Ứng suất và biến dạng hàn

1. Nguồn nhiệt và ảnh hưởng của nó đến kim loại vật hàn.1.1. Yêu cầu với nguồn nhiệt hàn. Khi thực hiện quá trình hàn ta chỉ đốt nóng

cục bộ mép hàn tới trạng thái hàn.

Các phương pháp hàn khác nhau thì hiệu

suất sử dụng nhiệt cũng khác nhau.c

tb

QQ

1.2. Ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn đến kim loại vật hàn.

Khi hàn, nguồn nhiệt hàn sẽ nung nóng chảy một khối lượng kim loại tại vị trí hàn và nhiệt được truyền ra các vùng lân cận mối hàn.

Dưới tác dụng của nguồn nhiệt kim loại sẽ bị giãn nở, co ngót. Sự tác dụng của nguồn nhiệt được thể hiện qua sự thay đổi các chỉ tiêu cơ tính của kim loại cơ bản.

Hình 1. Phân bố nhiệt độ mối hànMối hàn

Kim loại cơ bản (thép thường)

Vùng nhiệt độ

Độ giãn dài tương đối020 100 200 300 400 500 600

0C

Hệ số giãn nở nhiệt

Giới hạn chảy ch

Giới hạn bền b

Moduyn đàn hồi E

1.104

42.10

3.104

44.10

5.104

46.10

7.104

b, ch N/cm2

71,0.10

1,2.107

71,4.10

1,6.107

71,8.10

2,0.107

72,2.10

20304050

60

E (N/cm)2

Hình 2. Cơ tính thép phụ thuộc vào nhiệtđộ

2. Sự tạo thành ứng suất và biến dạng khi hàn.2.1. Khái niệm. Khi hàn, chi tiết được nung nóng không đồng

đều, do đó sự giãn nở nhiệt ở các vùng khác nhau là khác nhau, và tạo trạng thái ứng suất dư (ứng suất nhiệt).

Ứng suất và biến dạng hàn là trạng thái ứng suất và biến dạng do quá trình hàn gây ra và tồn tại trong kết cấu sau khi hàn nó có ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu hàn.

2.2. Sự tạo thành ứng suất và biến dạng.Khi thực hiện quá trình hàn mép hàn được đốt nóng cục bộ. Do tác dụng của nguồn nhiệt hàn và thuộc tính kim loại vì vậy chúng tạo ra ứng suất và biến dạng.

Các nguyên nhân chính gây ứng suất và biến dạng hàn

Nung nóng không đồng đều kim loại vật hàn. Độ co ngót kim loại lỏng sau khi kết tinh. Sự thay đổi tổ chức kim loại lân cận mối hàn.

a) Nung nóng không đồng đều cục bộ kim

loại vật hàn. Các vùng ở xa nguồn nhiệt

không hoặc ít bị biến dạng nhiệt, chúng sẽ

cản trở lại sự biến dạng ở vùng lân cận mối

hàn. Do vậy xuất hiện ứng suất trong mối

hàn và vùng lân cận nó. Trường ứng suất

vẫn tồn tại kể cả sau khi kết thúc quá trình

hàn và vật hàn trở về nhiệt độ ban đầu

Ví dụ 1. hình 3.

Hình 3. Vật 1 đầu tự do

Để nguội về nhiệt độ ban đầu

•Sau đó để nguội về nhiệt độ thường vật thể trở về hình dạng và kích thước ban đầu

Chưa nung nóng

•Chiều dài ban đầu 200mm.

Nung đến 4000c

•Khi nung nóng đến 4000c vật giãn ra 1 mm.

Ví dụ 2. hình 4.

Hình 4. Vật 1 đầu ngàm cứng, 1 đầu tựa vách cứng

Chưa nung nóng

•Thanh 1 đầu ngàm cứng, đầu kia tựa lên vách cứng.

Để nguội về nhiệt độ ban đầu

•Khi để nguội thanh sẽ co lại .

Nung đến 4000C

•Nung nóng thanh sẽ vồng lên, do tựa vào vách cứng.

Ví dụ 3. hình 5.

Hình 5. Vật 2 đầu ngàm cứng.

Chưa nung nóng

•Thanh 2 đầu ngàm cứng.

Nung đến 4000C

•Nung nóng thanh sẽ vồng lên, do hai đầu ngàm cứng.

•Khi để nguội thanh sẽ co lại, nhưng do bị ngàm cứng sẽ tồn tại nội lực trong thanh.

Để nguội về nhiệt độ ban đầu

Khảo sát mối hàn giáp mối.

a) Phân bố nhiệt độ và giãn nở.b) Phân bố ứng suất khi nung nóng.c) Phân bố ứng suất khi để nguội.

T1

T5

T4

T3

T2

T1

T5

T4

T3

T2

Kéo Nén

KéoNén

0C

L L

(a) (c)(b)Hình 6

Khi hàn mép hàn được đốt nóng cục bộ. Do nguồn nhiệt dịch chuyển, một phần vật liệu được đốt nóng, phần khác nguội đi. Sự phân bố nhiệt độ theo tiết diện ngang sẽ không đều làm cho sự giãn nở của kim loại cũng không đồng đều, ứng suất bên trong khi nung nóng và làm nguội cũng khác nhau.

Giả thiết Tấm được biến dạng tự do. Các thớ dọc song song trục hàn độc lập nhau. Các thớ ngang luôn vuông góc với trục hàn

Sự giãn nở của các dải kim loại của tấm là tự do và không ảnh hưởng lẫn nhau thì độ giãn nở tự do của mỗi một dải sẽ là: li = . Ti . L (mm)

: Hệ số giãn nở nhiệt của kim loại (1 / 0C). Ti: Nhiệt độ trung bình của dải ta xét (0C). L: Chiều dài của dải (chiều dài tấm) đang xét (mm).

Các lớp càng gần trục hàn nhiệt độ càng lớn, những lớp ở xa nhiệt độ sẽ giảm.

Độ giãn dài các lớp tỉ lệ thuận với nhiệt độ. Lớp có nhiệt độ cao độ giãn dài sẽ lớn.

4.3.3 Nắn nóng (hoả công).

Là biện pháp được dùng rộng rãi vì nó đơn giản và kinh tế nhất. Người ta tiến hành nung nóng kết cấu bị biến dạng quá mức bằng ngọn lửa khí hoặc bằng điện nhằm đạt được hình dạng thiết kế yêu cầu của kết cấu.

Chọn khu vực nung và chế độ nung không hợp lý có thể lại làm cho biến dạng thêm phức tạp.

Cơ sở lý thuyết của nắn nóng:

Xác định mặt phẳng uốn và mô men uốn gây

ra do nội lực tác dụng.

Xác định tiết diện, khối lượng và hình dáng

hợp lý của vùng ứng suất tác dụng ở khu vực

nung nóng, bảo đảm tạo ra nội ứng lực làm

biến dạng kết cấu theo hướng ngược lại.

Chọn chế độ nung hợp lý.

a. Những kiến thức hoả công cơ bản.1. Điều chỉnh và đặt ngọn lửa của mỏ đốt.

2. Đặc tính của ngọn lửa hoả công.

3. Kết quả phụ thuộc vào tay nghề điều chỉnh ngọn lửa tại vị trí hoả công.

4. Việc nắn phẳng các kết cấu để khắc phục biến dạng cục bộ kết cấu hàn.

5. Các yêu cầu nắn phẳng áp dụng thực tế theo dung sai chế tạovà nghiệm thu các phân đoạn và bề mặt vỏ tàu.

6. Việc nắn phẳng trước khi lắp ráp được tiến hành sau khi hàn xong phần kết cấu cụ thể (chi tiết, cụm chi tiết). Nếu là các phân đoạn nhỏ thì thực hiện sau khi hàn xong phân đoạn. Ngoại lệ cũng có thể nắn phẳng các chi tiết kết cấu bị biến dạng quá mức trước khi hàn chế tạo phân đoạn. Nguyên nhân gây ra biến dạng các chi tiết, cụm chi tiết có thể trong quá trình chế tạo, vận chuyển.

7. Công việc nắn phẳng trên tàu phải tiến hành tốt cùng phối hợp với việc lắp ráp và phải chú ý đến các nguyên tắc sau.7.1. Tại khu vực nắn phẳng phải hàn xong các

chi tiết kết cấu.7.2. Các kết cấu được nắn phẳng không nằm

trong khu vực phải hàn, không có khả năng nhiệt lượng do hàn trong khu vực lân cận không ảnh hưởng đến các kết cấu tại khu vực nắn phẳng

7.3. Hoả công nắn phẳng phải được thực hiện trước khi thử kín, kiểm tra, nghiệm thu kết cấu hàn.

8. Kỹ thuật Với công nghệ nắn nóng, có bốn mẫu gia nhiệt

được áp dụng để nắn kết cấu hàn. Tuỳ theo kết cấu mà ta sử dụng riêng rẽ hay kết hợp 4 mẫu gia nhiệt này.

Chú ý: Chỉ đốt ngấm ¾ chiều dày

•Gia nhiệt điểm. •Gia nhiệt theo đường •Gia nhiệt theo hình chữ V •Gia nhiệt hình khối.

b. Các nguyên tắc hỏa công. 1. Để đạt được kết quả tốt , việc hoả công nắn

phẳng phải bắt đầu từ các chi tiết kết cấu có độ cứng lớn nhất.

2. Trình tự nắn phẳng phân đoạn.– Nắn thẳng các kết cấu gia cường.– Nắn biến dạng tôn tại khu vực kết cấu gia cường.– Nắn biến dạng của các tấm khu vực hàn giáp mối.– Sửa chữa những chỗ tôn bao giữa các kết cấu gia

cường, bị lồi lõm, mất ổn đinh.– Nắn phẳng các mép tự do của tôn, và các biến dạng

quanh lỗ khoét.

1

2

3

4

5

1. Nắn thẳng các kết cấu gia cường.

2. Nắn thẳng biến dạng các mối hàn góc.

3. Nắn thẳng biến dạng mối hàn nối tôn.

4. Nắn phẳng khu vực giữa cơ cấu gia cường.

5. Nắn thẳng mép tự do tôn bao.Thứ tự nắn thẳng phân đoạn.

3. Nắn phẳng các phân đoạn khối thượng tầng.• Nắn phẳng boong và tiếp theo là các vách phía

dưới.• Nắn phẳng boong thượng tầng bắt đầu từ boong

thấp nhất đến boong cao nhất.

Thứ tự nắn phẳng phân đoạn khối thượng tầng

4. Nắn phẳng tổng đoạn.1. Boong, sàn.2. Vách, mạn, vách lửng

(chiều dày lớn).3. Vách mỏng (ít cơ cấu

gia cường).

Thứ tự nắn phẳng tổng đoạn

5. Nắn phẳng các chi tiết bị biến dạng nhiều, biến dạng sâu, rộng khác nhau thì bắt đầu nắn sửa từ biến dạng trung bình

C. Thao tác trước khi hoả công nắn phẳng.

1. Xác định độ dài, kích thước và loại biến dạng.

2. Xác định phương pháp nắn phẳng, loại mỏ đốt và các dụng cụ khác.

3. Xác định vị trí và trình tự đốt, đánh dấu tuyến, tâm tuyến để mỏ đốt làm việc ( loại mỏ đốt nhiều đầu đốt).

4. Chỉ dẫn thợ hoả công, những lưu ý khi thực.

5. Xác định cách thức đốt và làm mát.

Chú ý• Những chỗ gãy lớn của mối hàn góc, đốt tôn dọc

theo khoảng cách 2 gia cường đốt 1. Sau khi ngừng đốt, chờ nguội, đốt tiếp những vị trí tôn chưa đốt dọc theo các cơ cấu gia cường.

• Trong trường hợp gãy khác, phải tiến hành đốt ngay những vùng giữa các gia cường. Nếu mép của các kết cấu cần phải nắn thẳng đã được cố định ( thí dụ vách đã được hàn với boong, mạn, đáy) thì phải ngừng đốt ở khoảng cách mép 300mm.

D. Những phương pháp nắn phẳng.1. Nắn thẳng các chi tiết kết cấu gia cường bằng

cách đốt theo các dải ngang trên cạnh mép còn phần hàn với tôn thì đốt theo hình tam giác (hình khối). Khoảng cách giữa của các dải đốt khoảng 400-600mm. Nếu chưa đạt kết quả thì đốt các dải tiếp theo tại những vị trí gián tiếp, chiều rộng của các dải đốt trên cạnh mép 20-30mm. Đốt các cạnh hàn với tôn hình tam giác bằng chiều cao 1/3-1/2 chiều cao của mép hình đó. Phương pháp đốt các loại thép hình đúc, hoặc thép hình hàn chế tạo

Thép đúc chữ U

Thép hàn chữ T

Nắn thép hình

2. Việc loại bỏ các biến dạng ở vùng hàn cơ cấu gia cường

• Đốt theo dải dọc trục của cơ cấu gia cường này.• Dải đốt có thể liên tục hoặc đứt đoạn tuỳ theo độ

cong vênh. • Nắn phẳng bao giờ cũng được thực hiện ở những

chỗ lồi, phía đối diện với các đường hàn cơ cấu. • Đối với tôn mỏng thì khoảng cách giữa các dải

đốt với trục tâm cơ cấu gia cường nhỏ hơn so với tôn dày. Trong khoảng 300mm từ mép tôn không thực hiện đốt.

Nắn thẳng biến dạng khu vực kết cấu gia cường.

a: Chiều dày tôn

3. Biến dạng do mối hàn nối tấm phẳng

• Nắn thẳng bằng đốt các dải song song với mối hàn. Các dải đốt này có thể thực hiện liên tục khi biến dạng lớn, hay đốt từng đoạn với biến dạng nhỏ. Đốt được thực hiện ở phía lồi với nhiệt độ khoảng 6500C.

Chú ý: Khi hoả công khu vực mối hàn nối tấm phẳng, không được làm mát bằng nước, bằng khí nén để dải tôn dọc mối hàn không bị tôi luyện (mất cơ tính) bị giòn.

Loại bỏ biến dạng do hàn giáp mối .

4. Nắn mép tự do tôn bao. • Nắn thẳng các mép tự do của tôn, bằng cách sử

dụng mỏ đốt, đốt từng đoạn hoặc theo đường.• Trường hợp chiều dài mép của tôn bao lớn, khi

đốt luôn bắt đầu từ mép tấm theo hướng kết cấu gia cường đến tâm của tấm tôn đó.

200

Đốt theo tuyến Đốt từng đoạn

5. Nắn phẳng những nơi có độ lồi nhỏ và hẹp.

• Cần phải đốt 2 hoặc 3 dải trên vùng biến dạng (công đoạn 1). Những dải đốt đầu tiên phải đi qua tâm điểm lồi.

• Sau khi những nơi đốt đã nguội, thì thực hiện các dải khác nối tiếp (công đoạn 2).

• Nếu các dải đốt ở trung tâm vẫn chưa sửa được các biến dạng trên thì đốt thêm các dải khác bên cạnh chỗ lồi (công đoạn 3, công đoạn 4).

Công đoạn 1, 2. Công đoạn 3,4.

Nắn tôn có độ lồi nhỏ và hẹp.

7. Nắn phẳng những vùng có độ lồi lõm lớn và rộng.

• Bắt đầu đốt những dải dọc theo kết cấu gia cường (công đoạn 1, 2).

• Những chỗ độ cong lớn, sau công đoạn 1 và 2, đốt thay đổi các dải với chiều rộng của ngọn lửa theo hướng tâm của phần lồi (công đoạn 3, và 4).

• Để gia cường không bị biến dạng cần đốt các dải đứt đoạn ( không liên tục).

6. Nếu phần lồi ở tâm lớn, thì phải đốt các dải cạnh, giữa các dải trung tâm như công đoạn 2.

Nắn tôn có độ lồi, lõm lớn.