CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN Các biện pháp giảm ứng suất hàn - Trong hầu hết trường hợp thực tế, ứng suất kéo dư vùng ứng suất tác động đặt tới giá trị giới hạn chảy σch - Do đó, biện pháp trước hàn, biện pháp kéo sơ nung nóng sơ đến nhiệt độ cao, không loại bỏ suất hiện, không giảm đáng kể giá trị ứng suất dư co dọc - Tuy nhiên, giảm nhiều ứng suất ngang co ngang, tức giảm trạng thái ứng suất hai chiều ba chiều, giảm biến dạng dẻo kéo mối hàn nguội Điều đảm bảo độ bền khả làm việc kết cấu - Có thể chia biện pháp thành: Các biện pháp kết cấu; Các biện pháp công nghệ hàn 1.1 Các biện pháp kết cấu để giảm ứng suất hàn - Kim loại không nên dễ bị vùng ảnh hưởng nhiệt hàn - Vật liệu hàn nên bảo đảm kim loại mối hàn có độ dẻo không thấp tính dẻo kim loại - Không nên để mối hàn giao nhiều để tránh giảm ứng suất nhiều chiều, đặc biệt với kết cấu chịu tải trọng động va đập - Không nên dùng mối hàn tạo thành biên dạng kín không lớn (hàn tăng cứng ) chúng làm tăng trạng thái ứng suất phẳng - Số lượng kích thước mối hàn nên vừa đủ, không nên lớn mức cần thiết (trên sở tính toán thiết kế) Hình 1- - Các gân cứng vững nên bố trí cho hàn kim loại nung nóng vị trí, để đảm bảo giảm co ngang vách đứng (Hình 1- ) - Nên ưu tiên sử dụng mối hàn giáp mối chúng có mức độ tập trung ứng suất nhỏ mối hàn góc - Khi hàn giáp mối có chiều dày khác nhau, để dảm bảo nung nóng đồng đều, hàn ngấu mép tránh mức độ tập trung ứng suất cao, cần vát dày cho thích hợp (Hình 1- ) Hình 1- - Khi thiết kế kết cấu hàn tích hợp, cần xem xét khả hàn chúng dạng khối riêng rẽ, sau hàn chúng lại thành kết cấu hoàn chỉnh Điều làm giảm ràng buộc lên co ngang mối hàn giảm trạng thái ứng suất phẳng - Các kết cấu hàn có hình dạng phức tạp nên dùng chi tiết từ thép dập khối thép đúc Các kết cấu hàn với kết cấu khác để làm nên kết cấu hàn hoàn chỉnh - Cần tính đến khả bảo đảm việc dễ dàng việc giới hoá công việc hàn (thông qua bố trí mối hàn) - Cần tăng cường sử dụng đồ gá hàn để đảm bảo xác lắp ghép thực trình tự hàn 1.2 Các biện pháp công nghệ để giảm ứng suất hàn: Các biện pháp đa dạng phụ thuộc vào đặc trưng loại kết cấu, phương pháp hàn, chế độ hàn, tính thành phần hoá học kim loại Có thể chia chúng thành hai loại: a) Các biện pháp công nghệ giảm ứng suất, thực trình hàn: - Tăng chế độ nhiệt (năng lượng đường) hàn chi tiết không kẹp thép dễ nhằm tránh nứt (làm tăng thể tích vùng kim loại nung, giảm tốc độ nguội) - Nung nóng sơ hàn dày thép dễ - Giảm chế độ nhiệt hàn chi tiết kẹp chặt nhằm tránh nứt - Với chi tiết kẹp chặt có chiều dày lớn, nên hàn nhiều lớp Kim loại đắp nên có tính dẻo cao - Trình tự hàn nên đảm bảo cho chi tiết trạng thái tự do, đặc biệt với mối hàn giáp mối (có giá trị co ngang lớn) Trước tiên hàn mối hàn giáp mối, sau đến mối hàn góc Với vật hàn có dạng trụ rỗng, trước hết hàn mối hàn dọc trước, sau đến mối hàn theo chu vi - Mỗi mối hàn nên thực lượt thực từ đầu - Không bố trí mối hàn đính chỗ mối hàn giao - Để giảm ảnh hưởng co ngang, cần giảm khe hở hàn mối hàn giáp mối hàn ngấu chân mối hàn - Cần hàn nhanh để đảm bảo kim loại nguội theo chiều dày chiều dài mối hàn (hàn tự động bán tự động) b) Các biện pháp công nghệ giảm ứng suất, thực sau hàn: Với kết cấu quan trọng, để tăng khả làm việc chúng, người ta thường tiến hành khử ứng suất riêng sau hàn, đặc biệt thép hợp kim hay thép có hàm lượng cacbon trung bình Các biện pháp là: - Ram cao toàn phần lò Nhiệt độ ram 600 ÷ 650°C Thời gian giữ nhiệt độ cao phút/1mm chiều dày Sau chi tiết để nguội tự lò - Ram cục tới 600°C vùng quanh mối hàn phương pháp nung cao tần mỏ nung khí cháy Phương pháp không loại bỏ hoàn toàn làm giảm ứng suất dư - Khử ứng suất dư phương pháp học kéo kết cấu tới giới hạn chảy, dùng rung động để phân bố lại ứng suất dư Các biện pháp giảm biến dạng hàn * Sự hình thành ứng suất biến dạng dư hàn tác động nội lực kim loại nung cục - Trong kết cấu tượng vênh rõ rệt, ứng suất dư kéo thường đạt tới giá trị cao - Ngược lại, kết cấu bị biến dạng mạnh sau hàn, ứng suất dư kéo không lớn - Vì vậy, số biện pháp giảm biến dạng dư đối nghịch lại biện pháp giảm ứng suất dư * Có thể chia biện pháp giảm biến dạng dư thành ba loại: Biện pháp kết cấu; Biện pháp công nghệ trình hàn; Biện pháp công nghệ sau hàn 2.1 Các biện pháp kết cấu giảm biến dạng hàn: - Không thiết kế tiết diện mối hàn lớn mức cần thiết (xuất phát từ khía cạnh độ bền) làm tăng vùng ứng suất tác động nội lực tác động - Phân bố mối hàn gần trục qua trọng tâm kết cấu tốt, trục để giảm mô men uốn nội lực tác động gây - Mỗi cặp mối hàn song song cần bố trí mặt phẳng qua trục trọng tâm vật, cho mô men nội lực tác động mối hàn cân không gây vênh kết cấu so với trục - Số lượng mối hàn kết cấu tốt để giảm lực co tác động lên kết cấu - Lượng dư cho co mối hàn phải bảo đảm sau hàn, kích thước kết cấu thiết kế - Để hạn chế biến dạng góc, cần giảm góc vát mép mối hàn vát mép chữ V, dùng mối hàn vát mép chữ X chiều dày chi tiết lớn 2.2 Các biện pháp công nghệ giảm biến dạng hàn: - Chọn chế độ hàn cho chiều rộng vùng ứng suất tác động nhỏ Để nung kim loại theo chiều dày, cần tăng mật độ dòng điện hàn để hàn ngấu sâu + Việc hàn ngấu sâu mối hàn giáp biên liên kết hàn giáp mối cân co ngang theo chiều dày mối hàn giảm biến dạng góc + Trong số trường hợp, thực mối hàn thứ hai cặp mối hàn đối xứng qua trục vật hàn, nên tăng chế độ hàn để tăng vùng ứng suất tác động lực co mối hàn khử hoàn toàn độ võng dư mối hàn thứ gây - Trình tự thực mối hàn nên bảo đảm cho biến dạng mối hàn trước khử hết biến dạng mối hàn sau (có hướng ngược lại) Các mối hàn đối xứng song song nên hàn đồng thời hàn theo thứ tự đoạn xen kẽ - Phương pháp hàn phân đoạn nghịch tạo biến dạng nhỏ - Việc rèn mối hàn trình hàn làm giảm đáng kể biến dạng Sau hàn lớp không cần rèn gây nứt bề mặt - Nung nóng sơ toàn vật hàn giảm ứng suất biến dạng dư - Có thể uốn ngược cục để giảm độ võng dư - Các mối hàn giáp mối liên kết hàn mỏng cho bể chứa nên hàn bàn gá từ tính (chúng không cản trở co ngang ngăn biến dạng góc) - Khi hàn mỏng theo biên dạng kín, để tránh ổn định nén, nung cục phần trước hàn… 2.3 Các biện pháp công nghệ giảm biến dạng sau hàn: a) Nắn nguội: Dựa sở kéo đoạn kết cấu bị co, tới kích thước hình dạng thiết kế - Các đoạn chỗ bị co kết cấu hàn: vùng ứng suất tác động mối hàn mà sau hàn suất ứng suất kéo có giá trị σch (giới hạn chảy) - Khi nắn nguội kết cấu hàn: Hình 1xảy giãn dẻo vùng ứng suất tác động mối hàn - Có thể xẩy nứt nắn nguội, làm ảnh hưởng tới khả làm việc kết cấu - Chỉ giảm ứng suất dư nắn nguội kết cấu hàn kéo tới ứng suất giới hạn chảy σch Tuy nhiên làm tăng biến cứng kim loại vùng ứng suất tác động mối hàn (có thể gây nứt) Đây trình công nghệ khó thực (cần có máy ép thuỷ lực công suất lớn đồ gá lớn) Do khả ứng dụng hạn chế b) Nắn nóng: Là nung điện lửa (của mỏ nung) sử dụng rộng rãi thực tế Hình 1- Bản chất phương pháp: dùng biện pháp nung cục để làm co đoạn, vùng kết cấu mà chiều dài chúng lớn chiều dài vùng ứng suất tác động mối hàn tương ứng kết cấu - Tại chỗ nung nóng kết cấu hàn nắn nóng, hàn, hình thành biến dạng dẻo nén Khi nguội sau đó, chỗ co lại cân chỗ bị biến dạng - Do đặc điểm đơn giản, rẻ tiền, dễ thao tác, phương pháp cho phép nắn loại biến dạng dư Việc nắn nóng chủ yếu dựa vào nghiên cứu số liệu thực nghiệm - Có thể sử dụng cách có hiệu để khử ứng suất dư uốn nắn thẳng trục trọng tâm kết cấu hàn (hoặc khối chúng), để khử tượng lõm, lượn sóng vùng chịu nén phần tử dạng kết cấu - Để khử độ võng dư kết cấu hàn, cần tạo mô men uốn ngượcchiều cách nung dải kim loại dọc đường mm (Hình 1- a) nung theo hình nêm (Hình 1- b) Trường hợp đầu sử dụng co dọc, trường hợp thứ hai sử dụng co ngang chỗ nung cục Hình 1- Trọng tâm tiết diện ngang vùng ứng suất tác động nung dọc phải nằm mặt phẳng uốn (Hình 1- a) - Trong kết cấu có tiết diện ngang không đối xứng, mặt phẳng uốn qua trọng tâm vùng ứng suất tác động mối hàn O a trọng tâm tiết diện ngang kết cấu O (Hình 1- a Hình 1- b ) Nối điểm O với điểm Oa ta có đường OOa mặt phẳng uốn - Trên ta thấy nắn nóng nên nung dải nằm gần rìa kết cấu - Các tính toán cho trường hợp dùng phương pháp trên: 1) Tiết diện cần thiết vùng ứng suất tác động nung cục nắn nóng xác định xuất phát từ mô men uốn M gây võng dư sau hàn (M = Po*yo) từ độ võng dư (f = M*l*l/8*E*J) 2) Nội lực quy ước ban đầu P on bảo đảm vùng ứng suất tác động nung cục nắn (Hình 6-5a 6-5b) xác định từ công thức: Pon=M/yn (6.1) Hình 1Trong yn khoảng cách từ tâm tiết diện vùng ứng suất tác động nung nắn Om đến trọng tâm tiết diện ngang O kết cấu 3) Tiết diện vùng ứng suất tác động nắn nóng Fn : Fn = Pon/σon (6.2) Trong σon ứng suất ban đầu vùng ứng suất tác động nung nắn nóng, coi gần giới hạn chảy σch Khi Fn = Pon/σch = M/yn*σch (6.3) 4) Chiều rộng vùng ứng suất tác động bon là: bon=Fn/S (6.4) 5) Công suất hữu ích nguồn nhiệt nung nắn nóng (q), xác định từ công thức tính chiều rộng vùng ứng suất tác động theo phương pháp xấp xỉ gần biết: q = (bn.v.So.σch.h)/9,86.(h - bn) (6-5) Trong đó: bn: chiều rộng vùng ứng suất tác động bên trục nung, 0,5bon v: tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt nung, cm/s So: tổng chiều dày nhận nhiệt từ nguồn nhiệt (tổng chiều dày truyền nhiệt) h: chiều rộng tính toán nung + Trong trường hợp mặt phẳng uốn không cắt thân kết cấu hàn phía nằm ngược với mối hàn (Hình 6-6), để tạo nên mô men uốn ngược mặt phẳng uốn, cần phải nung hai dải nằm cách trọng tâm kết cấu xa điểm m1 m2 Hình 1Để xác định vùng ứng suất tác động dải, ta nối chúng với trọng tâm tiết diện ngang kêt cấu (điểm O) chia mô men uốn M thành thành phần M1và M2 theo hai hướng Om1 Om2 Biết giá trị M 1và M2, ta xác định vùng ứng suất tác động dải nung theo công thức (6.3) (6.4), xác định công suất nguồn nhiệt nung nắn theo công thức biết (6.5) + Một số nhược điểm phương pháp nắn theo dải (Hình 6-4a): 1, Trong số trường hợp làm cho vùng ứng suất tác động mối hàn bị biến dạng dẻo kéo tăng ứng suất dư 2, Các vùng bị nén xunh quanh mối hàn gây tác động chống lại co dọc dải nung nắn nóng, làm giảm hiệu nắn nóng dải dọc 3, Gía trị co dọc mối hàn thường vào khoảng 0,2÷0,5 mm mét chiều dài mối hàn, tác động gây biến dạng nung dải dọc tương đối nhỏ Nếu tăng số lượng dải dọc nung lên (hoặc chiều rộng dải) hiệu nung giảm khó thực (hiệu tăng tăng khoảng cách yn) + Một số ưu điểm phương pháp nắn theo hình nêm (Hình 6-4b): 1, Các dải ngang nung phân bố vùng có ứng suất nén, phần vùng có ứng suất kéo liên kết hàn Do co ngang chúng đồng thời với ngắn lại vùng nung dẫn đến giảm ứng suất dư kết cấu hàn 2, Độ co ngang mối hàn thường lớn độ co dọc đến lần, tính theo chiều dài mét mối hàn Giá trị tương đối lớn độ co ngang, chiều dài nhỏ mối hàn ngang khả giảm ứng suất dư khiến cho phương pháp có ứng dụng rộng rãi thực tế + Cách tính toán theo trường hợp dùng phương pháp hình (6-4b): (xem hình 6-7a) 1, Để khử độ võng dư sau hàn, cần tạo biến dạng co ∆ dải rộng (trường hợp liên kết gồm hai có chiều rộng khác nhau) Sự co phải tăng theo khoảng cách tính từ vùng ứng suất tác động mối hàn Giá trị co lớn ∆max dải bên mép lồi liên kết: ∆ma x=L1-Lm (6.6) Trong L1 chiều dài dải mép lồi liên kết hàn Lm: chiều dài mối hàn Để đảm bảo co cho dải (giá trị ∆), cần nung tạo biến dạng dẻo chúng đoạn có chiều dài tương ứng 2, Tổng chiều dài mép nêm nhiệt nói xác định từ công thức tính độ co ngang; ln=∆ma x/α*Ttb=(L1-Lm)/α*Ttb (6.7) Trong α_hệ số giãn nở nhiệt kim loại Ttb: giá trị trung bình nhiệt độ đoạn nung thời điểm chuyển từ trạng thái dẻo sang đàn hồi Việc nung theo hình nêm có đáy l n bảo đảm cho dải co tự theo chiều dài Lm, cần thiết cho việc khử độ võng dư sau hàn Việc nung theo hình nêm vậy, với đỉnh nêm nằm đường giới hạn vùng ứng suất tác động mối hàn, có ảnh hưởng nhỏ đến giảm ứng suất dư vùng ứng suất tác động, có lực phản kháng vùng kim loại chịu nén lân cận 3, Vì ứng suất dư kéo vùng ứng suất tác động thường σt, để giảm giá trị chúng, cần tạo co nung tất dải liên kết hàn ∆2, dải vùng ứng suất tác động: ∆2=ξT.Lm (6.8) Trong ξT: độ co tương đối ứng với ứng suất σch 1, Chiều dài nung cần thiết l t tất dải liên kết hàn, dải vùng ứng suất tác động, xác định tương tự với ln: lt=∆2/α.Ttb=ξT.Lm/α.Ttb (6.9) 2, Do tổng chiều dài nung đoạn hình nêm theo mép lối liên kết là: lo = ln + lt Để nắn từ giá trị độ võng dư cho trước sau hàn, để giảm ứng suất dư sau nắn, cần chọn kích thước nêm nhiệt nhỏ tăng số lượng chúng (trên sở thực nghiệm) 1, Số lượng đoạn nung, xuất phát từ tổng chiều dài nung l o, xác định theo công thức: n =lo/bn=(ln+lt)/bn (6.10) + Nắn nóng cần thực thời gian ngắn Nhiệt độ nung vào khoảng 800 ÷ 850°C Có thể nung cục hồ quang điện cực không nóng chẩy, lửa khí cháy Nên bắt đầu nung từ phía đỉnh nêm (nơi kim loại trạng thái nén) Chú ý: Thay giá trị đo L 1và L2 kể trên, dùng giá trị độ võng dư đo f Biết độ võng dư, ta xác định mô men uốn: M =8*E*J*f/l*l (6.11) Sau xác định góc xoay tiết diện uốn: ϕ =M*l/2*E*J (6.12) Giá trị co dải mép lồi liên kết, cần cho việc khử độ võng dư: ∆ma x=2*ϕ*h (6.13) Trong đó: h_chiều rộng nung tính từ vùng ứng suất tác động mối hàn đến mép Theo công thức 6.7 ta xác định ln tính thông số lại đề cập + Ngoài hai phương pháp nêu hình 6-4a 6-4b, để xử lý tượng lồi lõm, lượn sóng, …tại phần tử chịu nén, người ta sử dụng phương pháp nắn nóng theo điểm Bản chất phương pháp việc nung điểm định tới trạng thái dẻo làm nở gặp phải phản kháng từ phía xung quanh có nhiệt độ thấp Trong kim loại điẻm xảy biến dạng dẻo nén Khi nguội, vùng kim loại nung co lại gặp phải phản kháng từ xung quanh Do điểm hình thành ứng suất kéo, đạt tới giá trị σch Vùng kim loại nung co hướng tâm, làm giảm kích thước ngang tác động đến vùng bị nén lân cận, làm cho chỗ bị lồi dẹt bớt Lượng kim loại cần nung xác định sau: 10 Nếu bề mặt phần lồi F1,diện tích đáy (hình chiếu nằm) F 2, diện tính ∆F mà nung phải chịu biến dạng dẻo nén là; ∆F = F1- F2 (6.14) Khi vết lồi có dạng mặt cầu, điểm nung bố trí theo đường tròn đồng tâm (Hình 6-7b) Các giá trị t a xác định thực nghiệm ∆ /n max n L t /n L /2n T b L n h a  L /nL T m ) 11 a H×nh  b ) [...]...Nếu bề mặt phần lồi là F1,diện tích đáy (hình chiếu nằm) của nó là F 2, thì diện tính ∆F mà khi nung phải chịu biến dạng dẻo nén là; ∆F = F1- F2 (6.14) Khi vết lồi có dạng mặt cầu, các điểm nung được bố trí theo các đường tròn đồng tâm (Hình 6-7b) Các giá trị t và a được xác định bằng thực nghiệm ∆ /n max n L t /n L /2n T b L n 1 h a 0  L /nL T m ) 11 a H×nh 6 7  b ) ... biến dạng mạnh sau hàn, ứng suất dư kéo không lớn - Vì vậy, số biện pháp giảm biến dạng dư đối nghịch lại biện pháp giảm ứng suất dư * Có thể chia biện pháp giảm biến dạng dư thành ba loại: Biện. .. để phân bố lại ứng suất dư Các biện pháp giảm biến dạng hàn * Sự hình thành ứng suất biến dạng dư hàn tác động nội lực kim loại nung cục - Trong kết cấu tượng vênh rõ rệt, ứng suất dư kéo thường... hàn (thông qua bố trí mối hàn) - Cần tăng cường sử dụng đồ gá hàn để đảm bảo xác lắp ghép thực trình tự hàn 1.2 Các biện pháp công nghệ để giảm ứng suất hàn: Các biện pháp đa dạng phụ thuộc vào