CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN

Chia sẻ: Letuan Anh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

1.166
lượt xem 144
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

1. Các biện pháp giảm ứng suất khi hàn - Trong hầu hết trường hợp thực tế, ứng suất kéo dư trong vùng ứng suất tác động đặt tới giá trị giới hạn chảy sch. - Do đó, các biện pháp trước và trong khi hàn, ngoài các biện pháp kéo sơ bộ hoặc nung nóng sơ bộ đến nhiệt độ cao, sẽ không loại bỏ được sự suất hiện, cũng như không giảm đáng kể được giá trị ứng suất dư do co dọc.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN

CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN 1. Các biện pháp giảm ứng suất khi hàn - Trong hầu hết trường hợp thực tế, ứng suất kéo dư trong vùng ứng suất tác động đặt tới giá trị giới hạn chảy σch. - Do đó, các biện pháp trước và trong khi hàn, ngoài các biện pháp kéo sơ bộ hoặc nung nóng sơ bộ đến nhiệt độ cao, sẽ không loại bỏ được sự suất hiện, cũng như không giảm đáng kể được giá trị ứng suất dư do co dọc. - Tuy nhiên, có thể giảm được nhiều ứng suất ngang do co ngang, tức là giảm trạng thái ứng suất hai chiều và ba chiều, và giảm biến dạng dẻo kéo khi mối hàn nguội đi. Điều này đảm bảo độ bền và kh ả năng làm vi ệc c ủa kết cấu. - Có thể chia các biện pháp đó thành: Các biện pháp k ết c ấu; Các bi ện pháp công nghệ trong khi hàn. 1.1. Các biện pháp kết cấu để giảm ứng suất khi hàn. - Kim loại cơ bản không nên dễ bị tôi tại vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn. - Vật liệu hàn nên bảo đảm kim loại mối hàn có độ dẻo không th ấp hơn tính dẻo của kim loại cơ bản. - Không nên để các mối hàn giao nhau nhiều để tránh và gi ảm ứng su ất nhiều chiều, đặc biệt với các kết cấu chịu tải trọng động và va đập. - Không nên dùng các mối hàn tạo thành các biên dạng kín không lớn (hàn các tấm tăng cứng..) vì chúng có thể làm tăng trạng thái ứng suất phẳng. - Số lượng và kích thước mối hàn chỉ nên vừa đủ, không nên lớn quá mức cần thiết (trên cơ sở tính toán thiết kế). Hình 1- 1
- Các gân cứng vững nên được bố trí sao cho khi hàn kim loại cơ bản được nung nóng tại cùng vị trí, để đảm bảo giảm được co ngang tấm vách đứng (Hình 1- ). - Nên ưu tiên sử dụng các mối hàn giáp mối vì chúng có mức đ ộ t ập trung ứng suất nhỏ hơn các mối hàn góc. - Khi hàn giáp mối các tấm có chiều dày khác nhau, để dảm bảo nung nóng đồng đều, hàn ngấu các mép và tránh mức độ tập trung ứng suất cao, cần vát tấm dày hơn cho thích hợp (Hình 1- ). Hình 1- - Khi thiết kế các kết cấu hàn tích hợp, cần xem xét khả năng hàn chúng dưới dạng các khối riêng rẽ, sau đó mới hàn chúng lại thành k ết c ấu hoàn chỉnh. Điều này làm giảm ràng buộc lên co ngang mối hàn và giảm trạng thái ứng suất phẳng. - Các kết cấu hàn có hình dạng phức tạp nên dùng các chi tiết từ thép tấm dập và các khối thép đúc. Các kết cấu đó đ ược hàn v ới các k ết c ấu khác để làm nên các kết cấu hàn hoàn chỉnh. - Cần tính đến khả năng bảo đảm việc dễ dàng việc cơ giới hoá công việc hàn (thông qua bố trí các mối hàn). - Cần tăng cường sử dụng đồ gá hàn để đảm bảo chính xác trong lắp ghép và thực hiện đúng trình tự hàn. 1.2. Các biện pháp công nghệ để giảm ứng suất khi hàn: Các biện pháp này rất đa dạng và phụ thuộc vào đặc trưng và loại k ết cấu, phương pháp hàn, chế độ hàn, cơ tính và thành ph ần hoá h ọc c ủa kim loại cơ bản. Có thể chia chúng thành hai loại: a) Các biện pháp công nghệ giảm ứng suất, thực hiện trong quá trình hàn: - Tăng chế độ nhiệt (năng lượng đường) khi hàn các chi tiết không k ẹp và thép dễ tôi nhằm tránh nứt (làm tăng thể tích vùng kim lo ại đ ược nung, giảm tốc độ nguội). - Nung nóng sơ bộ khi hàn tấm dày và thép dễ tôi. - Giảm chế độ nhiệt khi hàn các chi tiết được kẹp chặt nhằm tránh nứt. 2
- Với các chi tiết được kẹp chặt và có chiều dày lớn, nên hàn nhiều lớp. Kim loại đắp nên có tính dẻo cao. - Trình tự hàn nên đảm bảo cho các chi tiết ở trạng thái t ự do, đ ặc bi ệt với các mối hàn giáp mối (có giá trị co ngang lớn). Trước tiên hàn các mối hàn giáp mối, sau đó mới đến các mối hàn góc. Với các vật hàn có d ạng tr ụ r ỗng, trước hết hàn các mối hàn dọc trước, sau đó đến các mối hàn theo chu vi. - Mỗi mối hàn nên thực hiện một lượt hoặc thực hiện từ giữa ra đầu. - Không bố trí các mối hàn đính tại chỗ các mối hàn giao nhau. - Để giảm ảnh hưởng của co ngang, cần giảm khe hở hàn của các mối hàn giáp mối và hàn ngấu chân mối hàn. - Cần hàn nhanh để đảm bảo kim loại nguội đều theo chi ều dày và chiều dài mối hàn (hàn tự động và bán tự động). b) Các biện pháp công nghệ giảm ứng suất, thực hiện sau khi hàn: Với các kết cấu quan trọng, để tăng khả năng làm việc của chúng, người ta thường tiến hành khử ứng suất riêng sau khi hàn, đặc biệt khi đó là thép hợp kim hay thép có hàm lượng cacbon trung bình. Các biện pháp đó là: - Ram cao toàn phần trong lò. Nhiệt độ ram 600 ÷ 650°C. Thời gian giữ ở nhiệt độ cao 3 phút/1mm chiều dày. Sau đó chi tiết được để nguội t ự do trong lò. - Ram cục bộ tới 600°C vùng quanh mối hàn bằng phương pháp nung cao tần hoặc mỏ nung khí cháy. Phương pháp này không loại bỏ hoàn toàn nhưng làm giảm ứng suất dư. - Khử ứng suất dư bằng phương pháp cơ học như kéo kết cấu t ới gi ới hạn chảy, hoặc dùng rung động để phân bố lại ứng suất dư. 2. Các biện pháp giảm biến dạng khi hàn. * Sự hình thành ứng suất và biến dạng dư khi hàn là do sự tác động của nội lực khi kim loại được nung cục bộ. - Trong các kết cấu không có hiện tượng vênh rõ rệt, ứng suất dư kéo thường đạt tới các giá trị cao. - Ngược lại, trong các kết cấu bị biến dạng mạnh sau khi hàn, ứng suất dư kéo có thể không lớn lắm. - Vì vậy, một số biện pháp giảm biến dạng dư sẽ đối nghịch lại các biện pháp giảm ứng suất dư. 3
* Có thể chia các biện pháp giảm biến dạng dư thành ba lo ại: Bi ện pháp kết cấu; Biện pháp công nghệ trong quá trình hàn; Biện pháp công nghệ sau khi hàn 2.1. Các biện pháp kết cấu giảm biến dạng hàn: - Không thiết kế tiết diện mối hàn lớn hơn mức cần thi ết (xu ất phát t ừ khía cạnh độ bền) vì sẽ làm tăng vùng ứng suất tác động và nội lực tác động. - Phân bố các mối hàn càng gần các trục đi qua tr ọng tâm k ết c ấu càng tốt, hoặc ngay tại các trục đó để giảm mô men uốn do nội lực tác động gây ra. - Mỗi cặp mối hàn song song cần được bố trí trên cùng một m ặt ph ẳng đi qua trục trọng tâm của vật, sao cho mô men của các nội lực tác động c ủa các mối hàn đó cân bằng nhau và không gây vênh kết cấu so với trục đó. - Số lượng mối hàn trong kết cấu càng ít càng tốt để giảm các lực co tác động lên kết cấu. - Lượng dư cho co mối hàn phải bảo đảm sau khi hàn, các kích th ước của kết cấu được như thiết kế. - Để hạn chế biến dạng góc, cần giảm góc vát mép các mối hàn vát mép chữ V, hoặc dùng các mối hàn vát mép chữ X khi chiều dày chi tiết lớn. 2.2. Các biện pháp công nghệ giảm biến dạng trong khi hàn: - Chọn chế độ hàn sao cho chiều rộng vùng ứng suất tác động là nh ỏ nhất. Để nung đều kim loại theo chiều dày, cần tăng mật độ dòng điện hàn để hàn ngấu sâu. + Việc hàn ngấu sâu các mối hàn giáp biên và các liên k ết hàn giáp m ối sẽ cân bằng co ngang theo chiều dày mối hàn và giảm biến dạng góc. + Trong một số trường hợp, khi thực hiện mối hàn thứ hai trong cặp mối hàn đối xứng qua trục của vật hàn, nên tăng chế độ hàn để tăng vùng ứng suất tác động để cho lực co của mối hàn này khử hoàn toàn độ võng dư do mối hàn thứ nhất gây ra. - Trình tự thực hiện các mối hàn nên bảo đảm cho biến dạng của mối hàn trước đó khử hết được biến dạng của mối hàn sau (có hướng ngược lại). Các mối hàn đối xứng hoặc song song nên được hàn đồng th ời ho ặc hàn theo thứ tự từng đoạn xen kẽ. - Phương pháp hàn phân đoạn nghịch tạo biến dạng nhỏ hơn. - Việc rèn các mối hàn trong quá trình hàn làm giảm đáng kể biến dạng. Sau khi hàn lớp trên cùng thì không cần rèn vì có thể gây nứt bề mặt. 4
- Nung nóng sơ bộ toàn bộ vật hàn sẽ giảm ứng suất và biến dạng dư. - Có thể uốn ngược cục bộ để giảm độ võng dư. - Các mối hàn giáp mối của liên kết hàn tấm mỏng cho các bể chứa nên hàn trên các bàn gá từ tính (chúng không cản trở co ngang nhưng ngăn được biến dạng góc). - Khi hàn các tấm mỏng theo biên dạng kín, để tránh mất ổn định tấm do nén, có thể nung cục bộ phần giữa tấm trước khi hàn… 2.3. Các biện pháp công nghệ giảm biến dạng sau khi hàn: a) Nắn nguội: Dựa trên cơ sở kéo các đoạn kết cấu đã bị co, tới kích thước và hình dạng thiết kế. - Các đoạn và các chỗ bị co trong kết cấu hàn: vùng ứng suất tác động của các mối hàn mà tại đó sau khi hàn suất hiện ứng suất kéo có giá trị σch (giới hạn chảy). - Khi nắn nguội kết cấu hàn: Hình 1- xảy ra giãn dẻo các vùng ứng suất tác động mối hàn. - Có thể xẩy ra nứt khi nắn nguội, làm ảnh hưởng tới kh ả năng làm việc của kết cấu. - Chỉ có thể giảm ứng suất dư khi nắn nguội nếu kết cấu hàn được kéo tới ứng suất bằng giới hạn chảy σch. Tuy nhiên khi đó làm tăng biến cứng kim loại vùng ứng suất tác động của các mối hàn (có thể gây nứt). Đây là quá trình công nghệ khó thực hiện (cần có các máy ép thuỷ lực công suất lớn và đồ gá lớn). Do đó khả năng ứng dụng hạn chế. b) Nắn nóng: Là nung bằng điện hoặc bằng ngọn lửa (của mỏ nung) và được sử dụng rộng rãi trong thực tế. 5
Hình 1- - Bản chất phương pháp: dùng biện pháp nung cục bộ để làm co các đoạn, các vùng của kết cấu mà tại đó chiều dài của chúng l ớn h ơn chi ều dài vùng ứng suất tác động của các mối hàn tương ứng trong kết cấu. - Tại các chỗ được nung nóng của kết cấu hàn khi nắn nóng, cũng nh ư khi hàn, sẽ hình thành biến dạng dẻo nén. Khi nguội sau đó, các chỗ này sẽ co lại và cân bằng chỗ bị biến dạng. - Do đặc điểm đơn giản, rẻ tiền, dễ thao tác, ph ương pháp này cho phép nắn mọi loại biến dạng dư. Việc nắn nóng hiện nay chủ yếu dựa vào các nghiên cứu và số liệu thực nghiệm. - Có thể sử dụng một cách có hiệu quả để khử ứng suất dư uốn và nắn thẳng trục trọng tâm kết cấu hàn (hoặc các khối của chúng), đ ể kh ử các hi ện tượng lõm, lượn sóng tại các vùng chịu nén của các phần tử dạng tấm trong kết cấu. - Để khử độ võng dư trong kết cấu hàn, cần tạo ra mô men u ốn ngượcchiều bằng cách nung một dải kim loại dọc đường mm ( Hình 1- .a) hoặc nung tấm theo hình nêm (Hình 1- .b). Trường hợp đầu sử dụng co dọc, trường hợp thứ hai sử dụng co ngang chỗ nung cục bộ. Hình 1- - Trọng tâm tiết diện ngang vùng ứng suất tác động của nung d ọc ph ải nằm trong mặt phẳng uốn (Hình 1- .a). - Trong các kết cấu có tiết diện ngang không đối xứng, mặt ph ẳng u ốn đi qua trọng tâm vùng ứng suất tác động của các mối hàn O a và trọng tâm tiết diện ngang kết cấu O (Hình 1- .a và Hình 1- .b ). Nối điểm O với điểm O a ta có đường OOa trên mặt phẳng uốn. - Trên ta thấy khi nắn nóng nên nung dải nằm gần rìa kết cấu. - Các tính toán cho trường hợp dùng phương pháp trên: 6
1) Tiết diện cần thiết của vùng ứng suất tác động do nung cục bộ khi nắn nóng được xác định xuất phát từ mô men uốn M gây võng dư sau khi hàn (M = Po*yo) hoặc 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 của nung cục bộ khi nắn (Hình 6-5a và 6-5b) được xác định từ công thức: Pon=M/yn (6.1) Hình 1- Trong đó yn là khoảng cách từ tâm tiết diện vùng ứng suất tác động nung khi nắn Om đến trọng tâm tiết diện ngang O của kết cấu. 3) Tiết diện vùng ứng suất tác động khi nắn nóng Fn : Fn = Pon/σon (6.2) Trong đó σon ứng suất ban đầu của vùng ứng suất tác động nung khi nắn nóng, được coi như gần bằng giới hạn chảy σch . Khi đó Fn = Pon/σch = M/yn*σch (6.3) 4) Chiều rộng vùng ứng suất tác động bon sẽ là: bon=Fn/S (6.4) 5) Công suất hữu ích của nguồn nhiệt nung khi nắn nóng (q), được xác định từ công thức tính chiều rộng vùng ứng suất tác đ ộng theo phương pháp tuần tự xấp xỉ gần đúng đã biết: q = (bn.v.So.σch.h)/9,86.(h - bn) (6-5) Trong đó: bn: chiều rộng vùng ứng suất tác động về một bên trục nung, và bằng 0,5bon v: tốc độ dịch chuyển của nguồn nhiệt nung, cm/s. 7
So: tổng chiều dày của các tấm nhận nhiệt từ nguồn nhiệt (tổng chiều dày truyền nhiệt). h: chiều rộng tính toán của tấm được nung. + Trong trường hợp mặt phẳng uốn không cắt thân kết cấu hàn tại phía nằm ngược với các mối hàn (Hình 6-6), để tạo nên mô men uốn ngược trong mặt phẳng uốn, cần phải nung hai dải nằm cách trọng tâm kết cấu xa hơn là tại điểm m1 và m2 . Hình 1- Để xác định vùng ứng suất tác động của mỗi dải, ta nối chúng với trọng tâm tiết diện ngang của kêt cấu (điểm O) và chia mô men u ốn M ra thành 2 thành phần M1và M2 theo hai hướng Om1 và Om2. Biết được giá trị của M1và M2, ta có thể xác định được vùng ứng suất tác động của mỗi dải được nung theo các công thức (6.3) và (6.4), cũng như xác đ ịnh được công suất nguồn nhiệt nung khi nắn theo công thức đã biết (6.5). + Một số nhược điểm của phương pháp nắn theo dải (Hình 6-4a): 1, Trong một số trường hợp làm cho vùng ứng suất tác động của các mối hàn bị biến dạng dẻo kéo và tăng ứng suất dư. 2, Các vùng bị nén xunh quanh mối hàn gây tác động chống lại co dọc của các dải được nung khi nắn nóng, làm giảm hiệu quả nắn nóng các dải dọc. 3, Gía trị co dọc mối hàn thường vào khoảng 0,2 ÷ 0,5 mm trên một mét chiều dài mối hàn, do đó tác động gây biến dạng khi nung m ột d ải d ọc là tương đối nhỏ. Nếu tăng số lượng các dải dọc được nung lên (hoặc chi ều rộng dải) hiệu quả nung sẽ giảm đi vì khó thực hiện (hiệu quả ch ỉ tăng khi tăng khoảng cách yn). + Một số ưu điểm của phương pháp nắn theo hình nêm (Hình 6-4b): 1, Các dải ngang được nung được phân bố trong vùng có ứng su ất nén, và chỉ phần nào trong vùng có ứng suất kéo của liên kết hàn. Do đó s ự co ngang của chúng đồng thời với sự ngắn lại của các vùng được nung sẽ dẫn đến sự giảm ứng suất dư trong kết cấu hàn. 8
2, Độ co ngang của một mối hàn thường lớn hơn độ co dọc của nó 3 đến 5 lần, tính theo chiều dài 1 mét mối hàn. Giá trị tương đối lớn của độ co ngang, chiều dài nhỏ của các mối hàn ngang và khả năng giảm ứng suất dư khiến cho phương pháp này có ứng dụng rộng rãi trong thực tế. + Cách tính toán theo trường hợp dùng phương pháp trên hình (6-4b): (xem hình 6-7a) 1, Để khử độ võng dư sau khi hàn, cần tạo ra biến dạng co là ∆ trong các dải của tấm rộng hơn (trường hợp liên kết gồm hai tấm có chiều rộng khác nhau). Sự co đó phải tăng theo khoảng cách tính t ừ vùng ứng su ất tác động của mối hàn. Giá trị co lớn nhất ∆ max của dải bên ngoài của mép lồi trong liên kết: ∆ ma x=L1-Lm (6.6) Trong đó L1 chiều dài của dải ngoài cùng của mép lồi của liên kết hàn. Lm: chiều dài của mối hàn. Để đảm bảo co cho mỗi dải (giá trị ∆ ), cần nung tạo biến dạng dẻo trong chúng tại các đoạn có chiều dài tương ứng. 2, Tổng chiều dài trên mép ngoài cùng của các nêm nhiệt nói trên đ ược xác định từ công thức tính độ co ngang; ln=∆ ma x/α*Ttb=(L1-Lm)/α*Ttb (6.7) Trong đó α_hệ số giãn nở nhiệt của kim loại Ttb: giá trị trung bình của nhiệt độ đoạn được nung ở thời điểm nó chuyển từ trạng thái dẻo sang đàn hồi. Việc nung theo hình nêm có đáy là ln bảo đảm cho các dải co tự do theo chiều dài Lm, cần thiết cho việc khử độ võng dư sau khi hàn. Việc nung theo hình nêm như vậy, với đỉnh nêm nằm trên đường giới hạn của vùng ứng su ất tác động mối hàn, có ảnh hưởng nhỏ đến sự giảm ứng suất dư trong vùng ứng suất tác động, do có lực phản kháng của vùng kim loại cơ bản ch ịu nén lân cận. 3, Vì ứng suất dư kéo trong vùng ứng suất tác động th ường bằng σt, để giảm giá trị của chúng, cần tạo ra sự co do nung tất cả các dải của liên kết hàn ∆ 2, ngoài các dải của vùng ứng suất tác động: ∆ 2=ξT.Lm (6.8) Trong đó ξT: độ co tương đối ứng với ứng suất tại σch. 9
1, Chiều dài nung cần thiết l t của tất cả các dải liên kết hàn, ngoài các dải của vùng ứng suất tác động, được xác định tương tự như với ln: lt=∆ 2/α.Ttb=ξT.Lm/α.Ttb (6.9) 2, Do đó tổng chiều dài nung của các đoạn hình nêm theo mép l ối ngoài cùng của liên kết là: lo = ln + lt Để nắn đều từ giá trị độ võng dư cho trước sau khi hàn, và đ ể gi ảm ứng suất dư sau khi nắn, cần chọn kích thước các nêm nhiệt nhỏ và tăng số lượng của chúng (trên cơ sở thực nghiệm). 1, Số lượng các đoạn được 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 được thực hiện trong thời gian ngắn. Nhiệt độ nung vào khoảng 800 ÷ 850°C. Có thể nung cục bộ bằng hồ quang của điện cực không nóng chẩy, hoặc bằng ngọn lửa khí cháy. Nên bắt đầu nung t ừ phía đỉnh nêm (nơi kim loại ở trạng thái nén). Chú ý: Thay vì các giá trị đo được của L1và L2 kể trên, có thể dùng giá trị độ võng dư đo được f. Biết độ võng dư, ta xác định mô men uốn: M =8*E*J*f/l*l (6.11) Sau đó xác định góc xoay tiết diện khi uốn: ϕ =M*l/2*E*J (6.12) Giá trị co của dải ngoài của mép lồi của liên kết, cần cho vi ệc kh ử đ ộ võng dư: ∆ ma x=2*ϕ*h (6.13) Trong đó: h_chiều rộng tấm được nung tính từ vùng ứng suất tác đ ộng mối hàn đến mép ngoài cùng . Theo công thức 6.7 ta xác định l n và tính các thông số còn lại như đề cập ở trên. + Ngoài hai phương pháp nêu trên hình 6-4a và 6-4b, để xử lý hiện tượng lồi lõm, lượn sóng, …tại các phần tử tấm chịu nén, người ta sử dụng phương pháp nắn nóng theo điểm. Bản chất của phương pháp này là việc nung các điểm nh ất định tới trạng thái dẻo làm nó nở ra và gặp phải sự ph ản kháng từ phía xung quanh có nhiệt độ thấp hơn. Trong kim loại của các điẻm đó xảy ra bi ến dạng d ẻo 10
nén. Khi nguội, vùng kim loại được nung sẽ co lại và gặp phải sự phản kháng từ xung quanh. Do đó tại các điểm đó hình thành ứng suất kéo, đạt tới giá tr ị σch. Vùng kim loại được nung sẽ co hướng tâm, làm giảm kích thước ngang của nó và tác động đến vùng bị nén lân cận, làm cho các ch ỗ b ị lồi đ ược d ẹt bớt đi. Lượng kim loại cần được nung có thể được xác định như sau: 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. b t ∆ L n /n L /n max n L /2n T 1 h a  b 0 L ) /nL  T a m ) H×nh 6 - 7 11