Công nghệ hàn - Tính toán kết cấu hàn

ích dùng cho các mục đích đào tạo hoạc làm tài liệu tham khảo khác. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích mang tính kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU Tập bài giảng “Kết cấu hàn” được biên soạn dựa theo chương trình môn học Kết cấu hàn dùng cho đào tạo bậc Cao đẳng Công nghệ Hàn tại Trường CĐ Cơ Điện Hà Nội được Bộ LĐTB&XH ban hành. Tập bài giảng được sử dụng để làm tài liệu giảng dạy cho giáo viên giảng dạy, là tài liệu học tập cho sinh viên đang theo học ngành hàn và làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư cơ khí. Tập bài giảng “Kết cấu hàn” đã đề cập đến những vấn đề cần thiết, phương pháp vận dụng kiến thức của một số môn học khác như “Lý thuyết hàn”, “Sức bền vật liệu”, “Nhiệt kỹ thuật” để tính toán, sử lý các kết cấu hàn, tạo điều kiện cho việc lựa chọn và xác định quá trình công nghệ cho kết cấu. Vì vậy để nâng cao được chất lượng bài giảng, giáo viên cần dựa vào tính chất của từng bài giảng mà tham khảo thêm kiến thức của mốt số môn học có liên quan để hướng dẫn cho sinh viên biết vận dụng các kiến thức đó giải quyết các vấn đề của kết cấu hàn. Tập bài giảng “Kết cấu hàn” nhằm trang bị những kiến thức cần thiết để người học có điều kiện lựa chọn phương án công nghệ được chính xác hơn. Vì vậy nó cũng thường xuyên được bổ sung, đổi mới theo cùng với mức độ phát triển của khoa học công nghệ trong khu vực cũng như trên thế giới. Để tăng giá trị sử dụng của tài liệu rất mong sự đóng góp ý kiến của các đồng chí giáo viên bộ môn, các bạn đồng nghệp, bạn đọc. Có thể góp ý bằng văn bản hay gặp trực tiếp văn phòng Khoa Cơ khí. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 06 năm 2017 Giáo viên biên soạn Chủ biên: Th.s. Nguyễn Trọng Điệu. 1. K. sư. Phạm Quang Tuấn. 2. K. sư Đỗ Quang Khải. MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN Tên môn học: Tính toán kết cấu hàn. Mã môn học: MH - 34 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: * Vị trí: Tính toán kết cấu hàn là môn học chuyên môn nghề trong chương trình đào tạo nghề hàn. Môn học được bố trí giảng dạy sau khi sinh viên đã học xong các môn học kỹ thuật cơ sở và các mô đun chuyên môn MĐ – 20; MĐ – 21; MĐ – 23 hoặc song song với MĐ – 22; MĐ – 24; MĐ – 25; MĐ – 26; MĐ – 27; * Tính chất của môn học: Tính toán kết cấu hàn là môn học chuyên ngành hàn mang tính lý thuyết và bài tập thực hành giúp sinh viên tiếp thu và thực hiện các kỹ năng tính toán kết cấu. * Ý nghĩa và vai trò của môn học: Trang bị cho học các kiến thức cơ bản để tính toán, xác định được tuổi thọ của kết cấu sau khi hàn. Mục tiêu của môn học: * Kiến thức: - Được đánh giá qua kiểm tra viết, kiểm tra vấn đáp đạt các yêu cầu sau: - Liệt kê đầy đủ các loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn. - Tính toán chích xác vật liệu chế tạo kết cấu hàn. - Trình bày rõ các công thức tính toán độ bền, ứng suất và biến dạng khi hàn. - Giải đúng các bài toán nghiệm bền và tính ứng suất biến dạng khi hàn của các kết cấu hàn đơn giản. - Trình bày được các kiến thức cơ bản về bảo vệ môi trường, sử dụng năng lượng và tài nguyên hiệu quả. - Xác định được vị trí của các thiết bị tiết kiệm điện trong sơ đồ, quy trình luyện tập. * Kỹ năng: - Nhận biết đúng các loại vật liệu chế tạo các kết cấu hàn. - Tra bảng, tính toán vật liệu hàn chính xác. - Tính toán được sự biến dạng của kết cấu hàn sau khi hàn từ đó đưa ra được biện pháp giảm ứng xuất và biến dạng hợp lý. - Kiểm tra đánh giá đúng công việc tính toán các kết cấu hàn. - Áp dụng được những biện pháp bảo vệ môi trường, sử dụng năng lượng và tài nguyên hiệu quả. - Lựa chọn và sử dụng được các thiết bị tiết kiệm điện trong quá trình luyện tập. - Lập được kế hoạch sử dụng nguyên vật liệu trong quá trình luyện tập. - Đóng góp, xây dựng được một môi trường học tập, làm việc sạch, tiết kiệm năng lượng và hạn chế rác thải nguy hại. * Năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Tích cực, tự giác trong học tập, cẩn thận, chính xác, biết bảo quản các loại dụng cụ và đảm bảm an toàn, vệ sinh công nghiệp trong thực tập. - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập. BÀI 1: MỘT SỐ KIẾN THỨC BỔ TRỢ Mục tiêu: - Nhận biết và giải thích được ký hiệu các loại vật liệu thường dùng để chế tạo kết cấu hàn. - Phân loại được mối hàn. - Trình bày được nguyên lý thử kéo, nén liên kết hàn. - Tính toán được vật liệu gia công kết cấu hàn chính xác, đạt hiệu suất sử dụng vật liệu cao. - Có tính kỷ luật cao, cẩn thận, chính xác trong thực tập và sản xuất Nội dung chính: 1. VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN: Nghiên cứu vật liệu hàn để tìm ra tính năng, tác dụng của từng loại vật liệu hàn và khả năng có thể cung cấp nó, từ đó mới lựa chọn được vật liệu phù hợp cho từng dạng kết cấu hàn. 1.1. Thép các bon: 1.1.1. Khái niệm thép các bon: Thép các bon là hợp kim trên cơ sở sắt và các bon với hàm lượng các bon nhỏ hơn 2,14%. Trong thực tế, thép các bon không phải là hợp kim chỉ gồm Fe và C. Do điều kiện nấu luyện còn nhiều các nguyên tố lẫn với thép với hàm lượng nhất định, nhỏ hơn giới hạn cho phép. Đó là các tạp chất. Tạp chất thường có như Mn, Si, P, S, H2, N2, các tạp chất ngẫu nhiên như Cr, Ni, Cu, Mo, Ti,.. Giới hạn cho phép của các tạp chất rất khác nhau, tuy nhiên đều thỏa mãn nguyên tắc: sự có mặt của tạp chất không gây ảnh hưởng đáng kể tới tổ chức và tính chất của thép, kể cả ảnh hưởng có lợi. Thành phần của thép các bon thông thường, ngoài Fe ra còn được giới hạn như sau: C < 2%, Mn £ 0,5 ¸ 0,8 %, Si £ 0,3 ¸ 0,6 %, P £ 0,05 ¸ 0,06 %, S £ 0,05 ¸ 0,06 %. 1.1.2. Phân loại thép các bon: 1.1.2.1. Phân loại theo hàm lượng cacbon: - Thép có hàm lượng cácbon thấp (C < 0,25%) nói chung độ bền, độ dẻo dai, độ cứng thấp hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện không cao, nên chủ yếu được sử dụng làm các chi tiết dập nguội và kết cấu xây dựng. Đây là loại thép có tính hàn tốt. - Thép có hàm lượng cácbon trung bình (C = 0,25 ÷ 0,5%) có cơ tính tổng hợp tương đối cao, do vậy thường được sử dụng làm các vật liệu kết cấu như các chi tiết chịu tải trọng tĩnh, va đập nhẹ (như trục, bánh răng,) với kích thước nhỏ. Đây là loại thép có tính hàn trung bình. - Thép có hàm lượng các bon tương đối cao (C = 0,55 ÷ 0,70%) có độ cứng, độ đàn hồi cao nhất. Đây là loại thép có tính hàn hạn chế. - Thép có hàm lượng các bon cao (C > 0,7%) có độ cứng và tính chống mài mòn cao thường được sử dụng làm các khuôn dập nguội, dụng cụ cắt có tốc độ thấp. Đây là loại thép có tính hàn xấu 1.1.2.2 Theo tổ chức trên giản đồ pha Fe-C: - Thép trước cùng tích (C < 0,8 %), thành phần gồm peclit + ferit - Thép cùng tích (C = 0,8%), thành phần gồm peclit - Thép sau cùng tích (C > 0,8%), thành phần gồm peclit + Xê mentit II 1.1.2.3 Phân loại theo chất lượng: Căn cứ vào mức độ đồng nhất của các thành phần hóa học, tổ chức và đặc biệt là mức độ tạp chất có hại như P và S, người ta chia thành các loại: Thép các bon chất lượng thường có 0,06 % S và 0,07% P Thép các bon chất lượng tốt, không cho phép lớn hơn 0,04% S và 0,035% P Thép các bon chất lượng cao, không cho phép vượt quá 0,025% mỗi nguyên tố Thép các bon chất lượng đặc biệt, có hàm lượng 0,15% S và 0,25% P 1.1.2.4. Phân loại theo công dụng: 1) Thép cácbon chất lượng thường: Loại này cơ tính không cao, chỉ dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấu chịu tải trọng nhỏ. Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông. Nhóm thép thông dụng này hiện chiếm tới 80% khối lượng thép dùng trong thực tế, thường được cung cấp ở dạng qua cán nóng (tấm, thanh, dây, ống, thép hình: chữ U, I, thép góc, ...). Nhóm thép này có các mác thép sau: Theo TCVN 1765-75 nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ CT (C: là Carbon, T: thường) với con số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu. Ví dụ: CT38, CT42,(Bảng 1. 1) Ngoài ra người ta còn chia nhóm thép này thành ba phân nhóm nhỏ: Phân nhóm A: chỉ quy định về cơ tính mà không quy định về thành phần hóa học Phân nhóm B: chỉ quy định về thành phần hóa học mà không quy định về cơ tính. Thép thuộc nhóm này ký hiệu thêm chữ B trước chữ CT, ví dụ: BCT31 Phân nhóm C: được quy định cả về cơ tính và thành phần hóa học (bao gồm cả nhóm A và nhóm B). Ký hiệu thêm chữ C vào trước chữ CT, ví dụ CCT31. Bảng 1. 1 Cơ tính quy định của mác thép phân loại theo nhóm A Số hiệu thép s0,2 (MPa) sb (MPa) d% Nga Việt Nam CT0 CT31 - >320 18 - 20 CT1 CT33 - 320 – 400 28 – 33 CT2 CT34 220 - 190 340 – 420 26 – 31 CT3 CT38 240 – 220 380 – 470 21 – 27 CT4 CT42 260 – 240 420 – 520 19 – 25 CT5 CT51 280 – 260 500 – 620 15 – 21 CT6 CT61 310 – 300 600 – 720 11 – 16 Bảng 1. 2 Thành phần hóa học của mác thép phân nhóm B Mác thép C, % Mn, % Si trong thép, % P, % S, % Sôi Nửa lặng Lặng Không quá BCT31 ≤ 0,23 - - - - 0,06 0,06 BCT33 0,06 - 0,12 0,25 - 0,50 0,05 0,05 - 0,17 0,12 - 0,30 0,05 0,04 BCT34 0,09 - 0,15 0,25 - 0,50 0,05 0,05 - 0,17 0,12 - 0,30 0,05 0,04 BCT38 0,14 - 0,22 0,30 - 0,65 0,07 0,05 - 0,17 0,12 - 0,30 0,05 0,04 BCT42 0,18 -0,27 0,40 - 0,70 0,07 0,05 - 0,17 0,12 - 0,30 0,05 0,04 BCT51 0,27 - 0,37 0,50 - 0,80 - 0,05 - 0,17 0,15 - 0,30 0,05 0,04 BCT61 0,38 - 0,49 0,50 - 0,80 - 0,05 - 0,17 0,15 - 0,30 0,05 0,04 2) Thép cácbon kết cấu: Là loại thép có hàm lượng tạp chất S, P rất nhỏ, củ thể: S ≤ 0,04%, P ≤ 0,035%, tính năng lý hoá tốt thuận tiện, hàm lượng cácbon chính xác và chỉ tiêu cơ tính rõ ràng. Theo TCVN 1766-75, nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ C với con số chỉ lượng cácbon trung bình theo phần vạn. Ví dụ: thép C40 là thép cácbon kết cấu với lượng cácbon trung bình là 0,40%. Thép cácbon kết cấu dùng để chế tạo các chi tiết máy chịu lực cao như các loại trục, bánh răng, lò xo v.v... Loại này thường được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm với các mác thép sau: C08, C10, C15, C20, C30, C35, C40, C45, C50, C55, C60 C65, C70, C80, C85. 3) Thép cácbon dụng cụ: Là loại thép có hàm lượng cácbon cao (0,70÷1,3%), có hàm lượng tạp chất P và S thấp (< 0,025%). Thép cácbon dụng cụ tuy có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện nhưng chịu nhiệt thấp nên chỉ dùng lamf các dụng cụ như đục, dũa hay các loại khuôn dập, các chi tiết cần độ cứng cao. Theo TCVN 1822-76, nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ CD với con số chỉ lượng cácbon trung bình theo phần vạn. Ví dụ: CD70 là thép cácbon dụng cụ với 0,70% C. Loại thép này gồm các mác thép: CD70, CD80, CD90, ...CD130 tương đương với thép Liên xô là: Y7, Y8, Y9, ...Y13. 4) Thép cácbon có công dụng riêng: Thép đường ray cần có độ bền và khả năng chịu mài mòn cao đó là loại thép cácbon chất lượng cao có hàm lượng C và Mn cao (0,50 ÷ 0,8% C, 0,6 ÷ 1,0% Mn). Ray hỏng có thể dùng để chế tạo các chi tiết và dụng cụ như đục, dao, nhíp, dụng cụ gia công gỗ,... Dây thép các loại: dây thép cácbon cao và được biến dạng lớn khi kéo nguội (d = 0,1 mm), giới hạn bền kéo có thể đạt đến 400 ÷ 450 kG/mm2. Dây thép cácbon thấp thường được mạ kẽm hoặc thiếc dùng làm dây điện thoại và trong sinh hoạt. Dây thép có thành phần 0,5 ÷ 0,7% C dùng để cuốn thành các lò xo tròn. Trong kỹ thuật còn dùng các loại dây cáp có độ bền cao được bện từ các sợi dây thép nhỏ. Thép lá để dập nguội: có hàm lượng cácbon và Si nhỏ (0,05÷0,2% C và 0,07÷0,17% Si). Để tăng khả năng chống ăn mòn trong khí quyển, các tấm thép lá mỏng có thể đượng tráng Sn (gọi là sắt tây) hoặc tráng Zn (gọi là tôn tráng kẽm). 1.1.2.5. Phân loại theo phương pháp luyện ra thép: Trong lò chuyển: không khống chế được thành phần của thép, lẫn nhiều tạp chất. Ít sử dụng Thép luyện trong lò Mác-tanh chất lượng thép tốt hơn nhưng giá thành cao. Thép luyện trong lò điện cho chất lượng tốt nhất, nhưng giá thành cao hơn. 1.1.2.6. Phân loại theo mức độ khử ôxy: Thép sôi: mức độ khử ôxy không triệt để, chất lượng thép thấp, thép hay bị giòn nguội. Loại thép này thường dùng cho các kết cấu có nhiệt độ dương. Thép bị nứt nóng dẫn đến kết cấu khi hàn cho chiều sâu ngấu nhỏ Ưu điểm: rẻ tiền Thép lặng: mức độ khử ôxy triệt để, chất lượng tốt hơn so với thép sôi. Thép nửa sôi: 1.1.2.7. Phân loại theo độ bền: σ0,2 giới hạn chảy quy ước – là ứng suất dưới tác dụng của nó sau khi bỏ lực thử kéo mẫu bị biến dạng dư 0,2% so với chiều dài ban đầu Ví dụ: Thép CT 38 có σb = 320 ¸ 420 Mpa; σ0,2 = 210 ¸ 220 Mpa Thép CT 42 có σb = 420 ¸ 540 Mpa; σ0,2 = 240 ¸ 260 Mpa 1.2. Thép hợp kim: 1.2.1 Khái niệm: Thép hợp kim là loại thép mà ngoài sắt, cácbon và các tạp chất ra, người ta còn cố ý đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép để hợp với yêu cầu sử dụng. Các nguyên tố đưa vào gọi là nguyên tố hợp kim thường gặp là: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Nb, Cu,...với hàm lượng như sau: Mn: 0,8 - 1,0%; Si: 0,5 - 0,8%; Cr: 0,2 - 0,8%; Ni: 0,2 - 0,6%; W: 0,1 - 0,6%; Mo: 0,05 - 0,2%; Ti, V, Nb, Cu > 0,1%; B > 0,002%. Trong thép hợp kim, các tạp chất có hại như S, P và các khí ôxy, hyđrô, nitơ là rất thấp so với thép cácbon. Về cơ tính thép hợp kim có độ bền cao hơn hẳn so với thép cácbon đặc biệt là sau khi nhiệt luyện. Về tính chịu nhiệt: Thép hợp kim giữ được độ cứng cao và tính chống rão tới 6000C (trong khi thép cácbon chỉ đến 2000C), tính chống ôxy hoá tới 800-10000C. Về các tính chất vật lý và hoá học đặc biệt: thép cácbon bị gỉ trong không khí, bị ăn mòn mạnh trong các môi trường axit, bazơ và muối,...Nhờ hợp kim hoá mà có thể tạo ra thép không gỉ, thép có tính giãn nở và đàn hồi đặc biệt, thép có từ tính cao và thép không có từ tính, ... Vì vậy thép hợp kim có nhiều chủng loại và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp (chiếm 10%). Đặc biệt cần trong trường hợp các kết cấu chịu tải trọng lớn, các kết cấu phải làm việc trong các môi trường đặc biệt và yêu cầu giảm về khối lượng và kích thước. Khi thành phần hợp kim có mặt càng nhiều thì tính hàn càng giảm (trừ một số trường hợp đặc biệt). Giá thành thép hợp kim cao. Do vậy khi tính toán thiết kế kết cấu hàn cần phải lựa chọn nhiều phương án để từ đó rút ra phương án tối ưu. 1.2.2 Phân loại: 1.2.2.1 Phân loại theo công dụng: 1) Thép hợp kim kết cấu: Trên cơ sở là thép cácbon kết cấu cho thêm các nguyên tố hợp kim. Thép hợp kim kết cấu có hàm lượng cácbon khoảng 0,1÷0,85% và lượng phần trăm nguyên tố hợp kim thấp. Thép này phải qua thấm than rồi nhiệt luyện thì cơ tính mới cao. Loại thép này được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng cao, cần độ cứng, độ chịu mài mòn, hoặc cần tính đàn hồi cao v.v...Các mác thép hợp kim kết cấu thường gặp: 15Cr, 20Cr, 40Cr, 20CrNi, 12Cr2Ni4, 35CrMnSi; các loại có hàm lượng cácbon cao dùng làm thép lò xo như 50Si2, 60Si2CrA v.v... Ký hiệu mác thép biểu thị chữ số đầu là hàm lượng cácbon tính theo phần vạn, các chữ số đặt sau nguyên tố hợp kim là hàm lượng của nguyên tố đó, chữ A là loại tốt. Ví dụ: thép 12Cr2Ni4A trong đó có 0,12% C, 2% Cr, 4% Ni và là thép tốt. 2) Thép hợp kim dụng cụ : Là loại thép dùng để chế tạo các loại dụng cụ gia công kim loại và các loại vật liệu khác như gỗ, chất dẻo v.v...Thép hợp kim dụng cụ cần độ cứng cao sau khi nhiệt luyện, độ chịu nhiệt và chịu mài mòn cao. Hàm lượng cácbon trong thép hợp kim dụng cụ cao từ 0,7÷1,4%; các nguyên tố hợp kim cho vào là Cr, W, Si và Mn. Thép hợp kim dụng cụ sau khi nhiệt luyện có độ cứng đạt 60 ÷ 62 HRC. Có một số mác thép chuyên dùng như sau: Thép dao cắt: dùng chế tạo các loại dao cắt như dao tiện, dao bào, dao phay, mũi khoan như 90CrSi, 140CrW5, 100CrWMn, hoặc một số thép gió như 80W18Cr4VMo, 90W9V2, 75W18V các loại thép gió có độ cứng cao, bền, chịu mài mòn và chịu nhiệt đến 6500C. Thép làm khuôn dập: đối với khuôn dập nguội thường dùng 100CrWMn, 160Cr12Mo, 40CrSi. Đối với khuôn dập nóng thường dùng các mác thép: 50CrNiMo, 30Cr2W8V, 40Cr5W2VSi. Thép ổ lăn: là loại thép dùng để chế tạo các loại ổ bi hay ổ đũa là loại thép chuyên dùng như OL100Cr2, OL100Cr2SiMn. Các ổ lăn làm việc trong môi trường nước biển phải dùng thép không gỉ như 90Cr18 và làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao phải dùng thép gió loại 90W9Cr4V2Mo. Các ký hiệu của thép hợp kim dụng cụ cũng được biểu thị như các loại thép hợp kim khác trừ thép ổ lăn là có thêm chữ OL ban đầu. 3) Thép hợp kim đặc biệt: Trong công nghiệp cần thiết phải có những loại thép đặc biệt để đáp ứng yêu cầu của công việc. Có các loại thép: Thép không gỉ: là loại thép có khả năng chống lại môi trường ăn mòn. Thường dùng các mác thép: 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 12Cr18Ni9, 12Cr18Ni9Ti,... Thép bền nóng: là loại thép làm việc ở nhiệt độ cao mà độ bền không giảm, không bị ôxy hoá bề mặt. Ví dụ 12CrMo, 04Cr9Si2 chịu được nhiệt độ 300÷5000C; loại bền nóng 10Cr18Ni12, 04Cr14Ni14W2Mo chịu được nhiệt độ 500÷7000C; hoặc là thép Ni-Crôm chuyên chế tạo dây điện trở 10Cr150Ni60. Thép từ tính: là loại thép có độ nhiễm từ cao. Thép hợp kim từ cứng thường dùng các thép Cr, Cr-W, Cr-Co hoặc dùng hợp kim hệ Fe-Ni-Al, Fe-Ni-Al-Co để chế tạo các loại nam châm vĩnh cữu bằng phương pháp đúc và qua một quá trình nhiệt luyện đặc biệt trong từ trường. Thép và hợp kim từ mềm có lực khử từ nhỏ độ từ thẩm lớn dùng làm lõi máy biến áp, stato máy điện, nam châm điện các loại,...Thường dùng: sắt tây nguyên chất kỹ thuật (<0,04% C), thép kỹ thuật điện (thép Si) có 0,01÷0,1% C và 2÷4,4% Si; có thể dùng hợp kim permaloi có thành phần 79% Ni, 4% Mo còn lại là Fe. Thép không từ tính: là loại vật liệu không nhiễm từ như 55Mn9Ni9Cr3 Phần này đã được đề cập đến trong chương trình vật liệu hàn. Ở đây chỉ nêu lên những vật liệu cơ bản hay dùng trong các kết cấu hàn như thép cácbon, thép hợp kim, que hàn. 1.2.2.2. Phân loại theo tổng lượng các nguyên tố hợp kim: Thép hợp thấp có tổng lượng thành phần hợp kim < 2,5% Thép hợp kim trung bình có tổng lượng thành phần hợp kim <10% Thép hợp kim cao có tổng lượng thành phần hợp kim >10% 1.2.2.3. Phân loại theo nguyên tố hợp kim chủ yếu: Thép Mn: thành phần thép gồm nguyên tố Cr và Mn Thép Si: thành phần thép gồm Cr và Si Thép Cr: thành phần thép gồm Cr và Si 1.3. Kim loại màu và hợp kim của chúng: 1.3.1. Đồng và hợp kim đồng dùng trong kết cấu hàn: 1.3.1.1. Đặc điểm và phân loại hợp kim đồng: Tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao. Về tính dẫn điện Cu chỉ đứng sau Ag. Chống ăn mòn khá tốt trong các môi trường thường gặp như khí quyển, nước, nước biển hay kiềm, axit hữu cơ. Tính dẻo rất cao do có mạng A1 nên rất dễ biến dạng nóng và nguội, dễ chế tạo thành các bán thành phẩm dài, tiện cho sử dụng. Ở trạng thái ủ tuy có độ bền không cao nhưng sau khi biến dạng dẻo độ bền tăng rất mạnh. Với đồng và hợp kim, biến dạng nguội là biện pháp hoá bền rất quan trọng. Tính hàn của đồng khá tốt song khi hàm lượng tạp chất đặc biệt là ôxy tăng lên, ưu điểm này giảm đi rõ rệt. Tuy nhiên đồng có nhược điểm sau: khối lượng riêng lớn, tính gia công cắt kém do phoi quá dẻo, không gãy, để cải thiện thường cho thêm Pb vào, tính đúc kém, tuy nhiệt độ nóng chảy là 1083oC song độ chảy loãng nhỏ. 1.3.1.2. Phân loại: 1) Đồng nguyên chất: Các loại đồng nguyên chất để dẫn điện phải có ít nhất 99,9%Cu được sản xuất theo 3 phương pháp khác nhau. - Đồng điện phân: chứa khoảng 0,04%O2. Trong đồng, ôxy hầu như không hoà tan chỉ tạo ra Cu2O nên không giảm tính dẫn điện. Tuy nhiên loại này nhạy cảm với hydro khi nhiệt độ > 400oC (H2 khử Cu2O tạo nên bọt nước, gây nứt ở biên hạt). Do vậy loại này chỉ dùng để gia công - Đồng sạch ôxy là loại nấu chảy các catod đồng trong khí quyển hoàn nguyên, có ít nhất 99,95% Cu, lượng ôxy nhỏ hơn 0,003% nên không nhạy cảm với hydro. - Đồng được khử ôxy là loại được khử ôxy triệt để bằng phôtpho, toàn bộ ôxy ở dưới dạng P2O5. Nếu lượng P tự do trong đồng <0,005% thì hầu như không làm giảm tính dẫn (nhưng với 0,04%P tính dẫn chỉ bằng 85% của loại đồng sạch ôxy) do sạch ôxy nên có thể biến dạng nóng. 2) Latông: (đồng thau) Latông là hợp kim của đồng mà nguyên tố hợp kim chính là Zn Giản đồ pha Cu-Zn là loại rất phức tạp, tạo nên rất nhiều pha, song trong thực tế chỉ dùng loại có ít hơn 45%Zn ên chỉ gặp hai pha a và β. Pha a là dung dịch rắn thay thế của Zn trong Cu với mạng lưới A1, nó có thể chứa tối đa 39%Zn ở 454oC. Đó là pha cơ bản của latông và là pha duy nhất của latong chứa ít Zn, do đó nó quyết định quan trọng các tính chất cơ bản của latong. Khi Zn hoà tan vào Cu không những nâng cao độ bền mà cả độ dẻo của dung dịch rắn, đồng thời có hiệu ứng hoá bền biến dạng cao. Do vậy nói chung cơ tính cảu latông một pha cao hưon và rẻ hơn Cu. Độ dẻo cao nhất ứng với khoảng 30%Zn. Ngoài ra khi pha thêm Zn, màu đỏ của đồng nhạt dần và chuyển dần thành vàng. Pha β là pha điện tử ứng với công thức CuZn có thành phần dao động trong khoảng 46-50%Zn. Khác với a, β cứng và dòn hơn, đặc biệt ở nhiệt độ thấp (<457oC) khi nó bị trật tự hoá thành pha β’. Do vậy không thể dùng latông quá 45%Zn với tổ chức hoàn toàn là β’. Trong thực tế thường dùng ≤40%Zn với hai loại pha a và hai pha a +β. 3) Brông: (đồng thanh) Brông là hợp kim của Cu với các nguyên tố không phải là Zn như Sn, Al, Bevà được gọi là brông thiếc, brông nhômRiêng hợp kim Cu-Ni không gọi là brông. a) Brông thiếc: Cu-Sn:Với hàm lượng Sn nhỏ hơn 13,5% sau khi kết tinh chỉ có 1 pha a là dung dịch rắn thay thế của Sn trong Cu kiểu mạng A1 dẻo và tương đối bền do cơ chế hoá bền dung dịch rắn. Vì khoảng kết tinh lớn, quá trìnhthiên tích xảy ra khá mạnh nên ngay với hàm lượng Sn khá nhỏ (<8%) trong điều kiện đúc thông thường đã xuất hiện pha β. Khi làm nguội tiếp, pha này chuyển thành γ rồi sau đó thành pha δ. Ở nhiệt độ thường các hợp kim chứa ít hơn 8%Sn sau khi ủ có tổ chức một pha đồng nhất, khá dẻo chịu biến dạng tốt. Khi lượng Sn vượt quá 8%, nhất là khi lớn hơn 10%, hợp kim có tổ chức hai pha a +δ. Hàm lượng Sn dùng trong các brông công nghiệp không vượt quá 16%. b) Brông nhôm Các hợp kim chứa ít hơn 9,4%Al có tổ chức chỉ là dung dịch rắn thay thế của Al trong Cu có mạng A1 khả dẻo và bền. Do bề mặt có lớp Al2O3 nên hợp kim Cu-Al chịu đựng tốt trong khí quyển công nghiệp hay nước biển. Brông Al 1 pha (với 5-9%Al) được sử dụng rộng rãi như chi tiết bơm, hệ thống trao đổi nhiệt Brông 2 pha (>9,4%Al) với sự xuất hiện của pha β (hợp chất điện tử mạng A2 là Cu3Al) chỉ ổn định ở trên 565oC và chịu biến dạng tốt. Ở 565oC có chuyển biến cùng tích β à [a +γ2 ]. Nếu làm nguội nhanh β àβ’ (mạng sáu phương) cũng có tên là mactenxit, nhưng không cứng, khi ram ở 500oC, γ2 tiết ra ở dạng nhỏ mịn, làm tăng mạnh độ bền, lại ít gây ra dòn nên các brông nhôm chứa 10-13%Al được tôi ram cao và có cơ tính cao. 4) Hợp kim Cu-Ni và Cu-Zn-Ni: Hai nguyên tố Cu và Ni hoà tan vô hạn vao nhau nên luôn có vùng tổ chức 1 pha và kiểu mạng A1. Ni hoà tan vô hạn vào Cu làm tăng mạnh độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn trong nước biển. Hợp kim Cu-Ni với 10-30%Ni được dùng làm bộ ngưng tụ của tàu biển, ống dẫn nước biển, trong công nghiệp hoá học. Hợp kim Cu với 17-27%Zn và 8-18%Ni được dùng làm biến trở với tổ chức là dung dịch rắn nên có điện trở suất rất cao và có màu bạc như của Ni. 1.3.2. Nhôm và hợp kim nhôm dùng trong kết cấu hàn: Về phương diện sản xuất và ứng dụng, nhôm và hợp kim nhôm chiếm vị trí thứ 2 sau thép. Sở dĩ như vậy vì vật liệu này có các tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, trong một số trường hợp đem lại hiệu quả kinh tế lớn. 1.3.2.1 Đặc tính của nhôm nguyên chất: Khối lượng riêng nhỏ (2,7g/cm3) bằng 1/3 thép. Chính vì ưu điểm này mà người ta ưu tiên sử dụng khi phải giảm nhẹ tối khối lượngcủa hệ thống hay kết cấu. Tính chống ăn mòn nhất định trong khí quyển nhờ luôn có lớp màng oxit (Al2O3) xít chặt bám chắc vào bề mặt. Để tăng tính chống ăn mòn trong khí quyển người ta làm cho lớp bảo bệ này dày lên bằng cách anod hoá. Nhờ đó nhôm và hợp kim nhôm có thể dùng trong xây dựng, trang trí nội thất mà khôngcần bảo vệ. Dẫn điện cao: tuy bằng 62% của đồng nhưng do khối lượng riêng chỉ bằng 1/3 Tính dẻo rất cao, dễ biến dạng dẻo nhất là khi kéo sợi, dây và cán mỏng thành tấm, lá băng, màng ép, ép chảy thành các thanh dài với các biên dạng khác nhau . Nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp (660oC) một mặt làm dễ dàng cho nấu chảy khi đúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim không sử dụng được ở nhiệt độ cao hơn 300¸400oC Độ bền, độ cứng thấp, ở trạng thái ủ sb=60Mpa, s0,2=20Mpa, HB25. Tuy nhiên có kiểu mạng A1 nó có hiệu ứng hoá bền biến dạng lớn, nên đối với nhôm và hợp kim nhôm, biến dạng nguội với lượng ép khác nhau là biện pháp hoá bền thường dùng. Để ký hiệu mức độ biến cứng đơn thuần (tăng bền nhờ biến dạng nguội) thường dùng các ký hiệu H1x, trong đó x là số chỉ mức tăng độ cứng (x/8) 1 - mức tăng ít nhất (1/8) 2 - mức tăng thêm 1/4 4 - mức tăng thêm 1/2 8 - mức tăng thêm 4/4 hay 100%, ứng với mức độ biến dạng e=75% 9 - mức tăng thêm tối đa (cứng nhất) ứng với mức độ biến dạng e>75% Như thế cơ tính của nhôm và hợp kim ở dạng bán thành phẩm phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái biến dạng này. Trong sản xuất cơ khí thường dùng các hợp kim nhôm qua nhiệt luyện và biến dạng dẻo có độ bền không thua kém gì thép cacbon. 1.3.2.2 Hợp kim nhôm và phân loại hợp kim nhôm: Để có độ bền cao, người ta phải hợp kim hoá nhôm và tiến hành nhiệt luyện. Vì thế hợp kim nhôm có vị trí khá quan trọng trong chế tạo cơ khí và xây dựng. Hợp kim Al biến dạng là hợp kim với ít hợp kim (bên trái điểm CC’) tuỳ thuộc nhiệt độ có tổ chức hoàn toàn là dung dịch rắn nền nhôm nên có tính dẻo tốt, dễ dàng biến dạng nguội hay nóng. Trong loại này còn chia ra hai phân nhóm là không và có hoá bền được bằng nhiệt. Phân nhóm không hóa bền được bằng nhiệt luyện là loại chứa ít hợp kim hơn (bên trái F), ở mọi nhiệt độ chỉ có tổ chức là dung dịch rắn, không có chuyển biến pha nên không thể hoá bền được bằng nhiệt luyện, chỉ có thể hoá bền bằng biến dạng nguội mà thôi. Phân nhóm này chứa các nguyên tố hợp kim như Si, Mn, Mg. Các nguyên tố này làm tăng độ bền thông qua sự hình thành các dung dịch đặc hoặc các pha phân tán. Trong các nguyên tố kể trên Mg là nguyên tố có hiệu quả cao nhất, do đó hợp kim Al-Mg có độ bền cao cả trong thạng thải ủ. Mọi hợp kim nhôm thuộc nhóm không thể nhiệt luyện được đều biến cứng (kèm theo suy giảm tính dẻo) khi bị biến dạng ở trạng thái nguội. Hợp kim thuộc các hệ Al-Mg, Al-Mn đều dễ hàn. Sau khi ủ, chúng có thể trở lại cơ tính ban đầu. Hợp kim nhôm loại này nếu được hàn sau khi đã biến cứng nguội, có thể có độ bền vùng ảnh hưởng nhiệt thấp như của kim loại cơ bản sau khi ủ. Nhôm, hợp kim Al-Mg và hợp kim Al-Mn đều dễ hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng cả điện cực nóng chảy lẫn điện cực không nóng chảy (riên với hợp kim đúc Al-Si thì còn cần phải sử dụng các quy trình đặc biệt). Phân nhóm hoá bền được bằng nhiệt luyện là loại chứa nhiều hợp kim hơn (từ điểm F đến C hay C’), ở nhiệt độ thường có tổ chức hai pha (dung dịch rắn + pha thứ 2) nhưng ở nhiệt độ cao pha thứ 2 hoà tan hết vào dung dịch rắn, tức có chuyển pha, nên ngoài biến dạng nguội có thể hóa bền thêm bằng nhiệt luyện. Như vậy chỉ hệ hợp kim với độ hoà tan trong nhôm biến đổi mạnh theo nhiệt độ mới có thể có đặc tính này. Hợp kim nhôm có thể nhiệt luyện có chứa các nguyên tố hợp kim Cu,Mg,Zn và Si dưới dạng đơn hoặc dưới dạng kết hợp. Trong trạng thái ủ, độ bền của chúng phụ thuộc vào thành phần hoá học tương tự như với các hợp kim không thể nhiệt luyện được. Hợp kim Al-Mg-Si là hợp kim dễ hàn. Nhiều hợp kim thuộc nhóm Al-Zn có tính hàn kém nhưng khi có thêm Mg, tính hàn của chúng có thể được cải thiện. Hợp kim Al-Cu đòi hỏi có quy trình hàn đặc biệt và liên kết hàn có tính dẻo. Hợp kim nhôm đúc là hợp kim với nhiều hợp kim hơn (bên phải điểm C, C’) có nhiệt độ chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùng tinh nên tính đúc cao. Do có nhiều pha thứ 2 (thường là hợp chất hoá học) hợp kim giòn hơn, không thể biến dạng dẻo được. Khả năng hoá bền bằng nhiệt luyện của nhóm này nếu có cũng không cao vì không có biến đổi mạnh của tổ chức khi nung. VD: Hợp kim 2014T6 là hợp kim nhôm với đồng dưới dạng dung dịch đặc đã được nhiệt luyện và hoá già nhân tạo. Một số hợp kim nhôm và thành phần hoá học tiêu biểu Ký hiệu Tính chất Thành phần (%) 1060 Không thể nhiệt luyện ≥99,6Al 1100 Không thể nhiệt luyện 0,12Cu; ≥99Al 2219 Có thể nhiệt luyện 6,3Cu;0,3Mn;0,18Zr;0,1V;Al còn lại 7075 Có thể nhiệt luyện. Độ bền cao 1.6Cu; 2,5Mg;0,3Cr;5,6Zn;Al còn lại TCVN 1659-75 có quy định cách ký hiệu hợp kim nhôm được bắt đầu bằng Al và tiếp theo lần lượt từng ký hiệu hoà học của nguyên tố hợp kim cùng chỉ số % của nó, nếu là hợp kim đúc sau cùng có chữ Đ. AlCu4Mg: hợp kim nhôm chứa 4%Cu, 1%Mg Với nhôm sạch bằng Al và số chỉ phần trăm của nó như Al99, Al99,5 1.4. Que hàn: (Xem lại phần Vật liệu Hàn) 1.4.1. Que hàn thuốc bọc: 1.4.1.1 Cấu tạo: Điện cực để hàn hồ quang tay (hàn thép, gang, nhôm...) thường dùng là điện cực nóng chảy (gọi là que hàn). Que hàn gồm có lõi là những đoạn dây kim loại có chiều dài từ 250 ¸ 450 mm tương ứng với đường kính từ 1 ¸ 12 mm. Lõi que hàn làm nhiệm vụ dẫn điện và khi nóng chảy thì đóng vai trò là kim loại phụ để bồi đắp vào kim loại mối hàn. Tùy từng nước người ta có thể chế tạo các loại que hàn với nhiều đường kính khác nhau. Thông thường người ta chế tạo que hàn có đường kính từ 2 ¸ 4 mm. Chiều dài từ 250 ¸ 450 mm. Hình 1: Que hàn thuốc bọc: 1. Lõi que; 2. Lớp thuốc bọc Thuốc bọc que hàn: Bọc bên ngoài lõi que hàn là lớp thuốc hàn. Đó là hỗn hợp các hoá chất, các khoáng chất, các ferô hợp kim và chất kết dính. Thuốc bọc que hàn cần thoả mãn các yêu cầu sau: Phải có tính ổm định và ion hoá tốt để đảm bảo cho hồ quang cháy ổn định. Tạo khí để bảo vệ kim loại lỏng không bị ảnh hưởng của các tác nhân môi trường xung quanh (H2, N2, O2) nhưng không gây ra khí độc khi hàn. Có khả năng tạo xỉ, xỉ lỏng đều và phủ đều trên bề mặt kim loại mối hàn, để bảo vệ mối hàn và làm giảm tốc độ nguội của mối hàn, đồng thời xỉ phải dễ bong. Có khả năng khử ôxi trong quá trình hàn. Có khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn để nâng cao cơ tính của mối hàn. Bảo đảm độ bám chắc của thuốc lên lõi que và bảo vệ lõi que không bị ôxi hoá. Các thành phần của thuốc bọc que hàn: Có 6 thành phần sau: - Thành phần ổn định: Là các vật chất mà nguyên tử của nó dễ bị ion hóa hay nói c...chiều dài nhỏ hơn 300 mm thì thực hiện một hành trình từ đầu đến cuối đường hàn hay hàn từ giữa ra hai đầu. Hướng hàn Hàn từ đầu đến cuối Đường hàn - Các mối hàn có chiều dài từ 300 ÷ 600 mm thì hàn từ giữa ra hai đầu không nên hàn từ hai đầu vào giữa bởi vì khi hàn từ hai đầu vào vùng giữa mối hàn sẽ tồn tại ứng suất dư kéo dễ tạo thành vết nứt ở khu vực này. Hướng hàn Hướng hàn Đường hàn Hàn từ giữa ra hai đầu: - Các mối hàn có chiều dài lớn hơn 600 mm thì tiến hành phân đoạn để hàn. Chiều hàn của mỗi đoạn hàn ngược chiều với mối hàn (hàn phân đoạn ngược). Chiều dài của mỗi đoạn hàn có thể lấy khoảng 150 ÷ 200 mm sao cho trên mỗi đoạn hàn thực hiện hết một hoặc hai que hàn. Nếu mối hàn thực hiện cả hai phía (mối hàn góc chữ T) nên bố trí sao cho hướng hàn của mối thứ 2 ngược với mối hàn thứ nhất. Như vậy sự biến dạng sẽ được giảm, biến dạng của mối trước tạo ra sẽ được biến dạng của mối hàn thứ 2 khử bớt. Hường hàn mối hàn 5 4 3 2 1 Hường hàn mối hàn 1 5 4 3 2 1 Trục đường hàn Hường hàn mối hàn 2 1 2 3 4 5 Trục đường hàn Mối hàn 1 phía: Mối hàn 2 phía 10. Bố trí sắp xếp các mối hàn và thứ tự thực hiện mối hàn theo nguyên tắc: Mối hàn sau có xu hướng tạo biến dạng khử được biến dạng do mối hàn trước nó sinh ra 2 4 3 1 7 5 3 1 2 4 6 8 Thứ tự thực hiện các đường hàn 11. Thực hiện biến dạng ngược. Trước khi hàn cần phải tạo ra sự biến dạng ngược với xu hướng biến dạng do mối hàn sắp tới gây ra. Để thực hiện phương pháp này yêu cầu cần phải tính toán được mức độ biến dạng do mối hàn chuẩn bị thực hiện gây ra là bao nhiêu từ đó mới có thể gây biến dạng ngược phù hợp để sau khi hàn chúng ta thu được chi tiết hàn có hình dạng kích thước theo yêu cầu. Tạo biến dạng ngược. Sau khi hàn Thí dụ biến dạng ngược mối hàn giáp mối 12. Sử dụng phương pháp làm nguội nhân tạo chi tiết trong quá trình hàn nhằm mục đích giảm vùng kim loại bị nung nóng từ đó giảm biến dạng. Người tacos thể cho chi tiết ngập trong nướcchir để vị trí hàn trên mặt nước. hay dùng tấm lót có khối lượng lớn. Khi dùng tấm lót bằng thép, đồng rất có lợi khi hàn thép không gỉ có độ dày nhỏ. Đôi khi dùng tấm lót bằng đồng, thép có rãnh dẫn nước làm mát. 13. Dùng phương pháp ủ hay thường hóa chi tiết sau khi hàn nhằm loại bỏ hoàn toàn hay một phần ứng suất bên trong chi tiết xuất hiện trong quá trình hàn. 14. Dùng phương pháp nắn nóng hay nắn nguội để phục hồi hình dạng chi tiết sau khi hàn. Khi nắn nguội có thể dùng kích, máy ép hay đánh búa. Phương pháp này nếu không biết xử lý đúng có thể xuất hiện vết nứt ở mối hàn hay kim loại cơ bản. 15. Nắn sửa chi tiết mỏng bằng phương pháp con lăn lên bề mặt mối hàn và vùng lân cận sau khi hàn một khoảng rộng từ 7 ÷ 20 mm. Áp suất lăn được áp dụng theo công thức: Trong đó: - P0 Lực nén của con lăn. (KG) - b Chiều rộng làm việc của con lăn. - d Đường kính con lăn. - h là chiều dày kim loại cơ bản. - E Mô đun đàn hồi của kim loại cơ bản. - sT Giới hạn chảy của kim loại cơ bản. Trong quá trình cán kim loại bị biến dạng dẻo nên loại bỏ được ứng suất có xu hướng làm cho chi tiết bị biến dạng. 16. Khi nắn nóng có thể sử dụng mỏ hàn hơi để nung nóng từng điểm sau đó tác dụng lực hay nung tại các điểm cần xử lý đến nhiệt độ trên 6500C sau đó làm nguội nhanh gây kích thích biến dạng ngược với biến dạng do quá trình hàn tạo ra. 1.3. Xác định lực tác dụng: Các bài toán về ứng suất và biến dạng trong hàn rất phức tạp. Hơn nữa trong thực tế các kết cấu hàn thường nhiều chi tiết ghép lại nên có nhiều đờng hàn cắt nhau. Vì vậy trong quá trình hàn chúng gây ra nhiều tác dụng tương hỗ lẫn nhau làm cho việc tính toán ứng suất và biến dạng càng thêm phức tạp. Trong phạm vi chương trình ta chỉ xét ứng suất và biến dạng trên cơ sở nội lực tác dụng và kết cấu hàn đơn giảm và dựa trên các giả thuyết: - Ứng suất dư sinh ra do quá trình nung nóng và lam nguội không đều khi hàn phải cân bằng trong vùng tiết diện ảnh hưởng và đạt tới giới hàn chẩy. - Tấm đốt nóng không bị ảnh hưởng của mối trường bên ngoài. - Biến dạng của kết cấu phù hợp với tiết diện phẳng. Giả sử ta hàn giáp mối hai tấm kim loại có kích thước như hình vẽ. Sau khi hàn ta có câc ừng suất và biến dạng. b1 bn b2 ΔL L P P/2 P/2 + - - S h h0 b0 Theo thuyết sức bền ta xác định được nội ực tác dụng: P = sh.F0 Trong đó: - sh là ứng suất sinh ra khi hàn. sh = a.E.T + a là hệ số dãn nở nhiệt. + E là mô đuyn đàn hồi. + T là nhiệt độ nung nóng. Theo thuyết sức bền ta có: sh = sT - Fo là diện tích vùng ứng suất tác dụng. Nó bao gồm kim loại ở mối hàn và phần kim loại cơ bản bị nung đến nhiệt độ biến dạng. Phần kim loại vùng này bị nén khi nung nóng. Còn khi nguội các thớ ở vùng ứng suất tác dụng không thể co tự do mà bị cản trở bởi các thớ bên cạnh nguội hơn. Sau khi nguội hoàn toàn thì vùng ứng suất tác dụng sẽ bị kéo còn vùng bên cạnh sẽ bị nén. Trên hình vẽ ta thấy: Fo = bn.s Trong đó: - bn là chiều rộng vùng ứng suất tác dụng. (cm) - s là chiều dày của tấm hàn. (cm) Vì ứng suất tác dụng trên 2 tấm là như nhau nên ở mỗi tấm ta có thể chia ra làm 2 vùng b1 và b2 như hình vẽ. 1.3.1. Vùng ứng suất tác dụng b1: Là khu vực hàn bao gồm kim loại mối hàn nóng chẩy và kim loại của tấm hàn được nung đến trạng thái biến dạng dẻotức là nhiệt độ dược nung đến 550o. Chiều rộng của vùng b1 phụ thuộc vào công suất của nguồn nhiệt, tốc đọ hàn, khối lượng kim loại nóng chẩy, tính chất cơ lý của của vật hàn và có thể được tính như sau: Từ công thức thay y bằng b1 và Tmax =550oc ta được: Trong đó: - q Công suất hữu ích của nguồn nhiệt. (calo/s) - v tốc độ hàn. (cm/s) - c nhiệt dung riêng. - g khối lượng riêng của kim loại. (g/cm3) Một cách tỏng quát: S S1 S1 S1 S1 S2 S2 S2 S2 S3 S0 = 2.S S0 = S1 + S2 S0 = S1 + S2 S0 = S1 + S2 S0 = S1 + S2 + S3 Trong đó so là chiều dày vật hàn được tính toán như sau: 1.3.2. Vùng ứng suất tác dụng b2: Vùng này rất khó xác định nó không chỉ phụ thuộc vào sự phân bố nhiệt theo tiết diện ngang của tấm hàn mà còn phụ thuộc vào độ cứng vững của mối hàn và được biểu thị bằng chiều rộng h của vật hàn và giới hàn chẩy sT. Chuẩn số để xác định đặc tính nung nóng khi hàn và sự phân bố nhiệt theo tiết diện ngang của chi tiết chính là năng lượng riêng qo được xác định theo công thức sau: Như vậy vùng biến dạng dẻo b2 là một hàm số nhiều biến: b2 = f.(qo.h.sT) Vậy b2 được xác định như sau: b2 = K2.(h - b1) Trong đó: - h. là chiều rộng tấm hàn: + Khi hàn tự động, bán tự động lấy: h = 300 ÷ 500 (mm) + Khi hàn hồ quang tay lấy: h ≤ 250 (mm) - K2 được chọn trong biểu đồ thực nghiệm được xây dựng với 2 loại thép có sT = 22 KN/cm2 và sT = 28 KN/cm2. Đối với thép có giới hạn chẩy cụ thể nào đó thì phải làm cồn tác nội suy như sau: Trong đó: - K2 là hệ số năng lượng cần tìm của thép có sT - K2’ là hệ số năng lượng riêng của loại thép có Ví dụ: Tìm năng lượng riêng K2 của loại thép có sT = 24KN/cm2 khi hàn với chế độ hàn: Ih = 600A; Uh = 32V; Vh = 40m/h; chiều dày tấm s= 12 mm hàn tự động h = 0,9 Giải: * Tính năng lượng riêng qo: (1) Trong đó: q = 0,24.h.Uh.Ih = 0,24.0,9.600.32 - - so = s =1,2 cm Thay vào (1) ta được: * Từ biểu đồ thực nghiệm ta có: - Từ trục hoành lấy giá trị qo = 3110,4 kẻ song song với trục tung cắt đường cong sT = 28 (KN/cm2) tại điểm A. - Từ điểm Avừa tìm được kẻ đường song song với trục hoành cắt trục hoành tại điểm B. Từ điểm B ta xác định được hệ số năng lượng riêng K2’. * Xác định hệ số năng lượng riêng K2 2. TÍNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN ĐẮP VÀO MÉP TẤM: Nội ng suất khi hàn vào mép tấm kim loại phu thuộc vào chiều dài của tấm, tốc độ hàn, sự kẹp chặt. Noi chung sau khi nguội và đẻ co tự do thì vật hàn đều cong lõm về phía hàn. Giả sử ta hàn đắp vào mép tấm kim loại có các kích thước như hình vẽ. S h s = sT - s2 su sTổng bn Khi các cạnh bị giới hạn bởi cơ cấu kẹp chặt thì không có hiện tượng cong và ứng suất dư do lực tác dụng dọc trục gây ra sẽ phân bố theo tiết diện ngang của tấm và vùng ứng suất tác dụng bn sẽ đạt đến giới hạn chẩy nếu. bn≤0,5.h - Ta có lực tác dụng dọc trục là: P = F0. sT = bn.s.sT - Theo điều kiện cân bằng ta có: P = bn.s.sT = s2. (h – bn) Ở đây s2 là ứng suất phản kháng vậy s2 có thể xác định như sau: Trong đó: F = h.s (cm2) F0 = bn.s (cm2) - Mô men uốn gây ra: (M) Nếu tấm để tự do sẽ bị uốn cong do mô men trên gây ra và độ võng dư sẽ được xác định theo công thức sau: Trong đó: J được xác định - Ứng suất dư gây ra do mô men uốn là: Trong đó wx được xác định Ví dụ: Tìm độ võng dư và ứng suất uốn khi hàn đắp vào mép tấm có kích thước như hình vẽ. Cho trước: 1500 12 180 bn h - bn Giải: a) xác định vùng ứng suất tác dụng: - Vùng nung nóng đến trạng thai biến dạng dẻo b1: Trong đó: - S0 = S = 1,2 cm. - q = h.0,24.U.I = 0,75.0,24.32.600 - Thay số ta được: - Vùng đàn hồi dẻo b2: b2 = K2.(h – b1) Xác đinhj năng lượng riêng q0: Từ biểu đồ thực nghiệm: K2 = 0,224 Thay vào ta có: b2 = 0,224.(18 – 1,82) = 3,62 (cm) - Chiều rộng vùng ứng suất tác dụng là: bn = b1 + b2 = 1,82 + 3,62 = 5,44 (cm) - Tiết diện ngang vùng ứng suất tác dụng F0 là: F0 = bn.S = 5,44.1,2 » 6,5 cm2 b) Xác định nội lực tác dụng và ứng suất phản kháng: - Xác định nội lực tác dụng P: P = sT.F0 = 25.6,5 = 162,5 (KN) - Ứng suất phản kháng s2: c) Xác định độ võng dư f: Trong đó: Tay vào (2) ta được: d. Xác định ứng suất uốn gây ra: - Ứng suất gây ra do bị uốn là: Trong đó: Vậy: 3. TÍNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN GIÁP MỐI: Giả sử ta hàn giáp mối hai tấm kim loại có chiều rông bằng nhau và kích thước như hình vẽ: b1 bn b2 ΔL L P P/2 P/2 + - - S h h0 b0 Lúc đầu thớ bị nung nóng không thể tăng chiều dài tự do được vì sự cản trở của các thớ nguội hơn ở kề bên. Vì thế các thớ bị nung nóng cao sẽ suất hiện ứng suất nén dọc trục (Hình a). Ứng suất này nhanh chóng đạt tới giới hạn chẩy sT và gây ra ở phần nguội hơn ở tấm ứng suất kéo dọc trục s2. Cùng với việc tăng nhiệt độ ở vùng ứng suất tác dụng sẽ có sự tăng ứng suất nén – dẻo. Khi tăng lớn hơn nữa thì vùng ứng suất tác dụng sẽ chuyển sang trạng thái dẻo, ứng suất nén trong nó mất đi, đồng thời ứng P P P/2 P/2 P/2 P/2 +s2 s = 0 - s2 - sT +sT Hình a Hình b suất phản kháng trong vùng nguội của tấm cũng bị triệt tiêu. Ngược lại trong quá trình nguội khi phần kim loại chảy ở mối hàn trở lại trạng thái dẻo thì phần kim loại cơ bản chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái đàn hồi. Cũng vì không có sự co tự do nên vùng ứng suất tác dụng sẽ chịu ứng suất kéo dọc trục, tương ứng với ở vùng ngoài sẽ chịu ứng suất phản kháng nén. Nếu chiều rộng vùng ứng suất tác dụng nhỏ hơn nửa tấm thì ứng suất kéo dư bằng giới hạn chảy sT (hình b). Hiện tượng trên chỉ đúng khi hàn tấm hàn nhỏ hay trung bình, nghĩa là phù hợp với giả thuyết tiết diện phẳng. Đối với những tấm lớn thì ứng suất phản kháng s2 ở những vùng càng xa trục hàn sẽ càng nhỏ dần cho đến khi bằng không. 3.1. Xác định nội lực dọc và mô men uốn: 3.1.1. Xác định lực dọc: - Ta có nội lực tác dụng P: P = sT.F0 = sT.b0.S Theo điều kiện cân bằngvề nội lực ta có sT.F0 = s2.(F – F0) Û sT.b0.S = s2.(h0 – b0).S Þ L S bna bnc b1a b2a b1c b2c Pc - P - s2 + sT Pa + h0 ha hc a b0 c 3.1.2. Xác định mô men uốn: Điểm đặt lực P tại vùng trung tâm ứng suất tác dụng nó sẽ tạo ra lưc Pa và Pc Vậy ta có: Hai mô men này có dấu trái nhau khi hàn để tự do không bị chặn thì có hiện tượng cong và mô men uốn do nội lực phản kháng và nội lực tác dụng là: M = Ma - Mc = - Mặt khác: Pa = s2.a.S và Pc = s2.c.S thay vào trên ta được: Thay - Khi hàn hai tấm có chiều rộng bằng nhau tức là a=c và khi đó mô men uốn = 0 - Từ trị số mô men uốn trên ta xác định ứng suất gây ra do uốn: 3.1.3. Xác định độ co dọc: Độ co dọc của chi tiết được tính theo công thức sau: Khi hàn hai tấm thép có chiều rộng khác nhau: P = sT.b0.S = sT.(bna + bnc).S Ở đây bna khác bnc Nội lực phản kháng do s2 gây ra cũng khác: Pa = s2.a.S; Pc = s2.c.S Ta lại có: P = Pa + Pc 3.1.4. Xác định độ võng: Do mô men uốn vật hàn bị cong theo chiều dọc. Theo lý thuyết sức bền thì độ võng tại 1 điểm bất kỳ nào đó có tọa độ là x được xác định the công thức: Trong đó: - x là hoành độ điểm ta xét. - L là chiều dài của tấm ta xét. Như vậy độ võng cực đại khi x = 0,5.L khi đó. Thay giá trị M vào ta được: Từ công thức trên ta thấy: + Khi hàn vào mép tấm (c = 0) h0 – b0 = a Độ võng f là: + Còn khi hàn hai tấm có chiều rộng bằng nhau (a = c) thì độ võng f = 0. Ví dụ: Cho mối hàn giáp mối có kích thước như hình vẽ thép C3 có sT = 24 KN/cm2; E = 2,1.104 KN/cm2; Hàn tự động dưới lớp thuốc với: Ih = 650 A; Uh = 40 V; Vh = 35 m/h; c.γ = 1,25; ɳ = 0,85. Tính độ võng lớn nhất khi hàn: Pc P - s2 + sT Pa 15 3000 bnc b2c b1c bna b2a b1a 300 120 a b0 c Giải: - Tính nội lực dọc trục: P = sT.b0.S = sT.(bna +bnc) (1) Trong đó: - bna = b1a +b2a - bnc = b1c + b2c b1a và b1c được xác định theo công thức sau: (2) Trong đó: - s0 = 2.s = 2.1,5 = 3 (cm) - v = 35 m/h ≈ 1 (cm/s) - q = 0,24.ɳ.U.I = 0,24.0,85.40.650 = 5304 (calo/s) Thay vào (2) ta có: Vùng đàn hồi dẻo b2 theo công thức: b2 = k2.(h – bn1) (3) Để xác định k2 ta xác định q0: Từ biểu đồ thực nghiệm ta có: k’ = 0,17 đối với thép có sT = 28 KN/cm2 Vậy: + Vùng đàn hồi dẻo b2a : b2a = 0,2.(18 – 1,25) = 3,35 (cm). + Vùng đàn hồi dẻo b2c : b2c = 0,2.(12 – 1,25) = 2,15 (cm). Vùng ứng suất tác dụng b0: b0 = 2.1,25 + 3,35 + 2,15 = 8 (cm) Thay vào (1) ta được: P = 24.8.1,5 = 288 (KN) - Tính mô men uốn M: (4) Trong đó: - h0 = ha + hc = 12 + 18 = 30 (cm) - a = ha – (b1a + b2a) = 18 – (1,25 + 3,35) = 13,4 (cm) - c = hc – (b1c + b2c) = 12 – (1,25 + 2,15) = 8,6 (cm) Thay vào (4) ta có: - Tính độ võng fmax: Ta có: (5) Trong đó: Thay vào (5) 3.2. Ứng suất và biến dạng theo phương ngang do co dọc khi hàn giáp mối: Để xác định sự phân bố ứng suất ngang sinh ra do co dọc ta xét chuyển ngang ở các điểm các mối hàn: Độ võng: Trong đó: - x là khoảng cách từ tiết diện ta xét đến đầu trí của tấm. - M1; J1 là mô men uốn và mô men quán tính của tấm đang xét và sau khi hàn nó sẽ bị chuyển điểm x đi 1 đoạn yk vậy ta có: Lấy tích phân 2 vế và rút gọn ta có: - Ứng suất ngang tại 1 điểm bất kỳ có tọa độ là x ta có: - khi ở giữa tấm ta có: Ví dụ: Xác định độ co dọc và ứng suất dư khi hàn giáp mối 2 tấm kim loại có cùng chiều rộngnhư hình vẽ thép C3 có sT = 24 KN/cm2. Hàn tự động với chế độ hàn: Ih = 800 A; Vh = 28m/h; Uh = 40 V; ɳ = 0,75; Cγ = 1,25 bn ΔL 12 3000 b1 b2 360 180 b0 P/2 P - s2 + sT P/2 Giải: - Xác định vùng ứng suất tác dụng b0: - Vùng nung đến trạng thái biến dạng dẻo được xác định công thức: (1) Trong đó: - s0 = 2.s - v = 28 m/h ≈ (cm/s) - q = 0,24.ɳ.U.I = 0,24.0,75.40.800 (calo/s) Thay vào (1) ta có: - Xác định vùng biến dạng dẻo b2: Năng lượng riêng q0 Từ biểu đồ thực nghiệm ta có: k’ = 0,265 đối với thép có sT’ = 22 KN/cm2 Vậy: Vùng đàn hồi dẻo b2 : b2 = 0,243.(18 – 2,2) = 3,84 (cm). Vùng ứng suất tác dụng b0: b0 = 2.(2,2 + 3,84) = 12,08 (cm) Tiết diện ngang vùng ứng suất tác dụng F0: F0 = b0.S = 12,08.1,2 = 14,5 cm2 - Xác định ứng suất dư s2: - Nội lực tác dụng P: P = sT.F0 = 24.14,5 = 348(KN) - Ứng suất dư: - Xác định độ co dọc Δl: Độ co dọc mối hàn được tính theo công thức: 3.3. Ứng suất và biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối: Độ co ngang làm giảm kích thước kim loại ở mối hàn và các vùng lân cận mối theo phương vuông góc với trục đường hàn. Nếu như co ngang đều nhau ở tất cả các thớ của tiết diện ngang sau khi hàn biến dạng do co ngang sẽ làm giảm kích thước của tấm hàn mà không gây ra biến đổi về hình dạng. Nhưng trong thực tế sự co ngang không đều nhau theo chiều dày của tấm nên nó gây ra biến dạng góc như hình vẽ: h0 b0 β S Sự tạo thành biến dạng và sự phân bố ứng suất do co ngang của mối hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có các yếu tố chủ yếu sau: - Sự cứng vững của chi tiết hàn. - Sự nung nóng và làm nguội không đều theo chiêif dà của tấm. - Nhiệt độ nung nóng và làm nguội không đều theo chiều dầy của tấm. - Đặc tính của sự kẹp chặt. Phần III Phần II Phần I + - - + Khi hàn mối hàn càng dài thì thời gian hàn càng lâu làm cho tốc độ nguội theo chiều dài của tấm càng không đều. Người ta có thể chia ra làm 3 vùng như sau. Phần I: Đã nguội đến trạng thái đàn hồi T0 <6000C Phần II: Kim loại ở nhiệt độ biến dạng dẻo. Phần III: vùng đang hàn (kim loại đang ở nhiệt độ nóng chẩy. Độ co ngang là tổng độ co ngang của các phần tử vô cùng nhỏ bé theo phương ngang nên ta có: Đối với thép các bon thấp lấy Biến dạng góc do co ngang của mối hàn giáp mối: Gọi biến dạng góc là β. Độ co toàn phần bao gồm lượng co không đổi = 2. và lượng co biến đổi = 2. Δymax ymax Δb0 Δb0 2b0 j β S Đối với phần lớn các kết cấu thep thì chuyển biến từ trạng thái dẻo sang trạng thái dàn hồi là khoảng 5500C÷6000C khi đó độ co tương đối của chúng là: α.T = 0,0072 Vậy biến dạng góc sẽ là: 4. TÍNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN GIÁP MỐI: Trong công nghệ hàn các mối hàn góc được sử dụng khá nhiều như trong kết cấu dàn, dầm, trụ các dạng hàn góc cơ bản gồm: Mối hàn chồng, mối hàn góc chữ T, mối hàn góc chữ L. Nguyên nhân gây ra ứng suất và biến dạng cũng giống như khi hàn giáp mối song vì dạng kết cấu khác nhau nên biến dạng cũng khác nhau. 4.1. Nội ứng suất và biến dạng khi hàn góc chữ L: s2 s2 sT S h - bn bn b1 b2 q Xét mối hàn góc chữ L có kích thước như hình vẽ: Vùng ứng suất tác dụng cũng được xác định như khi hàn giáp mối - Tiết diện ngang vùng ứng suất tác dụng F0: F0 = 2.bn.S = 2.(b1 + b2).S - Lực tác dụng dọc trục của mối hàn P: P = sT. F0 = sT.bn.S - Ứng suất phản kháng s2: - Mô men uốn M: Trong đó: P1 Là lực tác dụng trên 1 tấm và trong trường hợp này P1 = P2 = . Vậy: Vậy: + Khi θ = 0 thì giống như hàn trên mép của tấm: + Khi θ = 1800 thì giống như hàn giáp mối hai tấm kim loại có chiều rộng bằng nhau. M = 0. Biến dạng của mối hàn góc chữ L do mô men uốn gây ra như hình vẽ: q q f - Ứng suất sinh ra do mô men uốn là: - Độ võng cự đại là f: 4.2. Nội ứng suất và biến dạng khi hàn chồng: Xét mối hàn chồng có kích thước như hình vẽ: Q Q Q Q S a = 5.S Liên kết hàn chồng b0 b02 b22 b21 b12 b11 b11 b12 bn1 b0 b0 +sT - s2 - s2 b0 b0 b0 + sT + sT - s2 - s2 - s2 Đặc tính của liên kết hàn chồng (góc) là đồng thời hàn đắp vào mép tấm này và bề mặt của tấm kia. Do đó vùng ứng suất tác dụng đối với một tấm giống như nung nóng trên đường trục trên bề mặt và nhiệt sẽ lan truyền về hai phía của trục nung. Còn đối một tấm như nung vào mép tấm nên nhiệt chỉ lan truyền sang một phía. Vậy vùng ứng suất tác dụng như hình vẽ: Nếu phần chồng lên của hai tấm mà quá lớn thì vùng ứng suất tác dụng tách rời nhau. Đoạn chồng lên nhau càng nhỏ thì tiết kiệm được kim loại nhưng nếu quá ngắn sẽ dẫn đến sự lệch trục giữa hai tấm khi chịu tải trọng tác dụng. Thường lấy khoảng chồng lên nhau bằng (4 ÷ 5)S Độ lớn của vùng ứng suất tác dụng và biến dạng được xác định: - Tiết diện ngang vùng ứng suất tác dụng F0: F0 = (2.b11 + 2.b21).S1 + (2.b21 + b22).S2 + - Lực tác dụng dọc trục của mối hàn P: P = sT. F0 = sT.bn.S - Ứng suất phản kháng s2: Góc quay β: b Δb β S Δb = α.T.b Trong đó: - T0 là nhiệt độ. - b là cạnh huyền của mối hàn góc. ( thường mối hàn góc có cạnh K = S). Từ đó ta tính góc quay β. Đối với thép α =12.106 nên β = 0,0144 (rađian) 4.3. Nội ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết chữ T: Kết cấu hàn chữ T được ứng dụng khá rộng rãi trong nghành công nghiệp cơ khí. Kết cấu chữ T gồm hai tấm kim loại hàn lại với nhau bằng hai mối hàn góc. Khi thực hiện mối hàn này sẽ xuất hiện ứng suất tác dụng như hình vẽ: b12 b11 b11 b12 h1 h1 S2 h0 K b21 b22 S1 Độ lớn của vùng ứng suất tác dụng và biến dạng được xác định: - Tiết diện ngang vùng ứng suất tác dụng F0: F0 = 2.(b11 + b12).S1 + (b21 + b22).S2 + S1.S2 + K2 - Lực tác dụng dọc trục của mối hàn P: P = sT. F0 - Ứng suất phản kháng s2: Sơ đồ nội lực P, lực phản kháng P1 và P2 và biểu đồ ứng lực như hình vẽ. P1 P1 P P2 S2 s2 sT sT s2 s2 S1 Y2 Y1 Y0 L Giả thuyết liên kết chữ T được giới hạn bởi các cạnh biên day do đó không có biến dạng ngang thì ta có điều kiện cân bằng của ngoại lực: P = 2.P1 + P2 Trong đó: - P1 là nội lực tác dụng lên phần còn lại của tấm đế. - P2 là nội lực tác dụng lên phần còn lại của tấm vách. - Mô men uốn M: M = P2.y2 – 2.P1.y1 Trong đó: y1 và y2 là khoảng cách từ điểm đặt lực P1 và P2 đến trọng tâm vùng ứng suất tác dụng. Để xác định Y1 và Y2 ta phải chọn trọng tâm P được tính theo tỷ lệ tiết diện vùng chịu ứng suất giữa tấm đế và tấm vách. + Tiết diện vùng ứng suất tác dụng của tấm đế là (Fđ) Fđ = 2.(b11 + b12).S1 + S1.S2 (cm2) + Tiết diện vùng ứng suất tác dụng của tấm đế là (Fv) Fv = (b21 + b22).S2 (cm2) + L là khoảng cách giữa 2 điểm đặt lực P1 và P2: + Vậy ta có: Y2 = L –Y1 - Ứng suất uốn su: Trong đó: - y là khoảng cách từ thớ ta xét đến trọng tâm vùng ứng suất tác dụng. - J là mô men quán tính của dầm chữ T. - Độ cong f: Trong đó J là mô men quán tính của dầm chữ T và được tính: O2 O O1 S2 S1 (cm) Từ tỷ số: ta tính được OO1 và OO2 Ví dụ: Cho liên kết hàn góc chữ T có các kích thước trong hình vẽ biết: - Thép C3 có δt = 20 KN/cm2; Ih = 800A Uh =40V; Vh = 40m/h hàn tự động; Cγ = 1,25calo/cm3; ɳ = 0,6 ; K2 = 0,2; E = 2,1.104 KN/cm2 hãy: a) Xác định tiết diện vùng ứng xuất tác dụng bo b) Xác định ứng xuất phản kháng δ2: c) Xác định mô men uốn M: Giải: - Xác định tiết diện vùng ứng xuất tác dụng bo: - Tính năng lượng q: q = 0,24.ɳ.U.I = 0,24. 0,6.800.40 =4608 (calo) - Tính vùng ứng xuất tác dụng b1: - Tính vùng ứng xuất tác dụng b2: + Tính năng lượng riêng qo K2 = 0,2 + Tính vùng ứng xuất tác dụng b2 tấm vách b2v: b2v = K2(hv – b1) = 0,2(40 – 0,65) = 7,87 (cm) + Tính vùng ứng xuất tác dụng b2 tấm đế b2d: b2d = K2(hd – b1) = 0,2(35 – 0,65) = 6,87 (cm) - Tính vùng ứng xuất tác dụng b0: b0 = (b1v + b2v) + 2.( b1d + b2d) = 23,56 (cm) - Tính tiết diện ngang vùng ứng xuất tác dụng Fo: F0 = s. b0 = 1,5.23,56 = 35,34 (cm2) - Xác định ứng xuất phản kháng δ2: P = δT.F0 = 20.35,34 = 706,8 (KN) F = 70.1,5 + 40.1,5 = 165 (cm2) Vậy - Xác định mô men uốn M: M = Pv.yv – 2Pd.yd + + + Tính y1 và y2: Khoảng cách giữa 2 điểm đặt lực là L yd = L – yv = 25 – 16 = 9 (cm) Thay vào ta có: M = 257.16 – 2.225.9 = 62 (KNcm) 4.4. Nội ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I: Ta xét trường hợp gia công dầm chữ I theo quy trình như hình vẽ. Sau khi hàn xong hàn xong đường hàn 1 và 2 kết cấu có mô men uốn M1 và tạo độ võng f1. Trong đó: - M1 là mô men uốn gây ra bởi các nội lực xuất hiện sau khi ta hàn 2 mối hàn 1 và 2. - L là chiều dài của mối hàn. - J là mô men quán tính của dầm chữ T. Khi quay ngược dầm để hàn các mối hàn 3 và 4 dầm chịu mô men uốn M2 và độ võng f2. Trong đó: - M2 là mô men uốn gây ra bởi các nội lực xuất hiện sau khi ta hàn 2 mối hàn 3 và 4. - L là chiều dài của mối hàn. - J là mô men quán tính của dầm chữ I. Tính mô men M1 và M2: M1 = P01.y1 M2 = P02.y2 Trong đó: - P01 và P02 là nôi lực tác dụng khả dĩ của các mối hàn 1;2 và 3;4 - y1 và y2 là khoảng cách từ trọng tâm vùng ứng suất tác dụng đến trọng tâm của tiết diện ngang của dầm. Để đảm bảo dầm không bị võng thì ta phải có: như vậy ta có: Trong đó: - J1 là mô men quán tính của dầm chữ T. - J2 là mô men quán tính của dầm chữ I. - h là chiều cao của tấm vách. Vậy khi hàn kết cấu dầm chữ I luôn tồn tại độ võng f0. F0 = f1 – f2 Để giảm bớt sự cong vênh ta có thể tiến hành hàn kết cấu dầm chữ I theo sơ đồ: 1 1 2 2 3 3 4 4 BÀI 4: TÍNH TOÁN KẾT CẤU DẦM VÀ TRỤ Mục tiêu của bài: - Trình bày được khái niệm về kết cấu dàn, tấm vỏ - Viết được công thức tính toán kết cấu dàn, tấm vỏ - Phân tích được ứng suất, biến dạng và biện pháp chống ứng suất và biến dạng phát sinh khi hàn kết cấu tấm, vỏ - Vận dụng được kiến thức tính toán vào thực tế sản xuất linh hoạt. - Có tính kỷ luật cao, cẩn thận, chính xác trong quá trình tính toán Nội dung bài: 1. KHÁI NIỆM DẦM: Dầm là 1 phần tử của kết cấu làm việc chủ yếu bị uốn ngang dùng để chế tạo các loại khung khác nhau. Phần lớn người ta dùng dầm có tiết diện ngang hình chữ I, hộp. Tấm thẳng đứng được gọi là tấm vách, tấm nằm ngang gọi là tấm đế. Dầm chữ I chịu uốn tốt nhất dầm có thể thay đổi tiết diện ngang theo chiều dài. Khi tính toán ta gặp 3 điều kiện sau: - Yêu cầu kiểm tra độ bền của dầm khi biết các kích thước của dầm và tải trọng tác động lên nó. Trường hợp này ta tính ứng suất pháp và ứng suất tiếp thheo lý thuyết sức bền. - Cho dầm và ứng suât cho phép yêu cầu xác định tải trọng cho phép đặt lên dầm. Khi giải các bài toán này cũng tuân theo nguyên tắc của sức bền vật liệu. - Thiết kế dầm đảm bảo tải trọng. Đây là bài toán khó nhất. Từ các tải trọng đã cho phải xác định được phản lực tại các gối đỡ, lập biểu đồ lực ngang Q và mô men uốn M theo chiều dài và mô men xoắn. Khi có tải trọng di động phải vẽ đường ảnh hưởng do phản lực do các phẩn lực gối tựa, lực ngang Q và mô men uốn M. 2. TÍNH TOÁN ĐỘ CỨNG VÀ ĐỘ BỀN CỦA DẦM: 2.1. Dầm phải thỏa mãn điều kiện cứng: Muốn vậy ta phải xác định các kích thước tiết diện của dầm tư công thức tính độ võng cực đại cho phép nếu ta có dầm chịu lực phân bố như hình vẽ độ võng được xác định theo công thức: Sb Mặt cắt ngang của dầm Dầm chịu lực phân bố đều Dầm chịu lực tập trung L L L/2 P q f S2 hb h1 h b - Khi dầm chịu lực phân bố đều: - Khi dầm chịu lực tập ttrung: Trong đó: - L là chiều dài của dầm. (cm) - q là lực phân bố. - P là lực tập trung. - Jx là mô men quán tính của dầm chữ I tính với trục x. 2.2. Dầm thỏa mãn điều kiện bền: Trong thực tế chiều cao tính toán của dầm chữ I được tính theo công thức: Với dầm hình hộp: Trong đó: - M là mô men của dầm. - Sb là chiều dày của tấm vách. Khi thiết kế dầm thì trị số của Sb chưa biết vì vậy trước tiên ta phải chọn cho nó một giá trị nào đó. + Đối kết cấu xây dựng thì chọn Sb như sau: Khi chịu tải trọng nhẹ: Sb = 5 ÷ 10 (mm) Khi tải trọng nặng: Sb = 10 ÷ 18 (mm) Chiều cao từ điều kiện cứng và điều kiện bền có thể có giá trị khác nhau. Từ 2 chiều cao đó ta lấy giá trị lớn hơn rong bất cứ trường hợp nào cũng không được chọn giá trị nhỏ hơn. + Đối với dầm chữ I: - Tính mô men chống uốn: - Mô men quán tính yêu cầu của tiết diện: - Mô men quán tính của tấm vách có chiều cao là hb và chiều dày Sb là: Lấy hb gần đúng = 0,95.h. - Mô men của 2 tấm đế: Jđ = Jy – Jb và J0 là mô men quán tính của tấm đế lấy đối với trục của nó thường là rất nhỏ nên có thể bỏ qua. h1 khoảng cách giữa trọng tâm của các tấm đế. h1 = (0,95 ÷ 0,98).h Trong đó: 2Jđ = Fđ .h12 Vậy: Để chọn được h ta phải chọn kích thước tấm đế bề rộng b chiều dày S và chiều dày tấm vách Sb sau khi xác định được tiết diện của dầm ta phải xác định độ lớn của ứng suất và kiểm tra các kích thước đã chọn có thỏa mãn các yêu cầu không. - Ứng suất uốn: Ở đây: J là mô men quán tính của tiết diện đã chọn. - Ứng suất tiếp do lực ngang Q là: + Q là lực ngang lớn nhất của dầm. + St là mô men tĩnh của nửa tiết diện lấy đối với trọng tâm của dầm. - Ứng suất tương đương thường được kiểm tra ở dầm khi mà trị số cực đại của mô men M và lực ngang Q nằm trên cung 1 tiết diện. Trong đó: - Ứng suất pháp: Ở đây J là mô men quán tính của tiết diện đã chọn. - Ứng suất tiếp do lực ngang là: Trong mọi trường hợp ứng suất do uốn và ứng suất tương đương không được vượt quá 1,05. [sK] thì tiết diện được coi như là hợp lý. 2.3. Tính toán và thiết kế mối hàn ở dầm: Chịu lực kéo Dầm chưc chịu lực P Dầm khi chưc chịu lực P Chịu lực mén Ta thấy đối với dầm chữ I thì liên kết giữa các tấm đế và tấm vách là các mối hàn góc. Nếu như dầm chịu uốn ngang thì mối hàn ứng suất pháp su và ứng suất tiếp τ. Ứng suất tiếp τ do lực ngang Q gây ra. Loại ứng suất này mặc dù trị số tương đối nhỏ nhưng chúng đóng vai trò quan trọng. - Trong các mối hàn cạnh là K thì ứng suất tiếp là: Trong đó: - Q là lực ngang tính toán tại tiết diện ta xét. (KN) - J là mô men quán tính của toàn tiết diện. (cm3) - St là mô men tĩnh của tiết diện đã lấy đối với trọng tâm của tiết diện dầm. Nếu tấm vách có chuẩn bị mép hàn thì ứng suất tiếp τ được xác định theo công thức: Trong đó Sb là chiều dày tấm vách. (cm) - Đối các mối hàn ở gân tăng cứng chỉ cần tính theo độ bền và không cần kiểm nghiệm. K = (0,5 ÷ 1)Sb - Tại vị trí gối tựa lực tập trung cho nên các mối hàn phải hàn liên tục. - Khi các phần tử không đủ chiều dài thì người ta phải tiến hành nối dầm. Các mối hàn có thể là toàn bộ các phần tử được nối ở cùng một vị trí hoặc nối từng bộ phận có thể chỉ là tấm đế hoặc tấm vách. Sơ đồ nối dầm Các mối hàn được thiết kế tùy thuộc vào đặc tính của kết cấu tính toán. Độ của các mối nối thường được tính theo mô men uốn và ứng suất uốn được xác định theo công thức: Nếu su >sk thì mối hàn không đảm bảo độ bền. 3. KHÁI NIỆM TRỤ: Trụ là các phần tử khi làm việc nó chịu nén, thường được chế tạo làm các cột chống, khung nhà vvv. Lực đặt lên nó có thể là đúng tâm hoặc lệch tâm. Tiết diện ngang của trụ có nhiều hình dạng khác nhau như hình vẽ: Một số dạng mặt cắt của trụ Các trục chính đi qua trọng tâm mặt cắt giao nhau gọi là các trục thực. Mặt cắt được gọi là liên tục nếu nó chứa cả 2 trục chính . 4. TÍNH TOÁN ĐỘ CỨNG VÀ ĐỘ BỀN CỦA TRỤ: 4.1. Tính toán độ ổn định của trụ có mặt cắt liên tục: Xét trường hợp trụ chịu nén đúng tâm: - Độ bền và ổn định của trụ khi bị nén đúng tâm được tính theo công thức: Trong đó: - N là lực nén. - F là tiết diện ngang. - j là hệ số uốn dọc. Hệ số uốn dọc luôn nhỏ hơn 1 hệ số này dùng để đảm bảo tính ổn