LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào đang
sử dụng và các công trình đã đƣợc công bố (ngoại trừ các bảng số liệu tham khảo và
những kiến thức cơ bản trong các tài liệu học tập nghiên cứu đƣợc phép sử dụng).
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.
Hà Nội, tháng 9 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Ngọc Cảnh

1


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin cảmPGS.TS. Nguyễn Tiến Dƣơng, ngƣời đã hƣớng dẫn trực
tiếp và giúp đỡ tận tình trong việc định hƣớng nghiên cứu, tổ chức thực hiện đến
quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Viện Cơ Khí và Viện đào
tạo Sau đại học – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để
hoàn thành bản Luận văn này.
Tác giả trân cảm ơn lãnh đạo khoa cơ khí trƣờng Cao Đẳng Nghề Dịch Vụ
Hàng Không –AIRSERCO, Doanh nghiệp sản xuất cơ khí Tiến Tú đã tạo điều kiện
cho tôi hoàn thành phần thực nghiệm của luận văn này.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn khó 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 đồng nghiệp.

Hà Nội, tháng 9 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Ngọc Cảnh

2.1.4.Phƣơng pháp hàn TIG .............................................................................20
2.2. Nguyên lý đặc điểm và ứng dụng của hàn MAG/MIG .................................21

3


2.2.1. Nguyên lý quá trình hàn .........................................................................21
2.2.2. Đặc điểm của quá trình hàn ....................................................................22
2.2.3. Phạm vi ứng dụng ...................................................................................22
2.3. Vật liệu và thiết bị hàn MAG/MIG................................................................23
2.3.1. Dây hàn (điện cực nóng chảy) ................................................................23
2.3.2. Khí bảo vệ...............................................................................................24
2.3.3. Thiết bị hàn MAG/MIG..........................................................................26
2.4. Chế độ và kỹ thuật hàn ..................................................................................29
2.4.1. Chế độ hàn ..............................................................................................29
2.4.2. Kỹ Thuật hàn MAG /MIG ......................................................................38
2.5. Tính toán và xác định chế độ hàn cho liên kết hàn chữ T .............................39
2.5.1. Cơ sở tính toán chế độ hàn cho liên kết hàn chữ T ................................39
2.5.2. Xác định chế độ hàn cho liên kết hàn chữ T ..........................................40
Kết luận chƣơng 2 .....................................................................................................47
CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT
CHỮ T .......................................................................................................................47
3.1. Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất và biến dạng liên kết hàn chữ T .............47
3.1.1. Ứng suất và biến dạng do co dọc trong liên kết hàn chữ T ....................47
3.1.2. Ứng suất và biến dạng do co ngang trong liên kết hàn chữ T ................54
3.2. Tính toán ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết chữ T ................................59
3.2.1. Tính toán ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra .................................60
3.2.2. Ứng suất và biến dạng do co ngang .......................................................62
Kết luận chƣơng III ..................................................................................................63
CHƢƠNG 4. ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN

6.2.2. Biện pháp xử lý nhiệt .............................................................................89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................91
1. Kết luận .............................................................................................................91
2. Kiến nghị...........................................................................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................93

5


CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Đơn vị

b

[mm]

Kích thƣớc các vùng tính toán



[mm]

Chiều dày vật liệu

h

[mm]


Ứng suất tiếp

E

[KN/cm2]

Mô đun đàn hồi

γ

[g/cm3]

Khối lƣợng riêng

μ

Nội dung

Hệ số Possion

YA

[mm]

Chuyển vị

F

[mm2]


mm

Cạnh mối hàn

Ih

(A)

Cƣờng độ dòng điện hàn

Uh

(V)

Điện áp hàn

Vh

(m/h)

Tốc độ/ vận tốc hàn

qđ

(J/s)

Năng lƣợng đƣờng

Độ dai va đập
Mômen

nhô điện cực (b).........................................................................................................36
Hình 2-12. Ký hiệu liên kết hàn chữ T......................................................................40
Hình 3-2. Đồ thị tra hệ số k .......................................................................................49
Hình 3-3. Biểu đồ xác định nội lực ...........................................................................50
Hình 3-4. Biểu đồ ứng suất .......................................................................................51

8


Hình 3-5. Biểu đồ nội lực và ứng suất ......................................................................52
Hình 3-6. Biểu đồ biến dạng .....................................................................................54
Hình 3-7. Biến dạng góc khi hàn một phía ...............................................................55
Hình 3-8. Biến dạng góc khi hàn hai bên ..................................................................56
Hình 3 -9. Biến dạng do co ngang và uốn biên .........................................................57
Hình 3-10. Các trƣờng hợp biến dạng do uốn biên gây ra ........................................58
Hình 3-11. Ký hiệu liên kết hàn chữ T......................................................................59
Hình 3-12. Biến dạng sau khi hàn .............................................................................62
Hình 4-1. Đồ thị ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất ........................................70
Hình 4-2. Đồ thị ảnh hƣởng của chế độ hàn đến biến dạng ......................................70
Hình 5-1. Liên kết hàn chữ T ....................................................................................72
Hình 5-2. Thiết bị hàn thực nghiệm ..........................................................................73
Hình 5-3. Sơ đồ đo độ võng, độ co dọc ....................................................................75
Hình 5-4. Sơ đồ đo độ võng ......................................................................................76
Hình 5-5. Chế độ hàn chƣa hợp lý ............................................................................77
Hình 5-6. Chế độ hàn hợp lý .....................................................................................77
Hình 5-7. Chuẩn bị phôi ............................................................................................78
Hình 5-8. Gá đính chi tiết ..........................................................................................78
Hình 5-9. Đo độ võng và co dọc trƣớc khi hàn .........................................................79
Hình 5-10. Đo biến dạng góc trƣớc khi hàn..............................................................80
Hình 5-11. Chỉnh máy trƣớc khi hàn ........................................................................80

sốnhấtđịnh,nhờviệcnghiêncứuvềchúngmàtacóthểđảmbảođƣợcđộchínhxáccủakết
cấuhàn.Tacầntínhtoánứngsuấtvàbiếndạngsẽxuấthiệndohàngâyrathìmớicóđƣợcquy
trìnhcôngnghệhànphùhợpđểgiảmứngsuấtvàbiếndạng.
Nhân tố ảnh hƣởng tới ứng suất và biến dạng hàn chính là chế độ hàn, với
mỗi chế độ hàn khác nhau sẽ đƣợc một giá trị ứng suất và biến dạng hàn khác
nhau.Chính vì vậy việc nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất và
biến dạng là rất quan trọng.
Trong các loại liên kết hàn nhƣ: liên kết hàn giáp mối, liên kết hàn góc,

10


liên kết hàn chồng, liên kết hàn chữ I, thì liên kết Hàn chữ T đƣợc sử dụng rất
nhiều trong việc chế tạo kết cấu đặc biệt là các kết nhà xƣởng, các công trình
giao thông vận tải, đóng tàu…, nơi mà khối lƣợng hàn chiếm tỷ trọng rất lớn.
Chính vì tính cấp thiết của việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng hàn tác giả
đã chọn đề tài:
((Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết hàn
chữ T))

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 T;
- Xác định ứng suất và biến dạng liên kết chữ T;
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng của liên kết hàn
chữ T ;
- Đƣa ra đƣợc chế độ hàn hợp lý để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết chữ
T.
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là:

Đạt đƣợc năng suất cao nhất khi sản xuất các liên kết hàn chữ T nhƣng vẫn
đảm bảo chất lƣợng của sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Đề tài đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực
nghiệm.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết
- Tiến hành thực nghiệm Doanh nghiệp sản xuất cơ khí Tiến Tú, Xƣởng thực hành
trƣờng Cao Đẳng Nghề Dịch Vụ Hàng Không - AIRSERCO.

12


CHƢƠNG I.TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về các liên kết hàn chữ T và ứng dụng của chúng
1.1.1. Tổng quan về các liên kết hàn chữ T
Trong ngành sản xuất cơ khí, các sản phẩm đƣợc sản xuất bằng công nghệ
hàn hoặc liên quan đến hàn chiếm một tỷ trọng rất lớn.Công 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 công nghệ hàn là không thể thiếu vì nó chiếm khối lƣợng rất lớn. Điển
hình là các ngành công nghiệp nhƣ: Đóng tàu, Ôtô, Xây dựng, giao thông v.v...
cácsản phẩm hàn rất đa dạng với nhiều kiểu dáng, kích thƣớc và khối lƣợng khác
nhau, đƣợc liên kết với nhau bởi các dạng liên kết cơ bảnnhƣ sau:

a)

b)

c)


+Theo tiết diện ngang

a)

b)

c)

Hình 1-4. Các dạng vát mép mối hàn góc trong liên kết chữ T
a) Mối hàn không vát mép;b) Vát mép từ một phía ;c) Vát mép từ hai phía
+Theo chiều dài, mối hàn góc có thể là hàn liên tục (hình 1-5a), hàn gián đoạn (hình
1-5 b).

14


a)

c)

b)

d)

e)

Hình 1- 5. Các mối hàn góc trong liên kết chữ T
+Theo bƣớc hàn, có phân bố các mối hàn kiểu gián đoạn so le (hình 1-5c), và
gián đoạn song song (hình 1-5 d).
1.1.2. Ứng dụng của liên kết hàn chữ T

Vì vậy muốn đạt đƣợc năng suất và hiệu quả sản xuất cao ta phải hạn chế tốt
đƣợc ứng suất và biến dạng hàn.
Từ đó ta thấy đƣợc giá trị của việc tính toán ứng suất và biến dạng hàn để
tìm ra biện pháp khắc phục chúng. Làm tăng khả năng làm việc của kết cấu và hạ
giá thành của sản phẩm.
1.2.2. Tính công nghệ

Các chi tiết đƣợc sản xuất bằng công nghệ hàn là một phƣơng pháp gia
công có độ biến dạng rất lớn và ứng suất tồn tại bên trong kết cấu có thể làm phá
hủy chi tiết trong quá trình làm việc.Vì vậy trong và sau khi gia công, các chi tiết
hoặc kết cấu thƣờng bị thay đổi về hình dáng cũng nhƣ kích thƣớc.Vấn đề này sẽ
đƣợc giải quyết khi ta tính toán ứng suất và biến dạng hàn để từ đó đƣa ra biện pháp
khắc phục.
Ví dụ: Khi hàn các chi tiết thƣờng bị co mộtđoạn Δl, nếu không tính toán độ
biến dạngđó thì khi lắp ráp các chi tiết sẽ bị hụt mộtđoạn Δl do đó không thể lắp ráp
đƣợc. Nhờ tính đƣợc độ biến dạng trƣớc khi hàn ta sẽ bù thêm phần chiều dài Δl
giúp cho việc lắp ráp chính xác hơn.
Bên cạnh đó, trong thực tế sản xuất, có nhiều dạng chi tiết hay kết cấu có
những đƣờng hàn phức tạp, có biên dạng đặc biệt nếu không tính toánứng suất và
biến dạng tì chúng ta sẽ không biết nên hàn đƣờng nào trƣớc, đƣờng nào sau để làm
giảm đƣợcứng suất và biến dạng.
Ví dụ: trong kết cấu hàn có đƣờng hàn góc, đƣờng hàn giáp mối thìƣu tiên
hàn mối hàn giáp mốitrƣớc , mối hàn góc sau. Vì mối hàn giáp mối có độ co ngang
lớn.
Sử dụng đồ gá hàn đểđƣa chi tiết về vị trí thuận lợi để hàn khi đó vừa giảm
đƣợcứng suất, vừa giảm đƣợc biến dạng hàn ví dụ: Khi hàn Tự Động dƣới lớp thuốc
ngƣời ta luôn đƣa chi tiết về vị trí hàn bằng.

17


- Hàn đƣợc ở mọi tƣ thế không gian khác nhau.
- Không yêu cầu khắt khe về gá lắp kết cấu.
Nhƣợcđiểm:
- Năng suất thấp do cƣờng độ dòng điện hàn bị hạn chế.
- Hình dạng, kích thƣớc và thành phần hóa học của mối hàn không đồng đều do tốc
độ hàn bị dao động, làm cho phần kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn bị thay đổi.
- Chiều rộng vùng ảnh hƣởng nhiệt tƣơng đối lớn do tốc độ hàn nhỏ.
- Điều kiện làm việc của ngƣời thợ hàn độc hại do bức xạ, hơi, khí độc.
- Chất lƣợng mối hàn phụ thuộc vàotay nghề ngƣời thợ.
2.1.2.Phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc
Ƣu điểm:
- Không phát sinh khói; hồ quang kín, do đó làm giảm thiểu nhu cầu đối với trang
phục bảo hộ của thợ hàn. Không đòi hỏi kỹ năng cao của thợ hàn; điều kiện lao
động thuận lợi.

19


- Chất lƣợng kim loại mối hàn cao. Bề mặt mối hàn trơn và đều, không có bắn tóe
kim loại. Chất lƣơng mối hàn cao hơn so với hàn hồ quang tay do hình dạng và bề
mặt mối hàn tốt. Tiết kiệm kim loại do sở dụng dây hàn liên tục.
- Tốc độ đắp và tốc độ hàn cao. Có năng suất cao hơn từ 5÷10 lần so với hàn hồ
quang tay (dòng điện hàn và tốc độ hàn cao hơn, hệ số đắp lớn). Vùng ảnh hƣởng
nhiệt nhỏ, ít biến dạng sau khi hàn, dễ tự động hóa.
Nhƣợc điểm:
- Đòi hỏi kim loại cơ bản và vật liệu hàn phải sạch hơn so với hàn hồ quang tay.
Chuẩn bị trƣớc khi hàn công phu hơn.
- Không thể quan sát trực tiếp vũng hàn. Chỉ hàn đƣợc ở tƣ thế hàn sấp, với các
đƣờng hàn có hình dạng tƣng đối đơn giản (thẳng, tròn quay).
- Áp dụng cho các chi tiết có chiều dày lơn.

độ chảy của dây hàn (với điều kiện chiều dài trung bình của hồ quang không đổi).
Phần điện cực đƣợc nung chảy chuyển dịch vào vũng hàn theo một trong các loại cơ
chế dịch chuyển kim loại vào vũng hàn và phụ thuộc vào cƣờng độ dòng điện hàn,
đƣờng kính điện cực, chiều dài hồ quang, nguồn điện hàn, và loại khí bảo vệ.

Hình2-1.Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường
khí bảo vệ
Vì thiết bị hàn có khả năng tự độngđiều chỉnh các đặc trƣng của hồ quang (chiều dài
hồ quang và cƣờng độ dòngđiện hàn) và tốc độ chảy củađiện cực, với phƣơng pháp
hàn bán tự động ngƣời thợ hàn chỉ làm thao tác bằng tay việc đặt vị trí, hƣớng và
tốc độ dịch chuyển của sung hàn.

21


Nếu tất cả chuyển động cơ bản đƣợc cơ khí hoá thí đƣợc gọi là hàn hồ quang tự
động trong môi trƣờng khí bảo vệ.
Hàn hồ quang bằng khí bảo vệ trong môi trƣờng khí trơ (Ar, He) tiếng Anh gọi là
phƣơng pháp hàn MIG (Metal Inert Gas). Vì các loại khí trơ có giá thành cao nên
không đƣợc ứng dụng rộng rãi, chỉ dùng để hàn kim loại mầu và thép hợp kim.
Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí hoạt tính (thƣờng
dùng là khí CO2 hoặc hỗn hợp khí CO2 với một số loại khí khác nhƣ O2, Ar . . .)
tiếng Anh gọi là phƣơng pháp hàn MAG ( Metal Active Gas).
2.2.2.Đặc điểm của quá trình hàn
Khí bảo vệ có thể là khí trơ ( Ar, He hoặc hỗn hợp Ar + He) không tác dụng với
kim loại lỏng trong khi hàn hoặc là các loại khí hoạt tính ( CO2 ; CO2 + O2 ; CO2+
Ar, …) có tác dụng chiếm chỗ và đẩy không khí ra khỏi vũng hàn để hạn chế tác
dụng xấu của nó.
Ƣu điểm của quá trình hàn:
- Mật độ dòng điện hàn cao, bảo đảm vùng ảnh hƣởng nhiệt hẹp.

trong đó, ER: ký hiệu điện cực hàn hoặc que hàn phụ.
70: độ bền kéo nhỏ nhất (ksi).
S: dây hàn đặc.
X: thành phần hoá học và khí bảo vệ.

23


Bảng một số loại dây hàn thép cácbon thông dụng
Điều kiện hàn

Ký hiệu
theo

Cực

AWS

tính

Khí bảo
vệ

Cơ tính
Độ bền kéo của

Giới hạn chảy

liên kết



22

E70S-4

DCEP

CO2

72000

60000

22

E70S-5

DCEP

CO2

72000

60000

22

E70S-6

DCEP


0,6

Mn

Si

Các nguyên tố khác

0,40÷0,70

Ti: 0,05÷0,15; Zi: 0,02
÷0,12;
Al: 0,05÷ 0,15

E70S-3

0,06÷0,15

0,90÷1,40

0,45÷0,70

E70S-4

0,07÷0,15

0,65÷0,85

E70S-5

cực vào vũng hàn, các thông số hình học của mối hàn, tốc độ hàn, xu hƣớng cháy
lõm mép hàn và hiệu ứng bắn phá lớp oxit bề mặt.
Khí Ar tinh khiết (~ 100%) thƣờng dùng để hàn các vật liệu kim loại màu. Khí He
tinh khiết (~ 100%) thƣờng đƣợc dùng để hàn các liên kết có kích thƣớc lớn, các vật
liệu có tính giãn nở nhiệt cao nhƣ Al, Mg. Cu... Argon là khí trơ thƣờng chứa trong
bình thép với áp suất 150 at, dung tích 40 lít. argon không cháy, không nổ và khi
làm việc phải đƣợc giảm áp suất từ 150 đến 0,5at và duy trì không đổi nhờ van giảm
áp tự điều chỉnh.
Khí CO2 dùng để hàn phải có độ sạch đến trên 99,5%, áp suất trong bình khoảng
(50 - 60) at. Đây là khí hoạt tính khi ở nhiệt độ cao nó phân ly ra CO và ôxy nguyên
tử, cho nên CO2 có tác dụng bảo vệ tốt vì CO ít hoà tan trong kim loại lỏng và có
tác dụng khử ôxy. CO2 đƣợc dùng rộng rãi để hàn thép C trung bình do giá thành
thấp, mối hàn ổn định, cơ tính của liên kết hàn đạt yêu cầu, tốc độ hàn cao và độ
ngấu sâu.
Nhƣợc điểm của hàn trong khí bào vệ CO2 là gây bắn toé kim loại lỏng.
Một số loại khí bảo vệ tƣơng ứng với kim loại cơ bản
Khí bảo vệ

Đặc tính

Ar

Khí trơ

He

Khí trơ

Ar + 20  80% He



Oxi hóa

Thép cacbon và một số thép hợp kim
thấp

25