Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Nghề: Hàn) - Trường Cao đẳng Hàng hải II

Chia sẻ: Cố Tiêu Tiêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:50

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Nghề: Hàn) được trình bày theo thứ tự các bài trong chương trình khung bao gồm các bài sau: Bài 01 - Vật liệu chế tạo kết cấu hàn; Bài 02 - Tính độ bền của mối hàn; Bài 03 - Tính ứng suất và biến dạng khi hàn; Bài 04 - Tính toán kết cấu dầm trụ; Bài 05 - Tính toán kết cấu dàn;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Nghề: Hàn) - Trường Cao đẳng Hàng hải II

CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI II GIÁO TRÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU HÀN NGHỀ HÀN (Ban hành theo quyết định số 397/QĐ-CĐHHII, ngày 4 tháng 8 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Cao Đẳng Hàng Hải II) ( Lưu hành nội bộ) TP.HCM, năm 2021
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ nghiêm cấm 1
LỜI GIỚI THIỆU Để đáp ứng tình hình chuyển biến mới trong đào tạo, mở rộng và phát huy tính độc lập trong học tập của sinh viên Khoa Cơ khí và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên dạy và hướng dẫn thực hành v v...Giáo trình “Tính toán kết cấu hàn” được biên soạn với nội dung tuân theo chương trình khung kết hợp với điều kiện giảng dạy hiện có, đáp ứng được nhu cầu học tập của sinh viên, mang được tính hiện đại, tính phong phú và cơ bản nhất trong lĩnh vực tính toán kết cấu hàn nói riêng và trong sản xuất cơ khí nói chung. Bố cục của giáo trình được trình bày theo thứ tự các bài trong chương trình khung bao gồm các bài sau: Bài 01: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn Bài 02: Tính độ bền của mối hàn Bài 03: Tính ứng suất và biến dạng khi hàn Bài 04: Tính toán kết cấu dầm trụ Bài 05: Tính toán kết cấu dàn Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong quý thầy cô, các bạn sinh viên có ý kiến đóng góp để việc biên soạn và bổ sung cho giáo trình được hoàn thiện hơn. Mọi chi tiết vui lòng gửi về: Khoa Cơ Khí– Trường Cao Đẳng Hàng Hải II, 232 Nguyễn Văn Hưởng, Phường Thảo Điền, TP Thủ Đức, Thành Phố Hồ Chí Minh Xin chân thành cảm ơn. 2
MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG 1. Lời tựa………………………………………………………………. 2 2. Mục lục…………………………………………………………….. .3 3. Bài 01: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn……………………………….. .4 4. Bài 02: Tính độ bền mối hàn……………………..………………... .9 5. Bài 03: Tính ứng suất và biến dạng khi hàn……………………….....14 6. Bài 04: Tính toán kết cấu dầm, trụ…………………………………..24 7. Bài 05: Tính toán kết cấu dàn, tấm vỏ………………………………34 8. Tài liệu tham khảo…………………………………………………...43 3
BÀI 01: VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN Giới thiệu: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn là yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng của công trình, và là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình công nghệ, tính kinh tế của công trình, do vậy việc lựa chọn vật liệu chế tạo kết cấu hàn hợp lý sẽ mang lại tính hiệu quả về kinh tế kỹ thuật to lớn, đó là tiêu chí vô cùng quan trọng. Mục tiêu: - Nhận biết các loại thép định hình U, I, V..., thép tấm, và các loại vật liệu khác như nhôm, hợp kim nhôm, đồng hợp kim đồng, thép hợp kim thường dùng để chế tạo kết cấu hàn. - Giải thích đúng công dụng của từng loại vật liệu khi chế tạo kết cấu hàn. - Tính toán vật liệu gia công kết cấu hàn chính xác, đạt hiệu suất sử dụng vật liệu cao. - Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng. - Tuân thủ quy định, quy phạm trong phân loại vật liệu. - Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, chính xác trong công việc. Nội dung chính: I. Thép định hình. 1. Thép chữ L (thép góc): Đây là loại thép hình được sử dụng rất nhiều để chế tạo các loại kết cấu hàn. Thép chữ L thường được dùng để chế tạo các loại khung, dàn hoặc liên kết khác trong các kết cấu. Từ thép góc ta có thể chế tạo ra các loại thép định hình khác nhau bằng cách ghép các thanh thép góc lại với nhau. Ví dụ: Ghép 2 thanh thép góc lại với nhau ta sẽ có loại kết cấu chữ [ hoặc chữ T, nếu ghép 4 thanh thép góc ta sẽ có kết cấu chữ I. Do vậy đây là loại thép có phạm vi sử dụng rất lớn trong thực tế. Thép hình chữ L có 2 loại là : L cạnh đều và L cạnh lệch - Thép chữ L cạnh đều: gồm có 67 loại được quy định trong TCVN 1656- 75.loại nhỏ nhất có kích thước L20 x 3,nghĩa là mỗi cạnh có kích thước là 20 mm ,chiều dày có kích thước là 3 mm, loại lớn nhất có kích thước là L250 x 20. Đây là loại thép được sư dụng để chế tạo kết cấu rất nhiều do tính chất công nghệ của nó rất cao. Trong quá trình gia công người thợ không cần chú ý đến các cạnh của thanh thép (do cạnh của các thanh đều bằng nhau. Đây chính là đặc tính rất ưu việt của loại thép góc này. - Thép chữ L cạnh không đều: Gồm có 47 loại được quy định trong tiêu chuẩn TCVN 1657-75 ,loại nhỏ nhất là L25 x16 x3, có nghĩa là cạnh thứ nhất 25 mm, cạnh thứ hai 16 mm, chiều dày 3 mm. Loại lớn nhất có kích thước L250 x160 x20. Đây là loại thép góc mà hiện nay ứng dụng không lớn do tính công nghệ của thép không cao vì trong quá trình gia công người thợ cần phải chú ý đến các cạnh của thanh thép (do các cạnh không đều 4
nhau). Do vậy sẽ ảnh hưởng đến năng suất lao động. Vì vậy khi thiết kế cần chú ý đến đặc điểm này để lựa chọn thép góc cho hợp lý. 2. Thép chữ I: Đây là loại thép được sử dụng rất nhiều để chế tạo kết cấu chịu uốn, nén. Theo TCVN 1655-75 thì thép chữ I có 23 loại. Chiều cao loại nhỏ nhất là 100 mm ,loại lớn nhất là 600 mm. Ngoài ra còn có thêm một số loại thép đặc biệt ký hiệu có thêm chữ “a” ở phía dưới. Thép chữ I là loại thép rất khó liên kết với nhau để tạo ra một loại thép mới. 3. Thép chữ [: Theo TCVN 1654-75 thép chữ [ có 22 loại. Chiều cao loại nhỏ nhất là 50 mm, lớn nhất là 400 mm ( Đây là chiều cao của tiết diện). Ví dụ [ 22 chỉ loại này có chiều cao là h = 220 mm, chiều dài của thép chữ [ từ 4 ÷ 13 m. Ngoài ra còn một số loại đặc biệt thì ký hiệu có thêm chữ “a” phía dưới. Ví dụ : thép [ 22a Trong thực tế còn có nhiều loại thép hình khác nhau như thép ống, thép tròn... II. Thép tấm. Là loại thép được sữ dụng rộng rãi vì có tính vạn năng cao, có thể chế tạo ra các loại thép có hình dáng, kích thước bất kỳ. Thép tấm được dùng nhiều trong các loại kết cấu như :vỏ tàu thủy, vỏ các bình chứa chất lỏng, bình chứa khí, các loại bồn chứa, bể chứa, các loại ống dẫn chất lỏng, chất khí. Ngoài ra thép tấm còn được sử dụng để chế tạo các loại chi tiết máy....Trong thực tế thép tấm có quy cách như sau:  Thép tấm phổ thông: có chiều dày s = 40÷ 60 mm, chiều rộng 160 ÷ 1050 mm, chiều dài từ 600 ÷ 12000 mm  Thép tấm dày: có chiều dày s = 60÷ 160 mm, chiều rộng 600 ÷ 3000 mm, chiều dài từ 4000 ÷ 6000 mm  Thép tấm mỏng: có chiều dày s = 0.2÷ 4 mm, chiều rộng 600 ÷ 1400 mm. III. Các loại vật liệu thường dùng để chế tạo kết cấu hàn Vật liệu dùng để chế tạo kết cấu hàn gồm có: 1. Các loại thép các bon thấp: Đây là loại vật liệu được sử dụng rất nhiều để chế tạo các loại kết cấu hàn, do loại vật liệu này rất dễ hàn và mối hàn dễ đạt được chất lượng theo yêu cầu mà không cần phải có những biện pháp công nghệ phức tạp nào. Trong thực tế thép các bon thấp sử dụng để chế tạo kết cấu hàn được chia ra làm 2 nhóm chính là thép định hình và thép tấm. 2. Thép hợp kim thấp : Đây là loại thép có tính hàn tốt chỉ đứng sau thép các bon thấp, do có tính hàn tốt cho nên các loại thép hợp kim thấp cũng rất hay được sử dụng để chế tạo các kết cấu hàn có yêu cầu độ bền cao hoặc làm việc trong các điều kiện đặc biệt. Thép hợp kim thấp thường được dùng để chế tạo kết cấu hàn gồm các loại như thép Manggan; thép Cr –Si –Mn; Cr-Mn-Môlipđen. Thép hợp kim thấp gồm các loại thép hình hoặc thép tấm, được chế tạo theo tiêu chuẩn. 3. Các loại thép không rỉ: 5
Được sử dụng để chế tạo các lọai kết cấu hàn làm việc trong những điều kiện đặc biệt như: nhiệt độ cao, làm việc trong điều kiện tiếp xúc với hóa chất, hoặc các thiết bị bảo quản, chế biến thực phẩm, thiết bị dụng cụ y tế... Phần lớn các loại thiết bị thuộc các loại này thuộc dạng tấm, hiện nay do nhu cầu sử dụng các loại kết cấu được chế tạo từ thép không rỉ đang rất lớn cho nên rất nhiều các công nghệ gia công kết cấu thép không rỉ hiện đại đã xuất hiện trong thực tế. Các loại thép không rỉ được sử dụng nhiều hiện nay đó là: Cr-Ni,Cr-Ni-Bo, Ni-Mo-Cr, và một số loại thép chịu ăn mòn hóa học, chịu nhiệt, bền nhiệt. 4. Nhôm và hợp kim nhôm: Nhôm và hợp kim nhôm cũng được sử dụng nhiều để chế tạo kết cấu hàn đặc biệt là hợp kim nhôm được dùng để chế tạo các kết cấu yêu cầu có trọng lượng nhỏ,hoặc các kết cấu yêu cầu chống rỉ. Thông thường hợp kim nhôm hay được dùng nhất là: Duy-ra dùng cho các kết cấu đòi hỏi có độ bền nhiệt cao, còn hợp kim nhôm –magiê dùng cho các loại kết cấu như: vỏ tầu loại nhỏ có tốc độ cao, các kết cấu xây dựng, các thùng chứa thực phẩm,chứa thức ăn, chứa nước...Nhôm và hợp kim nhôm thường được chế tạo ở dạng tấm. IV. Tính toán vật liệu gia công kết cấu hàn Việc chọn vật liệu cơ bản cho kết cấu hàn phải dựa vào những tính toán cụ thể về độ bền, giá thành và tính công nghệ của nó: 1. Vật liệu phải thoả mãn các yêu cầu sử dụng của kết cấu, như điều kiện bền, điều kiện ổn định, cứng vững, chịu mỏi,… Điều kiện bền được đánh giá theo giới hạn bền và giới hạn chảy của vật liệu. Đối với điều kiện ổn định, môdun đàn hồi có một ý nghĩa hết sức quan trọng, bởi vì ứng suất tới hạn khi kết cấu mất ổn định tỉ lệ thuận với môdun đàn hồi    t .h   E  . Nói cách khác, nếu E càng bé thì khả năng mất ổn định càng dễ xảy ra. Độ cứng vững của kết cấu cũng rất phụ thuộc vào môdun đàn hồi: f   1 / E    f   E càng bé thì f càng lớn hay độ cứng vững càng thấp và có thể dẫn đến việc lãng phí vật liệu một cách vô ích để nâng cao độ cứng vững của kết cấu. VD: Hợp kim nhôm tuy có giới hạn bền không bé hơn thép các bon thấp nhiều, là vật liệu nhẹ( tỷ trọng chỉ bằng 1/3 của thép) có khả năng chống gỉ. Tuy nhiên kết cấu hàn từ hợp kim nhôm rất dễ mất ổn định và có độ cứng rất thấp, lý do là vì môdun đàn hồi của nhôm chỉ bằng 1/3 của thép(bảng 1.1). Trên thực tế ta thấy các kết cấu từ hợp kim nhôm thường có nhiều gân cứng vững. Bảng 1.1: Khối lượng riêng và mô đun đàn hồi của một số vật liệu 6
Hợp kim nhẹ Khối lượng riêng Môdun đàn hồi E T/m3 kG/cm2 Hợp kim nhôm 2,7 0,72.10 6 Hợp kim manhê 1,8 0,43.10 6 Hợp kim titan 4,5 1,08.10 6 Thép cácbon 7,85 2,05.10 6 Cần lưu ý rằng chọn vật liệu có giới hạn bền cao hơn không đồng hành với việc giới hạn mỏi sẽ tăng lên tương ứng. Vật liệu có độ bền càng cao sẽ càng nhạy cảm với hiện tượng tập trung ứng suất dưới tác dụng của tải trọng biến đổi. Một số kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, dùng thép có độ bền cao thay cho thép cácbon thấp trong các kết cấu hàn chỉ có hiệu quả đối với các phần tử chịu kéo hoặc chịu nén nhưng với độ mảnh bé; Đối với các phần tử chịu nén với độ mảnh lớn việc thay thế này hoàn toàn không có lợi. Cũng không có hiệu quả đối với các phần tử chịu uốn khi mà điều kiện ổn định và điều kiện cứng vững giữ vai trò quyết định. 2. Vật liệu phải có tính công nghệ( đặc biệt là tính hàn) rõ ràng. Như vậy ngay từ giai đoạn thiết kế, cần phải xác định được tính hàn của vật liệu thông qua việc xác định thành phần hoá học của nó. Theo quy ước, tính hàn của vật liệu được chia thành 4 nhóm : tốt, thoả mãn, hạn chế và xấu. - Nhóm có tính hàn tốt: Bao gồm các mác vật liệu cho phép hàn bằng nhiều phương pháp hàn khác nhau, chế dộ hàn có thể điều chỉnh trong một phạm vi rộng, không cần sử dụng đến các biện pháp công nghệ phức tạp( nung nóng sơ bộ, xử lý nhiệt trong và sau khi hàn,…) mà vẫn tạo ra được liên kết hàn có chất lượng tốt. - Nhóm có tính hàn thoả mãn: Bao gồm các mác vật liệu chỉ cho phép hàn bằng một số phương pháp hàn nhất định, chế dộ hàn có thể thay đổi trong một phạm vi hẹp, phải sử dụng loại vật liệu hàn phù hợp và trong nhiều trường hợp cần tiến hành nung nóng sơ bộ, xử lý nhiệt trong và sau khi hànmới có thể nhận được liên kết hàn có chất lượng tốt. - Nhóm có tính hàn hạn chế và xấu: Bao gồm các mác vật liệu có khuynh hướng tạo nứt khi hàn, tổ chức kim loại mối hàn xấu và dễ xuất hiện các khuyết tật có nguồn gốc công nghệ. Đói với hai nhóm này, chỉ cho phép hàn bằng một vài phương pháp hàn nhất định, chế độ hàn phải khống chế trong một phạm vi rất hẹp. Để có mối hàn chất lượng cần phải sử dụng 7
đúng loại vật liệu hàn phù hợp và cần tiến hành thủ thuật công nghệ bổ trợ khác khi hàn( như nung nóng sơ bộ, xử lý nhiệt trong và sau khi hàn). Theo kinh nghiệm, có thể nhận xét sơ bộ tính hàn của thép theo hàm lượng nguyên tố cácbon C% và tổng lượng các nguyên tố hợp kim H.K như trong bảng 1.2 Bảng 1.2: Tính hàn của thép theo hàm lượng cacbon H.K Hàm lượng C% (Mn,Si,Cr, Ni,..) < 1% < 0,25 0,25  0,35 0,35  0,45 > 0,45 1%- 3% 0,40 > 3% 0,38 Tính hàn  Tốt Thoả mãn Hạn chế Xấu 3. Khi chọn vật liệu cần căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể của kết cấu hàn. Trong một số trường hợp cụ thể vật liệu được chọn phải có khả năng chống ăn mòn, khả năng bền nhiệt( không giảm bền ở nhiệt độ cao, không bị ôxy hoá bề mặt ở nhiệt độ cao), … 4. Chỉ tiêu kinh tế. Căn cứ vào giá thành để tính cho nhiều phương án để chọn phương án tối ưu để sản phẩm có giá thành thấp nhất có thể. 5. Chủng loại vật liệu (kích thước, hình dáng tiết diện ngang,…): phải phù hợp với điều kiện chịu lực và lắp ghép để có thể tận dụng một cách tối đa vật liệu . Trong các kết cấu hàn có thể dùng các loại thép đúc, thép rèn nhưng chủ yếu vẫn là thép cán:  Thép tấm có loại băng dài( thép cuộn) với chiều dày từ 0,2- 10 mm, chiều rộng từ 200mm đến 2300mm; thép tấm có chiều dày từ 4mm-160mm, rộng từ 200mm- 3800mm và dài từ 1200mmm đến 12.000mmm.  Thép hình: thường là thép góc, thép chữ I, chữ U , tròn đặc , ống,…  Thép định hình là những loại có hình dạng đặc biệt hoặc tiết diện thay đổi theo chiều dài( loại này ít dùng trong các kết cấu hàn ). Khi thiết kế nếu chọn được chủng loại thích hợp ta có thể vừa tiết kiệm được vật liệu vùa giảm được giá thành chế tạo kết cấu. Tóm lại, việc chọn vật liệu cơ bản dùng cho kết cấu hàn là khá phức tạp, vì phải giải quyết hàng loạt vấn đề đồng thời để tìm ra phương án tối ưu nhất đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật. 8
V. An toàn lao động - vệ sinh phân xưởng Chỉ sử dụng những vật liệu được giáo viên cho phép. Tuyệt đối tuân thủ nội quy về an toàn lao động trong phân xưởng. BÀI 02: TÍNH ĐỘ BỀN MỐI HÀN Giới thiệu: Độ bền mối hàn là một tiêu chí rất quan trọng trong quá trình gia công kết cấu hàn, độ bền mồi hàn đảm bảo nghĩa là kết cấu hàn sẽ thõa mãn điều kiện làm việc với tải trọng được quy định. Vì vậy yêu cầu của công tác thiết kế, kiểm tra, đánh giá độ bền mối hàn là một công việc quan trọng của người thợ hàn ở trình độ cao đẳng. Mục tiêu: - Tính toán được độ bền kéo,nén của mối hàn. - Xác định được kích thước của mối hàn khi biết tải trọng đặt lên kết cấu. Nội dung chính: I. Tính toán mối hàn giáp mối. I.1 Mối hàn giáp mối chịu kéo, nén Mối hàn giáp mối là loại mối hàn được ứng dụng rất nhiều trong kết cấu hàn, do mối hàn có nhiều ưu điểm như: tốn ít kim loại cơ bản, ít ứng suất tập trung, công nghệ thực hiện dễ dàng hơn. Do mối hàn chịu kéo và chịu nén thì độ bền giống nhau nên ta chỉ cần tính toán, kiểm tra điều kiện bền cho trường hợp chịu kéo là đủ. Để kiểm tra điều kiện bền kéo ta xét một mối ghép hàn giáp mối như sau: Ta có chiều rộng của tấm nối là B cũng chính là chiều dài cần hàn, chiều dày của chi tiết hàn là S, lực kéo là N. 9
Như vậy theo lý thuyết bền ta có: Để mối ghép hàn đảm bảo độ bền thì biểu thức sau phải được thõa mãn:  max  F  [ ]k N h (2.1) Trong đó :  max : Là ứng suất sinh ra khi kết cấu chịu lực tác dụng N : Là lực tác dụng Fh : Là diện tích mặt cắt của mối hàn, nó được xác định như sau: Fh = B x S Như vậy ta có:  max  N B.S  [ ]k (2.2) Từ công thức trên ta suy ra các bài toán cơ bản sau: Bài toán 1: Kiểm tra điều kiện bền kéo theo cường độ, ta dùng công thức trên Bài toán 2: Xác định tải trọng, lúc này ta dùng công thức: N  B.S .[ ]k (2.3) Bài toán 3: Tính toán các kích thước mối hàn theo công thức sau: N .[ ]k B.S  N .[ ]k  B  S (2.4) Và: N .[ ]k B.S  N .[ ]k  S  B (2.5) Trong trường hợp nếu kích thước của kết cấu không thay đổi, nhưng muốn tăng khả năng chịu tải trọng của kết cấu thì chúng ta thiết kế các mối hàn xiên như hình vẽ sau với: N: là lực tác dụng B: là chiều rộng tấm nối α: là góc vát nghiêng của các chi tiết hàn 10
Như vậy điều kiện bền của mối hàn lúc này sẽ là:  max  N Fh  [ ]k  max  S .NB  [ ]k   max  N .sin  B.S  [ ]k (2.6) sin  Mà α là góc luôn nhỏ hơn 900 nên ứng suất tác dụng lúc này bị giảm xuống, do vậy mà điều kiện bền tăng lên. I.2 Mối hàn giáp mối chịu uốn. Điều kiện bền được xác định như sau:   W  [ ]h M (2.7) Trong đó: σ là ứng suất sinh ra do uốn M là mô men uốn M  P4.l W là mô men chống uốn được xác định như sau: W  B 2 .S 6 Thay vào biểu thức tính độ bền ta có:   23BP..lS  [ ]h . 2 (2.8) II. Tính toán mối hàn góc. I.1 Mối hàn góc chịu kéo, nén Khi kiểm tra độ bền cho mối hàn góc ta thực hiện quá trình kiểm tra mối hàn theo các dạng sau: a) Tính mối hàn đối xứng ngang: xét mối hàn ngang chịu lực như hình vẽ ta có biểu thức xác định  độ bền như sau: N 2.h. B  [ ]h (2.9) Trong đó: 11
N: là lực tác dụng h: là chiều cao của mối hàn B: là chiều dài đường hàn. Do chiều cao mối hàn là h = k.cos450 = 0,7.k và k = S (trong trường hợp các tấm có chiều dày không bằng nhau thì k được chọn theo tấm có chiều dày nhỏ hơn) cho nên:  N 1, 4.S . B  [ ]h (2.10) b) Tính mối hàn đối xứng dọc: Đối với mối hàn đối xứng dọc khi chịu lực thì điều kiện bền được xác định như sau:  N 2.h. L  [ ] h (2.11) Trong đó: L: là chiều dài đường hàn H: là chiều cao mối hàn Trong trường hợp mối hàn không đối xứng thì điều kiện được xác định theo công thức sau:  N h .( L1  L2 )  [ ]h (2.12) I.2 Mối hàn góc chịu uốn Khi mối hàn góc chịu uốn, điều kiện bền được xác định theo công thức sau:   h ML.B  [ ]h . (2.13) Trong đó: M là mô men uốn H là chiều cao mối hàn L là chiều dài mối hàn cả 2 phía B là chiều cao của tấm hàn 12
* Khi mối hàn chịu uốn và kéo hoặc nén thì điều kiện bền được xác định như sau: M N    [ ]h (2.14) W h.L Trong đó : M là mô men uốn N là lực kéo W là mô men chống uốn h là chiều cao mối hàn L là tổng chiều dài đường hàn III. Tính toán mối hàn tổng hợp. Trong trường hợp mối hàn tổng hợp chịu uốn như hình vẽ thì điều kiện bền sẽ là:  M 2 h.ln  [ ]h (2.15) h .ld .ln  6 Khi tính toán ta chọn trước ln , cạnh của mối hàn k để xác định mối hàn ld Khi mối hàn vừa chịu uốn vừa chịu kéo hoặc nén thì điều kiện bền sẽ là: N M   2  [ ]h (2.16) h.L h.l h.ln .ld  n 6 IV.An toàn lao động - vệ sinh phân xưởng Chỉ sử dụng những vật liệu được giáo viên cho phép. Tuyệt đối tuân thủ nội quy về an toàn lao động trong phân xưởng. 13
BÀI 03: TÍNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN Giới thiệu: Trong quá trình hàn, do nhiệt độ giữa các vùng kim loại chênh lệch nhau rất cao do vậy thường sinh ra ứng suất và biến dạng, các ứng suất và biến dạng này làm kết cấu hàn giảm khả năng làm việc hoặc không đủ điều kiện để làm việc. Vì vậy trong quá trình hàn người thợ phải biết được những nguyên nhân sinh ra ứng suất và biến dạng để có thể hạn chế hoặc triệt tiêu chúng . Mục tiêu: - Trình bày được các khái niệm về ứng suất khi hàn,giải thích được các nguyên nhân gây ra ứng suất khi hàn. - Tính được các biến dạng dọc,biến dạng ngang của mối hàn. - Xác định được các biện pháp làm giảm ứng suất,biến dạng sinh ra khi hàn. Nội dung chính: I. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn đắp I.1 Các khái niệm về ứng suất và biến dạng khi hàn a) Nội ứng suất khi hàn Là ứng suất tồn tại trong mối hàn sau khi đã kết thúc hàn. Do nội ứng suất tồn tị mà không có tác dụng của ngoại lực cho nên chúng ta phải tương ứng cân bằng. Và muốn đảm bảo sự cân bằng thì phải tuân theo các điều kiện cân bằng tỉnh học, nghĩa là.  mx  0  my  0  mz  0 (3.1) b) Phân loại ứng suất Các loại nội ứng suất được chia ra làm 3 nhóm như sau *Nhóm 1: Các ứng suất phụ thuộc nguyên nhân sinh ra nó 14
- Ứng suất nhiệt: sinh ra do sự nung nóng không đều trên toàn bộ chi tiết - Ứng suất dư: là ứng suất còn lại trong vật thể sau khi loại bỏ nguyên nhân sinh ra nó. Đây là loại ứng suất thường gặp nhất - Ứng suất do chuyển biến pha: do sự biến dạng không đều của chi tiết *Nhóm 2: Ứng suất sinh ra do sự cân bằng giữa các kích thước thể tích khác nhau của các phần tử khi liên kết tạo thành vật thể. Bao gồm 3 loại là tổ chức tế vi, tổ chức thô đại và tổ chức siêu tế vi. *Nhóm 3: Ứng suất theo các hướng trong không gian, bao gồm các loại là ứng suất một chiều (ứng suất đơn), ứng suất hai chiều (ứng suất mặt), ứng suất ba chiều (ứng suất khối). c) Các biến dạng khi hàn : Trong quá trình hàn do chi tiết bị nung nóng và làm nguội không đều cho nên sẽ phát sinh các biến dạng là biến dạng co dọc của mối hàn và biến dạng co ngang của mối hàn. - Biến dạng co dọc của mối hàn : đó là sự thay đổi kích thước chiều dài mối hàn sau khi hàn - Biến dạng co ngang của mối hàn: đó là sự giảm kích thước của kim loại mối hàn và vùng lân cận theo phương vuông góc với trục đường hàn, biến dạng co ngang sẽ tạo nên sự cong, vênh của kết cấu hàn hay còn gọi là biến dạng góc. I.2 Tính ứng suất và biến dạng khi hàn đắp a-Tính nội lực tác dụng Xét tấm kim loại như hình vẽ: Khi hàn đắp vào mép tấm thì theo lý thuyết hàn, trên mặt cắt ngang của chi tiết hàn do tác động của nhiệt khi hàn sẽ có 2 vùng:  Vùng ảnh hưởng nhiệt là vùng có nhiệt độ từ 5500C÷13500C. Tại vùng này, dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ có sự thay đổi thành phần hóa học, đồng thời là sự thay đổi về kích thước hạt. hai thay đổi này dẫn đến sự thay đổi lớn về chất lượng kim loại. 15
Như vậy cơ tính mối hàn chỉ thay đổi trong vùng ảnh hưởng nhiệt. tại vùng này được chia làm 2 vùng: Vùng thứ nhất : Phần kim loại mối hàn và lân cận , phần này trong quá trình hàn kim loại thường tồn tại ở trạng thái một pha lỏng và hai pha lỏng +rắn. Vùng này được gọi là vùng b 1 tức là vùng có sự thay đổi lớn nhất về thành phần hóa học. Vùng thứ hai có nhiệt độ từ 5500C đến gần nhiệt độ nóng chảy của kim loại. Vùng này được gọi là vùng b 2 , là vùng trong quá trình hàn, kim loại đạt đến trạng thái biến dạng dẻo,do vậy sự thay đổi về thành phần hóa học là rất nhỏ, chủ yếu là sự thay đổi về kích thước hạt.  Vùng còn lại (vùng phản kháng): là vùng không bi ảnh hưởng nhiệt. Như vậy trong vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ xuất hiện biến dạng: ∆l = α. T. L (3.2) Trong đó: α: là hệ số giản nở T: nhiệt độ , l : Chiều dài N .l Khi có lực tác dụng: l  (3.3) E.F Thực nghiệm chứng tỏ rằng với mỗi loại vật liệu thì có một giới hạn riêng và giới hạn này được dùng để xác định nội lực và biến dạng khi hàn. Giới hạn này được gọi là ứng suất tới hạn (ký hiệu là σT) Các ứng suất tới hạn đều được xác định bằng thực nghiệm và là một trong những thông số cho sẵn để tính toán, thông thường có trong các sổ tay tính toán thiết kế. Do trong vùng ứng suất tác dụng có xuất hiện biến dạng cho nên nội lực tác dụng trên mặt cắt ngang của chi tiết hàn được xác định trong vùng này, biểu thức xác định như sau: P = σT. Fc (3-4) Trong đó: P: Nội lực tác dụng σT: Ứng suất tới hạn Fc: Diện tích của vùng ảnh hưởng nhiệt Fc = S(b 1+b2) = S.bn 0,484 .q b1  (3-5) S0 .Vh .C. .T Trong đó: q: là năng lượng của hồ quang hàn 16
q = 0,24.Uh.Ih.η ((3.6) η = 0,75 ÷ 1,0 S0:là chiều dày tính toán của chi tiết hàn Vh :là vận tốc hàn C: nhiệt dung riêng γ: trọng lượng riêng của kim loại T: nhiệt độ khảo sát b2 = k2.(h – b1) (3.7) Trong đó: k2: Hệ số xác định theo đồ thị đường đẳng tính ứng với mỗi loại vật liệu. Đối với thép cacbon thấp k = 0,224 h: Chiều rộng tấm hàn Thay b1, b2 vào biểu thức Fc = S(b 1+b2) Vậy nội lực tác dụng hoàn toàn xác định được. b-Tính ứng suất phản kháng và lực phản kháng: Ứng suất phản kháng và lực phản kháng là hai yếu tố chống lại lực tác dụng. - Lực phản kháng Pk Pk = P = σT. Fc (3.8) Pk  F P - Ứng suất phản kháng σ2  2   T. c  (3.9) Fk F  Fc S .(h b n ) c-Tính mô men uốn: Mu = Mk-Mp (3.10) Mk = Pk.y1 Mp = P.y2 Nếu Mu > 0 Kết cấu hàn võng xuống Nếu Mu > 0 Kết cấu hàn cong lên d-Tính ứng suất uốn: Mu u  (3.11) Wu S.h 2 Với Wu  6 17
e-Tính độ võng: M .l 2 (3.12) f  8EJ S.h 3 Với J 12 II. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối 1. Tính nội lực tác dụng Nội lực tác dụng là nội lực sinh ra trong vùng ứng suất tác dụng, nội lực tác dụng phụ thuộc vào diện tích của vùng có nhiệt độ nóng chảy đến 5500 C, vùng này còn gọi là vùng ứng suất tác dụng , nội lực tác dụng được tính như sau: P = σT .Fc Trong đó : σT là ứng suất sinh ra khi hàn và theo các giả thuyết trong lý thuyết kết cấu thường được chọn bằng giới hạn chảy Fc là vùng ứng suất tác dụng khi hàn, vùng này được xác định như sau: 18
Fc = b0.S Trong đó S là chiều dày của chi tiết hàn b0 là chiều rộng của vùng ứng suất tác dụng được xác định như sau b0 = (b1 + b2).2 b1 là vùng mối hàn và lân cận bao gồm vùng nóng chảy , vùng chảy dẻo b2 là vùng kim loại ở trạng thái đàn hồi 0,484 .q b1  S 0 .v.c. .550 0 C Trong đó : q: là năng lượng hữu ích của nguồn nhiệt q = 0,24.Uh..Ih.η η =0,65 khi hàn hồ quang tay. η =0,9 khi hàn tự động v :là vận tốc hàn cm/s S :là chiều dày tính toán của kết cấu hàn c :là nhiệt dung của kim loại γ : là khối lượng riêng của kim loại Việc xác định b2 phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như năng lượng riêng q 0 chiều rộng tấm hàn h0 và các thông số khác b2 có thể được xác định như sau b2 = k2 .(h –b1) Trong đó : k2 là hệ số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo chi tiết h là chiều rộng toàn bộ phần ứng suất tính toán Trong trường hợp nếu hàn hai tấm có chiều rộng không bằng (3.13) nhau thì ta tính toán như sau: P= σT.Fc = σT. (bna + bnc).S Trong đó bna ≠ bnc 2. Tính nội lực phản kháng và ứng suất phản kháng - Nội lực phản kháng ở hai tấm hàn được tính như sau: Pa = σ2. a . s 19