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

Q
tc
: Là toàn bộ năng lợng ngọn lửa sản ra.
Hiệu suất càng lớn càng tốt. Các phơng pháp hàn có khả năng giữ nhiệt
trong quá trình hàn khác nhau thì hiệu suất cũng khác nhau: hàn bằng điện cực
không nóng chảy, = 0,45 ữ 0,6; hàn điện cực nóng chảy có thuốc bọc;
= 0,65 ữ 0,75; hàn tự động dới lớp thuốc, = 0,75 ữ0,9.
2. ảnh hởng của nguồn nhiệt hàn đến kim loại vật hàn
Khi hàn, nhiệt sinh ra từ nguồn nhiệt hàn sẽ nung nóng chảy một khối lợng
nhỏ kim loại tại vị trí hàn và truyền ra các vùng lân cận. Trong một thời gian rất
ngắn, nhiệt độ kim loại ở chỗ hàn biến đổi từ nhiệt độ bình thờng (nhiệt độ của
môi trờng) đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chảy (khoảng 2000 ữ 3000
0
C đối với hàn
khí và khoảng 4.000
0
C đối với hàn hồ quang tay), sau đó lại nguội dần vì không đ-
ợc nung tiếp (nguồn nhiệt di chuyển qua chỗ khác và do sự tản nhiệt). Nhng vì
nhiệt độ tối đa của các vùng vật thể khác nhau nên tốc độ nguội sau khi hàn ở mỗi
42
vùng cũng không giống nhau, những vùng càng ở gần trục hàn thì nhiệt độ càng
cao nên khi nguội tốc độ nguội càng lớn còn những vùng ở xa trục hàn thì tốc độ
nguội sẽ giảm dần.
8
6
4
2
0
20 100 200 300 400 500 600
t

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

7
250 N/cm
2

0
C coi nh không đổi.
Giới hạn bền
b
thay đổi không đáng kể khi nhiệt độ tăng đến 100
0
C, sau đó
tiếp tục nung nóng đến 200 ữ 300
0
C thì giới hạn bền của thép thờng giảm từ từ;
khi nhiệt độ vợt quá 500
0
C độ bền của thép sẽ giảm một cách mãnh liệt. Tính dẻo
của thép biểu thị bằng độ giãn dài tơng đối %. Trong khoảng từ 150 ữ 300
0
C thì
tính dẻo của thép giảm một ít, còn khi nhiệt độ vợt quá 300
0
C, thì tính dẻo sẽ tăng.
43
Khi tăng nhiệt độ đến 500
0
C thì giới hạn chảy
ch
sẽ giảm mạnh cho đến bằng
không khi nhiệt độ trên 600

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)

l - Chiều dài của dải đang xét
44
Thực ra không thể có sự giãn nhiệt tự do, bởi vì kim loại là một khối liên
tục, giữa chúng có mối liên kết phân tử chặt chẽ. Những vùng nhiệt độ thấp hơn sẽ
ngăn cản sự giãn nở kim loại của những vùng có nhiệt độ cao hơn. Vì khi hàn, sự
phân bố nhiệt đối xứng qua trục hàn nên biến dạng dọc thực tế của tất cả các thớ
của tám là nh nhau và bằng l (theo giả thuyết tiết diện phẳng). Sự sai khác giữa
độ giãn nở nhiệt tự do l
0
và độ giãn nở nhiệt thực tế l là nguyên nhân tạo thành
nội lực và ứng suất trong tấm hàn.
Khi hàn phần ở giữa của tấm đợc nung nóng nhiều (có xu hớng giãn nở
nhiều) thì bị nén, còn các phần nung nóng ít và nguội thì bị kéo. Sau khi hàn nhiệt
độ theo tiết diện ngang của tấm sẽ dần dần cân bằng, khi nguội các phần của tấm
sẽ co lại. Biến dạng dọc co rút ở phần giữa phải lớn hơn vì ở đó nhiệt độ cao hơn.
Nhng biến dạng co rút thực tế tất cả các phần của tấm phải bằng nhau theo giả
thiết tiết diện phẳng, bởi vậy phần giữa của tấm khi nung nóng bị nén dọc thì sau
khi nguội hoàn toàn nó sẽ trở lên bị kéo. Những phần tiếp đó không có sự co nh
phần giữa thì lại bị nén. Trạng thái ứng suất đó gọi là "ứng suất d" trong vật hàn.
ứng suất d trong kết cấu hàn kết hợp với ứng suất sinh ra do ngoại lực tác dụng khi
làm việc sẽ có thể làm giảm khả năng làm việc của kết cấu và tạo khả năng xuất
hiện những vét nứt, gãy trong chúng. Biến dạng hàn thờng làm sai lệch hình dáng
và kích thớc của các kết cấu, do đó sau khi hàn phải tiến hành các công việc sửa,
nắn.
3.2.2. Phơng pháp tính toán biến dạng và ứng suất khi hàn
Các bài toán về biến dạng và ứng suất khi hàn rất phức tạp, đặc biệt là trong
thực tế các kết cấu hàn thờng gồm nhiều chi tiết hàn có nhiều đờng hàn, trong quá
trình hàn sẽ gây những tác dụng tơng hỗ làm cho sự tạo thành các ứng suất và biến
dạng càng trở lên phức tạp. ở đây chỉ trình bày một vài phơng pháp tính toán biến
dạng và ứng suất khi hàn trên cơ sở của nội ứng lực tác dụng trong mối hàn của các kết

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

C )

l
s
h
P
P/2
P/2

2

ch
b
1
b
2
b
0
Hình 3.3 ứng suất do co dọc và các thông số cần thiết
của mối hàn giáp mối.
Đối với thép thờng ta có 12. 10
-6
(1/
0
C) và E = 2,1 . 10
7
(N/cm
2
). Do đó
E 250 N/cm

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

)
S - Chiều dày tấm hàn (cm)
46
b
n
- Chiều rộng của vùng ứng suất tác dụng (cm)
Vì sự phân bố nhiệt theo hai phía của mối hàn là đối xứng nhau nên kích th-
ớc của vùng ứng suất tác dụng ở hai phía của mối hàn cũng bằng nhau. Vùng ứng
suất tác dụng của mỗi một tấm hàn có thể chia làm hai khu vực b
1
và b
2
. Ta gọi b
0
= b
1
+ b
2
và b
n
= 2b
0
. Vùng b
1
tiếp giáp ngay với trục hàn gồm kim loại chảy của
mối hàn và kim loại cơ bản đợc nung nóng đến trạng thái dẻo; cơ bản đợc nung
nóng đến nhiệt độ thấp hơn 550
0
C nhng vì nhiệt độ nung không đều nên nó tạo
tành biến dạng nén - dẻo và kim loại ở trạng thái dàn hồi - dẻo. Độ lớn của vùng b

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

Xác định vùng biến dạng dẻo - đàn hồi b
2
là một điều rất khó khăn. Ngời ta
đã tiến hành nhiều thí nghiệm và thấy rằng nó không những phụ thuộc vào nhiệt
độ xác định theo tiết diện ngang lúc hàn mà còn phụ thuộc vào độ cứng vững của
tấm hàn. Độ cứng vững của tấm hàn phụ thuộc vào mômen quán tính tiết diện
ngang và độ bền cơ học, đợc biểu thị bởi chiều rộng toàn bộ vùng ứng suất của
tấm h và giới hạn chảy
ch
. Ngoài ra vùng b
2
còn phụ thuộc vào năng lợng nhiệt
riêng phần q
0
, q
0
đợc xác định theo công thức sau:
q
0
=
0
vS
q
(cal/cm
2
)
q: Năng lợng hữu ích của nguồn nhiệt (cal/s)
v - Tốc độ hàn (cm/s)
S
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

2
= k
2
( h - b
1
)
k
2
- Hệ số phụ thuộc vào q
0
. Bằng thực nghiệm, ngời ta đã thành lập đợc
giản đồ xác định hệ số k
2
theo q
0
cho phép cacbon thấp có
ch
= 22.000 N/cm
2
và
thép chấp lợng cao có
ch
= 28.000 N/cm
2

Các loại thép khác có thể nội suy theo công thức:
k
2
= k
2


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

C
m - là hệ số tính đến các trạng thái truyền nhiệt, lấy gần đúng m 1. Ta sẽ có:
b
0 =
0
ch
q 8,96
h.
1
h

+
3.3.2. Xác định độ co dọc của vật hàn
Xác định độ co dọc của vật hàn có thể tính theo ứng suất phản kháng d
2
-
là ứng suất sinh ra ở những vùng không đợc nung nóng trực tiếp - ở dải bị nén dọc
đàn hồi sau khi nguội. Trị số độ co dọc l đợc tính theo công thức:
48