Báo cáo thí nghiệm kĩ thuật chế tạo 1 Xác định biến dạng và tính ứng suất trong hàn hồ quang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN THIẾT BỊ VÀ CNVL CƠ KHÍ
-------oOo-------

BÁO CÁO
THÍ NGHIỆM KĨ THUẬT CHẾ TẠO 1

SVTH

: Lê Văn Hòa

MSSV

: 1711435

GV LÝ THUYẾT

: Phạm Qang Trung

GV THỰC HÀNH

: Bùi Duy Khanh

NHÓM HỌC LÝ THUYẾT

: Chiều thứ 3, tiết 7-9

NGÀY THỰC HÀNH

: Chiều thứ 6, tiết 8-12

NHÓM THỰC HÀNH

: Nhóm A09

TP HỒ CHÍ MINH, ngày 4 tháng 12 năm 2019


BÀI 3: XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG VÀ TÍNH ỨNG SUẤT
TRONG HÀN HỒ QUANG
1. MỤC ĐÍCH:
-

Đo độ biến dạng, tìm ứng suất trong hàn.

-

Biết cách sử dụng thiết bị hàn,…

-

Cách thí nghiệm, thu thập số liệu và tính toán bài toán thực tế.

-

Đề ra các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn.

-

…

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT:
Hàn là một phương pháp công nghệ nhằm đạt được mối liên kết bền, không
tháo gỡ được bằng cách dùng nguồn nhiệt nung nóng vật liệu chỗ liên kết đến
trạng thái chảy hoặc dẻo, sau đó vật liệu hóa rắn hoặc thông qua có lực ép mối
liên kết được hình thành, được gọi là mối hàn.
Hàn điện hồ quang là sử dụng năng lượng nhiệt do hồ quang cháy giữa các
điện cực để làm nóng chảy chỗ hàn.
Hồ quang là hiện tượng phóng điện trong môi trường khí đã bị ion hoá giữa
hai điện cực. Hồ quang tạo ra nguồn nhiệt lớn (đạt 6000C) và ánh sáng với các tia
hồng ngoại, tử ngoại có hại đến sinh lý con người (mắt, da.....). Hàn điện hồ quang
là dùng nhiệt lượng đó để nung cho vật hàn nóng chảy.
Đặc trưng của mối hàn hồ quang là: nóng chảy và kết tinh
Trong quá trình hàn, do nhiệt độ giữa các vùng kim loại chênh lêch nhau rất
cao do vậy thường sinh ra ứng suất và biến dạng các ứng suất và biến dạng này
làm cho kết cấu hàn giảm khả năng làm việc hoặc không đủ điều kiện để làm
việc. Vì vậy trong quá trình hàn người thợ phải biết được những nguyên nhân
sinh ra ứng suất và biến dạng để có thể hạn chế hoặc triệt tiêu chúng.
2.1. Ứng suất và biến dạng khi hàn:
a. Nội ứng suất khi hàn: Là ứng suất tồn tại trong mối hàn sau khi đã kết thúc
hàn.
b. Phân loại ứng suất: được chia làm 3 nhóm như sau
Nhóm 1: Các ứng suất phụ thuộc nguyên nhân sinh ra nó.
1


+ Ứng suất nhiệt : Sinh ra do sự nung nóng không đều trên toàn chi tiết
+ Ứng suất dư : Là ứng suất còn lại trong vật thể sau khi loại bỏ nguyên nhân
sinh ra nó. Đây là loại ứng suất thường gặp nhất.

+ Ứng suất do chuyển biến pha : Do sự biến dạng không đều của chi tiết.
Nhóm 2: ứng suất sinh ra do sự cân bằng giữa các kích thước, thể tích khác
nhau của các phần tử khi liên kết tạo thành vật thể. Bao gồm 3 loại là tổ chức
tế vi, tổ chức thô đại, tổ chức siêu tế vi.
Nhóm 3: ứng suất theo các hướng trong không gian, bao gồm các loại là ứng
suất một chiều (ứng suất đơn); ứng suất hai chiều (ứng suất mặt); ứng suất 3
chiều (ứng suất khối).
c. Các biến dạng khi hàn:
Trong quá trình hàn do chi tiết hàn bị nung nóng và làm nguội không đều cho
nên sẽ phát sinh các biến dạng là biến dạng co dọc của mối hàn và biến dạng
co ngang của mối hàn.
-

Biến dạng co dọc của mối hàn: Đó là sự thay đổi kích thước chiều dài của mối
hàn sau khi hàn. Độ lớn của biến dạng dọc phụ thuộc vào cơ tính của kim loại
cơ bản.

-

Biến dạng co ngang của mối hàn: Đó là sự giảm kích thước của kim loại của
mối hàn và vùng lân cận theo phương vuông góc với trục đường hàn, xuất hiện
khi hàn các tấm kim loại có chiều rộng lớn. Độ lớn của biến dạng ngang phụ
thuộc vào nguồn nhiệt được cung cấp vào chỗ hàn, phương pháp hàn, loại điện
cực và kích thước mối hàn (hình dáng và chiều dài mối hàn). Dạng đặc biệt
của biến dạng co ngang chính là biến dạng góc nó tạo ra sự cong, vênh của kết
cấu hàn, nguyên nhân do sự phân tán nhiệt không đều dọc theo chiều dày của
vật hàn khi mà mối hàn không có sự cân xứng. Kết quả là vật hàn sẽ bị quay
đi một góc xung quanh trục đường hàn.

2

Hình 2.1: Độ lớn của biến dạng ngang tỉ lệ thuận với chiều rộng mối hàn
(chiều dày vật hàn)

Hình 2.2: Độ lớn của biến dạng góc khi hàn.
a) Mối hàn giáp mối.

b) Mối hàn góc

2.2. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn đắp bằng phương pháp hàn MAG
Hàn MAG hay còn gọi là hàn bán tự động bằng điện cực nóng chảy trong
môi trường khí hoạt tính bảo vệ là CO2. CO2 khi hàn sẽ bị đốt nóng sẽ tạo ra
khí CO không hòa tan trong kim loại (thép kết cấu) lỏng đặc biệt khi ở nhiệt
độ cao nó dãn nở và di chuyển với tốc độ cao có tác dụng bảo vệ vũng hàn
nóng chảy.
Khi hàn MAG, sử dụng dây hàn có đường kính 0,7mm.
Loại hàn: Hàn đắp.
Phương pháp hàn:
3


+ Hàn tự do.
+ Hàn có lực kẹp.
Khi hàn đắp vào bề mặt của tấm thì theo lý luyết hàn, trên mặt cắt ngang của
chi tiết hàn do tác động của nhiệt khi hàn sẽ có 2 vùng đó là vùng chịu ảnh
hưởng nhiệt và vùng phản kháng. Tại vùng ảnh hưởng nhiệt, dưới tác dụng của
nhiệt độ sẽ có sự thay đổi thành phần hóa học, đồng thời thay đổi kích thước
hạt. Vì vậy mà trong vùng ảnh hưởng nhiệt chi tiết hàn có xu hướng dãn nở,
trong khi đó ở vùng phản kháng (vùng không bị ảnh hưởng bởi nhiệt) có xu

hướng chống lại sự dãn nở do nhiệt. Dẫn đến chi tiết hàn bị cong về phía gia
nhiệt. Như vậy để biết chi tiết hàn có hay không biến dạng cần tính xác định
được mômen uốn Muoán và ứng suất uốn  uoán . Việc xác định 2 đại lượng trên
được tính thông qua việc tính độ võng.
Độ võng: fmax 

Muoán .l2
8EJy

Trong đó:
l : chiều dài tấm hàn.
E  2,1.105 MPa : môđun đan hồi của vật liệu bằng thép.
Jy 

hb3
: Mômen quan tính của mặt cắt hình chữ nhật đối với trục trung tâm
12

y, trong đó b,h lần lượt là chiều rộng và chiều cao của mặt cắt ngang hình chữ
nhật.
Khi đó mômen uốn được tính như sau:
Muoán 

fmax .8EJy
l2

(1)

Xác định ứng suất uốn bằng công thức sau:
 uoán 

Muoán
Wchoánguoán

(2)

Trong đó:
Wchoánguoán 

hb2
là mômen chống uốn.
6

4


Muoán là mômen uốn được xác định ở công thức (1).

3. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM:
Bước 1: Nhận 2 mẫu thép tấm (thép lá) với các bề dày khác nhau có chiều
dài khoảng 400 mm. Mài sơ để loại bỏ các vết ghỉ sét.
Bước 2: Tiến hành cắt mẫu thành 4 mẫu gồm 2 mẫu có chiều dài 200mm, 2
mẫu còn lại có chiều dài 150mm. Đánh dấu chiều dài đường hàn, mẫu 200mm
chiều dài đường hàn 150mm cách đều hai đầu của mẫu, mẫu 150mm chiều dài
đường hàn 100mm cách đều hai đầu của mẫu.
Bước 3: Đo và ghi nhận bề dày và bề rộng của các mẫu. Đo xác nhận chiều
dày và chiều cao của mẫu ở 3 vị trí là hai đầu mẫu và giữa mẫu, sau đó lấy giá trị
trung bình => bề dày và chiều cao thanh. Thực hiện lần lượt cho tất cả các mẫu.
Bước 4: Tiến hành hàn đắp bằng thiết bị hàn, hàn tự do cho 2 mẫu có chiều
dài 200mm và mẫu có chiều dài 150mm, hàn với hai đầu được kẹp chặt bằng kẹp

C đối với 2 mẫu còn lại có chiều dài 200mm và 150mm.
(Lưu ý: hàn đắp → không ngấu. Đối với mẫu kẹp chặt hai đầu, sau khi hàn
xong phải đợi mẫu nguội rồi mới tháo ngàm ở hai đầu.)
Bước 5: Đợi mẫu nguội (không nhúng nước khi hàn). Vẽ lại biên dạng sau
khi hàn, sau đó tiến hành đo chuyển vị f. Đo tối thiểu 3 lần, ghi nhận giá trị, lấy
giá trị trung bình.
Bước 6: Từ các số liệu thu được, thay vào công thức để tính Muoán ,  uoán .
Bước 7: Dọn dẹp vệ sinh. Viết báo cáo.
4. XỬ LÝ SỐ LIỆU:
4.1. Bề dày và bề rộng trung bình của các mẫu:

Hình 4.1: Vị trí các lần đo chiều dài các mẫu

5


Mẫu 200mm
Mẫu để
hàn tự do

Chiều dày h (mm)

Chiều rộng b (mm)

1

2,10

24,56

2

2,10

24,70

3

2,12

24,80

2,11

24,69

1

2,08

24,42

2

2,06

24,40

3

2,10

24,30

2,08

24,37

Trung bình
Mẫu để
hàn kẹp
chặt
Trung bình

Bảng 4.1: Chiều dày và chiêu rộng của mẫu 200mm.
Mẫu 150mm
Mẫu để
hàn tự do

Chiều dày h (mm)

Chiều rộng b (mm)

1

2,10

21,28

2

2,08

21,20

3

2,10

21,20

2,09

21,23

1

2,10

20,90

2

2,10

21,00

3

2,08

21,08

2,09

20,99

Trung bình
Mẫu để
hàn kẹp
chặt
Trung bình

Bảng 4.2: Chiều dày và chiêu rộng của mẫu 150mm.
4.2. Vẽ lại biên dạng và xác định chuyển vị lớn nhất (fmax)
a. Chuyển vị fmax của mẫu 200mm được hàn tự do:

6


Vị trí

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Lần1

0

1

2

3

4

4,5

5

5,25

5,5

fi Lần2

0

1

2

3

4

4,5

5

5

5,75

6

6

5,75 5,5

5,5

5,25

5

4,5

4

3,5 2,5 1,5

5,25 5,25

5

4,5 3,5

Lần3

0

1

2

3

4

4,5

5

5

5,5

6

5,5

5,5

5

4,5

4

3,5

3
3

17

18

0

0

1,5

0

0

2,5 1,5

1

0

2

Bảng 4.3: Giá trị fi (mm) của mẫu 200mm đo được khi hàn tự do

Hình 4.2: Biên dạng của mẫu 200mm sau khi hàn tự do được vẽ lần 1.

Hình 4.3: Biên dạng của mẫu 200mm sau khi hàn tự do được vẽ lần 2.

Hình 4.4: Biên dạng của mẫu 200mm sau khi hàn tự do được vẽ lần 3.
Từ các hình 4.2,4.3,4.4 ta tính được:
Chuyển vị trung bình của mẫu 200mm hàn tự do là:
fmax 

19 20

fmax1  fmax2  fmax3 5,75  6,08  6

 5,943mm
3
3

b. Chuyển vị fmax của mẫu 200mm được hàn kẹp chặt hai đầu:
7


Vị trí

0

Lần1 0,5

1
1

2

3

4

5

1,5 1,5 1,5

fi Lần2

0

0,5

1

Lần3

0

0

0,5

1,5 1,5
1

8

9

10

11

12 13

14

15

16

17

18 19 20

1

0,5 0,5 0

0

0

0

0

0

0

0

0,5

0

0

0

0

1

0,5

0

0

0

0

0

0

0,5 0,5 0,5

0

0

0

0

0,5 0

0

0

0

0

0

0

0

0

1,5 1,5

6

1

7

0

0

0,5 0,5 0,5

Bảng 4.4: Giá trị fi (mm) của mẫu 200mm đo được khi hàn kẹp chặt hai đầu.

Hình 4.5: Biên dạng của mẫu 200mm sau khi hàn kẹp chặt được vẽ lần 1.

Hình 4.6: Biên dạng của mẫu 200mm sau khi hàn kẹp chặt được vẽ lần 2.

Hình 4.7: Biên dạng của mẫu 200mm sau khi hàn kẹp chặt được vẽ lần 3.
Từ các hình 4.5,4.6,4.7 ta tính được:
Chuyển vị trung bình của mẫu 200mm hàn kẹp chặt là:
fmax 

fmax1  fmax 2  fmax3 1,58  1,58  1,58

 1,58mm

3
3

c. Chuyển vị fmax của mẫu 150mm được hàn tự do:
8


Vị trí

0

1

2

3
2

4

5

2,5 2,5

6

Lần1

0

0,5 1,5

3

fi Lần2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

Lần3

0

0,5

1

1,5

2

2,5 2,5

3

7

8

9

3,5 3,5 3,5

10

11

12 13

14

15

3

2,5

2

1

0,5

0

3

3,5 3,5

3

2,5

2

1

0,5

0

3

3,5

3

2,5

2

1

0,5

0

3

Bảng 4.5: Giá trị fi (mm) của mẫu 150mm đo được khi hàn tự do.

Hình 4.8: Biên dạng của mẫu 150mm sau khi hàn tự do được vẽ lần 1.

Hình 4.9: Biên dạng của mẫu 150mm sau khi hàn tự do được vẽ lần 2.

Hình 4.10: Biên dạng của mẫu 150mm sau khi hàn tự do được vẽ lần 3.
Từ các hình 4.8,4.9,4.10 ta tính được:
Chuyển vị trung bình của mẫu 150mm hàn tự do là:
9


fmax 

fmax1  fmax2  fmax3 3,53  3,59  3,5

 3,54mm
3
3

d. Chuyển vị fmax của mẫu 150mm được hàn kẹp chặt hai đầu:
Vị trí

0

1

2

3

4

Lần1 0

0

0

0

0

fi Lần2 0

0

0

0

0

Lần3 0

0

0

0

0

5

8

9

10

11

12 13 14 15

0,5 0,75 0,73

1

0,75

0,5

0,5

0

0

0

0

0,5 0,75 0,75

1

1

0,73 0,5

0

0

0

0

0,5

0

0

0

0

0

6

0

7

0

0,5 0,75

0

Bảng 4.6: Giá trị fi (mm) của mẫu 150mm đo được khi hàn kẹp chặt hai đầu.

Hình 4.11: Biên dạng của mẫu 150mm sau khi hàn kẹp chặt được vẽ lần 1.

Hình 4.12: Biên dạng của mẫu 150mm sau khi hàn kẹp chặt được vẽ lần 2.

10

Hình 4.13: Biên dạng của mẫu 150mm sau khi hàn kẹp chặt được vẽ lần 3.
Từ các hình 4.11,4.12,4.13 ta tính được:
Chuyển vị trung bình của mẫu 150mm hàn kẹp chặt là:
fmax 

fmax1  fmax2  fmax3 1  1,07  0,75

 0,94mm
3
3

Mẫu
200mm
Mẫu
150mm

Hàn tự do

fmax1(mm)

5,943

Hàn kẹp chặt

fmax2(mm)

1,58

Hàn tự do

fmax3(mm)

3,54

Hàn kẹp chặt

fmax4(mm)

0,94

Bảng 4.7: Kết quả tính toán chuyển vị lớn nhất của các thanh mẫu.
4.3. Tính toán mômen uốn và ứng suất uốn:
Từ bảng 4.1, 4.2, 4.7 ta tính toán được mômen uốn và ứng suất uốn theo công
thức (1) và (2), kết quả được trình bày ở bảng sau:
Mẫu 200mm

Hàn tự do

Hàn kẹp
chặt 2 đầu

 uoán1

fmax1
(mm)

Jy1 (mm4)

l (mm)

Wchống uốn1
(mm3)

Muốn1
(Nmm)

(N/mm2)

5,943

2646,45

200

214,37

660569,8

3081,4

fmax1
(mm)

Jy2 (mm4)

l (mm)

Wchống uốn2
(mm3)

Muốn2
(Nmm)

 uoán2

(N/mm2)

1,58

2508,70

200

205,88

166477,3

808,6

Bảng 4.8: Kết quả tính toán mômen uốn và ứng suất uốn cho mẫu 200mm.

11


Mẫu 150mm

Hàn tự do

Hàn kẹp
chặt 2 đầu

 uoán3

fmax3
(mm)

Jy3 (mm4)

l (mm)

Wchống uốn3
(mm3)

Muốn3
(Nmm)

(N/mm2)

3,54

1666,54

150

157,00

440499,9

2860,39

fmax4
(mm)

Jy4 (mm4)

l (mm)

Wchống uốn4
(mm3)

Muốn4
(Nmm)

 uoán 4

(N/mm2)

0,94

1610,65

150

153,47

113046,15

736,60

Bảng 4.9: Kết quả tính toán mômen uốn và ứng suất uốn cho mẫu 150mm.

5. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN
Từ kết quả tính toán được ở bảng 4.8 và 4.9 ta thấy đối với mẫu 200mm và
mẫu 150mm đều có mômen uốn khi hàn kẹp chặt hai đầu nhỏ hơn nhiều so với
khi hàn tự do cụ thể: Muốn2 < Muốn1 (166477,3Nmm < 660569,8Nmm), Muốn4 <
Muốn3 (113046,15Nmm < 440499,9Nmm), điều này có nghĩa là chi tiết sau khi
hàn đắp nhìn chung là có biến dạng ở cả hai phương pháp hàn, tuy nhiên đối với
chi tiết hàn khi dùng lực kẹp hai đầu ít bị biến dạng hơn so với chi tiết hàn khi hàn
tự do. Có thể thấy rõ qua các đồ thị hình 4.2 – 4.7 (mẫu 200mm), hình 4.8 – 4.13
(mẫu 150mm). Vì vậy mà để hạn chế hay loại trừ khả năng biến dạng của chi tiết
sau khi hàn có thể lợi dụng đồ gá có đủ độ cứng vững để kẹp chặt chi tiết khi hàn,
lưu ý sau khi hàn xong, phải chờ cho chi tiết nguội hoàn toàn mới được tháo dỡ
đồ gá.
Đối với những chi tiết có chiều dài mối hàn càng lớn thì độ chuyển vị của chi
tiết càng khó kiểm soát bằng các phương pháp kẹp chăt. Có thể thấy hiện tượng
trên qua thí nghiệm trên như sau:ở mẫu dài 200mm có chiều dài mối hàn là 150mm
có độ võng biến dạng lớn hơn so với mẫu dài 150mm có chiều dài mỗi hàn là
100mm.
Nguyên nhân sinh ra biến dạng khi hàn:
+

Do nung nóng và làm nguội không đều kim loại và vật hàn.

+

Do sự co ngót của kim loại lỏng trong vũng hàn khi kết tinh.

+

Do sự biến đổi tổ chức của kim loại của mối hàn và vùng lân cận mối hàn.

Một số biện pháp hạn chế và chống biến dạng hàn:
+

Trước khi hàn trên chi tiết chính để tạo ra sản phẩm cuối cùng, thì ta nên hàn
12


trên chi tiết tương tự mà không có bất kỳ phương pháp hạn chế biến dạng nào,
mục đích của phương pháp thử này là để biết chi tiết hàn sẽ biến dạng theo hướng
nào, vị trí nào bị cong vênh nhiều nhất từ đó đưa ra các phương pháp hạn chế
biến dạng thích hợp khi chính thức hàn ra sản phẩm cuối cùng.
+ Kẹp chặt chi tiết khi hàn: Chi tiết kẹp chặt bằng các loại đồ gá có đủ độ cứng
vững để trong quá trình hàn biến dạng sinh ra sẽ bị khống chế cưỡng bức, sử dụng
phương pháp này trong quá trình gia công cần tính đến sự gia tăng nội ứng suất.
Chú ý sau khi hàn xong, phải chờ cho chi tiết nguội hoàn toàn mới được tháo dỡ
đồ gá.
+ Tạo biến dạng ban đầu có chiều ngược với chiều biến dạng khi hàn để triệt
tiêu biến dạng sau khi hàn.
+ Hàn chấm: hàn từng đoạn nhỏ có khoảng 3mm điều này giúp hạn chế ảnh
hưởng nhiệt đối với các phần còn lại của tấm, giúp chi tiết ít bị biến dạng hơn.
+ Thực hiện quy trình hàn hợp lý. Hạn chế thấp nhất nhiệt lượng tác dụng vào
vật.
+ Phương pháp tạo lực ép lên mối hàn: Đây là phương pháp mà sau khi hàn
xong người ta dùng các biên pháp tác dụng lên mối hàn các lực ép dủ lớn để triệt
tiêu các ứng suất tồn tại trong mối hàn, cũng có thể thực hiện bằng cách dùng
máy cán để cán mối hàn sau khi đã hàn.
+ Nung sau khi hàn: Đây là phương pháp loại bỏ ứng suất tồn tại trong mối hàn
sau khi hàn có thể dùng các phương pháp ram thấp ở nhiệt độ khoảng 600-650oC
sau đó giữ nhiệt trong khoảng thời gian từ 2-3 phút cho 1mm chiều dày chi tiết
hàn. Phương pháp này chỉ ứng dụng cho các chi tiết có kích thước nhỏ.

+ Nắn, sửa kết cấu sau khi hàn. Qúa trình này có thể thực hiện được ở các trạng
thái nóng hoặc nguội.

13