7.1. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TRONG KIM LOẠI HÀN
1 . Hiện tượng vật lý xẩy ra trong quá trình đốt nóng và nguội của kim loại
Tất cả kim loạt đều dán nở khi bò đốt nóng và co lại khi nguội đi. Mức dãn nở của
kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ đốt nóng và hệ số dãn nở nhiệt của kim loại. Khi đốt nóng
thanh kim loại đến nhiệt độ nhất đònh, sau đó ngừng đối nóng và để thanh kim loại nguội tự
nhiên xuống nhiệt độ môi trường thì thanh kim loại sẽ trở về với kích thước và hình dạng
ban đầu. Không có sự thay đổi kích thước và hình dạng. Nhưng nếu trong quá trình bò đốt
nóng hay nguội đi. thanh kim loại bò khống chế bởi một lực nào đó thì ngay lập tức xuất
hiện ứng suất trong thanh kim loại. gây nên biến dạng dẻo, thay đổi kích thước, hình dạng
của nó.
Trong quá trình hàn xảy ra hiện tượng thay đổi cấu trúc kèm theo sự thay đổi thể tích
kim loại mối hàn, dẫn đến hình thành ứng suất trong (còn gọi là ứng suất dư). Tuy nhiên đối
với kim loại thuộc nhóm thép các bon thấp thì ứng suất trong có giá trò không lớn, không
đáng quan tâm. nhưng đối với thép hợp kim thì ứng suất trong xuất hiện trong quá trình hàn
rất đáng xem xét.
2. Ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn đến kim loại:
Khi hàn, nguồn nhiệt hàn làm nóng chảy một khối lượng nhất đònh kim loại cơ bản
tại vò trí hàn và nhiệt được lan truyền ra vùng lân cận của kim loại cơ bản. Trong thời gian
rất ngắn, nhiệt độ kim loại tại chỗ mối hàn được nâng lên, từ nhiệt độ bình thường của môi
trường tăng lên nhanh chóng tới nhiệt độ nóng chảy kim loại (chòu tác dụng của nguồn nhiệt
đạt đến 2000
0
÷ 3000
0
khi dùng hàn hơi và đạt tới 4000
0
khi dùng hàn điện), sau đó nhiệt độ
mối hàn hạ thấp dần vì nguồn nhiệt hàn không tiếp tục đốt nóng nữa, di chuyển theo chiều
phát triển của mối nối và bắt đầu hiện tượng tản nhiệt ra xung quanh. Xét tổng thể cả chi
tiết hàn được nóng lên không đều và nguội cũng không đều. Từ những vùng gần với đường
tâm mối hàn thì nhiệt độ cao hơn, nguội chậm hơn, ngược lại, vùng kim loại càng xa mối

Kim loại nóng chảy và đông đặc tạo thành mối hàn nối có tiến trình diễn biến tương
tự như quá trình đúc kim loại. Tỉ lệ co ngót thể tích kim loại đúc có thể được tham khảo như
tỉ lệ co ngót kim loại trong quá trình hình thành mối hàn. Kinh nghiệm cho thấy rằng tỉ lệ co
ngót kim loại đúc phụ thuộc vào giai đoạn đông đặc của kim loại. Tỉ lệ co ngót tính bằng %
của thể tích toàn phần vật đúc. Cơ tính của thép các bon thấp thay đổi ở nhiệt độ khác nhau
được liệt kê ở bảng 7 . 1
Bảng 7.1
Nhiệt độ
0
C Modul đàn hồi
E.10-6 kG/cm
2
Giới hạn bền Re
kG/mm
2
Hệ số dẫn dài
α.10-6
20 2.07 23.8 12.3
100 1.87 21.7 12.7
200 1.79 25.1 13.4
300 1.70 14.9 14.6
400 1.61 12.9 15.4
500 1.30 10.9 15.6
600 - 5.6 15.6
1000 - 24.0
- Ở trạng thái lỏng ban đầu đúc đến thời điểm bắt đầu đông đặc : tỷ lệ co ngót
0,80%.
- Từ thời điểm bắt đầu đông đặc đến kết thúc đông đặc : co ngót 3%
Hình 7.1 : Tính chất của kim loại thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ
- Từ thời điểm kết thúc đông đặc đến nguội hoàn toàn : 7,35%.

kim loại xuất hiện lực kéo P theo phương trùng với đường tâm dọc trục của thanh kim loại
và theo chiều ngược nhau về hai phía. Lực kéo P này gây nên ứng suất kéo trong thanh kim
loại bò khống chế hai đầu đang nguội đi.
Nếu được tự do thì thanh kim loại bò đốt nóng đến nhiệt độ T. thanh kim loại sẽ dán
nở dát một đoạn ∆l. được tính theo công thức:
∆l = α. T. 1
Trong đó: α - hệ số dán nở nhiệt của kim loại (l/
0
c);
T - nhiệt độ bò đốt nóng của thanh kim loại (
0
c);
1 - chiều dài thanh kim loại (mm).
Quá trình hàn, kim loại mối hàn cũng bò đốt nóng nâng lên đến nhiệt độ nóng chảy
một cách không đồng nhất, rồi nguội đi không đều ở những vò in khác nhau trên chi tiết hàn.
Xét hiện tượng thì trạng thái diễn biến nhiệt độ và nhưng động thái ứng suất trong
kim loại chi tiết hàn cũng tương tự như hiện tượng xảy ra trong hai thực nghiệm nói trên.
4. Phân loại ứng suất và biến dạng hàn
Ứng suất hàn được phân biệt các loại như sau:
l) Theo nguyên nhân cơ bản tạo ra ứng suất, có các loại:
Ứng suất nhiệt, do nhiệt lượng hàn phân bổ không đều gây nên;
Ứng suất cấu trúc, do sự chuyển biến cấu trúc ở vùng ảnh hưởng nhiệt gây nên
2) Theo thời gian tồn tại của ứng suất:
- Ứng suất tạm thời, chỉ xuất hiện nhất thời ở mối nối trong quá trình hàn
- Ứng suất dư, loại ứng suất này còn tồn tại vónh viễn trong chi tiết hàn sau khi hàn
nếu không áp dụng biện pháp công nghệ nào giải toả.
3) Theo tính chất hoạt động, tác dụng của ứng suất:
- Ứng suất chủ động, là loại ứng suất hàn xuất hiện và chi phối tình trạng chòu tải
của chi tiết.
- Ứng suất phản ứng, là loại ứng suất xuất hiện trong tình trạng chi tiết hàn bò khống

So với thép các bon thấp, thép không gỉ có biến dạng hàn lớn, còn nhôm dẫn nhiệt tốt hơn,
biến dạng hàn ít hơn. Như vậy. biến dạng của chi tiết hàn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố.
Biến dạng góc : Biến dạng góc hình thành sau khi hàn do kim loại mối hàn bò co lại
không đều xảy ra ở những mối hàn đối đầu và mối hàn ghép góc. Thể tích kim loại nóng
chảy của những mối hàn nối này không bằng nhau. kim loại ở vùng trên mối hàn co nhiều
hơn và mạnh hơn kim loại cùng dưới mối hàn dẫn đến hiện tượng cong kim loại ở hai phía
đối xưng nhau qua trục mối hàn về cùng một phía, tức là gây biến dạng góc ở những mối
hàn đối đầu và ghép góc. Kinh nghiệm cho thấy, hàn mối hàn đối đầu kiểu chứ V các chi
tiết dáy 6 ÷ 12mm. biến dạng góc có thể tạo ra góc α = 3
0
và α = 7
0
đối với chi tiết dầy
13mm ÷ 20mm. Bằng giải pháp tạo biến dạng góc ban đầu có thể loại trừ biến dạng góc sau
khi hàn đối với kiểu hàn chữ V. Cũng có thể ứng dụng kiểu mối hàn chữ X để loại trừ hoàn
toàn biến dạng góc (hình 7.2)
Hình 7.2. Biến dạng ngang mối hàn
a) Biến dạng mối hàn đối đầu, b) Biến dạng mối hàn chữ T
Hình 7.3. Biến dạng dọc mối hàn chữ T
7.2. BIỆN PHÁP HẠN CHẾVÀ CHỐNG BIẾN DẠNG HÀN
Tuỳ theo từng trường hợp cụ thể của chi tiết hàn và điều kiện kỹ thuật cho phép, có
thể áp dụng một trong những giải pháp hoặc kết hơn đồng thời một số giải pháp thích hợp
nhằm hạn chế và chống biến dạng hàn dưới đây:
1. Giải pháp kết cấu :
Ngay trong bước thiết kế, hạn chế số lượng mối hàn tới mức có thể, hạn chế khối
lượng kim loại bò đốt nóng (tổng khối lượng kim loại mối hàn). Bằng cách này hạn chế nhiệt
lượng đưa vào kim loại hàn. Hạn chế tận gốc nguồn gây biến dạng.
- Bố trí mối hàn ở những vò trí hợp lý nhằm phân tán nhiệt nhanh, phân tán nhiệt
đều.
- Bố trí mối hàn ở những vò trí đối xứng nhau qua trọng tâm của chi tiết, qua đường

hàn tạo ra biến dạng trong chi tiết hàn theo chiều ngược với chiều biến dạng của chi tiết sau
khi hàn mối hàn trước kết thúc. Nhờ đó. biến dạng hình thành sau triệt tiêu biến dạng hình
thành trước nó. Giải pháp này được áp dụng đối với những chi tiết hàn cho phép hàn đối
xứng nhau qua đường tâm của nó. Giải pháp này được áp dụng khá phổ biến trong công
đoạn hàn các dầm, đà ngang, sống dọc, tôn vách. tôn boong, ton vỏ tầu thuỷ hay hàn các kết
cấu dầm, xà trong xây dựng công trình
4) Tạo ra biến dạng ban đầu :
Biện pháp này dựa vào dự báo độ biến dạng của chi tiết sau khi hàn, hay dự tính độ
co ngót của chi tiết sau khì hàn mà trước khi hàn trong bước gá lắp đònh hình chi tiết, tạo
một độ dôi nhất đònh ~rừa bằng độ co ngót dự tính. Sau khi hàn, chì tiết co ngót (biến dạng)
vừa với độ dôi đã tính trước. Đôi khi có thể đạt được kết quả hạn chế biến dạng chỉ bằng
cách gá lắp lệch góc lớn bằng góc dự tính biến dạng sau khi hàn (hình 7.4c).
5) Khống chế biến dạng tự do của chi tiết hàn
Biện pháp này lợi dụng đồ gá, cơ cấu phụ trợ tạo thành những gông hạn chế hay loại
trừ khả năng biến dạng của chi tiết sau khi hàn. Giải pháp này thường tốn công và vật liệu
để gia công đồ gá. Đồng thời sau khi hàn xong, phải chờ cho chi tiết nguội hoàn loàn mời
được tháo rỡ đồ gá.
6) Nằn phăng chi tiết hàn
Trong thực tế nhiều chi tiết hàn do kích thước quá lớn, cồng kềnh hay hình dạng chi
tiết hàn không cho phép áp dụng những biện pháp công nghệ hạn chế, chống biến dạng
khác có hiệu quả. Một số kết cấu sau khi hàn bò biến dạng cục bộ tài một vài điểm hay biến
dạng toàn phần. Những trường hợp này cần áp dụng biện pháp nắn phẳng bằng cơ khí hay
bằng nhiệt để khử biến dạng, đưa chi tiết trở về hình dạng và kích thước theo yêu cầu kỹ
thuật (hình 7.5)
Hình 7.4. Giải pháp tạo biến dạng khi gá lắp
a) Tạo trước biến dạng dọc hàn thép chữ T
b) Dùng đồ gá dự phòng biến dạng ngang hàn thép chữ T
c) Gá hàn tạo biến dạng ngang thép tấm
(dự tính độ biến dạng sau khi hàn)
a) Gia nhiệt nắn thẳng kết cấu dầm : Dùng đèn hoả công hay mỏ hàn hơi dốt nóng

phép bỏ qua, không phải sửa chữa. Chăng hạn khu vực biến dạng tôn vỏ:
350mm đến 450mm được phép lồi, lõm 4mm ÷ 5mm.
450mm đến 550mm được phép lồi lõm trong khoáng 4mm ÷ 6mm.
Riêng đối với kết cấu vách ngan được phép biến dạng lồi lõm 4mm ÷ 7mm trung khu
vực rộng 550mm ÷ 650mm. Một số trường hợp nắn phẳng kết cấu vỏ tầu thuỷ thường gặp
trong thực tế sản xuất được giới thiệu dưới đây.
Tôn vỏ lồi lõm trong vùng giữa các nẹp (hay giữa các cong giang)
Biện pháp đơn giản khắc phục hiện tượng này là dùng mỏ hàn hơi giá nhiệt thành
vòng khép kín tại trùng biến dạng (xem hình 7.6). Đường gia nhiệt tại vùng biên chuyển
tiếp giữa tôn phẳng và lôn biến dạng (bắt đầu bò lồi hoặc bò lõm). Chiều rộng vẹt gia nhiệt
phụ thuộc vào chiều dày của kết cấu (xem bảng 7.3).
Bảng 7.3
Chiều dày kết cấu biến dạng
(mm)
2 3 4 5 6
Chiều rộng vết gia nhiệt (mm) 10 ÷ 15 15 ÷ 20 15 ÷ 20 20 ÷ 25 25 ÷ 30
Tôn vỏ giữa các nẹp hay giữa các cong giang biến dạng kiểu lượn sóng.
Xử lý trường hợp biến dạng này theo thứ tự:
- Xác đònh chiều lồi hay lõm trên bề mặt tôn. (Có thể đánh dấu kí hiệu âm (-) và
dương (+) để dễ nhận dạng và nắn phẳng chiều lồi hay lõm trước.
- Nắn phẳng tôn bò biến dạng theo cùng một chiều xong hoàn toàn. Sau đó tiếp tục
nắn phẳng chiều còn lại. Số đánh dấu trên hình vẽ là số thứ tự gia nhiệt nắn phẳng.