp hàn, vị trí hàn…đặc biệt, chúng ta phải
quan tâm đến Ứng suất và biến dạng Hàn. Vì nó là nhân tố quyết định đến chất
lƣợng sản phẩm Hàn. Việc nghiên cứu tính toán trạng thái ứng suất và biến dạng
khi hàn có một ý nghĩa hết sức quan trọng. Biết đƣợc ứng suất và biến dạng
của kết cấu sau khi hàn cho phép đánh giá khả năng làm việc của kết cấu. Khi
chế tạo và lắp ghép do có ứng suất và biến dạng nên có những sai số nhất định,
nhờ việc nghiên cứu về chúng mà ta có thể đảm bảo đƣợc độ chính xác của kết
cấu hàn. Ta cần tính toán ứng suất và biến dạng sẽ xuất hiện do hàn gây ra thì
mới có đƣợc quy trình công nghệ hàn phù hợp để giảm ứng suất và biến dạng.
Trong các loại liên kết hàn nhƣ: liên kết hàn giáp mối, liên kết hàn
góc, liên kết hàn chồng, liên kết hàn chữ T, thì liên kết Hàn góc đƣợc
sử dụng rất nhiều trong việc chế tạo kết cấu đặc biệt là các kết nhà xƣởng,
các công trình giao thông vận tải, đóng tàu…, nơi mà khối lƣợng hàn
chiếm tỷ trọng rất lớn.
Vì vậy, luận văn này tác giả chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu ảnh

9


hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết hàn góc”

2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu
- Xác định chế độ hàn khi hàn liên kết hàn góc.
- Xác định ứng suất và biến dạng liên kết hàn góc.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng của liên kết hàn

góc .
- Đƣa ra đƣợc chế độ hàn hợp lý để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết hàn
góc.
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là:
- Tính toán và xác định chế độ hàn cho liên kết góc.
- Tính toán ứng suất và biến dạng liên kết góc.
- Ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng của liên kết hàn góc .
- Xác định chế độ hàn hợp lý để giảm ứng suất và biến dạng liên kết hàn góc.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là dựa vào quá trình nghiên cứu ứng suất và
biến dạng hàn liên kết hàn góc, thực nghiệm nghiên cứu ứng suất biến dạng khi hàn
liên kết hàn góc, từ đó đƣa ra chế độ hàn hợp lý để làm giảm ứng suất và biến dạng
trong quá trình hàn.

3. Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả
Toàn bộ nội dung nghiên cứu đƣợc thể hiện trong các phần sau đây:
- Nghiên cứu tổng quan về liên kết hàn góc.
- Tính toán và xác định chế độ hàn liên kết hàn góc.
- Tính toán ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết hàn góc.
- Thực nghiệm xác định biến dạng khi hàn liên kết hàn góc.
- Đƣa ra các biện pháp làm giảm ứng suất và biến dạng liên kết hàn góc.
Với ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tế của luận văn sau khi hoàn thành sẽ
có những đóng góp đáng kể cho các doanh nghiệp và nhà sản xuất kết cấu thép.

10


Ý nghĩa khoa học: Bằng cơ sở lý thuyết kết hợp với quá trình thực nghiệm
tại các cơ sở sản xuất, luận văn đƣa ra đƣợc ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết
hàn góc.

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của tác giả sẽ đóng góp thêm vào việc
nâng cao chất lƣợng của sản phẩm khi hàn liên kết hàn góc tại các doanh nghiệp, rút
ngắn đáng kể về thời gian và các công đoạn trong quá trình sản xuất.
Làm cơ sở cho việc nghiên cứu, tính toán ứng suất và biến dạng hàn cho các
sản phẩm cơ khí khác.
Đạt đƣợc năng suất cao nhất khi sản xuất các liên kết hàn góc nhƣng vẫn
đảm bảo chất lƣợng của sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Đề tài đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực
nghiệm.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết
- Tiến hành thực nghiệm tại xƣởng .

11


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.Tổng quan về các liên kết hàn góc và ứng dụng của chúng
1.1.1. Tổng quan về các liên kết hàn góc
Trong các loại liên kết hàn nhƣ: liên kết hàn giáp mối, liên kết hàn góc, liên
kết hàn chồng, liên kết hàn chữ T, thì liên kết Hàn góc đƣợc sử dụng rất nhiều trong
việc chế tạo kết cấu đặc biệt là các kết nhà xƣởng, các công trình giao thông vận tải,
đóng tàu…các sản phẩm hàn rất đa dạng với nhiều kiểu dáng, kích thƣớc và khối
lƣợng khác nhau, đƣợc liên kết với nhau bởi các dạng liên kết cơ bản nhƣ sau:

a)

b)

c)

d)

e)

Hình 1.1. Các loại liên kết hàn
(a- Liên kết giáp mối, b- Liên kết góc, c- Liên kết chữ T, d- Liên kết chữ I, e- Liên
kết chồng)
Trong các dạng liên kết cơ bản trên tác giả nhận thấy liên kết hàn góc là một
trong những dạng liên kết rất quan trọng vì chúng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong
thực tế do đó tác giả chọn liên kết hàn góc để nghiên cứu trong đề tài.
Liên kết hàn góc đƣợc cấu tạo từ hai tấm ghép lại với nhau bởi mối hàn góc
tùy vào vị trí hàn trong không gian ta có các hình dạng nhƣ:

Hình 1.2. Các dạng liên kết hàn góc
Ký hiệu tƣ thế mối hàn góc theo tiêu chuẩn quốc tế.

12


Tiêu chuẩn ISO 6947 cũng nhƣ tiêu chuẩn ASME của Mỹ quy định ký hiệu tƣ thế
hàn.

PA ASME 1F

PB ASME 2F

PG ASME 3Fd

PF ASME 3Fu

PD ASME 4F

Hình 1.3. Các thế hàn liên kết hàn góc trong không gian.
(PA (1F) hàn sấp, PB (2F) hàn ngang, PG (3Fd) hàn từ trên xuống,
PF (3Fu) hàn đứng từ dưới lên, PD (4F) hàn trần)
Theo tiết diện ngang và tính liên tục của mối hàn theo chiều dài, có các loại
mối hàn góc sau:
- Theo tiết diện ngang của mối hàn ta có các dạng mối hàn góc nhƣ sau:

a)

b)

c)

Hình 1.4. Các dạng vát mép mối hàn trong liên kết hàn góc
(a- Mối hàn không vát mép, b- vát mép một phía, c- vát mép hai phía)

13


- Theo chiều dài đƣờng hàn thì ta có các dạng mối hàn góc nhƣ sau:

a)

b)

c)

Hình 1- 5 Các mối hàn trong liên kết hàn góc
(hình 1.5a- mối hàn góc có thể là hàn liên tục, hình 1.5b- hàn gián đoạn,
hình 1.5c- hàn mối hàn ngắn dưới dạng mối hàn điểm)
1.1.2. Ứng dụng của liên kết hàn góc
Liên kết hàn góc là một loại liên kết rất quan trọng đƣợc ứng dụng rộng rãi
trọng các ngành công nghiệp nhƣ: Đóng tàu, xây dựng, giao thông vận tải, hóa chất
vv…Liên kết hàn góc có độ bền cao, đặc biệt đối với các kết cấu chịu tải trọng tĩnh.
1.2. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất
và biến dạng liên kết hàn góc
1.2.1. Tính kinh tế
Trong quá trình chế tạo liên kết hàn góc, ứng suất và biến dạng hàn có vai trò
quyết định khả năng làm việc của kết cấu.
Những nhân tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng của quá trình sản xuất nhƣ thiết bị hàn, đồ
gá hàn,….. chúng ta có thể khắc phục đƣợc một cách triệt để còn riêng ứng suất và
biến dạng trong quá trình hàn rất khó khống chế đƣợc triệt để.
Vì vậy muốn đạt đƣợc năng suất và hiệu quả sản xuất cao ta phải hạn chế
đƣợc ứng suất và biến dạng hàn.
Từ đó ta thấy đƣợc giá trị của việc tính toán ứng suất và biến dạng hàn để
tìm ra biện pháp khắc phục chúng. Điều này không chỉ xảy ra tại Việt Nam mà nó
còn là tình trạng chung của nhiều nƣớc trên thế giới có sử dụng đến công nghệ hàn.

14


1.2.2. Tính công nghệ
Các sản phẩm đƣợc sản xuất bằng công nghệ hàn là một phƣơng pháp gia
công có độ biến dạng rất lớn và ứng suất tồn tại bên trong kết cấu có thể làm phá
hủy chi tiết trong quá trình làm việc. Vì vậy trong và sau khi gia công, các sản phẩm
hoặc kết cấu thƣờng bị thay đổi về cả hình dáng cũng nhƣ kích thƣớc. Vấn đề này

sẽ đƣợc giải quyết khi ta tính toán ứng suất và biến dạng hàn để từ đó đƣa ra biện
pháp khắc phục.
Bên cạnh đó, trong thực tế sản xuất, có nhiều dạng sản phẩm hay kết cấu có
những đƣờng hàn phức tạp, có biên dạng đặc biệt mà nếu đơn thuần ngƣời công
nhân dù tay nghề rất cao cũng rất khó hoặc không thực hiện đƣợc một cách tốt nhất.
Vấn đề này sẽ đƣợc giải quyết thông qua quá trình tính toán ứng suất và biến dạng
hàn để từ đó đƣa ra các biện pháp khắc phục nhƣ: thiết kế đồ gá hàn giải quyết
nhiệm vụ: “Luôn đưa chi tiết hàn về vị trí thuận lợi nhất” để thực hiện công việc
hàn, một số biện pháp công nghệ và kết cấu khi hàn…….
Ở Việt Nam hiện nay, hầu hết tại các Công ty, các doanh nghiệp sản xuất kết
cấu thép vẫn chƣa chú trọng nhiều đến việc tính toán ứng suất và biến dạng hàn, hầu
nhƣ vẫn sử dụng mang tính thừa kế, và dập khuôn, vì vậy giá trị của việc tính toán
ứng suất và biến dạng khi hàn là rất cần thiết. Để giải quyết vấn đề này chúng ta rất
cần có sự đầu tƣ nhiều hơn nữa cho việc nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến
ứng suất và biến dạng khi hàn nói chung và nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn
đến ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết hàn góc nói riêng.
1.3. Kết luận chƣơng I
Trong chƣơng 1, tác giả đã hoàn thành đƣợc các nội dung sau:
- Tổng quan về các liên kết hàn góc và ứng dụng của chúng.
- Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến
dạng liên kết hàn góc.
- Từ những phân tích đó tác giả đi đến kết luận về tính cấp thiết của công việc
nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết
hàn góc là phù hợp với khuôn khổ luận văn của mình.

15


CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÀN
2.1. Liên kết hàn góc

s

s

K

K

Hình 2.1. Liên kết hàn góc
Liên kết hàn góc đƣợc ghép với nhau bởi hai tấm kim loại có chiều dày là s.
Chúng đƣợc liên kết với nhau bởi đƣờng hàn góc có cạnh là k, liên kết hàn góc
ngoài đƣợc ứng dụng rất nhiều trong việc chế tạo hộp vì không thể hàn đƣợc ở phía
trong.
2.2. Các phƣơng pháp hàn
2.2.1. Phân loại các phương pháp hàn
Có rất nhiều cách phân loại phƣơng pháp hàn ngƣời ta căn cứ vào dạng năng
lƣợng sử dụng, có các nhóm phƣơng pháp hàn nhƣ sau:
- Các phƣơng pháp hàn điện: Bao gồm các phƣơng pháp dùng điện năng biến thành
nhiệt năng để cung cấp cho quá trình hàn. Ví dụ nhƣ : Hàn điện hồ quang, hàn điện
tiếp xúc…
- Các phƣơng pháp hàn cơ học: Bao gồm các phƣơng pháp sử dụng cơ năng để làm
biến dạng kim loại tại khu vực cần hàn và tạo ra liên kết hàn. Ví dụ: Hàn nguội, hàn
ma sát, hàn siêu âm,…
- Các phƣơng pháp hàn hóa học: Bao gồm các phƣơng pháp sử dụng năng lƣợng do
các phản ứng hóa học tạo ra để cung cấp cho quá trình hàn. Ví dụ: Hàn khí, hàn hóa
nhiệt…
Thứ hai ngƣời ta căn cứ vào trạng thái kim loại mối hàn tại thời điểm hàn
ngƣời ta chia ra các phƣơng pháp hàn thành hai nhóm sau:

16

- Hàn nóng chảy: hàn khí, hàn điện xỉ, hàn hồ quang, hàn laze, hàn plasma, hàn
chùm tia điện tử, hàn hóa nhiệt .
- Hàn áp lực: hàn siêu âm, hàn nổ, hàn nguội, hàn điện tiếp xúc, hàn ma sát, hàn
khuếch tán, hàn cao tần, hàn rèn, hàn khí ép.
Trong các phƣơng pháp hàn trên thì phƣơng pháp hàn hồ quang tay, hàn khí,
hàn hồ quang dƣới lớp thuốc và hàn trong môi trƣờng khí bảo vệ đƣợc sử dụng rộng
rãi ở nƣớc ta hiện nay vì vật liệu hàn của chúng ta rất phổ biến và dễ hàn.
2.2.2. Đặc điểm của một số phương pháp hàn
Đối với liên kết hàn góc ngoài và vật liệu hàn là thép các bon thấp thì ta có
thể chọn nhiều phƣơng pháp hàn khác nhau vì mối hàn không yêu cầu cao về chất
lƣợng và thuộc nhóm vật liệu dễ hàn do vậy ta có thể chọn các phƣơng pháp hàn
sau:
+ Phƣơng pháp hàn hồ quang tay.
+ Phƣơng pháp hàn hồ quang dƣới lớp thuốc.
+ Phƣơng pháp hàn hồ quang trong môi trƣờng khí bảo vệ.
1) Phƣơng pháp hàn hồ quang tay có những đặc điểm sau
- Hàn đƣợc ở mọi tƣ thế không gian khác nhau.
- Năng suất thấp do cƣờng độ dòng điện hàn bị hạn chế.
- Hình dạng, kích thƣớc và thành phần hóa học của mối hàn không đồng đều do tốc
độ hàn bị dao động, làm cho phần kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn bị thay đổi.
- Chiều rộng vùng ảnh hƣởng nhiệt tƣơng đối lớn do tốc độ hàn nhỏ.
- Điều kiện làm việc của ngƣời thợ hàn độc hại do bức xạ, hơi, khí độc.
Tuy nhiên, với các liên kết có chiều dày nhỏ và trung bình đây vẫn là quá
trình hàn phổ biến nhất. Nó cũng là phƣơng pháp hàn chủ yếu để hàn ở các tƣ thế
không gian khác nhau.
2) Phƣơng pháp hàn hồ quang dƣới lớp thuốc có những đặc điểm sau
a) Ưu điểm:

17


- Không phát sinh khói; hồ quang kín, do đó làm giảm thiểu nhu cầu đối với trang
phục bảo hộ của thợ hàn. Không đòi hỏi kỹ năng cao của thợ hàn; điều kiện lao
động thuận lợi.
- Chất lƣợng kim loại mối hàn cao. Bề mặt mối hàn trơn và đều, không có bắn tóe
kim loại. Chất lƣơng mối hàn cao hơn so với hàn hồ quang tay do hình dạng và bề
mặt mối hàn tốt. tiết kiệm kim loại do sử dụng dây hàn liên tục.
- Tốc độ đắp và tốc độ hàn cao. Có năng suất cao hơn từ 5÷10 lần so với hàn hồ
quang tay (dòng điện hàn và tốc độ hàn cao hơn, hệ số đắp lớn). Vùng ảnh hƣởng
nhiệt nhỏ, ít biến dạng sau khi hàn, dễ tự động hóa.
b) Nhược điểm:
- Đòi hỏi kim loại cơ bản và vật liệu hàn phải sạch hơn so với hàn hồ quang tay.
Chuẩn bị trƣớc khi hàn công phu hơn.
- Không thể quan sát trực tiếp vũng hàn. Chỉ hàn đƣợc ở tƣ thế hàn sấp, với các
đƣờng hàn có hình dạng tƣơng đối đơn giản (thẳng, tròn quay).
- Thiết bị hàn có giá thành cao.
3) Phƣơng pháp hàn hồ quang trong môi trƣờng khí bảo vệ có những đặc điểm
chung sau:
- Các quá trình hàn hồ quang trong môi trƣờng khí bảo vệ rất đa dạng và có thể
phân loại theo: Khí bảo vệ, đặc trƣng bảo vệ của khí loại điện cực, v.v..
- Các đặc điểm của hồ quang trong môi trƣờng khí bảo vệ là: Mức độ tập trung cao
của nguồn nhiệt hàn đảm bảo chiều rộng của vùng ảnh hƣởng nhiệt nhỏ và khả năng
biến dạng thấp, năng suất hàn cao, hiệu quả bảo vệ kim loại nóng chảy cao, đặc biệt
khi sử dụng khí trơ không cần sử dụng thuốc hàn hoặc vỏ bọc nhƣ que hàn, khả
năng cơ giới hóa và tự động hóa cao.
Từ những đặc điểm của các phƣơng pháp hàn trên và ứng dụng là hàn vật
liệu thép các bon thấp CT38 có tính hàn rất tốt tác giả lựa chọn phương pháp hàn
hồ quang trong môi trường khí bảo vệ( hàn MAG) vì hàn MAG cho năng xuất cao

và vật liệu không phải là hợp kim hay hợp kim màu hoặc đòi hỏi yêu cầu chất lượng
như mối hàn ống do vây tác giả không chọn phương pháp hàn MIG.

18


2.3. Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ
2.3.1.Thực chất, đặc điểm và nguyên lý của quá trình hàn hồ quang bằng điện
cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ
1) Thực chất của quá trình hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi
trường khí bảo vệ( khí hoạt tính CO2.
Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ là quá
trình hàn nóng chảy trong đó nguồn nhiệt hàn đƣợc cung cấp bởi hồ quang tạo ra
giữa điện cực nóng chảy (dây hàn) và vật hàn ; Hồ quang và kim loại nóng chảy
đƣợc bảo vệ khỏi tác dụng của oxi và nitơ trong môi trƣờng xung quanh bởi một
loại khí hoặc một hỗn hợp khí. Tiếng Anh phƣơng pháp này gọi là GMAW (Gas
Metal Arc Welding).
2) Đặc điểm của quá trình hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường
khí bảo vệ( khí hoạt tính CO2)
Khí bảo vệ có thể là khí trơ ( Ar, He hoặc hỗn hợp Ar + He) không tác dụng
với kim loại lỏng trong khi hàn hoặc là các loại khí hoạt tính ( CO2 ; CO2 + O2 ;
CO2+ Ar, …) có tác dụng chiếm chỗ và đẩy không khí ra khỏi vũng hàn để hạn chế
tác dụng xấu của nó.
Ƣu điểm của quá trình hàn:
- Mật độ dòng điện hàn cao, bảo đảm vùng ảnh hƣởng nhiệt hẹp.
- Có thể điều chỉnh thành phần hóa học của mối hàn thông qua thay đổi thành phần
hóa học của dây hàn và khí bảo vệ.
- Khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao.
- Năng suất hàn cao.
3) Nguyên lý quá trình hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí

bảo vệ ( khí hoạt tính CO2)
Khi hàn trong môi trƣờng khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy, hồ quang
giữa đầu điện cực (dƣới dạng dây hàn) và vật hàn liên tục nung chảy điện cực và
mép hàn.

19


Dây hàn đƣợc cấp vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây với tốc độ
bằng tốc độ chảy của dây hàn (với điều kiện chiều dài trung bình của hồ quang
không đổi). Phần điện cực đƣợc nung chảy chuyển dịch vào vũng hàn theo một
trong các loại cơ chế dịch chuyển kim loại vào vũng hàn và phụ thuộc vào cƣờng độ
dòng điện hàn, đƣờng kính điện cực, chiều dài hồ quang, nguồn điện hàn, và loại
khí bảo vệ.

b)
Hình2.2. Sơ đồ hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ
(a- Sơ đồ nguyên lý , b- Sơ đồ thiết bị
Dây hàn đƣợc cấp tự động vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây, còn
sự dịch chuyển hồ quang dọc theo mối hàn đƣợc thao tác bằng tay thì gọi là hàn hồ

20


quang bán tự động trong môi trƣờng khí bảo vệ. Nếu tất cả chuyển động cơ bản
đƣợc cơ khí hoá thí đƣợc gọi là hàn hồ quang tự động trong môi trƣờng khí bảo vệ.
Hàn hồ quang bằng khí bảo vệ trong môi trƣờng khí trơ (Ar, He) tiếng Anh
gọi là phƣơng pháp hàn MIG (Metal Inert Gas). Vì các loại khí trơ có giá thành cao
nên không đƣợc ứng dụng rộng rãi, chỉ dùng để hàn kim loại mầu và thép hợp kim.
Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí hoạt tính

(thƣờng dùng là khí CO2 hoặc hỗn hợp khí CO2 với một số loại khí khác nhƣ O2, Ar
. . .) tiếng Anh gọi là phƣơng pháp hàn MAG ( Metal Active Gas). Phƣơng pháp
hàn MAG sử dụng khí bảo vệ CO2 đƣợc ứng dụng rộng rãi do có rất nhiều ƣu điểm
sau :
+ CO2 là loại khí dễ kiếm, dễ sản xuất và giá thành thấp ;
+ Năng suất hàn trong CO2 cao, gấp 2,5 lần so với hàn hồ quang tay ;
+ Tính công nghệ của hàn trong CO2 cao hơn so với hàn hồ quang dƣới lớp thuốc vì
có thể tiến hành ở mọi vị trí trong không gian khác nhau.
+ Chất lƣợng mối hàn cao. Sản phẩm hàn ít bị cong vênh do tốc độ hàn cao, nguồn
nhiệt tập trung, hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, vùng ảnh hƣởng nhiệt hẹp.
+ Điều kiện lao động tốt hơn so với hàn hồ quang tay và trong quá trình hàn không
phát sinh khí độc.
4) Phạm vi ứng dụng
Trong nền công nghiệp hiện đại, hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng
khí bảo vệ chiếm một vị trí rất quan trọng. Nó không chỉ hàn những loại thép kết
cấu thông thƣờng, mà còn có thể hàn các loại thép không gỉ, thép chịu nhiệt, thép
bền nóng, các loại thép hợp kim đặc biệt, các hợp kim nhôm, magiê, niken, đồng,
các hợp kim có ái lực hoá học mạnh với oxi.
Phƣơng pháp hàn này có thể sử dụng đƣợc ở mọi vị trí trong không gian.
Chiều dày vật liệu từ 0,4 ÷ 4,8 mm thì chỉ cần hàn một lớp mà không phải vát mép,
từ 1,6 ÷ 10 mm hàn một lớp có vát mép, còn từ 3,2 ÷ 25 mm thì hàn nhiều lớp.

21


2.3.2. Vật liệu hàn
a) Dây hàn (điện cực nóng chảy)
Khi hàn trong môi trƣờng khí bảo vệ, sự hợp kim hoá kim loại mối hàn cũng
nhƣ các tính chất yêu cầu của mối hàn đƣợc thực hiện chủ yếu thông qua dây hàn.
Do vậy những đặc tính của quá trình công nghệ hàn phụ thuộc rất nhiều vào tình

trạng và chất lƣợng dây hàn. Khi hàn MAG, đƣờng kính dây hàn từ 0,8 ÷ 2,4 mm.
Sự ổn định của qúa trình hàn cũng nhƣ chất lƣợng của liên kết hàn phụ thuộc
nhiều vào tình trạng bề mặt dây hàn. Cần chú ý đến phƣơng pháp bảo quản, cất giữ
và biện pháp làm sạch dây hàn nếu dây bị gỉ hoặc bẩn. Một trong những cách để
giải quyết là sử dụng dây có bọc lớp mạ đồng. Dây mạ đồng sẽ nâng cao chất lƣợng
bề mặt và khả năng chống gỉ, đồng thời nâng cao tính ổn định của qúa trình hàn.
Theo hệ thống tiêu chuẩn AWS, ký hiệu dùng cho dây hàn thép C nhƣ sau:
ER 70 S- X
trong đó, ER: ký hiệu điện cực hàn hoặc que hàn phụ.
70: độ bền kéo nhỏ nhất (ksi).
S: dây hàn đặc.
X: thành phần hoá học và khí bảo vệ.
Bảng 2.1. Cơ tính của một số loại dây hàn thép cácbon thông dụng
Ký hiệu

Điều kiện hàn

Cơ tính

theo

Cực

Khí

Độ bền kéo

Giới hạn chảy

Độ dãn dài

AWS

tính

bảo vệ

của liên kết

của mối hàn

% (min)

(min-psi)

(min-psi)

E70S-2

DCEP

CO2

72000

60000

22

E70S-3

DCEP

CO2

72000

60000

22

E70S-4

DCEP

CO2

72000

60000

22

E70S-5

DCEP

CO2

72000

60000

22

E70S-6

DCEP

CO2

72000

60000

22

E70S-7

DCEP

CO2

72000

60000

22

DCEP là dây hàn nối với cực dƣơng của nguồn điện (đấu nghịch)

22


Bảng 2.2. Thành phần hóa học của một số loại dây hàn thép cácbon thông dụng
Thành phần hóa học (%)

Ký hiệu theo
AWS

C

E70S-2

0,6

Mn

Si
0,40÷0,70

Các nguyên tố
khác
Ti: 0,05÷0,15
Zi: 0,02 ÷0,12
Al: 0,05÷ 0,15

E70S-3

0,06÷0,15

0,90÷1,40

0,45÷0,70

E70S-4

0,07÷0,15

0,65÷0,85

E70S-5

0,07÷0,19

0,30÷0,60

E70S-6

0,07÷0,15

1,40÷1,85

0,80÷1,15

E70S-7

0,07÷0,15

1,50÷2,00

0,50÷80

Al: 0,50÷0,90

b) Khí bảo vệ
Khí bảo vệ có chức năng ngăn không cho không khí xung quanh tiếp xúc với
vùng hàn và tác động đến: Các đặc trƣng của hồ quang, dạng dịch chuyển kim loại
điện cực vào vũng hàn, các thông số hình học của mối hàn, tốc độ hàn, xu hƣớng
chảy lõm mép hàn và hiệu ứng bắn phá lớp oxit bề mặt.
Khí Ar tinh khiết (~ 100%) thƣờng dùng để hàn các vật liệu kim loại màu.
Khí He tinh khiết (~ 100%) thƣờng đƣợc dùng để hàn các liên kết có kích thƣớc
lớn, các vật liệu có tính giãn nở nhiệt cao nhƣ Al, Mg. Cu... Argon là khí trơ thƣờng
chứa trong bình thép với áp suất 150 at, dung tích 40 lít. Argon không cháy, không
nổ và khi làm việc phải đƣợc giảm áp suất từ 150 đến 0,5at và duy trì không đổi
nhờ van giảm áp tự điều chỉnh.
Khí CO2 dùng để hàn phải có độ sạch đến trên 99,5%, áp suất trong bình
khoảng (50 - 60) at. Đây là khí hoạt tính khi ở nhiệt độ cao nó phân ly ra CO và ôxy
nguyên tử, cho nên CO2 có tác dụng bảo vệ tốt vì CO ít hoà tan trong kim loại lỏng
và có tác dụng khử ôxy. CO2 đƣợc dùng rộng rãi để hàn thép C trung bình do giá

23


thành thấp, mối hàn ổn định, cơ tính của liên kết hàn đạt yêu cầu, tốc độ hàn cao và
độ ngấu sâu.
Nhƣợc điểm của hàn trong khí bào vệ CO2 là gây bắn toé kim loại lỏng.
Bảng 2.3. Một số loại khí bảo vệ tương ứng với kim loại cơ bản
Khí bảo vệ

Đặc tính

Ar

Khí trơ

He

Khí trơ

Ar + 20  80% He

Khí trơ

Các ứng dụng tiêu biểu
Mọi kim loại, trừ thép
Hợp kim Al, Cu, Mg do công suất nhiệt lớn
và ít rỗ khí
Hợp kim Al, Cu, Mg do công suất nhiệt lớn
và ít rỗ khí(tốt hơn 100% He)
Công suất nhiệt lớn, cho Cu

N2

Công suất nhiệt lớn, cho Cu(tốt hơn 100%

Ar + 25  30% N2

N2)
Thép hợp kim, một số hợp kim Cu đã khử

Ar + 1  2% O2

Oxi hóa nhẹ

Ar + 3  5% O2

Oxi hóa

Thép cacbon và một số thép hợp kim thấp

CO2

Oxi hóa

Thép cacbon và một số thép hợp kim thấp

Ar + 20  50% CO2

Oxi hóa

Ar + 10% CO2
+5%O2
CO2 +20%O2
90%He + 7,5%Ar +
2,5% CO2
60  70%He +25 
30%Ar + 4  5%CO2

Oxi

Các loại thép khác nhau, chủ yếu cho dạng
dịch chuyển ngắn mạch

Oxi hóa

Các loại thép

Oxi hóa

Các loại thép

Oxi hóa nhẹ

Oxi hóa

Thép hợp kim cao, dạng dịch chuyển ngắn
mạch
Thép hợp kim thấp, dạng dịch chuyển ngắn
mạch.

24


Bảng 2.4. Lựa chọn loại khí bảo vệ cho dạng dịch chuyển ngắn mạch
Kim loại cơ bản

Khí bảo vệ

Các ƣu điểm

Tấm mỏng hơn 3mm; tốc độ hàn cao,

75%Ar + 25% CO2

không bị cháy thủng, biến dạng và bắn
tóe tối thiểu
Tấm dày 3mm trở lên: bắn tóe tối thiểu,

Thép cacbon
75%Ar + 25% CO2

bề mặt ngoài của mối hàn sạch, dễ
khống chế vũng hàn ở tƣ thế hàn đứng
và hàn trần

CO2
Thép không gỉ

90%He + 7,5%Ar +
2,5% CO2
60  70%He +25 

Thép hợp kim

30%Ar + 4  5%CO2

75%Ar + 25% CO2
Hợp kim và kim
loại màu

Ar và Ar + He

Chiều sâu chảy lớn, tốc độ hàn nhanh.
Không ảnh hƣởng đến khả năng chống
ăn mòn, vùng ảnh hƣởng nhiệt nhỏ, biến
dạng tối thiểu, không bị cháy cạnh
Phản ứng tối thiểu, độ dai tốt, hồ quang
rất ổn định, tính thấm ƣớt và biến dạng
mối hàn tốt, ít bắn tóe
Hồ quang rất ổn định, tính thấm ƣớt và
biến dạng mối hàn ít, ít bắn tóe
Argon thích hợp cho tấm mỏng, helium
cho tấm dày trên 3mm

25