Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI THANH BÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG 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
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

KHOA CƠ KHÍ
TRƢỞNG KHOA
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 đƣợc 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/
iv

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

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 CƢỜNG 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 CƢỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN I, THAY ĐỔI U,V,
THỰC HIỆN VỚI QUY TRÌNH HÀN SMAW……………… ………… 46
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
vi

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
viii

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

8
Bảng 4.7
Giá trị chuyển vị góc của mối hàn giáp mối
SMAW
45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ix

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

Phân bố nhiệt độ tại tiết diện ngang x
1

22
Hình 3.1
Máy hàn WP300
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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/
x

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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hàn là phƣơng pháp nối các chi tiết máy thành một khối không thể tháo
rời đƣợc 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 trƣờng 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, phƣơng pháp hàn đƣợc ứng dụng rất phổ
biến để thay cho phƣơng pháp ghép cũ bằng đinh tán và bulông. Bằng phƣơng
pháp hàn, giá thành 01 con tàu giảm 30 ÷ 40%. Trong lĩnh vực xây dựng, hàn
là phƣơng pháp phổ biến để tạo ra các kết cấu thép, ngoài ra nó còn đƣợc 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
đƣợc sử dụng rộng rãi. Do thép các bon thấp không hợp kim là vật liệu đƣợc
sử dụng rất rộng rãi, có mặt gần nhƣ 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 thƣờng 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.

Ứng suất và biến dạng hàn đƣợc nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc rất
quan tâm. Với hƣớng chủ yếu trong nghiên cứu là ứng dụng tính toán các ứng
suất và biến dạng hàn trong quá trình hàn và qua đó đƣa ra chế độ công nghệ
hàn hợp lý nhằm đạt năng suất cao, chất lƣợng sản phẩm hàn tốt nhất. Có thể

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3

kể ra một số đề tài nghiên cứu đƣợc các tác giả trong nƣớc công bố gần đây
nhƣ:
Tác giả Nguyễn Tiến Dƣơng 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 Dƣơng 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 chƣa có
các công thức tính toán cụ thể. Tại hội nghị Khoa học Toàn quốc về Cơ học
Vật rắn biến dạng lần thứ mƣời, 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 nhƣ dùng phƣơng 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

Đề tài này nhằm thực hiện một số mục tiêu cụ thể nhƣ sau:
- Xác định đƣợc 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 đƣợc đánh giá qua
các thông số: Lƣợng co dọc của mối hàn, độ võng và biến dạng góc do co ngang.
- 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/
5

đúng đắn của lý thuyết và phƣơng pháp thực nghiệm.
- Phân tích so sánh và đánh giá ảnh hƣởng của các qui trình hàn (WPS)
mức độ biến dạng, và ứng suất dƣ 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 hƣởng 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 đƣợc chế độ hàn hợp lý cho độ biến dạng ít
nhất, từ đó so sánh với kết quả tìm đƣợc bằng lý thuyết.
1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
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
tƣợng 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 hƣớng ngƣợc lại.
1.4. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC.
- Đã tiến hành thực nghiệm trên loại máy WP 3000 – Panasonic

kết quả nghiên cứu tƣơng tự gần đây từ đó nêu bật đƣợc những đóng góp mới
của luận văn.
Phƣơng pháp nghiên cứu là kết hợp lý thuyết với thực nghiệm. Trong
đó phần tính toán lý thuyết sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 2, bằng việc đƣa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
7

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 đƣợc thực hiện trong chƣơng
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 đƣa ra các nhận xét kết luận.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
8

CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN MỐI HÀN GIÁP MỐI
2.1. GIỚI THIỆU
Chƣơng 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 trƣờng hợp với
các quy trình hàn khác nhau và cuối cùng phần 2.7 đƣa ra các kết luận chính
của chƣơng.
2.2. CÁC KIỂU HÀN GIÁP MỐI
Trong hàn giáp mối tùy theo chiều dày của phôi hàn, để đảm bảo liên kết

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 hƣởng 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/
10

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 tƣợng co ngang chỉ đƣợc xét nhƣ là nguyên nhân gây ra biến
dạng của mối hàn. Do vậy trong chƣơng 2 trƣớc hết ta sẽ đi xây dựng công
thức tính toán ứng suất và biến dạng lần lƣợt gây ra bởi co dọc và co ngang
trong các trƣờng 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
phƣơng pháp tính toán nhƣ: Tính toán theo nội lực tác dụng (theo lực co),
theo biến dạng thực Trong nội dung luận văn này tác giả sử dụng phƣơng
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) nhƣ 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 phƣơng 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


Để có cơ sở tính toán ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra khi hàn
giáp mối, ta xét trƣờng hợp đơn giản là hàn đắp lên mép tấm. Các kết quả tính Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
12

toán trong trƣờng hợp hàn đáp lên mép tấm chính là cơ sở để ta mở rộng tính
toán trong tất các các trƣờng 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 trƣờng hợp hàn đắp lên mép tấm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
13 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 tƣợng 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
nhƣ trên hình 2.5. Trong vùng ứng suất tác động, ứng suất dƣ tối đa là σ

hb




(2.3)
- Momen uốn do cặp lực nội lực tác động – nội lực phản kháng gây ra sẽ là:
.
2
Ph
M 
(2.4)
- Nếu bỏ qua các hạn chế giả tạo đi, độ võng dƣ tấm do momen này gây uốn
sẽ là: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
14

.
8
Ml
f
EJ

(2.5)
Với
3
1
.

2
3.
6
W2
Tn
u
b
M Ph
hh



  
(2.7)
Trong đó W=1/6 δ.h
2

b) Xác định kích thƣớc của vùng ứng suất tác động (giá trị b
n
)
Vùng ứng suất tác động là vùng bao gồm kim loại mối hàn và kim loại
cơ bản lân cận, đã chịu biến dạng dẻo – nén khi bị nung nóng bởi nguồn nhiệt
hàn.
Có hai phƣơng pháp xác định b
n
là phƣơng pháp đồ thị và phƣơng pháp tuần
tự xấp xỉ. Ở đây tác giả dùng phƣơng pháp đồ thị để xác định giá trị của b
n

* Các giả thiết cho tính toán giá trị b

1
và b
2
.
- Vùng b
1
: Nằm ở gần nguồn nhiệt hàn và bao gồm kim loại mối hàn và phần
kim loại cơ bản đã trải qua trạng thái biến dạng dẻo khi hàn (với thép cacbon
nhiệt độ tối đa của chúng khi hàn vƣợt 550-600
o
C).
- Vùng b
2
: Là vùng kim loại cơ bản đã trải qua trạng thái đàn hồi dẻo khi
hàn. Nhiệt độ tối đa của các thớ trong vùng này khi hàn không vƣợt quá 550-
600
o
C, nhƣng do bị nung không đồng đều, chúng vẫn bị biến dạng dẻo nén.
- Cách tính giá trị vùng b
1
: Khi hàn vùng b
1
ở trạng thái chảy-dẻo. Nó phụ
thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ : công suất nguồn nhiệt, vận tốc hàn, các tính chất
lý nhiệt của vật liệu,
1
( , , , )b f q v c

