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

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

Vũ Văn Phúc

-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 Dịch Vụ Hàng
Không và Doanh nghiệp tƣ nhân Tuấn Tú 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

Vũ Văn Phúc

-2-


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………………...1
LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………….2
MỤC LỤC……………………………………………….…………………………..3
CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN………………………………...5
HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ………………………………………...6
PHẦN MỞ ĐẦU…………………………………………………………………….8
CHƢƠNG 1………………………………………………………………………..11
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU……………………………………...11
1.1. Tổng quan về các liên kết hàn giáp mối và ứng dụng của chúng ..……………11
1.2. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất và
biến dạng khi hàn giáp mối .......................................................................................16
1.3. Kết luận chƣơng 1 ..............................................................................................16
CHƢƠNG 2………………………………………………………………………..18
XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÀN……………………………………………………….18
2.1. Phân tích lựa chọn phƣơng pháp hàn .................................................................18
2.2. Phƣơng pháp hàn MAG ....................................................................................22
2.3. Tính toán và xác định chế độ hàn liên kết giáp mối ..........................................34
2.4. Kết luận chƣơng 2 ..............................................................................................40
CHƢƠNG 3………………………………………………………………………..41
TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN ..........................................41
LIÊN KẾT GIÁP MỐI……………………………………………………………..41
3.1. Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất và biến dạng ................................................41
3.2. Tính toán ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết giáp mối ...............................55
3.3. Nhận xét .............................................................................................................57

3.4. Kết luận chƣơng 3 ..............................................................................................58
CHƢƠNG 4………………………………………………………………………..59
ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA
LIÊN KẾT HÀN GIÁP MỐI………………………………………………………59

-3-


4.1. Chế độ hàn (1) ....................................................................................................59
4.2. Chế độ hàn (2) ....................................................................................................59
4.3. Chế độ hàn (3) ....................................................................................................61
4.4. Nhận xét: ............................................................................................................64
4.5. Kết luận chƣơng 4 ..............................................................................................65
CHƢƠNG 5………………………………………………………………………..66
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG
LIÊN KẾT HÀN GIÁP MỐI………………………………………………………66
5.1. Mẫu hàn thử .......................................................................................................66
5.2. Thiết bị và vật liệu hàn .......................................................................................67
5.3. Chế độ hàn các mẫu thử .....................................................................................69
5.4. Sơ đồ đo biến dạng .............................................................................................70
5.5. Trình tự tiến hành thực nghiệm đo biến dạng ....................................................74
5.6. Kết quả đo biến dạng..........................................................................................79
5.7. Kết luận chƣơng 5 ..............................................................................................80
CHƢƠNG 6. CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN
LIÊN KẾT HÀN GIÁP MỐI………………………………………………………81
6.1. Các biện pháp làm giảm ứng suất và biến dạng hàn ..........................................81
6.2. Các biện pháp xử lý ứng suất và biến dạng sau khi hàn ....................................84
6.3. Kết luận chƣơng 6………………………………………………………..........84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………..87
1. Kết luận .................................................................................................................87

2. Các kiến nghị.........................................................................................................87
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….88

-4-


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

бk

[kg/cm2]

Ứng suất ngang

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]

Khối lƣợng

M

(Nm)

Mômen

Δl

mm

Co dọc

Δyo

mm

Co ngang

η

Nội dung

Lực tác dụng

Nhiệt dung của kim loại

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

qđ

(cal/s)

Năng lƣợng đƣờng

-5-

HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các loại liên kết hàn giáp mối
Hình 1.2. Các dạng vát mép mối hàn giáp mối
Hình 1.3. Mối hàn giáp mối không vát mép
Hình 1.4. Mối hàn giáp mối vát mép chữ V
Hình 1.5. Mối hàn giáp mối vát mép chữ X
Hình 1.6. Mối hàn giáp mối vát mép chữ U
Hình 1.7. Ký hiệu tư thế hàn tấm phẳng đối với mối hàn giáp mối
Hình 1.8. Mối hàn giáp mối sử dụng trong hàn phân đoạn Boong Tàu
Hình 1.9. Mối hàn giáp mối sử dụng làm dầm cầu trục
Hình 2.1. Máy hàn hồ quang tay
Hình 2.2. Máy hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ
Hình 2.3. Máy hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ( GMAW)
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên l‎ý hàn dây l i thuốc
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn MAG.
Hình 2.6. Dây hàn MAG và tủ đựng dây hàn
Hình 2.7. Ký hiệu dây hàn thép C
Hình 2.8. Máy hàn CO2 MAG
Hình 2.9. Bộ cấp dây hàn MAG
Hình 2.10. Van giảm áp khí CO2 loại d ng đồng hồ đo lưu lư ng khí tiêu hao
Hình 2.11. Súng hàn và phụ kiện
Hình 2.12. Máy hàn MAG tự động kết nối với robốt hàn.
Hình 2.13. Máy hàn MAG tự động kết nối với r a hàn.
Hình 2.14. Phương pháp hàn phải
Hình 2.15. Phương pháp hàn trái
Hình 2.16. Chi tiết hàn
Hình 2.17. Liên kết hàn giáp mối
Hình 3.1. V ng ứng suất tác động

Hình 3.2. Đồ thị xác định hệ số k2
Hình 3.3. Ứng suất dọc do co doc
Hình 3.4. Đường cong mỗi tấm sau khi cắt
Hình 3.5. Biểu đồ ứng suất ngang do co dọc
Hình 3.6. Hàn giáp mối các tấm tự do

-6-

11
12
12
13
13
13
14
15
15
19
19
20
21
22
24
24
27
27
28
28
30
30

31
32
34
37
41
43
44
45
48
49


Hình 3.7. Hàn giáp mối các tấm có kẹp chặt
Hình 3.8. Hàn giáp mối có vát mép
Hình 3.9. Biểu đồ ứng suất dọc do co dọc gây ra
Hình 3.10. Biểu đồ ứng suất ngang do co dọc gây ra
Hình 4.1. Ảnh hưởng của Ih đến ứng suất phản kháng σ2
Hình 4.2. Ảnh hưởng của Ih đến ứng suất ngang σk
Hình 4.3. Ảnh hưởng của Ih đến độ co dọc Δl
Hình 4.4. Ảnh hưởng của Ih đến độ co ngang Δbo
Hình 5.1. Mẫu hàn thử
Hình 5.2. Máy hàn CO2/ MAG
Hình 5.3. Các điểm đo
Hình 5.4. So đồ đo co dọc và co ngang
Hình 5.5. So đồ tính biến dạng góc
Hình 5.6. So đồ đo chuyển vị của các điểm để tính biến dạng góc
Hình 5.7. Sơ đồ xác định biến dạng góc theo sơ đồ thực nghiệm
Hình 5.8. Bố trí các đồng hồ đo chuyển vị
Hình 5.9. Mẫu M1: Ih nh , khe hở bé, góc vát chưa h p lý nên mối hàn không
ngấu phía sau đường hàn

Hình 5.10. Mẫu M2: v n tốc hàn chưa h p lý nên mối hàn ngấu không đều
Hình 5.11. Mẫu M3: Mối hàn đều, cân, ngấu đều mặt sau và đảm bảo kích thước
Hình 5.12. Đo các kích thước ban đầu của mỗi tấm mẫu
Hình 5.13. Làm sạch mỗi bên mép hàn từ 15 – 30 (mm)
Hình 5.14. Phôi sau khi vát mép
Hình 5.15. Hàn đính mặt sau đường hàn
Hình 5.16. Đo độ co dọc, co ngang, và biến dạng góc trước khi hàn
Hình 5.17. Hàn hoàn thiện mối hàn
Hình 5.18. Mối hàn sau khi hàn xong
Hình 6.1. Giảm biến dạng góc bằng biến dạng ngư c
Hính 6.2. Vát mép chi tiết dạng chữ X
Hình 6.3. Cán nguội để khử cong vênh
Hình 6.4. Nung nóng chỗ bị cong vênh
Hình 6.5. Loại b biến dạng khi hàn giáp mối
Hình 6.6. Nung nóng dải theo trục mối hàn để giảm biến dạng cong vênh

-7-

50
51
56
56
64
64
64
64
66
67
70
71

72
72
73
73
74
75
75
75
76
76
77
77
78
78
83
83
84
85
85
86


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong nền công nghiệp phát triền nóng nhƣ hiện nay, ngành Hàn đã và đang
đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Tại một số lĩnh vực nhƣ: Đóng tàu, xây dựng,
sản xuất kết cấu thép, luyện kim, thủy điện, sản xuất Ô tô, …. không thể thiếu hàn
vì nó chiếm một khối lƣợng rất lớn trong tổng công việc cần hoàn thành. Để thực
hiện hàn đƣợc các kết cấu thì có rất nhiều phƣơng pháp hàn trong đó các mối hàn
giáp mối đƣợc ƣu tiên hơn trong quá trình thực hiện các công việc hàn.

Liên kết hàn giáp mối: Đƣợc sử dụng rất nhiều trong việc chế tạo kết cấu đặc
biệt là các kết cấu tàu thủy, nơi mà khối lƣợng hàn chiếm tỷ trọng rất lớn.. Liên kết
hàn giáp mối có các loại nhƣ sau: Có gấp mép, không vát mép, vát mép một cạnh,
vát mép theo đƣờng thẳng, vát mép theo đƣờng cong, vát mép một phía cả hai
cạnh, vát mép hình chữ V, chữ X, chữ U hoặc U kép.
Chất lƣợng của các mối hàn giáp mối thƣờng phụ thuộc rất lớn vào các thông
số cơ bản của quá trình hàn. Hiện nay, trong sản xuất tại các doanh nghiệp đã xuất
hiện rất nhiều máy hàn hiện đại, nguồn, đồ gá hàn ...tuy nhiên khi hàn giáp mối vẫn
xảy ra hiện tƣợng tồn tại ứng suất dƣ và khả năng biến dạng, làm khó khăn cho quá
trình chế tạo, lắp giáp đặc biệt là nó làm giảm khả năng làm việc trong quá trình sử
dụng các kết cấu đi khá nhiều.
Để có đƣợc những kết cấu hàn đảm bảo làm việc an toàn trong sản xuất thì
nó phải đƣợc chế tạo có hình dạng kết cấu, vật liệu phù hợp. Đặc biệt phải có chế độ
hàn hợp lý nhằm giảm ứng suất dƣ và biến dạng của các kết cấu hàn xuống mức thấp nhất
có thể.
Xuất phát từ tính cấp thiết và yêu cầu nêu trên, tác giả tiến hành chọn đề tài:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết hàn
giáp mối”

-8-


2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết
hàn giáp mối, từ đó đƣa ra các thông số của chế độ hàn hợp lý làm giảm ứng suất và
biến dạng trƣớc, trong và sau khi hàn liên kết hàn giáp mối nhỏ nhất có thể.
Khảo sát các thông số của chế độ hàn làm giảm ứng suất và biến dạng của
liên kết hàn giáp mối trên các tài liệu đã đề cập cũng nhƣ các kinh nghiệm mà các
doanh nghiệp đã và đang làm trong thực tế sản xuất của họ.

Thực nghiệm, sau đó kết hợp với thực tế để đƣa ra các thông số của chế độ
hàn hợp lý làm giảm ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết hàn giáp mối thấp nhất
có thể.

2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là:
- Xác định chế độ hàn khi hàn giáp mối;
- Xác định ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối;
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết
hàn giáp mối ;
- Đƣa ra đƣợc chế độ hàn hợp lý để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn liên
kết giáp mối.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là dựa vào các tài liệu đã đề cập, quá trình
khảo sát thực tế tại các doanh nghiệp sản xuất , thực nghiệm để phân tích và đánh
giá từ đó tìm ra đƣợc chế độ hàn hợp lý để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn liên
kết giáp mối.

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:
- Cơ sở tính toán và xác định chế độ hàn khi hàn giáp mối;
- Cơ sở tính toán ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối;
- Tính toán và xác định chế độ hàn cho mối hàn giáp mối;

-9-


- Tính toán ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối;
- Ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối ;
- Xác định chế độ hàn và số lớp hàn hợp lý để giảm ứng suất và biến dạng
liên kết hàn giáp mối.

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.
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 chế độ hàn hợp lý làm giảm ứng xuất và biến
dạng của liên kết hàn giáp mối nhằm mục tiêu tạo ra những kết cấu có khả năng làm
việc tốt hơn .
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của tác giả sẽ đóng góp thêm vào việc
nâng cao chất lƣợng của sản phẩm các kết cấu hàn tại các doanh nghiệp, rút ngắn đáng
kể về thời gian xử lý quá trình biến dạng cũng nhƣ tồn tại ứng xuất dƣ trong liên kết hàn
giáp mối.
Làm cơ sở cho việc nghiên cứu, nhằm đƣa ra các chế độ hàn hợp lý làm
giảm ứng xuất và biến dạng của các kết cấu khác;
Tạo ra những kết cấu hàn có tồn tại ứng suất, biến dạng là nhỏ nhất mà vẫn
đảm bảo tính công nghệ, tính kinh tế trong quá trình sản xuất.

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 các doanh nghiệp và xử lý các số liệu thu thập đƣợc.
- Đƣa ra chế độ hàn hợp lý để hạn chế ứng suất và biến dạng khi hàn liên
kết giáp mối.

- 10 -


Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về các liên kết hàn giáp mối và ứng dụng của chúng
1.1.1. Tổng quan về các liên kết hàn giáp mối

Trong nền công nghiệp phát triền nóng nhƣ hiện nay, ngành Hàn đã và đang
đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Tại một số lĩnh vực nhƣ: Đóng tàu, xây dựng,
sản xuất kết cấu thép, luyện kim, thủy điện, sản xuất Ô tô, …. không thể thiếu hàn
vì nó chiếm một khối lƣợng rất lớn trong tổng công việc cần hoàn thành. Để thực
hiện hàn đƣợc các kết cấu thì có rất nhiều phƣơng pháp hàn trong đó các mối hàn
giáp mối đƣợc ƣu tiên hơn trong quá trình thực hiện các công việc hàn.
Các mối hàn giáp mối chủ yếu dùng để tạo ra liên kết hàn giáp mối.

Hình 1.1. Các loại liên kết hàn giáp mối
Liên kết hàn giáp mối có đặc điểm là đơn giản, mối hàn dễ thực hiện bảo
đảm nhận đƣợc mối hàn có chất lƣợng cao bởi vì điều kiện thoát khí và xỉ nổi là
thuận lợi nhất, đồng thời phân bố đều đƣớng sức (không gây tập trung ứng suất) dẫn
đến sự hình thành mối hàn cũng tốt hơn. Đây là loại liên kết đƣợc ƣu tiên sử dụng.

- 11 -


Dấu hiệu cơ bản của mối hàn giáp mối là dạng vát mép các chi tiết đem hàn.
Có các loại mối hàn giáp mối sau:

Hình 1.2. Các dạng vát mép mối hàn giáp mối
a) Mối hàn giáp mối có gấp mép
b) Mối hàn giáp mối không vát mép (hàn từ một phía và từ hai phía)

Hình 1.3. Mối hàn giáp mối không vát mép
c) Mối hàn giáp mối vát mép một cạnh (hàn từ một phía và từ hai phía), vát mép
theo đƣờng thẳng và vát mép theo đƣờng cong, vát mép theo một phía cả hai
cạnh.
d) Mối hàn giáp mối vát mép hình chữ V

- 12 -


Vát mép chũ V

Hình 1.4. Mối hàn giáp mối vát mép chữ V
e) Mối hàn giáp mối vát mép hình chữ X

Vát mép chũ X

Hình 1.5. Mối hàn giáp mối vát mép chữ X
f) Mối hàn giáp mối vát mép hình chữ U hoặc U kép

Vát mép chũ U

Hình 1.6. Mối hàn giáp mối vát mép chữ U

- 13 -


 Ký hiệu mối hàn giáp mối theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 6947 cũng nhƣ tiêu
chuẩn ASME của Mỹ quy định ký hiệu tƣ thế hàn:

Hình 1.7. Ký hiệu tư thế hàn tấm phẳng đối với mối hàn giáp mối
PA: (1G theo ASME) hàn sấp.
PG: (3Gd) hàn đứng từ trên xuống.
PF: (3Gu) hàn đứng từ dƣới lên.
PC: (2G) hàn ngang.
PE: (4G) hàn trần.

1.1.2. Ứng dụng
Liên kết hàn giáp mối đƣợc ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực nhƣ:
Đóng tàu, xây dựng, sản xuất kết cấu thép, luyện kim, thủy điện, sản xuất Ô tô,...
Đặc biệt ứng dụng trong việc chế tạo kết cấu là các kết cấu tàu thủy, nơi mà khối
lƣợng hàn chiếm tỷ trọng rất lớn.

- 14 -


Mối hàn giáp mối
Hình 1.8. Mối hàn giáp mối sử dụng trong hàn phân đoạn Boong Tàu

Mối hàn giáp mối

Hình 1.9. Mối hàn giáp mối sử dụng làm dầm cầu trục

- 15 -


1.2. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến
ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối
1.2.1. Tính kinh tế
Trong quá trình chế tạo liên kết hàn giáp mối, chế độ hàn sẽ ảnh hƣởng đến
ứng suất và biến dạng hàn và 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 nguồn hàn,
đồ gá hàn, chế độ 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 thì trƣớc khi hàn ta
phải tính đƣợc chế độ hàn thích hợp để hạn chế tốt đƣợc ứng suất và biến dạng hàn.
Từ đó ta thấy đƣợc giá trị của việc tính toán chế độ hàn sẽ ảnh hƣởng trực tiếp

đến ứng suất và biến dạng hàn.

1.2.2. Tính công nghệ
Việc nghiên cứu ứng xuất và biến dạng khi hàn có ý nghĩa hết sức quan
trọng. Biết đƣợc ứng xuất 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 xuất và biến dạng
nên có những sai số nhất định, nhờ việc nghiên cứu mà chúng ta có thể đảm bảo
đƣợc độ chính xác của kết cấu hàn.
Chế độ hàn là một trong những nhân tố ảnh hƣởng trực tiếp đến ứng xuất và
biến dạng sau khi hàn. Do đó việc tính toán đƣa ra chế độ hàn, cùng với một quy
trình hàn phù hợp sẽ giảm đƣợc ứng xuất và biến dạng của liên kết sau khi hàn.
Liên kết hàn giáp mối đƣợc sử dụng rất nhiếu trong việc chế tạo kết cấu đặc
biệt là các kết cấu tàu thủy, nơi mà khối lƣợng hàn chiếm tỷ trọng rất lớn. Vì vậy
Luận văn này đi vào “nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và
biến dạng liên kết hàn giáp mối”.

1.3. Kết luận chƣơng 1
Trong chƣơng 1, tác giả đã hoàn thành đƣợc các nội dung sau:
- Tổng quan về các liên kết hàn giáp mối và ứng dụng của chúng.

- 16 -


- Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất
và biến dạng liên kết hàn giáp mối.
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
giáp mối là phù hợp với khuôn khổ luận văn của mình.

- 17 -

Chƣơng 2
XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÀN
2.1. Phân tích lựa chọn phƣơng pháp hàn
Hiện nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật các phƣơng
pháp hàn ngày càng đƣợc áp dụng rộng rãi, ứng với mỗi loại vật liệu khác nhau, có tính
hàn khác nhau. Tuỳ theo chiều dày của vật liệu và yêu cầu kỹ thuật về hình dạng, chất
lƣợng mối hàn cũng nhƣ yêu cầu của kết cấu mà ngƣời lựa chọn phƣơng pháp hàn cho
phù hợp.
Trong phạm vi nghiên cứu đề tài , tác giả sử dụng vật liệu hàn là thép CT38 đây
là loại thép đƣợc sử dụng rộng rãi và có tính hàn tốt có thể áp dụng đƣợc nhiều phƣơng
pháp hàn khác nhau nhƣ: hàn điện hồ quang tay, hàn khí, hàn tự động dƣới lớp thuốc,
hàn trong môi trƣờng khí bảo vệ v.v..mỗi phƣơng pháp hàn đều có những ƣu nhƣợc
điểm riêng.

2.1.1. Hàn hồ quang tay (SMAW)
Hàn hồ quang tay là phƣơng pháp hàn Hàn hồ quang điện cực nóng chảy kim
loại với que hàn có thuốc bọc bảo vệ - thƣờng đƣợc gọi là hàn hồ quang tay,
phƣơng pháp này ra đời sớm nhất, nó đƣợc phát triển rộng rãi, và đƣợc sử dụng để
hàn cho tất cả các kim loại do đơn giản, với trang thiết bị rẻ tiền, có chi phí thấp
nhƣng có thể hàn đƣợc các mối hàn ở mọi vị trí khác nhau. Tuy nhiên, do quá trình
hàn thủ công nên năng suất lao động còn thấp và chất lƣợng của mối hàn chƣa cao,
phụ thuộc chủ yếu vào kỹ năng tay nghề của ngƣời thợ. Nhƣ trong ngành đóng tàu
thủy, với các yêu cầu ngày càng cao về chất lƣợng, năng suất lao động và điều kiện
lao động của ngƣời thợ cùng với sự phát triển mạnh của công nghệ hàn thì hàn hồ
quang tay đang đƣợc thay thế bằng các phƣơng pháp hàn khác có hiệu quả hơn.
Phƣơng pháp hàn này chủ yếu đƣợc dùng để thực hiện công việc gá đính, lắp ráp,
hàn các chi tiết có chiều dày vật hàn nhỏ ( phổ biến từ 10 – 15 mm) nhƣ: hàn các
nẹp gia cƣờng, hàn các mối hàn ngắn và có trí hàn thay đổi liên tục.

- 18 -


Hình 2.1. Máy hàn hồ quang tay

2.1.2. Hàn tự động dưới lớp thuốc (SAW)
Hàn hồ quang tự động dƣới lớp thuốc cho năng suất và chất lƣợng hàn rất cao,
điều kiện lao động của ngƣời công nhân nhẹ nhàng, ít độc hại, giảm sức lao động vì
có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa tốt. Tuy nhiên, giá thành thiết bị cao, không
phù hợp với các mối hàn ngắn hoặc cong và chỉ hàn đƣợc ở vị trí hàn sấp không phù
hợp với vị trí hàn leo, hàn trần. Hàn tự động dƣới lớp thuốc thƣờng kết hợp với hàn
MIG/MAG sử dụng cho việc hàn nối các tấm tôn có chiều dày lớn và hàn các lớp
điền đầy( các lớp lót hàn MIG/MAG) nhƣ : hàn các đƣờng ống, bồn chứa có đƣờng
kính lớn bằng cách giữ nguyên xe hàn còn quay chi tiết trên các đồ gá chuyên
dùng.

Hình 2.2. Máy hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ

- 19 -


2.1.3. Hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệMIG/MAG
Hàn tự động và bán tự động trong môi trƣờng khí bảo vệ CO2 bằng dây hàn
nóng chảy (dây hàn đặc) cho năng suất và chất lƣợng tƣơng đối cao, rất phù hợp với
các mối hàn thẳng, cong, hàn nhiều lớp hoặc các mối hàn có vị trí hàn thay đổi
nhiều. Hiện nay phƣơng pháp hàn này đang dần thay thế phƣơng pháp hàn hồ
quang tay vì có năng suất, chất lƣợng, linh hoạt, giảm độc hại hơn tuy nhiên vì bảo
vệ vùng hàn bằng khí bảo vệ do đó khi hàn ở nơi có tốc độ gió lớn hơn 2m/giây
(hàn gần bờ sông hay bờ biển) thì cần tìm cách che chắn khu vực làm việc của hồ

quang hàn hoặc thay thế phƣơng pháp hàn khác nếu không mối hàn sẽ không đảm
bảo đƣợc chất lƣợng, dễ sinh ra các khuyết tật.

Hình 2.3. Máy hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ MIG/MAG

2.1.4. Hàn dây lõi thuốc (FCAW)
Phƣơng pháp hàn này về thiết bị có đặc điểm chung giống nhƣ của hàn
MIG/MAG, về nguyên l‎ý thì có khác biệt là sử dụng dây hàn lõi thuốc để tăng
cƣờng chất lƣợng mối hàn cao hơn ngay khi hàn tại nơi có gió lớn. Trong quá trình

- 20 -


hàn , hồ quang hàn và kim loại nóng chảy đƣợc khí bảo vệ và thuốc hàn phủ lên trên
mặt mối hàn nên chất lƣợng của mối hàn cao, hiệu suất tƣơng đối lớn nhƣng do
công nghệ chế tạo dây hàn phức tạp hơn dây lõi đặc nên giá thành cao, thƣờng dùng
cho các mối hàn có yêu cầu kiểm tra ngiêm ngặt về chất lƣợng hàn.

Hình 2.4. Sơ đồ nguyên l‎ý hàn dây l i thuốc
 Qua phân tích đặc điểm của một số phƣơng pháp hàn trên ta thấy phƣơng
pháp hàn MAG trong môi trƣờng khí bảo vệ CO2 đƣợc sử dụng phổ biến vì
có nhiều ƣu điểm sau:
+ 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 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.

Do đó tác giả chọn phương pháp hàn MAG trong môi trường khí bảo vệ
CO2 để tính toán và xác định chế độ hàn liên kết hàn giáp mối.

- 21 -


2.2. Phƣơng pháp hàn MAG
2.2.1. Bản chất của hàn MAG
Hàn MAG là phƣơng pháp hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy (dây hàn)
trong môi trƣờng khí bảo vệ hoạt tính (thƣờng sử dụng khí CO2 hoặc hỗn hợp khí
CO2 + Ar, CO2 + O2 ...) .

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn MAG
Khi hàn trong môi trƣờng khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy (hình vẽ), hồ
quang giữa đầu điện cực (dƣới dạng dây hàn ) và vật hàn liên tục nung chảy điện
cực và mép hàn. 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.

- 22 -


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
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.

2.2.2. Đặc điểm
Hàn MAG có sử dụng khí CO2 đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nền công
nghiệp hiện đại vì các ƣu điểm sau:
- Năng suất hàn trong CO2 cao, gấp hơn 2,5 lần so với hàn hồ quang tay.
- Chất lƣợng hàn cao, sản phẩm ít bị cong vênh do tốc độ hàn cao, nguồn
nhiệt tập trung, hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, vùng ảnh hƣởng nhiệt hẹp.
- Khí CO2 là loại khí phổ thông, dễ sản xuất và có giá thành hạ.
- Hàn MAG có thể tiến hành hàn ở mọi vị trí trong không gian khác nhau.
- Điều kiện lao động tốt hơn so với hàn hồ quang tay vì trong quá trình hàn ít
sinh ra khí độc hại.
- Khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao.

2.2.3. Phạm vi ứng dụng
- Nó không những có thể hàn các loại thép kết cấu thông thƣờng, mà
còn có thể hàn các loại thép không gỉ, thép chịu nhiệt, thép bền nóng, các hợp
kim đặc biệt, các hợp kim nhôm, magiê, niken, đồng, các hợp kim có ái lực
hóa học mạnh với ôxi.
- Phƣơng pháp hàn này có thể sử dụng đƣợc ở mọi vị trí trong không
gian. - Chiều dày vật hàn từ 0,4  4,8 mm thì chỉ cần hàn một lớp mà không
phải vát mép, từ 1,6  10 mm thì hàn một lớp có vát mép, còn từ 3,2  25 mm
thì hàn nhiều lớp.
- Không thích hợp cho hàn ngoài trời, bởi vì sự chuyển động của không
khí xung quanh có thể làm ảnh hƣởng tới khí bảo vệ và mối hàn. Nên sử dụng
trong trong ngành xây dựng khá hạn chế.
- Đƣợc dùng phổ biến trong hàn tự động và bán tự động.
- 23 -


2.2.4. Vật liệu và thiết bị hàn MAG
1) 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 qúa 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.

Dây hàn MAG

Tủ đựng dây hàn

Hình 2.6. Dây hàn MAG và tủ đựng dây hàn
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

Ký hiệu điện cực dây hàn

Thành phần hóa

hoặc que hàn phụ (TIG)

hóa học và khí bảo vệ

Độ bền kéo nhỏ nhất (ksi)

Dây đặc

Hình 2.7. Ký hiệu dây hàn thép C

- 24 -


Bảng 2.1. Một số loại dây hàn thép cácbon thông dụng
Ký hiệu

Điều kiện hàn

Cơ tính

theo

Cực

Khí bảo

Độ bền kéo

Giới hạn chảy

Độ dãn dài

AWS

tính

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)
Bảng 2.2. Thành phần hóa học của dây hàn
Thành phần hóa học (%)

Ký hiệu theo
AWS

c

E70S-2

0,6

Mn

Si

Các nguyên tố khác

0,40÷0,70

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

2) Khí bảo vệ
Trong phƣơng pháp hàn MAG, khí bảo vệ CO2 đƣợc dùng rộng rãi để hàn
thép các bon và thép hợp kim thấp do giá thành thấp, mối hàn ổn định, cơ tính của

- 25 -