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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÙI THANH BÌNH

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

KHOA CƠ KHÍ
TRƯỞNG KHOA

THÁI NGUYÊN – 2014

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

/>

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

Học viên

Bùi Thanh Bình

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

/>

LỜI CẢM ƠN
Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa học của tôi, thầy
giáo PGS. TS. Phan Quang Thế, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ tôi rất
nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo
PSG. TS. Nguyễn Văn Dự đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn này.
Học viên bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban Giám hiệu và Khoa Sau đại học của
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản luận
văn này.
Do năng lực bản thân còn có những hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót,
tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và
các bạn đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!
Học viên

Bùi Thanh Bình

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

/>

MỤC LỤC
Trang phụ bìa……………………………………………………………..........i
Lời cam đoan…………………………………………………………….........ii
Mục lục…...………………………………………………………………….iii
Danh mục các chữ viết tắt dùng trong luận văn……………………………..vii
Danh mục các bảng dùng trong luận văn………………..…………………..vii
Danh mục các hình vẽ dùng trong luận văn…..……..……………………….iv
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU……………………………………………………..1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ…………………..………………………………………..1
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU…….………………………………………..4
1.3. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN………………………………………….4
1.5. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC……………….…………………………...4
1.6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN………………………………………………..5
1.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1………………………………………………...5
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN MỐI HÀN GIÁP MỐI .................................... 8
2.1. GIỚI THIỆU……………………………………………………………...8
2.2. CÁC KIỂU HÀN GIÁP MỐI…………………………………………….8
2.3. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN. ....................................................... 8
2.4. TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG DO CO DỌC GÂY RA
KHI HÀN GIÁP MỐI………………………………………………………...8
2.4.1. Xác định vùng ứng suất tác động và nội lực tác động….………………9
2.4.2. Tính ứng suất và biến dạng do co dọctrong trường hợp hàn hai tấm có
chiều rộng bằng nhau………………………………………………………..17


2.5. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG DO CO NGANG GÂY RA KHI HÀN
GIÁP MỐI ....................................................................................................... 18
2.5.1. Tính ứng suât và biến dạng do co ngang gây ra khi hàn giáp mối các
tấm tự do………………………………………………………..……………18
2.5.2. Biến dạng góc do co ngang trong liên kết hàn giáp mối....................... 27

2.6. TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TRONG MỘT VÀI
TRƯỜNG HỢP VỚI CÁC QUY TRÌNH HÀN KHÁC NHAU……………28
2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2……………………………………………….32
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ……………...33
3.1. GIỚI THIỆU...…………………………………………………………..33
3.2. TRANG THIẾT BỊ TIẾN HÀNH DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM……33
3.3. CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM……………………………………35
3.3.1. Xác định độ biến dạng do co dọc, độ võng của liên kết hàn giáp
mối...................................................................................................................36
3.3.2. Xác định độ biến dạng do co ngang và biến dạng góc của liên kết hàn
giáp mối……………………………………………………………...............37
3.4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ …..…………………………………………...39
3.4.1. GIỚI THIỆU…………………………………………………………..40
3.4.2. KHI THAY ĐỔI CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN I, GIỮ NGUYÊN
U,V…………………………………………………………………………..40
3.4.2.1. Kết quả……………………………………………………...………40
3.4.2.2. Thảo luận kết quả…………………………………………………...45
3.4.3. KHI GIỮ NGUYÊN CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN I, THAY ĐỔI U,V,
THỰC HIỆN VỚI QUY TRÌNH HÀN SMAW………………...…………..46


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


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN VĂN

Ghi

Chữ viết tắt

Diễn giải

WSP

Các quy trình hàn

111/MMA/SMAW

Hàn hồ quang tay

135/MAG/GMAW

Hàn khí bảo vệ điện cực nóng chảy

141/TIG/GTAW

chú

Hàn khí bảo vệ điện cực không nóng
chảy

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

/>

DANH MỤC CÁC BẢNG DÙNG TRONG LUẬN VĂN
TT

Bảng

Tên gọi

Trang

1

Bảng 3.1

Thiết bị SMAW của máy WP300

33

2

Bảng 4.1

3

Bảng 4.2

4

Bảng 4.3

5

Bảng 4.4

Thông số chế độ hàn, giữ nguyên các thông
số cho I tăng dần với quy trình hàn SMAW
Thông số chế độ hàn, giữ nguyên các thông
số cho I tăng dần với quy trình hàn GMAW
Bảng thông số chế độ hàn, giữ nguyên các
thông số chỉ tăng I với quy trình hàn GTAW
Biến dạng do co dọc và độ võng của mối
hàn giáp mối với quy trình hàn GTAW

40

40

41

42

Biến dạng do co dọc và độ võng của mối
6

Bảng 4.5

hàn giáp mối với quy trình hàn SMAW khi

43

giữ nguyên I và v, tăng U

Biến dạng do co dọc và độ võng của mối
7

Bảng 4.6

hàn giáp mối với quy trình hàn SMAW khi

44

giữ nguyên U và I, giảm v
8

Bảng 4.7

Giá trị chuyển vị góc của mối hàn giáp mối
SMAW

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

45

/>

DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
Hình

Tên hình vẽ

Trang

Hình 2.1

Vùng phân bố ứng suất và nội lực lên mối hàn

9

Hình 2.2

Trạng thái tấm khi hàn đắp lên mép tấm

10

Hình 2.3

Hàn đắp lên mép tấm chiều dày δ

10

Hình 2.4

Trạng thái ứng suất biến dạng hàn đắp lên mép tấm

11

Hình 2.5

Ứng suất khi hàn đắp lên mép tấm

12

Hình 2.6

Liên kết hàn giáp mối ở trạng thái tự do

13

Hình 2.7

Tổng chiều dày truyền nhiệt trong một số loại liên kết

14

Hình 2.8

Đồ thị xác định hệ số k2

15

Hình 2.9

Chiều rộng tính toán h

16

Hình 2.10

Hàn giáp mối hai tấm rộng như nhau

17

Hình 2.11

Ứng suất ngang trên tiết diện ngang của tấm

19

Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 3.1

Biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối
Xác định tiết diện ngang của mối hàn tại vị trí bắt đầu
có lực tác động do co ngang
Phân bố nhiệt độ tại tiết diện ngang x1
Máy hàn WP300

20
21
22
32

Hình 3.2

Vị trí lấy dấu các vị trí đặt thiết bị đo

34

Hình 3.3

Bàn gá và dụng cụ đo độ co dọc của liên kết hàn

35

Hình 3.4

Bàn gá và dụng cụ đo để đo độ võng của dầm

36

Hình 3.5

Đo chuyển vị góc của các điểm trên mối hàn

37

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

/>

Hình 3.6

Chuẩn bị phôi

37

Hình 3.7

Hàn đính các phôi hàn

38

Hình 3.8

Lấy dấu trên các phôi hàn

38

Hình 3.9

Đo vị trí trước khi hàn

39

Hình 3.10

Đo vị trí sau khi hàn

39

Hình 4.1

Đồ thị biến dạng do co dọc khi thay đổi các
thông số hàn, quy trình hàn SMAW

44

Đồ thị độ võng (độ cong), đo tại vị trí võng lớn nhất

Hình 4.2

( vị trí 5) khi thay đổi các thông số của quy trình hàn

44

SMAW
Hình 4.3
Hình 4.4

Đồ thị so sánh thị độ võng (độ cong), đo tại vị trí võng
lớn nhất
Đo chuyển vị góc các điểm của mối hàn

45
45

Đồ thị so sánh biến dạng góc do co ngang của 3 quy
trình hàn: SMAW, GMAW,GTAW khi thay đổi
Hình 4.5

cường độ dòng điện I ( vị trí 5) giữa 3 quy trình hàn:

46

SMAW, GMAW, GTAW

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

/>

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hàn là phương pháp nối các chi tiết máy thành một khối không thể tháo
rời được bằng cách nung nóng chúng đến trạng thái chảy hay chảy dẻo, sau đó
có thể không dùng áp lực hoặc dùng áp lực để ép chi tiết hàn dính chặt với
nhau. Có trường hợp không cần nung nóng mà chỉ dùng áp lực hàn kim loại
đạt đến trạng thái dẻo và dính lại với nhau.
Trong chế tạo vỏ tàu thủy, phương pháp hàn được ứng dụng rất phổ
biến để thay cho phương pháp ghép cũ bằng đinh tán và bulông. Bằng phương
pháp hàn, giá thành 01 con tàu giảm 30 ÷ 40%. Trong lĩnh vực xây dựng, hàn
là phương pháp phổ biến để tạo ra các kết cấu thép, ngoài ra nó còn được ứng
dụng rất rộng rãi trong chế tạo: dầm cầu, các thép hình xây dựng. Công
nghiệp hàn phục vụ nền công nghiệp chế tạo các trang bị quốc phòng chiếm tỉ
trọng 40 ÷ 50%.
Trong công nghệ hàn nói chung thì hàn thép các bon thấp không hợp kim
được sử dụng rộng rãi. Do thép các bon thấp không hợp kim là vật liệu được
sử dụng rất rộng rãi, có mặt gần như trong tất cả các lĩnh vực kỹ thuật, vì vậy
nhu cầu chế tạo, phục hồi, sửa chữa các chi tiết làm từ thép CT3 là rất lớn.
Bên cạnh đó thép các bon thấp không hợp kim là vật liệu có tính hàn rất tốt ,
khi hàn không cần yêu cầu gì đặc biệt, kết cấu hàn bằng thép CT3 có cơ tính
tốt . Độ bền kéo thông thường khoảng 42 kgf/mm2 (60,000psi) với giới hạn
chảy khoảng 28 kgf/mm2 (40,000psi).
Trong công nghệ hàn thì hàn giáp mối là kiểu hàn phổ biến nhất.
Mối hàn giáp mối là mối hàn thực hiện giữa hai phôi hàn nằm trong cùng
mặt phẳng, hai phôi hàn nằm đối đầu với nhau, mối hàn hình thành ở giữa liên
kết chúng lại thành một chi tiết không thể tháo rời. Trong hàn giáp mối thì tùy
theo chiều dày của phôi hàn, để đảm bảo liên kết hàn có độ bền cao, mép mối
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1

/>

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

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

/>

kể ra một số đề tài nghiên cứu được các tác giả trong nước công bố gần đây
như:
Tác giả Nguyễn Tiến Dương đã trình bày báo cáo “Tính toán ứng suất
và biến dạng khi hàn giáp mối kết cấu tấm”, trong báo cáo của mình tác giả
Nguyễn Tiến Dương đã trình bày các kết quả tính toán chung cho các kết cấu
dạng tấm, đối với các kết cấu dạng tấm mỏng, vật liệu là thép CT3 thì chưa có
các công thức tính toán cụ thể. Tại hội nghị Khoa học Toàn quốc về Cơ học
Vật rắn biến dạng lần thứ mười, Thái Nguyên 12 -13/11/2010.
Ngoài ra còn có nhiều bài báo, báo cáo khoa học nghiên cứu ứng suất
và biến dạng với nhiều cách tiếp cận khác nhau như dùng phương pháp mô
phần tử hữu hạn hay bằng công nghệ sử dụng sóng siêu âm. Có thể kể đến các
nghiên cứu sau:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn MAG tới ứng suất và biến
dạng dư trong liên kết hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn” của tác giả
Võ Văn Phong.
“Mô phỏng trường nhiệt độ, trường ứng suất và biến dạng nhiệt trong
quá trình hàn nóng chảy bằng phương pháp phần tử hữu hạn” của các tác
giả Võ Văn Phong, Vũ Đình Toại đăng trên tạp chí Khoa học Công nghệ,
2006.
“Nghiên cứu xác định ứng suất dư trong mối hàn giáp mối khi hàn tự
động dưới lớp thuốc bằng công nghệ sử dụng sóng siêu âm” của các tác giả
Đỗ Cao Đoan, Đào Quang Kế, Hoàng Văn Châu trình bày tại hội nghị Khoa
học Toàn quốc về Cơ khí 2011.
Wang Rui và cộng sự [37] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và mô

phỏng về biến dạng khi hàn giáp mối các tấm mỏng. Tác giả xác định được
ảnh hưởng của các thông số, cường độ dòng điện, hiệu điện thế, tốc độ hàn tới
biến dạng của kết cấu hàn. Các thực nghiệm được tiến hành trên các thiết bị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3

/>

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

- Xác định được các quan hệ giữa chế độ hàn ( I, U, V) đến mức độ biến
dạng do co dọc và độ võng của mối hàn. Mức độ biến dạng được đánh giá qua
các thông số: Lượng co dọc của mối hàn, độ võng và biến dạng góc do co
ngang.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4

/>

- So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết để nhận xét về
tính

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

/>

đúng đắn của lý thuyết và phương pháp thực nghiệm.
- Phân tích so sánh và đánh giá ảnh hưởng của các qui trình hàn (WPS)
mức độ biến dạng, và ứng suất dư của các liên kết hàn giáp mối.
- Lựa chọn quy trình hàn và chế độ hàn hợp lý để biến dạng của mối hàn
ít
nhất.
- Phân tích các cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của chế độ hàn đến biến
dạng của mối hàn.
- Xây dựng và triển khai các nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá các
quan hệ giữa chế độ hàn và mức độ biến dạng.
- Thông kê xử lý số liệu để xác định các mối quan hệ nói trên.
- Đánh giá kết quả, để chỉ ra được chế độ hàn hợp lý cho độ biến dạng
ít nhất, từ đó so sánh với kết quả tìm được bằng lý thuyết.

1.3. PHẠM
CỨU

VI

NGHIÊN

Đối với hàn giáp mối thì hàn các chi tiết có chiều dày trung bình (dày
từ
5mm đến 20mm) là phổ biến nhất, do đó luận văn tập trung nghiên cứu với
đối tượng là các tấm hàn có chiều dày trung bình 10mm. Với kiểu hàn một
phía có vát mép kiểu chữ V. Nghiên cứu hàn một phía là cơ sở, sau khi có thể
tính toán thực nghiệm về hàn một phía thì hàn 2 phía chỉ là phép cộng của các
ứng suất và biến dạng thêm vào theo hướng ngược lại.
1.4. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.
- Đã tiến hành thực nghiệm trên loại máy WP 3000 – Panasonic
- Đã thực nghiệm khảo sát được sự ảnh hưởng của các thông số chế độ
hàn (U, I, V) đến biến dạng của mối hàn.

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

/>

- Đã tìm được chế độ hàn hợp lý cho các kiểu hàn khác nhau. Để cho
biến dạng ít nhất.

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

/>

- Đã so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết.
1.5. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Luận văn được chia làm 3 chương với nội dung chính như sau:
Chương I: Chương Mở đầu: Trình bày các cơ sở, tính cần thiết thực
hiện đề tài, tổng quan về ứng suất biến dạng hàn, các nghiên cứu tương tự
cũng được trình bày nhằm nêu được những đóng góp mới của luận văn. Bên
cạnh đó nội dung chương 1 cũng nêu được những mục tiêu và các kết quả
chính đạt được của luận văn.
Chương 2: Chương Tính toán mối hàn giáp mối: Trình bày phương
pháp tính toán ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối các tấm thép CT3 có
chiều dày mỏng trong các trường hợp cụ thể
Chương 3: Chương Thực nghiệm và Phân tích kết quả: Trình bày
phương pháp, cách thức tiến hành và đo đạc kết quả thực nghiệm, xử lý các
kết quả thực nghiệm. Từ đó so sánh với kết quả tính toán lý thuyết và rút ra
các nhận xét kết luận. .
Cuối cùng là phần Các kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo,
phần Tài liệu tham khảo và Phụ lục.
1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trong nội dung chương 1, tác giả đã trình bày và làm rõ tầm quan trọng
và ý nghĩa của đề tài, nêu được đối tượng, mục tiêu và các kết quả chính đạt
được của đề tài và phương pháp nghiên cứu của đề tài. Tổng quan một số vấn
đề về ứng suất và biến dạng hàn. Nội dung chương 1 còn khái quát một số các
kết quả nghiên cứu tương tự gần đây từ đó nêu bật được những đóng góp mới
của luận văn.
Phương pháp nghiên cứu là kết hợp lý thuyết với thực nghiệm. Trong
đó phần tính toán lý thuyết sẽ được trình bày trong chương 2, bằng việc đưa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6

/>

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

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

/>

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN MỐI HÀN GIÁP MỐI
2.1. GIỚI THIỆU
Chương này trình bày về các cơ sở lý thuyết về chế độ hàn giáp mối,
tìm hiểu nguyên nhân gây ra ứng suất biến dạng khi hàn.
Phần 2.2 giới thiệu các kiểu hàn giáp mối. Phần 2.3 trình bày về ứng
suất và biến dạng hàn. Phần 2.4 trình bày về ứng suất và biến dạng co dọc khi
hàn giáp mối. Phần 2.5 trình bày về ứng suất và biến dạng do co ngang. Phần
2.6 trình bày về tính toán ứng suất và biến dạng trong một vài trường hợp với
các quy trình hàn khác nhau và cuối cùng phần 2.7 đưa ra các kết luận chính
của chương.
2.2. CÁC KIỂU HÀN GIÁP MỐI
Trong hàn giáp mối tùy theo chiều dày của phôi hàn, để đảm bảo liên kết
hàn có độ bền cao, mép mối hàn có thể được vát tương ứng:
- Chi tiết mỏng: không cần vát mép

Hình 2.1. Hàn giáp mối không vát mép chi tiết thành mỏng

- Với chi tiết có chiều dày trung bình: Vát mép một phía (nửa chữ V) hàn
một phía và vát mép hai phía (chữ V), hàn một phía

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

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

/>

Hình 2.3. Vát mép chữ V, hàn một phía

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

Hình 2.4.Vát mép chữ X, hàn 2 phía

Hình 2.5. Vát mép chữ k, hàn 2 phía

2.3. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN.
* Nung nóng, làm nguội và biến dạng dẻo không đều
Khi một chi tiết bị nung nóng sẽ giãn nở ra, trong quá trình giãn nở đó
lại bị giới hạn về không gian sẽ làm cho chi tiết không thể giãn nở được thì
trong chi tiết sẽ sản sinh ra ứng suất, và biến dạng. Quá trình co lại do làm
nguội bị giới hạn hoàn toàn tương tự cũng sinh ra ứng suất và biến dạng.
* Thay đổi về tổ chức kim loại mối hàn và vùng lân cận nhiệt
Một số kim loại: thép hợp kim thấp, hợp kim titan v.v.. có thay đổi cấu
trúc pha khi nhiệt độ thay đổi (ví dụ tại vùng ảnh hưởng nhiệt), kèm theo sự
thay đổi thể tích , tạo nên ứng suất trong kim loại.

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

/>

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

Hình 2.1. Vùng phân bố ứng suất và nội lực trên mối hàn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10

/>

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

Hình 2.2. Trạng thái tấm khi hàn đắp lên mép tấm

- Để có thể tính toán được giá trị độ co dọc, ta đặt các hạn chế giả tạo tại thời
điểm hình thành biến dạng dẻo nén, tấm chuyển sang trạng thái đàn hồi khi
nguội (f=0) sao cho nó không bị uốn theo hướng ngược lại nhưng vẫn có thể
co dọc. Trên thực tế, khi nung bằng nguồn nhiệt hàn lên mép tấm, do tiết diện
ngang của nó của nó bị nung không đồng đều, dẫn tới việc co dãn khác nhau
trong từng thớ, tấm bị uốn (hình 2.2-a), sau đó f = 0 (hình 2.2-b) và uốn
ngược lại (hình 2.2-c). Còn muốn tính đến độ võng, ta có thể dùng momen
uốn để tính.
* Khảo sát trường hợp cơ bản là hàn đắp lên mép tấm.
Để có cơ sở tính toán ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra khi hàn
giáp mối, ta xét trường hợp đơn giản là hàn đắp lên mép tấm. Các kết quả tính
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11

/>

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

Hình 2.3. Hàn đắp lên mép tấm chiều dày δ

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

Hình 2.4. Các trạng thái ứng suất biến dạng khi hàn đắp lên mép tấm

a) Tính toán cụ thể cho trường hợp hàn đắp lên mép tấm

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

/>

Hình 2.5. Ứng suất khi hàn đắp lên mép tấm

Vì giả thiết có các hạn chế giả tạo ở mép nên không có hiện tượng uốn
ngang mặc dù vẫn có ứng suất uốn.
Ứng suất do nội lực dọc trục (lực co, nội lực tác động) sinh ra sẽ tạo ra
như trên hình 2.5. Trong vùng ứng suất tác động, ứng suất dư tối đa là σT nếu
bn ≤ 0,5h.
- Nội lực tác động dư là:
P = σT.bn. δ

(2. 1)

- Vì trong một vật, nội lực tác động cân bằng, ta có nội lực tác động bằng nội
lực phản kháng (nhưng khác dấu):
P = δT.bn. σ = σ2.(h-bn). δ (2.2)
- Vì vậy ứng suất nén phản kháng σ2 sẽ là:
 2

 T .bn
(2.3)
h
bn

- Momen uốn do cặp lực nội lực tác động – nội lực phản kháng gây ra sẽ là:
M

P.h

(2.4)

2

- Nếu bỏ qua các hạn chế giả tạo đi, độ võng dư tấm do momen này gây uốn
sẽ là:

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

/>