Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều sâu ngấu tới biến dạng trong liên kết hàn dạng chữ t

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những gì tôi viết ra trong luận văn này là do sự tìm hiểu và nghiên cứu
của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả khác nếu sử dụng
đều được trích dẫn đầy đủ.
Luận văn này cho đến nay vẫn chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn
Thạc sỹ nào trong nước cũng như quốc tế. Nội dung trong luận văn chưa hề được công bố
trên bất kỳ phương tiện thông tin đại chúng nào.
Tôi xin cam đoan những điều nêu trên là đúng sự thật.

Tác giả:

Nguyễn Khánh Toàn

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới:
Thầy hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Tiến Dƣơng đã tận tình chỉ bảo,hướng dẫn để giúp
tôi hoàn thành luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy giáo,cô giáo của bộ môn Hàn và CNKL – Viện Cơ
khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các anh chị thành viên lớp CNH2013B đã quan
tâm giúp đỡ ,cho tôi những lời nhận xét quý báu để tôi hoàn thiện luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong gia đình của tôi đã luôn luôn động viên giúp
đỡ để tôi yên tâm học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn quan trọng này.

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
LỜI NÓI ĐẦU: ................................................................................................................... 5
CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HÀN MAG VÀ LIÊN KẾT HÀN CHỮ T .............. 2

1.1 Tổng quan về hàn MAG ................................................................................................. 2
1.1.1 Nguyên lý hàn MAG ................................................................................................... 2
1.1.2 Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của quá trình hàn MAG ...................................... 2
1.1.3 Thiết bị trong hàn MAG .............................................................................................. 4
1.2 Ứng dụng của liên kết hàn chữ T trong thực tế .............................................................. 6
1.3 Tính cấp thiết và phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................................ 8
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA
LIÊN KẾT HÀN CHỮ T ................................................................................................. 12
2.1. Khái niệm cơ bản về ứng suất biến dạng hàn .............................................................. 12
2.2 Phương pháp tính biến dạng theo lực ảo .................................................................... 14
2.2.1 Cơ sở tính toán định biến dạng ................................................................................. 14
2.2.2 Xác định vùng ứng suất tác động

......................................................................... 20

2.2.3 Áp dụng tính toán trong trường hợp hàn liên kết chữ T........................................... 24
2.3 Phương pháp tính theo lý thuyết tổng quát về ứng suất và biến dạng........................ 26
2.3.1 Cơ sở lý thuyết xác định biến dạng .......................................................................... 26

2.3.2 Xác định giá trị các biến dạng .................................................................................. 27
2.4 Ảnh hưởng của chiều sâu ngấu đến biến dạng trong liên kết chữ T ............................ 29
Kết luận chƣơng 2............................................................................................................. 35
CHƢƠNG 3 XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÀN KHI HÀN LIÊN KẾT CHỮ T .................. 36
3.1 Cơ sở lý thuyết để xác định chế độ hàn MAG: ............................................................ 36
3.1.1 Kích thước mối hàn .................................................................................................. 37
3.1.2 Đường kính dây hàn ................................................................................................. 38
3.1.3 Cường độ dòng điện hàn( Ih) ................................................................................... 39
3.1.4 Điện áp hàn (Uh) ....................................................................................................... 41
3.1.5 Tốc độ hàn (Vh) ......................................................................................................... 42
3.1.6 Góc độ của mỏ hàn ................................................................................................... 43
Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ


3.1.7 Tầm với điện cực ....................................................................................................... 45
3.1.8 Khí bảo vệ ................................................................................................................. 45
3.2 Xác định chế độ hàn cho liên kết hàn thực nghiệm :................................................... 45
Kết luận chƣơng 3............................................................................................................. 50
CHƢƠNG 4 XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG CỦA LIÊN KẾT HÀN CHỮ T ................... 51
4.1 Biến dạng liên kết chữ T khi sử dụng bộ thông số TS1 để hàn................................... 52
4.2 Biến dạng liên kết chữ T khi sử dụng bộ thông số TS2 để hàn................................... 53
4.3 Biến dạng liên kết chữ T khi sử dụng bộ thông số TS3 để hàn.................................... 55
4.4 Biến dạng liên kết chữ T khi sử dụng bộ thông số TS4 để hàn................................... 56
4.5 Biến dạng liên kết chữ T khi sử dụng bộ thông số TS5 để hàn................................... 58
4.6 Nhận xét ....................................................................................................................... 59
Kết luận chương 4 .............................................................................................................. 61
CHƢƠNG 5 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG HÀN
LIÊN KẾT CHỮ T ........................................................................................................... 62

5.1 Vật tư, thiết bị và dụng cụ thực nghiệm ....................................................................... 62
5.1.1 Vật tư sử dụng trong quá trình thực nghiệm ............................................................. 62
5.1.2 Thiết bị và dụng cụ thực nghiệm ............................................................................... 64
5.2 Sơ đồ đo và quy trình thực nghiệm ............................................................................ 666
5.2.1 Sơ đồ đo và cách xác định biến dạng ...................................................................... 666
5.2.2 Quy trình thực nghiệm............................................................................................... 70
5.3 Kết quả hàn thực nghiệm của mỗi thông số chế độ hàn .............................................. 70
5.3.1 Biến dạng phôi khi sử dụng TS1 để hàn.................................................................... 70
5.3.2 Biến dạng phôi khi sử dụng TS2 để hàn.................................................................... 71
5.3.3 Biến dạng phôi khi sử dụng TS3 để hàn.................................................................... 71
5.3.4 Biến dạng phôi khi sử dụng TS4 để hàn.................................................................... 72
5.3.5 Biến dạng phôi khi sử dụng TS5 để hàn.................................................................... 72
5.4 Nhận xét và thảo luận ................................................................................................... 73
KẾT LUẬN CHUNG ....................................................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 82

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1.Thành phần hóa học dây hàn theo tiêu chuẩn AWS A5.18-79: .......................... 38
Bảng 3.2.Cơ tính mối hàn theo tiêu chuẩn AWS A5.18-79: .............................................. 38
Bảng 3.3.Chế độ hàn khi hàn mối hàn góc nằm ngang hoặc sấp ....................................... 40
Bảng 3.4. Chế độ hàn góc tự động và bán tự động trong môi trường khí bảo vệ CO2 ...... 40
Bảng 3.5.Thứ tự ưu tiên các thông số hàn khi cần điều chỉnh kích thước mối hàn .......... 46
Bảng 3.6.Bảng thông số dòng hàn và vận tốc của các chế độ hàn ..................................... 48
Bảng 3.7.Các thông số chế độ hàn sử dụng hàn thực nghiệm ............................................ 49
Bảng 5.1 .Thành phần hóa học thép CT38 ......................................................................... 62

Bảng 5.2. Độ bền cơ tính thép CT38 .................................................................................. 63
Bảng 5.3. Thành phần hóa học dây hàn: ............................................................................ 63
Bảng 5.4. Bảng cơ tính mối hàn ........................................................................................ 64
Bảng 5.5. Kết quả biến dạng thực nghiệm hàn với TS1..................................................... 70
Bảng 5.6. Kết quả biến dạng thực nghiệm khi hàn với TS2 .............................................. 71
Bảng 5.7.Kết quả biến dạng thực nghiệm khi hàn với TS3 ............................................... 71
Bảng 5.8. Kết quả biến dạng thực nghiệm khi hàn với TS4 .............................................. 72
Bảng 5.9. Kết quả biến dạng thực nghiệm khi hàn với TS5 .............................................. 72
Bảng 5.10. Bảng tổng hợp về ảnh hưởng của độ ngấu tới các biến dạng .......................... 73
Bảng 5.11.Biến dạng góc thực nghiệm của tấm vách và tấm biên..................................... 78

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1.Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn MAG .............................................................. 2
Hình 1.2. Các lĩnh vực ứng dụng đa dạng của hàn MAG .................................................... 3
Hình 1.3. Các chi tiết của súng hàn ...................................................................................... 4
Hình 1.4.Cơ cấu cấp dây ...................................................................................................... 4
Hình 1.5. Nguồn hàn và Bộ điều khiển ................................................................................ 5
Hình 1.6. Van giảm áp .......................................................................................................... 5
Hình 1.7.Các dầm hàn cấu kiện hàn có mặt cắt dạng chữ I, chữ T ...................................... 6
Hình 1.8.Chế tạo các thiết bị máy nâng chuyển cũng sử dụng liên kết chữ T ..................... 6
Hình1.9.Liên kết chữ T thường được sử dụng trong các kết cấu dạng khung vỏ như các
tàu ,ca-nô,tàu ngầm…vv....................................................................................................... 7
Hình 1.10.Ứng suất biến dạng do co dọc của liên kết hàn chữ T......................................... 8
Hình 1.11.Biến dạng góc do co ngang của liên kết hàn chữ T ............................................. 9
Hình 1.12.Sử dụng phương pháp áp lực nắn lại dầm biến dạng .......................................... 9

Hình 1.13. Sử dụng máy nắn dầm trong các nhà máy........................................................ 10
Hình 1.14. Một nghiên cứu về biến dạng trong dầm chữ T mối hàn một phía ................. 10
Hình 2.1. Phương pháp tạo biến dạng ngược để hạn chế biến dạng sau hàn ..................... 13
Hình 2.2.Một số loại biến dạng thường gặp ....................................................................... 14
Hình 2.2.Vị trí Vùng tác động và phản kháng.................................................................... 14
Hình 2.3.Liên kết giả tạo khi nghiên cứu ........................................................................... 15
Hình 2.4.Trường hợp hàn đắp lên mép tấm........................................................................ 15
Hình 2.5.Biến dạng và biểu đồ ứng suất khi hàn đắp lên mép tấm .................................... 16
Hình 2.6.Các biểu đồ ứng suất trong trường hợp hàn đắp lên mép tấm............................. 17
Hình 2.7. Sự thay đổi kích thước khi cắt dọc giới hạn vùng

........................................ 19

Hình 2.8. Độ võng khi hàn tấm chiều dài lớn .................................................................... 19
Hình 2.9.Vị trí các vùng trong liên kết hàn giáp mối ......................................................... 20
Hình 2.10. Cách tính tổng chiều dày truyền nhiệt cho các dạng liên kết ........................... 21
Hình 2.11.Biểu đồ xác định giá trị

............................................................................... 22

Hình 2.12.Vùng ứng suất tác động và điểm đặt lực ảo ...................................................... 24
Hình 2.13. Các trường hợp biến dạng do uốn biên gây ra ................................................. 27
Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Hình 2.14. Ảnh hưởng của co ngót kim loại tới biến dạng góc ......................................... 28
Hình 2.15.Các thông số hình dạng mối hàn góc chữ T ...................................................... 29
Hình 2.16. Phân tích ảnh hưởng ngấu tới biến dạng .......................................................... 30

Hình 2.17. Đồ thị quan hệ giữa (s/ ) và k .......................................................................... 33
Hình 2.18. Biểu thị quan hệ giữa m=

và s/ ................................................... 34

Hình 3.1. Các hình dạng mối hàn ....................................................................................... 37
Hình 3.2. Kích thước mối hàn góc ..................................................................................... 37
Hình 3.3. Hai kiểu ghi kích thước mối hàn góc ................................................................. 37
Hình 3.4 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện tới hình dạng mối hàn. .............................. 39
Hình 3.5 Ảnh hưởng điện áp tới hình dạng mối hàn. ........................................................ 41
Hình 3.6. Ảnh hưởng vận tốc hàn tới hình dạng mối hàn .................................................. 42
Hình 3.7. Ảnh hưởng của hướng hàn tới hình dạng mối hàn giáp mối .............................. 43
Hình 3.8. Mỏ hàn hướng về phía trước .............................................................................. 43
Hình 3.9. Mỏ hàn hướng thẳng đứng ................................................................................. 44
Hình 3.10. Mỏ hàn hướng về phía sau ............................................................................... 44
Hình 3.11. Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến chiều sâu ngấu ...................................... 45
Hình 3.12. Ảnh hưởng của khí bảo vệ đến chiều sâu ngấu ................................................ 45
Hình 3.13. Hình dạng của liên kết (đơn vị mm) ................................................................. 47
Hình 4.1 Vị trí trọng tâm và khoảng cách Z’ của liên kết ................................................. 52
Hình 4.2.Mối hàn của TS1 ................................................................................................. 53
Hình 4.3.Mối hàn của TS2 ................................................................................................. 54
Hình 4.4. Mối hàn của TS3 ................................................................................................ 56
Hình 4.5. Mối hàn của TS4 ................................................................................................ 57
Hình 4.6. Mối hàn của TS5 ................................................................................................ 59
Hình 4.7 Biểu đồ biểu diễn biến dạng góc khi s thay đổi................................................... 60
Hình 5.1.Các liên kết hàn thực nghiệm .............................................................................. 62
Hình 5.2. Robot hàn ALMEGA AX - MV6 ....................................................................... 64
Hình 5.3. Robot hàn ALMEGA AX - MV6 thực hiện mối hàn ......................................... 65
Hình 5.4.Đồng hồ so ........................................................................................................... 65
Hình 5.5. Sơ đồ đo và vị trí các đồng hồ ............................................................................ 66

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Hình 5.6.Đo mẫu trước khi hàn và sau khi hàn .................................................................. 66
Hình 5.7. Vị trí đồng hồ đo 3 xác định độ võng ................................................................. 67
Hình 5.8.Cách xác định độ võng f của liên kết .................................................................. 67
Hình 5.9. Biến dạng góc sau khi hàn .................................................................................. 68
Hình 5.10. Cách xác định biến dạng góc trong liên kết ..................................................... 68
Hình 5.11. Vị trí đồng hồ 4 nhìn từ phía trước ................................................................... 69
Hình 5.12. Ly độ các điểm trước và sau hàn ...................................................................... 69
Hình 5.13. Ảnh hưởng của chiều sâu ngấu tới biến dạng co dọc ....................................... 73
Hình 5.14. Các điểm thực nghiệm và hàm mô tả ảnh hưởng của chiều sâu ngâu tới biến
dạng co dọc theo đa thức y = 0,118 + -0,131 .x + 0,273 .x^2 -0,068 .x^3 với hệ số tương
quan r=0,995 ....................................................................................................................... 74
Hình 5.15. Các điểm thực nghiệm và hàm mô tả ảnh hưởng của chiều sâu ngâu tới biến
dạng co dọc theo tuyến tính số y = 0,004 + 0,199.x với hệ số tương quan r=0,992 ...... 75
Hình 5.16.Độ võng của 2 liên kết khi đặt lên nhau ............................................................ 75
Hình 5.17. Sự biến thiên của s và f..................................................................................... 76
Hình 5.18. Các điểm thực nghiệm và hàm nội suy sự phụ thuộc cua s và f ...................... 76
y = 0,091 + 0,178.x với r=0,992 ...................................................................................... 76
Hình 5.19.Chênh lệch biến dạng góc của hai liên kết với chế độ hàn khác nhau. ............. 77
Hình 5.20 Sự biến thiên của s và biến dạng góc ............................................................. 77
Hình 5.21. Biểu đồ so sánh độ biến dạng của tấm vách và tấm biên trong 5 chế độ hàn .. 78
Hình 5.22. Biến dạng góc thực tế khi hàn TS5 .................................................................. 79
Hình 5.23.Sai lệch giữa biến dạng góc thực tế và biến dạng góc lý thuyết ....................... 79

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ


LỜI NÓI ĐẦU:

Trong công cuộc đổi mới xây dựng đất nước các ngành công nghiệp của Việt Nam
đang dần khởi sắc với những thành tựu đáng kể. Đóng vai trò then chốt trong công
cuộc này là ngành cơ khí. Bởi muốn trở thành một nước công nghiệp hóa hiện đại hóa
thì ngành cơ khí phải đóng vai trò là xương sống, đầu tàu.Các ngành cơ khí chế tạo,
cơ khí xây dựng muốn phát triển được yêu cầu phải có sự cải tiến mạnh mẽ trong công
cụ sản xuất các quy trình sản xuất mới tối ưu và năng suất hơn rất nhiều.
Ngày nay các dầm thép hình cán đúc và dầm hàn đóng vai trò quan trọng trong các
ngành cơ khí xây dựng, chế tạo. Chúng có ưu điểm là khả năng chịu lực cao và giảm
khối lượng vật liệu.Chúng đóng vai trò chính trong các cấu kiện của khung nhà thép
tiền chế Zamil, trong ngành chế tạo các thiết bị nâng chuyển. Chủ yếu các các dầm
thép hình kích thước lớn này được chế tạo bằng các phương pháp hàn.Nếu quy trình
công nghệ không hợp lý sẽ tạo ra các ứng suất dư và biến dạng dư lớn.Chúng làm
thay đổi hình dạng và kích thước dầm, ảnh hưởng đến quá trình chế tạo và chất lượng
kết cấu.Vì vậy việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng trong quá trình chế tạo các dầm
hàn là một yêu cầu quan trọng và bức thiết.
Tại Bộ môn hàn & CNKL - Trường đại học Bách khoa Hà Nội, cái nôi đào tạo ra
các kỹ sư hàn nổi tiếng trong cả nước cũng đã và đang có những nghiên cứu về những
vấn đề này.Trong quá trình học Cao học ở đây tôi đã được tiếp cận và nghiên cứu đề
tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều sâu ngấu tới biến dạng trong liên kết hàn
dạng chữ T.Một nghiên cứu theo tôi là rất cần thiết bởi trong vỏ tàu biển liên kết này
sử dụng rất nhiều và biến dạng của nó gây ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng, độ
chính xác của việc chế tạo tàu.Và kết quả đạt được của nghiên cứu này xin được góp
phần nào giúp tìm ra một bộ thông số chuẩn,các biện pháp công nghệ để biến dạng
khi hàn chữ liên kết dạng chữ T được có hạn chế tới mức ít nhất. Các kết quả này cũng
sẽ được ứng dụng vào các ngành khác như trong xây dựng và chế tạo.

Để nâng cao năng suất cũng như chất lượng của dầm hàn chữ T trong thực tế người
ta thường sử dụng các phương pháp hàn tự động để thực hiện các mối hàn.Có thể sử
dụng hàn SAW hoặc hàn MAG. Trong khuôn khổ nội dung của luận văn này tôi sử
dụng phương pháp hàn MAG bởi trong thực tế sản xuất phương pháp này ngày càng
được ứng dụng rộng rãi bởi nhưng ưu điểm của nó về độ bền mối hàn,có thể dễ dàng
cơ khí hóa mà vật liệu hàn luôn có giá thành cạnh tranh, sẵn có trên thị trường.

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

1


CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HÀN MAG VÀ LIÊN KẾT HÀN CHỮ T

1.1 Tổng quan về hàn MAG
1.1.1 Nguyên lý hàn MAG
Là phương pháp hàn hồ quang điện cực nóng chảy bán tự động có sử dụng khí bảo
vệ là khí hoạt tính (

). Trong quá trình hàn hồ quang giữa đầu điện cực dưới dạng

dây hàn và vật hàn liên tục nung chảy điện cực và mép hàn. Dây hàn được cấp vào
vùng hồ quang bằng cơ cấu cấp dây với tốc độ bằng tốc độ chảy của dây hàn (với điều
kiện chiều dài hồ quang không đổi). Phần kim loại điện cực nóng chảy được chuyển
dịch vào vũng hàn theo một trong các cơ chế dịch chuyển kim loại vào vũng hàn và
phụ thuộc vào cường độ dòng điện hàn, đường kính điện cực, chiều dài hồ quang,
nguồn điện hàn và loại khí bảo vệ.

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn MAG
1.1.2 Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của quá trình hàn MAG
1) Ưu điểm

-Mật độ dòng hàn cao,bảo đảm vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp.
- Mối hàn có chất lượng cao giảm thiểu nguy cơ khuyết tật, mối hàn có cơ tính tốt.
-Có thể thay đổi dễ dàng thành phần hóa học của mối hàn thông qua thay đổi thay đổi
thành phần hóa học của dây hàn và khí bảo vệ.

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

2


-Khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao, giải phóng bớt sự phụ thuộc vào con người,
đơn giản trong sử dụng.
-Hàn được ở mọi tư thế hàn và năng suất hàn cao.
-Sử dụng khí bảo vệ CO2 hoặc khí trộn nên chi phí thấp hơn hàn MIG, TIG.
-Vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp nên giảm biến dạng.
- Mối hàn không có xỉ ít khi phải làm sạch và mài, rất thuận lợi khi hàn nhiều lớp.
2) Nhược điểm
- Tính linh hoạt kém, không thích hợp với công việc hàn phải di chuyển nhiều.
- Thiết bị và vật liệu hàn đắt tiền hơn hàn que.
-Khi gặp các bề mặt mạ kẽm hoặc bị bám bẩn hay xảy ra bắn tóe, muốn đạt chất lượng
cao thường phải vệ sinh kỹ bệ mặt vật hàn.
- Khí bảo vệ có thể bị thổi lệch vì gió nên khó bảo vệ khi hàn ngoài công trường.
-Lượng bức xạ nhiệt cao gây dộp vùng da nếu tiếp xúc trực tiếp thời gian dài.
3) Ứng dụng

Do có nhiều ưu điểm về tính công nghệ, chất lượng mối hàn tốt và cho năng suất cao,
hiện nay trong công nghiệp sản xuất hàn MAG đang được sử dụng rộng rãi trong các
lĩnh vực cơ khí xây dựng để hàn các cấu kiện khung nhà thép Zamil, Các kết cấu
dầm,giàn hàn tổ hợp, các dầm thép hình chư I, chữ T…vv.Trong công nghiệp sản xuất
ô tô – xe máy sử dụng để hàn các chi tiết có hình dạng phức tạp.Hàn MAG cũng được
sử dụng trong công nghiệp đóng tàu và các ngành khác…vv

Hình 1.2. Các lĩnh vực ứng dụng đa dạng của hàn MAG
Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

3


1.1.3 Thiết bị trong hàn MAG
1) Súng hàn

Hình 1.3. Các chi tiết của súng hàn

2) Cơ cấu cấp dây

Hình 1.4. Cơ cấu cấp dây

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

4

3) Nguồn hàn và Bộ điều khiển

Hình 1.5. Nguồn hàn và Bộ điều khiển

4) Van giảm áp và sấy khí bảo vệ

Hình 1.6. Van giảm áp
Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

5


1.2 Ứng dụng của liên kết hàn chữ T trong thực tế
Trong xây dựng chúng ta thường thấy người ta sử dụng các dầm thép hình để tăng
độ cứng cho kết cấu và giảm khối lượng vật liệu. Nhưng những thép hình cán sẵn đều
có hạn chế về mặt kích thước vì vậy người ta sử dụng các dầm chữ I, chữ T hay U
bằng dầm hàn. Xét về khả năng chịu lực các loại dầm hàn trên là khác nhau do có mô
men chống uốn và chống xoắn khác nhau. Nhưng xét đến trong quá trình chế tạo
chúng lại có những công đoạn mà ta phải hàn như khi hàn dầm chữ T. Vì vậy nghiên
cứu ứng suất biến dạng trong liên kết hàn dầm chữ T là tổng quát và có thể cho ta phát
triển những kết quả ấy để áp dụng cho liên kết hàn dầm chữ I và U cũng đơn giản hơn.

a)Cột sử dụng dầm hàn chữ I

b)Kèo mái sử dụng dầm hàn chữ I

Hình 1.7.Các dầm hàn cấu kiện hàn có mặt cắt dạng chữ I, chữ T

a)Cầu trục dầm đôi

b)Cổng trục

Hình 1.8. Chế tạo các thiết bị máy nâng chuyển cũng sử dụng liên kết chữ T

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

6


Trong các ngành công nghiệp cơ khí sản xuất và xây dựng mà có liên kết hàn đều có
xuất hiên liên kết hàn chữ T.Chúng thường thấy trong ngành hàng không vũ trụ chúng
nằm trong phần vỏ và vách ngăn các khoang của máy bay hay trong tàu thủy.Bởi khi
phần vỏ muốn chịu áp lực bên ngoài tốt hơn người ta sẽ hàn thêm các tấm gân gia
cường vào phần vỏ này. Đây chính là những liên kết dạng chữ T.

a)Bản vẽ thiết kế Ca-nô

b)Du thuyền

c)Chi tiết bên trong vỏ du thuyền
Hình1.9.Liên kết chữ T thường được sử dụng trong các kết cấu dạng khung vỏ như các
tàu, ca-nô, tàu ngầm…vv
Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

7


1.3 Tính cấp thiết và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Như đã nêu ở trên, trong nhu cầu thực tế sử dụng có rất nhiều các sản phẩm, vật
dụng được chế tạo từ liên kết chữ T. Chúng là các kết cấu từ nhỏ bé cho tới siêu
trường là những liên kết cơ bản trong cuộc sống hàng ngày. Nhưng trong quá trình hàn
và chế tạo các kết cấu liên kết này bằng phương pháp hàn thường gây ra biến dạng
nhất là các kết cấu dầm có khẩu độ lớn thường vô cùng khó khăn trong quá trình hàn
tổng đoạn do sai lệch kích thước do biến dạng hoặc cũng tốn không ít tiền của để khác
phục những biến dạng này. Bởi vì khi hàn các phần tử của kết cấu hàn bị nung không
đồng đều tới nhiệt độ cao gây nên ứng suất và biến dạng. Tùy vào các yếu tố công
nghệ hay phương pháp hàn cũng như liên kết dạng nào mà sẽ xuất hiện ứng suất biến
dạng dư nhiều hay ít,co dọc hay co ngang. Chúng có thể là biến dạng cục bộ hay biến
dạng toàn phần tùy theo cách phân loại.
Khi hàn liên kết chữ T thì ứng suất xảy ra rất phức tạp.Ngay cả khi các yếu tố chế
độ hàn là như nhau nhưng thứ tự thực hiện đường hai hàn cùng nhau hay tuần tự bên
hay hướng thực hiện cũng sẽ cho ta những giá trị khác nhau về ứng suất và biến dạng.
Có hai loại ứng suất biến dạng chính xuất hiện khi hàn liên kết chữ T (được phân loại
theo hướng biến dạng ). Đó là ứng suất biến dạng do co dọc và ứng suất biến dạng do
co ngang gây ra.
- Ứng suất biến dạng do co dọc

Hình 1.10. Ứng suất biến dạng do co dọc của liên kết hàn chữ T

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

8


-Ứng suất biến dạng do co ngang, biến dạng góc

Hình 1.11. Biến dạng góc của liên kết hàn chữ T
Khi thực hiện xong các đường hàn của liên kết chúng thường bị biến dạng và sai
lệch làm giảm chất lượng cũng như tốn tăng chi phí khi phải sử dụng các máy nắn dầm
để đưa chúng về hình dạng chính xác. Nhưng ngay cả như vậy cũng không thực sự an
toàn bởi khi sử dụng áp lực để giảm biến dạng trong nội tại của các liên kết lại tồn tại
các ứng suất dư làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của kết cấu, gây mất an toàn.Hoặc cũng
có trường hợp phương pháp nắn này cũng không thể sử dụng được.

Hình 1.12. Sử dụng phương pháp áp lực nắn lại dầm biến dạng
Yêu cầu bức thiết đặt ra ở đây là phải đầu tư nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới sự
biến dạng của liên kết chữ T trong quá trình thực hiện.Để từ đó có các biện pháp công
nghệ can thiệp vào quá trình hàn để từ đó giảm thiểu được tối đa các biến dạng sau
hàn.Chứ không phải là sử dụng áp lực để cưỡng bức các biến dạng này, đây là một
biện pháp chưa mang lại hiệu quả mong đợi nhất.

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

9


Có rất nhiều nguyên nhân hoặc yếu tố ảnh hưởng tới biến dạng trong quá trình hàn
dầm chữ T. Có thể kể ra đây như các yếu tố về công nghệ như là thông số chế độ
hàn,chiều sâu ngấu, phương pháp hàn, cách thực hiện 2 đường hàn đồng thời hay tuần

tự,hướng thực hiện các đường hàn…vv cũng đều ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng
hay chất lượng của liên kết.Chính những nghiên cứu và tác động đến những yếu tố này
là cách thức hữu hiệu nhất để có được những liên kết hàn chất lượng tốt, tuổi thọ và
khả năng chịu tải cao hơn,chính xác hơn mà khắc phục được những hạn chế của các
phương pháp cũ.

a)Máy nắn dầm khẩu độ nhỏ

b)Máy nắn dầm khẩu độ lớn

Hình 1.13. Sử dụng máy nắn dầm trong các nhà máy
Cũng đã có rất nhiều các nghiên cứu về vấn đề này được nêu ra và công bố nhằm với
mục tiêu có được qui trình hàn dầm chữ T hiệu quả và chất lượng tốt nhất.

Hình 1.14. Một nghiên cứu về biến dạng trong dầm chữ T mối hàn một phía
Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

10


Nhưng mỗi đề tài nghiên cứu lại chỉ đề cập đến một yếu tố mà chưa có được tính
tổng quát của nó. Cũng như có những đề tài lại sử dụng các phương pháp hàn như
TIG, SAW để sao cho phù hợp với điều kiện của đơn vị họ nghiên cứu. Nhưng trong
đề tài này của tôi xin được đề cập đến những mảng nghiên cứu chính như sau:
Về kết cầu là kết cấu dầm tiết diện chữ T: Như đã đề cập ở phần trên đây là một kết
cấu được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp cơ khí cũng như xây dựng. Có
thể nói liên kết chữ T như là liên kết cơ bản để tạo nên các kết cấu.
Về phương pháp hàn sử dụng: Là phương pháp hàn điện cực nóng chảy có khí bảo

vệ hoạt tính ( MAG ). Với rất nhiều ưu điểm đã được nêu phương pháp hàn này đang
được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy cơ khí. Việc sử dụng phương pháp hàn MAG
trong nghiên cứu này sẽ là tăng tính ứng dụng của đề tài trong việc triển khai nó vào
những môi trường làm việc cụ thể. Quá trình hàn sẽ được tự động để thuận tiện cho
nghiên cứu.
Thông số chế độ hàn: Đây là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới kết quả nghiên
cứu. Chúng đều ảnh hưởng đến chiều sâu ngấu cũng như biến dạng của liên kết nhưng
ảnh hưởng của các yếu tố chế độ này đến chiều sâu ngấu lại không tuyến tính. Nên nếu
để các yếu tố này cùng biến thiên thì sẽ gây ảnh hưởng tới kết quả nghiên cứu. Vì vậy
trong phạm vi đề tài sẽ chỉ thay đổi giá trị của cường độ dòng điện hàn và vận tốc hàn.
Việc nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu ảnh hƣởng của chiều sâu ngấu đến biến dạng
trong liên kết hàn dạng chữ T. Việc kết hợp nghiên cứu biến dạng của liên kết hàn
chữ T là một đề tài ý nghĩa và có tính ứng dụng cao. Nó không những làm cho chất
lượng độ chính xác của kết cấu được nâng cao mà còn mang lại hiệu quả kinh tế và
khắc phục được những hạn chế của các phương pháp xử lý biến dạng của dầm hiện đại
bởi nó được nghiên cứu sâu hơn về bản chất ảnh hưởng của quá trình tạo nên biến
dạng, để từ đó có những điều chỉnh hợp lý, triệt để hơn.
Kết luận: Trước xu thế phát triển của xã hội,càng ngày con người tìm ra những điều
mới ,những phát minh mới phục vụ cho đời sống của mình.Nhằm tìm ra một quy trình
hàn tối ưu nhất,một bộ thông số phù hợp nhất cho phương pháp hàn dầm chữ T để
tăng chất lượng và hiệu quả trong các lĩnh vực Cơ khí - xây dựng thì đề tài : Nghiên
cứu ảnh hưởng của chiều sâu ngấu đến biến dạng trong liên kết hàn dạng chữ T sử
dụng phương pháp hàn MAG tự động không nằm ngoài mục đích đó.
Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

11

CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN
DẠNG CỦA LIÊN KẾT HÀN CHỮ T

2.1 Khái niệm cơ bản về ứng suất biến dạng hàn
1) Khái niệm:
Ứng suất và biến dạng hàn là trạng thái ứng suất và biến dạng do quá trình hàn gây
ra và tồn tại trong kết cấu sau khi hàn. Nó có ảnh hưởng nhất định đến chất lượng và
khả năng làm việc của kết cấu.
Tùy theo mức độ truyền nhiệt và cân bằng nhiệt độ xảy ra sự thay đổi ứng suất và
biến dạng liên tục tại các điểm khác nhau của các điểm trong liên kết được hàn. So với
trường nhiệt độ, trường biến dạng và ứng suất không hoàn toàn mất đi sau khi hàn.
Tức là quá trình hình thành biến dạng và ứng suất không phải là quá trình có thể đảo
ngược được.Ta gọi các ứng suất biến dạng còn lại này là các ứng suất biến dạng dư.
2) Nguyên nhân:
Có thể kể ra 3 nguyên nhân chính gây ra ứng suất và biến dạng hàn
-Nung nóng không đều kim loại ở vật hàn.
-Độ co ngót của kim loại nóng chảy ở mối hàn sau khi kết tinh.
- Sự thay đổi tổ chức của vùng kim loại lân cận mối hàn.
- Ở liên kết hàn chữ T nguyên nhân gây uốn còn do trọng tâm của vùng ứng suất tác
động

lệch so với trọng tâm O của liên kết

3) Ý nghĩa của việc nghiên cứu quá trình hình thành ứng suất và biến dạng:
- Để đánh giá xác suất hình thành vết nứt khi chế tạo kết cấu.
- Để xác định trường ứng suất dư nhằm đánh giá khả năng làm việc của kết cấu.
-Để giải quyết các vấn đề liên quan đến độ chính xác trong chế tạo kết cấu hàn.
-Đưa ra được các biện pháp công nghệ phù hợp để nâng cao độ chính xác, độ bền của
kết cấu.Ví dụ như biện pháp tạo biến dạng ngược khi hàn giúp ứng suất dư giảm đáng
kể để làm được điều nay ta phải tính toán và tiên liệu được trước biến dạng dư.

Vì vậy vấn đề quan trọng là phải xác định được biến dạng dư, ảnh hưởng của nó tới
khả năng làm việc của kết cấu, đưa ra được biện pháp tăng độ chính xác khi hàn và chế

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

12


tạo chúng. Ngày nay lý thuyết ứng suất biến dạng là một nhánh của lý thuyết ứng suất
nhiệt.
-Lý thuyết ứng suất biến dạng có hai hướng:
+ Hoàn thiện lý thuyết tính toán gần đúng dành cho kỹ sư để giải quyết các vấn đề về
mặt độ chính xác liên quan đến chế tạo các kết cấu hàn.
+ Đưa ra được các biện pháp giải pháp chặt chẽ và hiệu quả hơn nữa trong quá trình
giải các bài toán về dẻo – nhiệt nhờ ứng dụng các thành tựu mới trong nghiên cứu.

Hình 2.1. Phương pháp tạo biến dạng ngược để hạn chế biến dạng sau hàn
4) Phân loại ứng suất và biến dạng
*Ứng suất:
-Phân loại theo hướng tác động so với trục mối hàn: Ứng suất co dọc suất hiện dọc
trục mối hàn,ứng suất do co ngang suất hiện hướng vuông góc với trục mối hàn.
-Phân loại theo thời gian tồn tại : Ứng suất tức thời, ứng suất dư.
- Phân loại theo hướng phân bố trong không gian:Ứng suất một chiều,ứng suất hai
chiều.
-Phân loại theo phạm vi tác động :Ứng suất loại 1, loại 2, loại 3.
Để thuận tiện nhất trong quá trình nghiên cứu phân tích phương chiều các mô men và
cách xác định lực người ta thường phân loại ứng suất theo hướng tác động so với trục
mối hàn.Trong nội dung của luận văn này cũng giới hạn các loại ứng suất theo định

nghĩa như trên.
*Biến dạng :
-Phân loại biến dạng theo thời gian :Biến dạng tức thời, biến dạng dư.
-Phân loại biến dạng theo hướng biến dạng: Biến dạng dọc là biến dạng song sog với
trục đường hàn (trong liên kết chữ T là độ võng của liên kết), biến dạng ngang là biến
dạng vuông góc với trục đường hàn (trong liên kết hàn chữ T là biến dạng góc )
Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

13


-Phân loại biến dạng theo phạm vi tác động: Biến dang cục bộ hoặc biến dạng toàn
phần

Hình 2.2. Một số loại biến dạng thường gặp

2.2 Phƣơng pháp tính biến dạng theo lực ảo
2.2.1 Cơ sở tính toán định biến dạng
Coi nội lực tác động (lực co) là các lực tập trung tác động lên vật hàn ở vị trí mối
hàn.Các công thức tính dựa trên lý thuyết đàn hồi và sức bền vật liệu.
1) Bốn giả thiết của phương pháp
a. 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

Hình 2.3. Vị trí vùng ứng suất tác động và nội lực phản kháng.
Trong vùng nội lực tác động sinh ra ứng suất tác động .Trong vùng nội lực phản
kháng sinh ra ứng suất phản kháng.
b. 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.

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

14


c. Với 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 đối kích
thước (vd :không cong vênh theo hướng z-z).
d. 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
có sự thay đổi về giá trị vùng ứng suất tác động’Hình 2.3b để có thể tính toán được giá
trị 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 ngược lại mà
vẫn có thể co dọc.

Hình 2.4. Liên kết giả tạo khi nghiên cứu
Trên thực tế, khi nung bằng nguồn nhiệt hàn lên mép tấm, do tiết diện ngang của nó bị
nung không đều, dẫn tới việc co dãn khác nhau trong từng thớ, tấm bị uốn (hình 2.4a)
sau đó f = 0 (hình 2.4b) và sau đó uốn theo hướng ngược lại khi nguội ( hình 2.4c)
.Còn muốn tính độ võng, ta vẫn có thể dùng mômen uốn để tính.

2) Ứng dụng tính toán trường hợp hàn đắp lên mép tấm
a. Cơ sở áp dụng

Hình 2.5. Trường hợp hàn đắp lên mép tấm
Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

15


-Đây là trường hợp tương đối đơn giản, nhưng có ý nghĩa cơ bản vì nó có thể áp dụng
cho nhiều liên kết hàn( giáp mối, chữ T)
-Ta tìm hiểu trước hết ứng suất và biến dạng dư tác động như thế nào sau đó mở rộng
và tính toán cụ thể.
-Khi hàn đắp lên mép tấm, do tác động của nguồn nhiệt hàn, các dải nằm gần nguồn
nhiệt không thể giãn nở tự do cho phù hợp với trạng thái nhiệt của chúng, do bị các thớ
lân cận giữ lại.Vì vậy chúng bị nén nên tấm bị cong lồi về phía nguồn nhiệt ( hình nét
đứt)
+ Tiết diện 1-1 sẽ quay một góc bất kỳ đến vị trí 1’-1’.Ta sẽ tìm hiểu nó.
+Tại thời điểm khi nguồn nhiệt còn cách nó một khoảng nào đó nhiệt độ của các thớ
trên cùng T

600

(kim loại thép bị biến dạng dẻo).Nhưng do không tăng chiều dài

một cách tự do nên chúng bị nén.Vùng này còn hẹp.
+Tại thời điểm khi nguồn nhiệt di chuyển đến tiết diện 1-1, các thớ trên cùng bị nóng
chảy, vùng tiếp theo bị nung đến trạng thái dẻo. So với thời điểm trước, chiều rộng của
nó tăng lên (vùng bị nén).
+ Do trạng thái dẻo, ứng suất của các thớ trên cùng giảm dần tới không.Các thớ bị nén
sẽ chuyển dần xuống dưới.
+Vùng( của các thớ ) kim loại ở dưới( bị nung ít hơn) sẽ bị kéo.
+Còn vùng kim loại ở mép dưới sẽ bị nén do hiện tượng uốn gây ra hình 2.6 a

Hình 2.6. Biến dạng và biểu đồ ứng suất khi hàn đắp lên mép tấm

Nguyễn Khánh Toàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ

16


+ Khi nguồn nhiệt đi khỏi tiết diện 1-1, nhiệt độ ở đó sẽ cân bằng dần.Khi nhiệt độ
giảm xuống dưới 600

các thớ bị nung đến nhiệt độ cao nhất sẽ chuyển dần sang

trạng thái đàn hồi.Khi T= 600 , ứng suất nén trong vùng nàu giảm đến không. Độ
võng giảm dần trong quá trình nguội.
+Quá trình nguội tiếp theo: Các thớ đã từng bị biến dạng dẻo nén (đã từng có nhiệt độ
cao nhất) không thể co lại một cách tự do nên chúng bị kéo do chúng liên kết với phần
còn lại của tấm. Sau khi cân bằng nhiệt độ trong tiết diện, chúng xuất hiện ứng suất
kéo. Tấm bị uốn cong theo hướng ngược lại (hình 2.6b). Sự phân bố ứng suất dư (hình
2.6c) trong đó

=

= const, phù hợp với các giả thiết đã đưa ra và độ võng dư f là

độ võng dư (một đặc trưng của biến dạng dư) và

là đặc trưng của vùng ứng suất tác

động, sẽ được tính ở phần sau.
b. Tính toán cụ thể cho trường hợp hàn đắp lên mép tấm
-Vì ta giả thiết có các liên kết giả tạo ở mép tấm nên không có hiện tượng uốn ngang
(vẫn có ứng suất uốn)

Hình 2.7. Các biểu đồ ứng suất trong trường hợp hàn đắp lên mép tấm
-Ứng suất do nội lực tác động sinh ra sẽ tạo giống như trong hình 2.7a. Trong vùng
ứng suất tác động, ứng suất dư tối đa là
- Nội lực tác đông dư là

P=

.

khi

.

0,5h.
(2.1)

- Vì trong vật nội lực cân bằng nên ta có nội lực tác động bằng nội lực phản kháng
(nhưng khác dấu):
P=

.

. =

-Vì vậy ứng suất nén phản kháng

Nguyễn Khánh Toàn

.(h-

).

(2.2)

sẽ là :
LUẬN VĂN THẠC SỸ

17