Nghiên cứu biến dạng khi hàn dầm chữ i và biện pháp xử lý biến dạng dư sau khi hàn

Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

..

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng những số liệu nghiên cứu và kết quả trong Luận văn
này là trung thực, chưa được sử dụng để bảo vệ ở một học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các trích dẫn trong Luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 15 tháng 03 năm 2014
Học viên


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh
sự nỗ lực cố găng của bản thân cịn có sự hướng dẫn giúp đỡ của quý thầy cô, bạn
bè và đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS Nguyễn Tiến Dương, người đã hết lòng
giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thày hướng dẫn thực nghiệm, các bạn sinh
viên tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện
luận văn này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn một cách tốt nhất có thể, tuy
nhiên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng

góp của q thầy cơ và các bạn.


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
PHẦN MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................ 4
1.1.Tổng quan về các loại dầm hàn và ứng dụng của chúng ................................... 4
1.2.Ứng dụng của dầm hàn chữ I: ............................................................................ 6
1.3.Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I: . 7
1.3.1 Tính kinh tế: ................................................................................................ 7
1.3.2 Tính cơng nghệ: .......................................................................................... 8
CHƢƠNG II. CÔNG NGHỆ HÀN DẦM CHỮ I ............................................... 10
2.1. Cấu tạo của dầm chữ I. ...................................................................................... 10
2.2. Lựa chọn phương pháp hàn dầm ....................................................................... 11
2.3. Lựa chọn vật liệu chế tạo dầm .......................................................................... 15
2.4. Lựa chọn phương án hàn dầm ........................................................................... 20
2.5. Chế độ hàn cho kết cấu dầm chữ I .................................................................... 25
2.5.1.Tổng quan về cách tính tốn chế độ hàn: ................................................... 26
2.5.2 Xác định chế độ hàn: .................................................................................. 28
CHƢƠNG III. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN DẦM CHỮ I ......... 33
3.1. Các thành phần ứng suất và biến dạng trong kết cấu dầm chữ I....................... 33

3.1.1.Biến dạng theo trục X: ................................................................................ 33
3.1.2.Biến dạng theo trục Y: ................................................................................ 33
3.1.3.Biến dạng theo trục Z: ................................................................................ 34
3.2. Cơ sở lý thuyết tính tốn ứng suất và biến dạng ............................................... 34
3.2.1 Lý thuyết ứng suất và biến dạng hàn và ý nghĩa của nó ............................. 34
3.2.2 Phân loại ứng suất và biến dạng. ................................................................ 36


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

3.2.3 Nguyên nhân phát sinh biến dạng và ứng suất hàn: ................................... 39
3.3. Ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn góc ................................................... 39
3.3.1 Vùng ứng suất tác động và nội lực tác động............................................... 39
3.3.2 .Mô men uốn và độ võng ............................................................................ 42
3.3.3. Biến dạng góc. ........................................................................................... 48
CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG TÍNH TỐN CHẾ ĐỘ HÀN, ỨNG SUẤT VÀ
BIẾN DẠNG KHI HÀN DẦM CHỮ I ................................................................. 53
4.1. Các kích thước của dầm chữ I ........................................................................... 53
4.2. Xác định chế độ hàn dầm chữ I ......................................................................... 53
4.3. Xác định ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I .......................................... 57
4.3.1. Tính tốn ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra .................................... 57
4.3.2 Xác định nội lực và ứng suất phản kháng. .................................................. 59
4.3.3 Xác định ứng suất uốn và độ võng. ............................................................ 60
4.3.4. Tính tốn biến dạng góc: ........................................................................... 63
CHƢƠNG V. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ĐO BIẾN DẠNG HÀN........... 67
5.1. Mẫu hàn thử ...................................................................................................... 67
5.2. Thiết bị và vật liệu hàn:..................................................................................... 67
5.3. Chế độ hàn mẫu thử .......................................................................................... 68

5.4. Dụng cụ chuẩn bị:............................................................................................. 68
5.5. Sơ đồ đo biến dạng co dọc ................................................................................ 68
5.6. Sơ đồ đo biến dạng độ võng của dầm: .............................................................. 69
5.7. Sơ đồ đo biến dạng góc: .................................................................................... 69
5.8.Trình tự tiến hành thực nghiệm đo biến dạng .................................................... 70
5.8.1. Hàn các mẫu thử: ....................................................................................... 70
5.8.2. Chuẩn bị phơi chế tạo dầm: ....................................................................... 71
5.8.3. Gá đính, hàn, đo biến dạng ........................................................................ 71
5.8.4. Kết quả đo biến dạng ................................................................................. 75
CHƢƠNG VI. CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ BIẾN DẠNG DƢ ............................ 78
6.1 Các biện pháp giảm biến dạng khi hàn. ........................................................... 78


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

6.2. Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng .................................................... 82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 85
1. Kết luận: .............................................................................................................. 85
2. Kiến nghị: ............................................................................................................ 87
TÓM TĂT LUẬN VĂN ........................................................................................ 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 90


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Ký hiệu

Đơn vị

b

[mm]

Kích thước các vùng tính tốn



[mm]

Chiều dày vật liệu

h

[mm]

Kích thước các chi tiết

F

[mm2]

Diện tích tiết diện

P

[N]

J

[mm]

Mơ men qn tính

б

[N/m2]

Ứng suất pháp

η

[N/m2]

Ứng suất tiếp

E

[N/m2]

Mô đun đàn hồi

γ

[g/cm3]

Khối lượng riêng

μ

Nội dung

Lực tác dụng

Hệ số Possion

YA

[mm]

Chuyển vị

F

[mm2]

Diện tích

V

[mm3]

Thể tích

m

[kg]

Khối lượng

δ

[%]

Độ dãn dài tương đối

ak

[kp.m/cm2]

M

(Nm)

k

mm

Cạnh mối hàn

Ih

(A)

Cường độ dòng điện hàn

Uh

(V)

Điện áp hàn

Vh

(mm/p)

Tốc độ/ vận tốc hàn

qđ

(cal/s)

Năng lượng đường

Độ dai va đập
Mômen


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các loại dầm có biên dạng khơng đổi trong thực tế sản xuất
Hình 1.2.Phân loại dầm theo sơ đồ kết cấu
Hình 1.3. Ứng dụng của dầm I trong kết cấu nhà xưởng WS No1- Cơng ty PTSC

M&C
Hình 1.4 Hình minh hoa ứng dụng của dầm I trong kết cấu chế tạo giàn khoan dầu
khí
Hình 1.5. Hình ảnh dầm I chế tạo bằng phương pháp hàn
Hình 1.6 Hình ảnh chế tạo sàn thao tác dàn khoan bằng dầm I
Hình 2.1. Các kích thước của dầm
Hình 2.2. Tấm biên và tấm vách dầm trước khi chế tạo dầm I
Hình 2.3. Nguyên lý máy hàn tự động
Hình 2.4. Thiết bị hàn tự động
Hình 2.5. Trạm hàn tự động dưới lớp thuốc
Hình 2.6. Hình dây hàn sử dụng chế tạo dầm I
Hình 2.7. Hình thuốc hàn sử dụng chế tạo dầm I
Hình 2.8. Phương án hàn dầm số 1
Hình 2.9. Độ võng của phương án hàn dầm số 2 khi hàn xong mối hàn 1 và 2
Hình 2.10. Phương án hàn dầm số 2
Hình 2.11. Phương án hàn dầm thứ 3
Hình 2.12. Liên kết hàn giáp mối
Hình 2.13. Sơ đồ tính tốn kích thước mối hàn
Hình 2.14. Kích thước mối hàn giáp mối vát mép có khe hở
Hình 2.15. Kích thước mối hàn giáp mối vát mép có khe hở
Hình 2.16. Kích thước mối hàn góc trong khơng vát mép, hàn một lớp
Hình 2.17.. Sơ đồ tính tốn chiều cao tồn bộ kim loại đắp khi hàn nhiều lớp.
Hình 3.1. Biến dạng tồn phần của dầm I
Hình 3.2. Vùng ứng suất tác động và biểu đồ ứng suất do nội lực dọc trục gây ra
Hình 3.3 . Phương án hàn dầm số 1


Người thực hiện: Đinh Xn Tồn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

Hình 3.4 . Phương án hàn dầm số 2
Hình 4.1. Kích thước mối hàn góc trong khơng vát mép, hàn một lớp
Hình 4.2. Hệ số ngấu và hệ số đắp
Hình 4.3. Biểu thị vùng ứng suất biến dạng
Hình 4.4.Sơ đồ xác định nội lực và ứng suất
Hình 5.1. Liên kết hàn mẫu
Hình 5.2. Thiết bị hàn sử dụng thí nghiệm
Hình 5.3. Sơ đồ đo co dọc
Hình 5.4. Sơ đồ đo độ võng
Hình 5.5. Sơ đồ đo biến dạng góc
Hình 5.6. Các mẫu thử kiểm tra chế độ hàn
Hình 5.7.Vị trí đồng hồ đo kích thước dầm sau khi hàn đính
Hình 5.8. Hàn lần lư t các mối hàn
Hình 5.9. Chất lư ng đường hàn sau khi hàn xong các mối hàn
Hình 5.10.Các trị số biến dạngthay đổi sau khi hàn hoàn thiện các mối hàn
Hình 6.1. Hình ảnh máy nắn dầm
Hình 6.2. Các biện pháp giảm biến dạng hàn


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, ngành Hàn đã và đang
đóng một vai trị đặc biệt quan trọng. Ở đâu, chúng ta cũng bắt gặp các sản phẩm của
ngành Hàn từ gia đình đến các Cơng ty, tại các phân xưởng sản xuất hay các công
trường xây dựng. Đặc biệt các sản phẩm của ngành Hàn đang chiếm một tỷ trọng lớn

trong các lĩnh vực như: Đóng tàu, giao thơng, xây dựng, dầu khí, y tế, . Hiện nay,
ngành Hàn đang phát triển rất mạnh mẽ với sự ra đời của hàng loạt các phương pháp
hàn mới, không những hàn được kim loại với kim loại mà còn hàn được kim loại với
phi kim, hàn được vật liệu dẻo và vật liệu composite. Các thiết bị hàn ngày càng hiện
đại từ hàn hồ quang tay đến hàn Bán Tự Động, hàn Tự Động, Flux core, Mig/Mag…
nhằm giải phóng sức lao động cho con người và đem lại hiệu quả kinh tế và năng suất
lao động cao, giảm thiểu thời gian thao tác, thi công. Các sản phẩm của ngành hàn
ngày càng có tính ưu việt từ chất lượng đến kiểu dáng mẫu mã.
Việc nghiên cứu tính tốn trạng thái ứng suất và biến dạng khi hàn có
một ý nghĩa hết sức quan trọng. Biết được ứng suất và biến dạng của kết cấu
sau khi hàn cho phép đánh giá khả năng làm việc của kết cấu. Khi chế tạo và
lắp ghép do có ứng suất và biến dạng nên có những sai số nhất định, nhờ việc
nghiên cứu về chúng mà ta có thể đảm bảo được độ chính xác của kết cấu hàn.
Ta cần tính tốn ứng suất và biến dạng sẽ xuất hiện do hàn gây ra thì mới có
được quy trình cơng nghệ hàn phù hợp để giảm ứng suất và biến dạng.
Chất lượng của các tổ hợp dầm hàn thường phụ thuộc rất lớn vào hệ thống
hàn. Hiện nay, trong sản xuất tại các doanh nghiệp đã xuất hiện rất nhiều máy hàn
hiện đại, sử dụng các quy trình hàn, tiêu chuẩn quốc tế.Nếu quy trình hàn khơng
hợp lí, sẽ xuất hiện biến dạng và ứng suất dư rất lớn. Biến dạng sau khi hàn làm
thay đổi hình dạng và kích thước của dầm, ảnh hưởng đến quá trình chế tạo kết
cấu và chất lượng của nó. Ứng suất dư sau khi hàn làm giảm khả năng làm việc
của dầm. Vì vậy, việc nghiên cứu biến dạng và ứng suất dư khi hàn dầm chữ I cho
phép đánh giá khả năng làm việc của dầm và đưa ra các biện pháp để giảm biến
1


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

dạng, tăng độ chính xác khi chế tạo kết cấu dầm.
Chính vì tính cấp thiết của việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng hàn tác giả
đã chọn đề tài:
“Nghiên cứu biến dạng khi hàn dầm chữ I và biện pháp xử lý biến dạng
dư sau khi hàn”

2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu
- Xác định chế độ hàn khi hàn liên kết chữ I;
- Xác định ứng suất và biến dạng liên kết chữ I;
- Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến biến dạng của liên kết hàn chữ I ;
- Đưa ra các biện pháp để xử lý biến dạng dư sau khi hàn.
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là:
- Tính tốn và xác định chế độ hàn cho liên kết chữ I;
- Tính tốn ứng suất và biến dạng liên kết hàn chữ I;
- Ảnh hưởng của chế độ hàn đến biến dạng của liên kết hàn chữ I .
- Xác định chế độ hàn hợp lý để giảm biến dạng liên kết hàn chữ I.
Phạm vi nghiên cứu đi vào nghiên cứu, tính tốn ứng suất và biến dạng do co
dọc và do co ngang gây ra khi hàn dầm chữ I. Trước hết vùng ứng suất tác động và
nội lực tác động được xác định. Tiếp theo là biến dạng co dọc, biến dạng góc, mô
men uốn và độ võng dư của dầm sau khi hàn được tính tốn, dựa vào q trình
nghiên cứu ứng suất và biến dạng hàn liên kết chữ I, thực nghiệm nghiên cứu biến
dạng khi hàn liên kết chữ I, từ đó đưa ra chế độ hàn hợp lý để làm giảm biến dạng
khi hàn liên kết chữ I. Cuối cùng, tác giả đề cập đến một số biện pháp để giảm biến
dạng khi hàn dầm chữ I.

2

Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

3. Tóm tắt nội dung thực hiện
- Nghiên cứu tổng quan về dầm chữ I.
- Nghiên cứu vật liệu chế tạo dầm hàn.
- Kết cấu chung của dầm hàn.
- Xây dựng chế độ hàn dầm.
- Nghiên cứu thực nghiệm đo biến dạng hàn dầm.
- Các biện pháp xử lý và giảm biến dạng khi hàn dầm.
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 xác định được biến dạng khi hàn dầm chữ I.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của tác giả sẽ đóng góp thêm vào việc
nâng cao chất lượng của sản phẩm dầm hàn chữ I tại các doanh nghiệp, rút ngắn
đáng kể về thời gian và các công đoạn trong quá trình sản xuất. Làm cơ sở cho việc
nghiên cứu, tính tốn ứng suất và biến dạng hàn cho các sản phẩm cơ khí khác và
đạt được năng suất cao nhất khi sản xuất dầm chữ I nhưng vẫn đảm bảo chất lượng
của sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực
nghiệm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết;
- Tiến hành thực nghiệm tại xưởng Kết cấu thép 1 Công ty TNHH MTV Dịch vụ cơ
khí Hàng Hải - PTSC M&C.

3

Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.

Tổng quan về các loại dầm hàn và ứng dụng của chúng
Trong nền sản xuất cơ khí, sản lượng sản xuất bằng cơng nghệ hàn hoặc liên

quan đến hàn chiếm một tỷ trọng rất lớn. Cơng nghệ hàn đã và đang đóng một vai
trò đặc biệt quan trọng trong ngành sản xuất cơ khí. Tại một số ngành, có thể nói
cơng nghệ hàn là khơng thể thiếu vì nó chiếm khối lượng rất lớn. Điển hình là các
ngành cơng nghiệp như: Đóng tàu, Dầu khí, Cơng trình nổi, Ơtơ, Xây dựng…,
Dầm là loại cấu kiện cơ bản trong kết cấu.Về mặt chịu lực thì dầm chủ yếu chịu
uốn. Ưu điểm nổi bật của dầm thép là cấu tạo rất đơn giản, chi phí cho chế tạo dầm
khơng lớn, do đó dầm thép được sử dụng rất phổ biến.
Ngày nay, với xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật thì kết cấu thép ngày
càng được nghiên cứu,phát triển, hoàn thiện hơn, sử dụng ngày càng rộng rãi hơn
trong nhiều cơng trình khác nhau từ những cơng trình nhỏ như nhà ở, nhà máy, xí
nghiệp cho đến các cơng trình địi hỏi vượt nhịp lớn như nhà thi đấu, sân vận động,
hănga máy bay,… Dầm thép có rất nhiều loại tiết diện khác nhau như dầm hình (
chữ I, C, T, hình trịn…),dầm tổ hợp, dầm hộp,dầm có sườn lượn sóng,…
Mỗi loại dầm đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó tùy thuộc các
điều kiện về loại kết cấu cơng trình, tính tốn thiết kế ban đầu, về giải pháp kiến
trúc, thi công, điều kiện về kinh tế kỹ thuật,…mà sử dụng các loại dàm khác nhau.

Hình 1.1. Các loại dầm có biên dạng khơng đổi trong thực tế sản xuất

a) Dầm chữ T

b) Dầm chữ I

Theo sơ đồ chịu lực, có các loại dầm sau:
- Dầm đơn giản.
- Dầm liên tục.

4

c) Dầm chữ H


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

- Dầm consol.

Hình 1.2.Phân loại dầm theo sơ đồ kết cấu
* Theo đặc điểm cấu tạo:
- Dầm tổ hợp: Là dầm được làm từ các bản thép hoặc từ các bản thép và các
thép hình. Nếu dùng liên kết hàn để liên kết các bộ phận của dầm thì dầm được gọi
là dầm tổ hợp hàn, dầm chế tạo bằng Phương pháp hàn thường là dầm có kích thước
và khối lượng lớn hoặc là các dầm khơng theo bộ kích thước tiêu chuẩn. Dầm tổ
hợp hàn gồm 3 bản thép, 2 bản đặt nằm ngang gọi là 2 cánh dầm, bản đặt thẳng
đứng gọi là bụng dầm.

Hình 1.3. Ứng dụng của dầm I trong kết cấu nhà xưởng WS No1- Công ty
PTSC M&C

Dầm tổ hợp đinh tán hoặc bulông cũng gồm 1 bản thép đặt đứng làm bụng dầm,
còn mỗi cánh dầm cịn 2 thép góc ( thép chữ L) gọi là 2 thép góc cánh dầm và có
thể có thêm 1 đến 2 bản thép được đặt nằm ngang gọi là bản phủ cánh dầm.
- Dầm hình:
5


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

Được làm từ thép hình, thường sử dụng hai loại thép chữ I và thép chữ C.Trong đó
thép chữ I có tiết diện đối xứng, có mơmen chống uốn đối với trục x – x lớn nên
thích hợp khi chịu uốn phẳng, thép chữ C có tiết diện khơng đối xứng nhưng có
cánhrộng nên chịu uốn xiên hợp lý hơn.
- Dầm hộp: Dầm hộp là dầm được tạo từ các thanh thép (bản thép) ghép lại với
nhau bằng liên kết hàn.
- Dầm có sườn lượn sóng: là dầm có sườn được chế tạo theo hình lượn sóng nhằm
tăng cường độ ổn định cho thanh bụng đồng thời tăng độ ổn định cho dầm.
Do sườn được chế tạo theo hình lượn sóng làm mômen chống uốn của sườn
tăng, làm tăng độ cứng tổng thể của dầm.tuy nhiên do việc chế tạo sườn theo hình
lượn sóng nên việc chế tạo sẽ phức tạp hơn,cơng tác liên kết sườn với thanh bụng
khó khăn hơn so với dầm hình thơng thường.

1.2.

Ứng dụng của dầm hàn chữ I:

- Với dầm chữ I do có tiết diện đối xứng, lại có mơmen chống uốn khá lớn nên rất
hợp lý với những dầm chịu uốn phẳng như dầm sàn nhà, dầm sàn công tác, sàn kết

cấu, dầm cầu,….
-Với dầm thép chữ I còn tham gia trong lĩnh vực kết cấu xây dựng, xây dựng nhà
xưởng…..

Hình 1.4 Hình minh hoa ứng dụng của dầm I trong kết cấu chế tạo giàn khoan dầu khí.

6


Người thực hiện: Đinh Xn Tồn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

Hình 1.5. Hình ảnh dầm I chế tạo bằng phương pháp hàn

Hình 1.6 Hình ảnh chế tạo sàn thao tác dàn khoan bằng dầm I

1.3.

Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng khi hàn
dầm chữ I:

1.3.1 Tính kinh tế:
Trong quá trình chế tạo dầm hàn chữ I, ứng suất và biến dạng hàn có vai trị
quyết định khả năng làm việc của kết cấu.
Biến dạng dư trong hàn làm thay đổi hình dáng và kích thước của các chi tiết
được hàn, ảnh hưởng đến quá trình lắp ráp và chế tạo. Sau khi hàn tốn thời gian và
chi phí để xử lý biến dạng dư. Ngồi ra nó cịn ảnh hưởng rất lớn đến khả khả năng

7

Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

làm việc của kết cấu. Cần phải tính tốn các biến dạng dư xảy ra sau khi hàn để từ
đó có các biện pháp công nghệ hàn hợp lý để giảm biến dạng dư cũng như giảm ảnh
hưởng của chúng, đảm bảo độ chính xác và khả năng làm việc tốt cho kết cấu
hàn.Vì vậy muốn đạt được năng suất và hiệu quả sản xuất cao ta phải hạn chế tốt
được ứng suất và biến dạng hàn.
Từ đó ta thấy được giá trị tiềm ẩn của việc tính tốn ứng suất và biến dạng hàn để từ
đó tìm ra biện pháp khắc phục chúng.
1.3.2 Tính cơng nghệ:
- Sản xuất bằng cơng nghệ hàn là một phương pháp gia cơng có độ biến dạng
rất lớn. Vì vậy trong và sau khi gia công, các chi tiết hoặc kết cấu thường bị
thay đổi về cả hình dáng cũng như kích thước. Vấn đề này sẽ được giải quyết
khi ta tính tốn ứng suất và biến dạng hàn để từ đó đưa ra biện pháp khắc phục.
- Bên cạnh đó, trong thực tế sản xuất, có nhiều dạng chi tiết hay kết cấu có
những đường hàn phức tạp, có biên dạng đặc biệt mà nếu đơn thuần người
công nhân dù tay nghề rất cao cũng rất khó hoặc khơng thực hiện được một
cách tốt nhất. Vấn đề này sẽ được giải quyết thông qua q trình tính tốn ứng
suất và biến dạng hàn để từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục như: tiết kế đồ
gá hàn giải quyết nhiệm vụ: ―Luôn đưa chi tiết hàn về vị trí thuận lợi nhất‖ để
thực hiện công việc hàn, một số biện pháp công nghệ và kết cấu khi hàn.
Vì vậy việc nghiên cứu ứng suất dư và biến dạng sau khi hàn dầm chữ I
cho phép đánh giá khả năng làm việc của dầm và đưa ra các biện pháp để giảm
biến dạng tăng độ chính xác khi chế tạo kết cấu dầm. Luận án tác giả đi vào
nghiên cứu, tính tốn ứng suất và biến dạng do co dọc và do co ngang gây ra
khi hàn dầm chữ I theo phương pháp hàn lựa chọn . Trước hết vùng ứng suất

tác động và nội lực tác động được xác định. Tiếp theo là biến dạng co dọc, biến
dạng góc, mơ men uốn và độ võng dư của dầm sau khi hàn được tính toán.
Cuối cùng, đề cập đến một số biện pháp để giảm ứng suất và biến dạng khi
hàn dầm chữ I.

8


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

Kết luận chƣơng I
Trong chương 1, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:
1. Tổng quan về các loại dầm hàn
2. Ứng dụng của dầm hàn chữ I
3.Tính cấp thiết của đề tài
4. Từ những phân tích đó tác giả đi đến kết luận về tính cấp thiết của công việc
nghiên cứu ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I là phù hợp với khuôn khổ
luận văn của mình.

9


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

CHƢƠNG II. CÔNG NGHỆ HÀN DẦM CHỮ I
2.1. Cấu tạo của dầm chữ I.

Kết cấu của dầm I bao gồm 2 tấm biên ( hay còn gọi là bản bụng ) và 1 tấm
vách ( hay còn gọi là bản cánh ).

Trong đó:
 h: Chiều cao của dầm
 bC: Chiều rộng tấm biên
 hb: Chiều cao tấm vách
 δb: Chiều dầy tấm vách
 δc: Chiều dầy tấm biên
 a: chiều cao mối hàn
Đối với dầm có chiều dài lớn, thơng thường các biên và tấm vách được chế
tạo trước bằng các mối hàn giáp mối từ các tấm riêng lẻ để đạt được chiều dài
mong muốn. Sau đó tồn bộ kết cấu được lắp ghép thành một kết cấu hoàn
chỉnh nhờ các mối hàn đính. Cuối cùng là thực hiện 4 mối hàn góc giữa 2 tấm
biên và tấm vách.
Giữa hai tấm biên và tấm vách được liên kết với nhau bằng liên kết hàn
góc. Chiều cao dầm là kích thước cơ bản của dầm tổ hợp, chính nó đánh giá
10


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

khả năng chịu lực và giá thành của dầm.
Trong quá trình chế tạo kết cấu việc tính tốn và lựa chọn các kích thước
hợp lý sẽ tạo cho kết cấu sự hoàn hảo nhất đảm, bảo được các yêu cầu kỹ thuật
và kinh tế.
Tấm biên gồm hai tấm, có thể có chiều dầy giống nhau hoặc khác nhau.
Tấm biên thường có chiều dầy lớn hơn tấm vách. Tấm biên là một bộ phận

cấu thành nên dầm hàn chữ I, có vai trò liên kết với tấm vách tạo thành khối
liên kết cứng có khả năng chịu lực rất tốt.
Tấm vách cũng có cấu tạo giống như tấm biên, được chế tạo từ thép tấm.
Bản chất chịu lực trong kết cấu dầm I của tấm vách là tốt hơn tấm biên khi nó
chịu uốn.
Ngày nay, với xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật thì dầm chữ I ngày
càng được nghiên cứu,phát triển, hoàn thiện hơn, sử dụng ngày càng rộng rãi
hơn trong nhiều cơng trình khác nhau từ những cơng trình nhỏ như nhà ở, nhà
máy, xí nghiệp cho đến các cơng trình địi hỏi vượt nhịp lớn như tàu thuyền,
các cấu kiện dầu khí…

Hình 2.2. Tấm biên và tấm vách dầm trước khi chế tạo dầm I

2.2. Lựa chọn phương pháp hàn dầm
Hiện nay người ta sử dụng nhiều phương pháp hàn hồ quang cho việc hàn
chế tạo dầm như: hàn hồ quang tay, Mig/Mag, hàn flux core, hàn tự động hoặc bán

11


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

tự động dưới lớp thuốc hay trong mơi trường khí bảo vệ..Điều này phụ thuộc vào
điều kiện, khả năng sản xuất của Công ty. Nhưng, để nâng cao chất lượng cũng như
năng suất chế tạo của dầm hàn chữ I, trong thực tế người ta thường sử dụng phương
pháp hàn tự động, có thể là hàn tự động dưới lớp thuốc hoặc hàn tự động trong mơi
trường khí bảo vệ. Do nhiều ưu điểm nổi trội nên trong thực tế để hàn dầm chữ I,
phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc thường được sử dụng phổ biến và rộng rãi

hơn. Vì vậy, trong luận án này tác giả sẽ lựa chọn phương pháp hàn tự động dưới
lớp thuốc
Hàn hồ quang dưới lớp thuốc hay còn gọi là hàn hồ quang chìm, trong tiếng
Anh viết tắt là SAW (Submerged are welding) , là q trình hàn nóng chảy mà hồ
quang cháy giữa dây hàn (điện cực hàn) và vật hàn dưới một lớp thuốc bảo vệ.
Dưới tác dụng của nhiệt hồ quang, mép hàn, dây hàn và một phần của thuốc
hàn sát hồ quang sẽ bị nóng chảy tạo thành vũng hàn.Dây hàn được đẩy vào vũng
hàn bằng một cơ cấu đặc biệt với tốc độ phù hợp với tốc độ cháy của nó.Với hàn
tự động dưới lớp thuốc bảo vệ thì khâu cấp dây hàn vào vùng hồ quang và chuyển
động của hồ quang theo trục mối hàn được tự động hóa.

12


Người thực hiện: Đinh Xn Tồn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

Hình 2.3. Nguyên lý máy hàn tự động
Ưu điểm của hàn tự động dưới lớp thuốc:
- Khơng phát sinh khói, hồ quang kín, do đó làm giảm thiểu nhu cầu PPE.
Khơng đòi hỏi kỹ năng cao của thợ hàn, điều kiện lao động thuận lợi.
- Chất lượng kim loại mối hàn cao. Bề mặt mối hàn trơn và đều, không bắn tóe
kim loại . Tiết kiệm kim loai do sử dụng dây hàn liên tục.
- Tốc độ đắp và tốc độ hàn cao . Năng suất cao. Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, ít
biến dạng sau khi hàn. Dễ tự động hóa.
Tuy nhiên hàn tự động dưới lớp thuốc có một số nhược điểm sau:
- Phải làm sạch kim loại, vệ sinh mối hàn sạch trước khi tiến hành hàn
- Công tác chuẩn bị cho việc hàn công phu.
- Không quan sát được trực tiếp vũng hàn.Chỉ hàn được ở tư thế hàn xấp.

- Gía thành thiết bị cao.

13


Người thực hiện: Đinh Xn Tồn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

Hình 2.4. Thiết bị hàn tự động

Hình 2.5. Trạm hàn tự động

14


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

2.3. Lựa chọn vật liệu chế tạo dầm
Với phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc, vật liệu hàn ( bao gồm dây hàn
và thuốc hàn) có ảnh hưởng quyết định đến tính chất kim loại mối hàn. Loại dây
hàn ảnh hưởng đáng kể đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn. Thuốc hàn
cũng ảnh hưởng đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn và hình dạng mối
hàn. Do đó việc lựa chọn dây hàn và thuốc hàn là một bước hết sức quan trọng .
Chọn vật liệu- Kết cấu hàn là tổ hợp của nhiều chi tiết mà trong đó mỗi chi tiết
có chức năng và điều kiện làm việc khơng giống nhau. Do đó phải căn cứ vào yêu
cầu kỹ thuật của từng chi tiết để lựa chọn vật liệu chế tạo cơ bản sao cho hợp lý.
Vừa phải đảm bảo chất lượng năng suất và giá thành chế tạo kết cấu. Nói cách khác

là vật liệu phải đảm bảo đồng thời 2 chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật.
- Chọn vật liệu kim loại chế tạo dầm:
Để vừa đảm bảo độ bền vừa đảm bảo tính hàn , giá thành lại phù hợp ta chọn vật liệu
là thép CT38 (TCVN 1695-75) tương đương với thép CT3 (TC Nga ГOG380-71) . Bởi
vì loại vật liệu này được sử dụng phổ biến trên thị trường, nó vừa đảm bảo tính kính tế,
tính hàn tốt cũng như đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của kết cấu khi làm việc.
- CT38 có các thành phần và độ bền tương đương với các mác thép trên thế giới
như: SS400 (Jis - Nhật); Q235 (GB – Trung Quốc); A570Gr.A (ASTM - Mỹ);
S235JA (BS – Anh); S235JA (Din – Đức); CT3 (ГОСТ –Nga); S235JA (NF – Ph
áp)….
Bảng 2.1.Thành phần hóa học của thép CT38
Tiêu

Mác

Thành

chuẩn

thép

Chemical Composition

Standard

Grade

C

TCVN

0.14 - 0.22

phần

Si

hóa

Mn

0.12 - 0.30

1651 - 85
(1765 - 85
)
15

0.40 - 0.65

học

P

S

(max)

(max)

0.04

0.045


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

Bảng 2.2. Thành phần cơ tính của thép CT38
Độ

bền

Tiêu chuẩn

Mác thép (Mechanical Properties)

(Standard)

(Grade)

cơ

lý

Giới hạn chảy Giới hạn bền kéo Độ
(Yeild

Point) (Tensile

(N/mm2)

Strength)

giãn

dài

(Elongation)
(%)

(N/mm2)
TCVN
1651 - 85 CT 38

250

380 ÷ 490

26

(1765 - 85 )
- Thép CT38 là loại thép cacbon chất lượng thường. Là loại thép mềm dẻo, độ cứng
thấp , hiệu quả tôi và ram không cao . Được dùng để chế tạo các chi tiết trong kết cấu
nhưng qua gia cơng nóng . Do đó nó tính hàn tốt . Khi hàn khơng cầu phải dùng các
công nghệ đặc biệt . Tra bảng 5.1 cơ tính của thép thơng dụng phân nhóm A ( TCVN
1765 – 25) ta có:
+ Giới hạn chảy :
ζ c = 24 (kG/mm 2 )= 2400 ( kG/ cm 2 )

+ Mô đun đàn hồi :
E = 2,1.10 6 ( kG/ cm 2 )
+ Khối lượng riêng:
γ = 7,85 ( g/cm 3 ) = 7,85.10 3 ( kG/cm 3 )
-Với vật liệu dẻo: ζo = giới hạn chảy
Bảng2.3.Thống kê cơ tính của thép CT38:
Giới hạn chảy

Mơ đun đàn hồi

Khối lượng riêng

( kG/ cm 2 )

( kG/ cm 2 )

( kG/cm 3 )

ζ c =2400 ( kG/ cm 2 )

E = 2,1.10 6 ( kG/ cm 2 )

γ =7,85.10 3 ( kG/cm 3 )

16


Người thực hiện: Đinh Xuân Toàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương

Bảng 2.4. Thành phần hoá học của thép CT38
Nhãn hiệu thép

Thành phần hoá học
C

CT38

Mn

0,140,22 0,4 0,65

Si

P

S

0,120,3

<0,04

<0,05

- Chọn dây hàn:
Dựa vào thành phần hóa học và cơ tính của thép CT38 ta chọn dây hàn Linconl
premeierweld L8 của hãng sản xuất Linconl, đây là nhà cung cấp vật tư tiêu hao
nổi tiếng trên thế giới, hiện dây hàn Linconl premeierweld L8 đang sử dụng vào
việc chế tạo BG Beam của Topside dự án HRD trong Công ty PTSC M&C . Dây

hàn Linconl Premeierweld L8 áp dụng tiêu chuẩn tương đương với tiêu chuẩn
AWS A5.17:1997
. Dây hàn Linconl premeierweld L8là loại dây hàn có hàm lượng carbon, sillic thấp,
hàm lượng mangan tương đối cao, tạp chất lưu huỳnh và phốtpho vô cùng nhỏ tạo
ra mối hàn với nền kim loại tốt, có thể kết hợp với nhiều loại thuốc hàn khác nhau
tạo ra những mối hàn có chỉ tiêu cơ lý tương đối cao theo mong muốn.
Dây hàn Linconl premeierweld L8 thích hợp sử dụng cho hàn các kết cấu thép
carbon thấp và hợp kim trung bình như: bồn áp lực, đường ống, kết cấu thép chịu tải
trọng nặng, các kết cấu dân dụng, cầu đường, ôtô, tàu thuyền, kết cấu giàn khoan
dầu khí.

17