Chơng 3 Biến dạng và ứng suất khi hàn
3.1. Nguồn nhiệt và ảnh hởng 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 phơng pháp
hàn. Với các phơng 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 đợc 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 lợng tối thiểu cần thiết. Khi hàn đốt
nóng bằng ngọn lửa, thực tế năng lợng ngọn lửa không thể sử dụng toàn bộ đợc.
Hiệu suất của ngọn lửa đợc tính nh sau:
=
tc
C
Q
Q
Q
c
: Là năng lợng sử dụng hữu ích

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 tơng
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 ngời ta cha nghiên cứu đầy đủ cơ tính của kim loại ở nhiệt độ cao,
mới chỉ nghiên cứu tơng 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 ữ 600
0
C. Môđuyn đàn hồi E khi đốt nóng sẽ giảm từ từ, còn hệ số
giãn nở nhiệt sẽ tăng lên: Trong vùng đàn hồi của thép tích số:
. E = 12 . 10
-6
. 2.1 . 10

0
C.
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 trớc nên những khối kim
loại mới đợc nung nóng còn những phần kim loại đằng sau dần dần đồng đều về
nhiệt độ. Sự phân bố nhiệt độ theo phơng thẳng góc với hớng hàn rất khác nhau,
do đó sự thay đổi thể tích ở các vùng lân cận mối hàn cũng khác nhau, đa 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
hởng 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)
T - Nhiệt độ trung bình của dải ta xét (
0
C)

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 đợc cân bằng trong vùng tiết diện ảnh hởng và đạt đến giới hạn chảy
ch
.
- Tấm đốt nóng không bị ảnh hởng bên ngoài.
45
- 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
= . E . T
: Hệ số giãn nở nhiệt (1/
0
C )
E : Mođuyn đàn hồi ( N/ cm
2
)
T : Nhiệt độ nung (
0

2

0
C. Khi nhiệt đọ nung tăng đến 100
0
C thì
t
25000 N/cm
2
tơng
ứng với giới hạn chảy của các thép thông thờng. 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
: tiết diện của vùng ứng suất tác dụng của mối hàn (hình 3.3)
F
c
= b
n
. S (cm
2

1
phụ thuộc vào công suất của nguồn nhiệt, tốc độ hàn, khối lợng 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 lợng 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
- Tổng chiều dày truyền nhiệt của các tấm hàn (cm)
Khi hàn đắp vào mép các tám thì S
0
= S, do đó:
b
1
=
C550.C.S.v
q484,0
0

- Tổng chiều dày truyền nhiệt (cm)
47
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
0
, h,
ch
...). Khi tăng q
0
, h thì sẽ làm tăng vùng b
2
vì nó làm tăng phần đợc
đốt nóng và tăng trở lực giãn dài tự do của các thớ bị nung. Còn khi tăng
ch
thì sẽ
làm giảm b
2
vì nó làm tăng trở kháng của kim loại khó tiến đến trạng thái dẻo -
đàn hồi. Ngời ta tính b
2
theo công thức:
b


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 ữ350mm, đối với hàn hồ quang tay h < 250 mm.
Dựa vào nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ đốt nóng tối đa ta có thể đa đến một
công thức đơn giản tổng quát để tình vùng ứng suất tác dụng b
0
của một tấm hàn
là:
b
0
=
m.E..q.484,0
h...c
1
h
0
ch


+
Lấy c . = 1,25; E = 250N/cm
2 0