42
Ch-ơng 3 Biến dạng và ứng suất khi hàn
3.1. Nguồn nhiệt và ảnh h-ởng của nó đến
kim loại vật hàn
3.1.1. Yêu cầu chính đối với nguồn nhiệt để hàn
Nh- trên đã biết, phần lớn công việc hàn chỉ tiến hành đốt nóng cục bộ
các chi tiết hàn đến một nhiệt độ xác định tùy thuộc kim loại vật hàn và ph-ơng
pháp hàn. Với các ph-ơng pháp hàn chảy thì nhiệt độ đốt nóng chỗ định hàn T
h
phải lớn nhiệt độ chảy T
c
. Khi hàn áp lực thì nhiệt độ hàn phải lớn hơn nhiệt độ
tối thiểu T
1
nào đó để có thể hàn và thỏa mãn đ-ợc các yêu cầu kỹ thuật. T
h
và T
1
phụ thuộc vật liệu hàn.
Muốn sử dụng một cách có lợi nhất nguồn nhiệt hàn thì phải triệt để tập
trung nhiệt để vật hàn chỉ bị đốt nóng khối l-ợng tối thiểu cần thiết. Khi hàn đốt
nóng bằng ngọn lửa, thực tế năng l-ợng ngọn lửa không thể sử dụng toàn bộ
đ-ợc. Hiệu suất của ngọn lửa đ-ợc tính nh- sau:
=
tc
C
Q
Q
Q
c
: Là năng l-ợng sử dụng hữu ích

20 100 200 300 400 500 600
t
0
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
4
10
1) mô đun đàn hồi
2) ứng suất bền
3) ứng suất chảy
4)hệ số giãn nở nhiệt.
5) độ giãn dàI t-ơng
đối
Hình 3.1. Cơ tính của thép phụ thuộc vào nhiệt độ
Nh- vậy ở vùng hàn sẽ có những phản ứng hóa lý của quá trình luyện kim
còn kim loại ở các vùng lân cận và kim loại ở mối hàn đã đông đặc thì xảy ra
quá trình thay đổi về tổ chức và thay đổi cả về thể tích, làm cho cơ lý tính của
kim loại vật hàn cũng bị thay đổi. Cơ tính của kim loại thay đổi chủ yếu phụ
thuộc vào trạng thái nhiệt độ của nó.
Hiện nay ng-ời ta ch-a nghiên cứu đầy đủ cơ tính của kim loại ở nhiệt độ
cao, mới chỉ nghiên cứu t-ơng đối tỷ mỷ về cơ tính của kim loại trong vùng đàn
hồi. Hình 2.1 biểu hiện sự thay đổi cơ tính của thép phụ thuộc vào nhiệt độ khi
nung nóng đến 500
600
0
C. Môđuyn đàn hồi E khi đốt nóng sẽ giảm từ từ, còn
hệ số giãn nở nhiệt

0
C thì giới hạn chảy
ch
sẽ giảm mạnh
cho đến bằng không khi nhiệt độ trên 600
0
C.
3.2. sự tạo thành ứng suất khi hàn và biến dạng hàn
3.2.1. Khái niệm chung về ứng suất khi hàn
Khi hàn ta tiến hành nung nóng cục bộ và trong một thời gian ngắn đạt
đến nhiệt độ rất cao. Do nguồn nhiệt luôn di động lên phía tr-ớc nên những khối
kim loại mới đ-ợc nung nóng còn những phần kim loại đằng sau dần dần đồng
đều về nhiệt độ. Sự phân bố nhiệt độ theo ph-ơng thẳng góc với h-ớng hàn rất
khác nhau, do đó sự thay đổi thể tích ở các vùng lân cận mối hàn cũng khác
nhau, đ-a đến sự tạo thành nội lực và ứng suất trong vật hàn.
l
l
0
Hình 3.2. Khảo sát biến dạng hàn
Khi hàn đắp giữa tấm hay hàn giáp mối, hai tấm hàn có cùng chiều dày thì
sự phân bố nhiệt theo tiết diện nggang sẽ không đều làm cho sự giãn nở của kim
loại sẽ không đều, ứng suất bên trong khi nung nóng và làm nguội cũng khác
nhau. Ta giả thiết sự giãn nở của các dài kim loại của tấm là tự do và không ảnh
h-ởng lẫn nhau thì độ giãn nở tự do của mỗi một dải sẽ là:
l
0
= . T . l
- Là hệ số giãn nở nhiệt của kim loại (1/
0
C)

3.2.2. Ph-ơng pháp tính toán biến dạng và ứng suất khi hàn
Các bài toán về biến dạng và ứng suất khi hàn rất phức tạp, đặc biệt là
trong thực tế các kết cấu hàn th-ờng gồm nhiều chi tiết hàn có nhiều đ-ờng hàn,
trong quá trình hàn sẽ gây những tác dụng t-ơng hỗ làm cho sự tạo thành các
ứng suất và biến dạng càng trở lên phức tạp.
ở đây chỉ trình bày một vài ph-ơng
pháp tính toán biến dạng và ứng suất khi hàn trên cơ sở của nội ứng lực tác dụng
trong mối hàn của các kết cấu đơn giản. Việc tính toán này dựa trên các giả thiết sau:
-
ứng suất d- (là ứng suất sinh ra trong quá trình nung nóng không đều)
khi hàn đ-ợc cân bằng trong vùng tiết diện ảnh h-ởng và đạt đến giới hạn chảy

ch
.
46
- Tấm đốt nóng không bị ảnh h-ởng bên ngoài.
- Biến dạng của kết cấu hàn phù hợp với giả thiết tiết diện phẳng.
3.3. biến dạng và ứng suất do co dọc khi hàn giáp mối
3.3.1. Xác định nội ứng lực tác dụng (hình 3.3)
Theo lý thuyết sức bền ta có nội lực tác dụng là:
P =

t
. F
C

t
- ứng suất sinh ra khi hàn

t

0
C) và E = 2,1 . 10
7
(N/cm
2
). Do
đó
E 250 N/cm
2 0
C. Khi nhiệt đọ nung tăng đến 100
0
C thì
t
25000 N/cm
2
t-ơng ứng với giới hạn chảy của các thép thông th-ờng. Khi nhiệt độ tăng cao
hơn nữa thì ứng suất sinh ra sẽ không còn tuân theo định luật Huc nữa và giới
hạn chảy sẽ giảm xuống khi nhiệt độ tăng lên. Trong tính toán ta lấy giá trị tối đa

t
=
ch
nên:
P =

ch
. F
e
F
e

. Vùng b
1
tiếp giáp ngay với trục hàn gồm kim loại
chảy của mối hàn và kim loại cơ bản đ-ợc nung nóng đến trạng thái dẻo; cơ bản
đ-ợc nung nóng đến nhiệt độ thấp hơn 550
0
C nh-ng vì nhiệt độ nung không đều
nên nó tạo tành biến dạng nén - dẻo và kim loại ở trạng thái dàn hồi - dẻo. Độ
lớn của vùng b
1
phụ thuộc vào công suất của nguồn nhiệt, tốc độ hàn, khối l-ợng
kim loại chảy và tính chất hóa lý của kim loại. Ta có thể tính b
1
theo công thức
kinh nghiệm sau:
b
1
=
C550 C.S.v
q484,0
0
0

q - Năng l-ợng hữu ích của nguồn nhiệt (cal/s)
v - Tốc độ hàn (cm/s)
c - Nhiệt dung của kim loại (cal/g.
0
C)
S
0

l-ợng nhiệt riêng phần q
0
, q
0
đ-ợc xác định theo công thức sau:
q
0
=
0
vS
q
(cal/cm
2
)
48
q: Năng l-ợng hữu ích của nguồn nhiệt (cal/s)
v - Tốc độ hàn (cm/s)
S
0
- Tổng chiều dày truyền nhiệt (cm)
Nh- vậy vùng biến dạng dẻo - đàn hồi b
2
là hàm số của các biến số q
0
, h,

ch
, b
2
= f (q

giản đồ xác định hệ số k
2
theo q
0
cho phép cacbon thấp có
ch
= 22.000 N/cm
2
và
thép chấp l-ợng cao có

ch
= 28.000 N/cm
2
Các loại thép khác có thể nội suy theo công thức:
k
2
= k
2
ch
ch
'

'
ch
- là giới hạn chảy của loại thép cần xác định k'
2
h: Chiều rộng toàn bộ vùng ứng suất của tấm hàn. Đối với hàn tự động thì
h khoảng 300
350mm, đối với hàn hồ quang tay h < 250 mm.



3.3.2. Xác định độ co dọc của vật hàn
49
Xác định độ co dọc của vật hàn có thể tính theo ứng suất phản kháng d-

2
- là ứng suất sinh ra ở những vùng không đ-ợc nung nóng trực tiếp - ở dải bị
nén dọc đàn hồi sau khi nguội. Trị số độ co dọc
l đ-ợc tính theo công thức:
l =
E
2

. l
ứng suất
2
sinh ra do nội ứng lực tác dụng P gây nên nén dọc, đ-ợc xác
định theo công thức sau:

2
=
c
FF
P

F : Tiết diện ngang toàn bộ vùng ứng suất của vật hàn
F
c
: Tiết diện ngang của vùng ứng suất tác dụng

thì nó sẽ sinh ra mômen uốn lệch và làm cho tấm bị cong (hình 3.4).
b
0
b
2
b
1
h
l

ch
Pc
P
Pa
a
c
Ma
Mc
Hình 3.4. Tính độ võng liên kết hàn giáp mối.
50
Khi đó ta vẫn có nội lực tác dụng.
P =

ch
. b
n
. S
Nh-ng nội lực phản kháng do ứng suất phản kháng

2

b
n
S =
2
S (a + c)
Ta rút ra:

2
=
n0
nchnch
bh
b
ca
b





Lấy mômen của các nội lực phản kháng đối với tâm của vùng ứng suất tác
dụng ta có:
M
a
= P
a
2
ba
n


n

-
2
cS
2
bc
n

Thay trị số
2
vào ta đ-ợc :
M =
)(2

no
nch
bh
bS


(a + b
n
+ c) (a - c)
a + b
n
+ c= h
0
và
ch

caPh
W
M
n




u
=



n00
nch
bhh
cab3



W - mômen chống uốn của tiết diện toàn bộ vật hàn. Do mômen uốn M
làm vật hàn bị cong đi (nh- đ-ờng chấm chấm trên hình 3.4). Theo lý thuyết sức
bền, độ võng tại một điểm bất kỳ x đ-ợc tính theo công thức:
f(x)=


EJ
xxM
2
1)(

bhEh
lcab


0
2
0
2
5
3

Khi hàn đắp vào cạnh tấm thì c = 0; h
0
- b
n
= a
f =
2
0
2
nch
Eh4
lb3

3.4 biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối
Khi hàn giáp mối mỗi vật hàn ngoài tình trạng co dọc còn bị co ngang gây
ra do ứng suất tác dụng theo ph-ơng thẳng góc với mối hàn. Sự co ngang tạo nên
một biến dạng nguy hiểm là biến dạng góc.
Xét tr-ờng hợp mối hàn một tấm kẹp chặt còn một tấm kẹp chặt còn một
tấm để tự do.


Lấy tích phân cả hai vế ta có
góc quay toàn phần là :
= 2 . T


2/b
0
22
Sx
dx
= 2 T. ln
















1
S2


Khi mối hàn nguội từ 600
0
C đến 0
0
C thì độ co t-ơng đối của kim loại sẽ là:
T = 0,0072; Với = 12.10
-6
[1/
0
C]
Cuối cùng ta có biến dạng góc
là: = 0,0144 . tg
2

53
3.5 biến dạng và ứng suất khi hàn góc
Trong công nghệ hàn, các kết cấu hàn góc cũng đ-ợc sử dụng khá nhiều,
nó gồm các loại kết cấu: chữ T, th-ớc thợ và hàn chồng. Những nguyên nhân
sinh ra ứng suất và biến dạng nh- đã trình bày ở trên, chỉ có dạng kết cấu khác
nhau thì biến dạng khác nhau.
3.4.1. Biến dạng và ứng suất của mối hàn góc th-ớc thợ
Xét mối hàn th-ớc thợ nh- hình vẽ( 3.5)

P1
b
1
b
2
Hình 3.5. Khảo sát mối hàn th-ớc thợ

ứng suất phản kháng chiều trục ở các dải ngoài vùng tác dụng là:

2
=
n
nch
c
bh
b.
FF
P




F - là tiết diện ngang toàn bộ vùng ứng suất của vật hàn
54
F
c
- là tiết diện ngang của vùng ứng suất tác dụng.
Do ảnh h-ởng của nội lực nên tạo thành mômen uốn M
1
ở mỗi tấm là:
M
1
=
2
h.P
1
P


W
M
u
Ư


Độ võng của nó sẽ đ-ợc xác định theo công thức sau:
f =
EJ
Ml
8
2

l - là chiều dài của mối hàn.
3.4.2. Biến dạng và ứng suất của mối hàn chồng:
Tùy thuộc vào vị trí của mối hàn, góc t-ơng ứng với ph-ơng của ngoại lực
tác dụng và kết cấu của các tấm hàn mà ng-ời ta chia mối hàn chồng ra làm
nhiều loại giới thiệu trên hình(3.6).
55
Hình 3.6 Các kết cấu hàn chồng
Đặc tính của quá trình đốt nóng mối hàn chồng là trục nóng chảy nằm trên
bề mặt một tấm, còn tấm kia thì bị đốt nóng một cạnh. Do đó vùng ảnh h-ởng
nhiệt đối với một tấm thì giống nh- tr-ờng hợp hàn đắp lên bề mặt của tấm, còn
đối với tấm kia thì giống nh- tr-ờng hợp hàn đắp vào mép của tấm, biểu thị trên
hình 2.11. Vùng nung nóng dến trạng thái dẻo đ-ợc xác định nh- sau:
b
1
=
CCSv

c
= (2b
1
+ b
21
+ b
'
21
)S
1
+ ( b
1
+ b
22
)S
2
+
2
2
K
Trong đó:
b
1
- là chiều rộng của vùng đ-ợc nung nóng đến trạng thái dẻo.
b
21
và b
'
21
- là chiều rộng của vùng đ-ợc nung nóng đến trạng thái dẻo-đàn

56
cong lên. Xét tr-ờng hợp hàn chồng một tấm để tự do không bị kẹp chặt, còn
tấm kia đặt cố định trên mặt phẳng.
Sau khi hàn song, để nguội d-ới tác dụng của lực co ngang tấm hàn đ-ợc
để "tự do" sẽ tự quay đi một góc
Trị số co ngang ở những thớ ngoài của kim
loại mối hàn đ-ợc tính theo công thức:

T
tb
.b
T
tb
- là nhiệt độ của kim loại chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái đàn
hồi, đối với thép lấy bằng 600
o
C.
b - là cạnh huyền của góc mối hàn b = 1,4 S. Nh- vậy nếu chiều dày càng
lớn, b sẽ càng lớn và độ co ngang
cũngsẽ càng lớn.
Từ đó góc quay của tấm tự do
đ-ợc xác định theo công thức:

tb
T
b
.2
2



57
Kết cấu chữ T th-ờng gồm hai tấm thép, bản thành và bản cánh hàn ghép
lại với nhau bằng hai mối hàn góc nh- hình (3.7)
Vùng ứng suất tác dụng đ-ợc tính toán nh- các tr-ờng hợp trên và ta có:
F
c
= (2b
1
+ 2b
21
+ S
2
)S
1
+ ( b
1
+ b
22
)S
2
+K
2
Trị số của nội lực P tác dụng dọc trục mối hàn sẽ là:
P =

ch
. F
c
ứng suất phản kháng
2

- b
21
-
2
S
2
) S
1
P
2
- Là nội lực phản kháng tác dụng lên phần còn lại của bản thành dầm chữ T
P
2
=
2
(h
2
- b
1
- b
22
) S
2
Mômen uốn sinh ra do các nội lực phản kháng sẽ là:

1122
Y.P2Y.PM


Y


ch
và ứng suất phản kháng
2
:
2cho





Vì vậy nội lực tác dụng lớn nhất có thể xảy ra (còn gọi là nội lực khả dĩ)
trên tiết diện tác dụng F
c
là:
c2chcoo
F).(FP






Do đó mômen đ-ợc tính theo công thức sau:
oo
Y.PM

Y
o
: là khoảng cách từ trọng tâm của dầm đến trọng tâm của vùng ứng suất

(M
1
= P
01
. Y
0
)
59
l - Là chiều dài của dầm
J
1
- Là mômen quán tính của dầm khi ch-a có bản cánh trên.
Khi ta quay ng-ợc dầm 180
0
và hàn nốt hai mối 3 và 4; khi đó ta lấy gần
đúng khoảng cách từ trọng tâm của dầm đến trọng tâm của vùng ứng suất tác
dụng của mối hàn 3 và 4 là bằng thì:
M
2
=
2
h.P
202
P
02
- Là nội lực tác dụng khả dĩ của mối hàn 3 và 4
h
2
- Là chiều cao của vách dầm


2
1
2
1
J.h
J.Y2
lM.EJ8
EJ8.lM
f
f

Y
0
: Là khoảng cách từ trọng tâm của dầm chữ T đến trọng tâm của vùng
ứng suất tác dụng khi hàn hai mối hàn 1, 2.
Trị số Y
0
của dầm chữ T khi hàn dầm chữ I bằng 1/4 đến 1/3 chiều cao
của bản thành và mômen quán trình của dẫm chữ I lớn hơn khoảng hai lần dầm
chữ T, do đó:
12
0
Jh
JY2
= (0,5 0,66) 1
J
J
1

Rút ra: 1

là nội lực tác dụng khả dĩ khi hàn mối hàn 1, 2 và 3,4.