I.(6) Ứng suất và Biến dạng

ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG LIÊN KẾT HÀN

I. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN  DẠNG:

- Ứng suất và biến dạng là kết quả của sự tác dụng của các yếu tố bên ngoài vào vật đang ổn định. Bộ môn khoa học nghiên cứu mối quan hệ này nhằm hạn chế mặt xấu và khai thác mặt tốt trong các công nghệ. Khi 1 vật đang ổn định, nếu có 1 lực tác dụng vào (lực đó có thể ngoại lực hoặc do 1 yếu tố khác (như nhiệt) dẫn đến nội lực) thì trong vật xuất hiện ứng xuất và có thể biến dạng. Nếu lực tác dụng mạnh đến mức mà làm cho trạng thái ứng suất và biến dạng vượt qua giới hạn cho phép thì vật thể đó bị phá hủy.

- Quá trình gia công nóng, nhất là hàn, sự nung nóng vật hàn gây ra ứng suất và biến dạng chi tiết hàn.

- Trong kết cấu hàn luôn tồn tại ứng suất dư và nó gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng và khả năng làm việc của kết cấu hàn . Tìm hiểu nguyên nhân và đưa ra phương pháp đề phòng hạn chế ảnh hưởng của chúng là một nhiệm vụ của các nhà KHCN và cả những người thợ tham gia chế tạo ra liên kết hàn.

II.  NGUYÊN NHÂN GÂY ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN:

- Ứng suất và biến dạng hàn  xuất hiện và tồn tại trong kết cấu hàn là do bản thân quá trình CNH gây nên. Chúng có ảnh hưởng đến khả năng làm việc  và chất lượng của kết cấu hàn.

- Nguyên nhân tạo ra ứng suất và biến dạng hàn khá phức tạp, trong đó ba nguyên nhân sau đây là  chủ yếu:

♦ Nung nóng cục bộ (không đều) và bị hạn chế giãn nở của các phần tử trong liên kết hàn.
♦ Sự co ngót khi kim loại mối hàn trong quá trình đông đặc.
♦ Do sự thay đổi thể tích khi có những thay đổi về tổ chức của mối hàn và vùng lân cận mối hàn.

- Từ những nguyên nhân cơ bản đó, sau khi hàn trong kết cấu sẽ tồn tại ứng suất dư có giá trị rất cao (ở vùng mối hàn và lân cận ứng suất có thể đạt giá trị giới hạn chảy của vật liệu). Vì thế, đối với vật liệu có độ dẻo hạn chế, ứng suất hàn rất nguy hiểm và đặc biệt là khi kết cấu làm việc dưới tác dụng của tải trọng động.

- Biểu hiện chính của biến dạng hàn là sau khi hàn, sản phẩm giảm kích thước về cả chiều dài, rộng, bị cong, võng, biến dạng góc, mất ổn định cục bộ… làm giảm khả năng chịu tải của kết cấu.

- Do tác hại của ứng suất và biến dạng hàn như vậy, nên hiểu biết về quy luật phát sinh, phát triển và tồn tại của nó có một ý nghĩa rất quan trọng đối với cán bộ thiết kế liên kết hàn và cả kỹ sư thiết kế và thợ hàn. Chỉ có như thế chúng ta mới có những biện pháp hữu hiệu để hạn chế ứng suất và biến dạng hàn, giảm ảnh hưởng của chúng tới mức có thể được, nhằm nâng cao chất lượng liên kết hàn.

III. CÁC LOẠI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN

1. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG DỌC:

- Là ứng suất tác dụng song song theo trục mối hàn và xuất hiện co dọc của mối hàn. Như đã nêu trên vùng cận mối hàn trong kim loại có ứng suất kéo là ứng suất dọc.

- Ứng suất dọc rất lớn, có thể đạt tới giới hạn chảy của vật liệu cơ bản. Ở các vùng khác ứng suất dọc là ứng suất nén. Trên mọi mặt cắt ngang mối hàn có ứng suất dọc giống nhau. Thường sau khi hàn tấm bị co ngắn lại 1 đoạn D_la (co dọc) và giảm chiều rộng một lượng D_bn (co ngang).

2. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG NGANG:

- Ứng suất ngang do hiện tượng co ngang và co dọc gây ra, và cũng có thể do gá chặt chi tiết khi hàn

- Để nhận thức rõ về ứng suất và biến dạng ngang ta có thể xét liên kết hàn giáp mối. Sau khi hàn ta cắt liên kết dọc theo trục mối hàn, ta sẽ được hai tấm, mỗi tấm có ½ mối hàn, tức là các tấm bị uốn. Trong thực tế biến dạng này không thực hiện được, do chúng cùng nằm trong một liên kết khối, do đó trong liên kết hàn sẽ tồn tại ứng suất ngang (vuông góc với trục mối).

- Trong một số trường hợp cụ thể, chính ứng suất ngang là nguyên nhân dẫn đến xuất hiện các vết nứt dọc mối hàn. Độ lớn  và sự phân bố ứng suất ngang phụ thuộc vào chiều dày kim loại cơ bản và phương thức gá kẹp chi tiết trong quá trình hàn, kỹ thuật và quy trình công nghệ hàn. Dĩ nhiên chiều dày kim loại tăng lên số lớp hàn tăng thì ứng suất ngang cũng tăng lên.

3. BIẾN DẠNG GÓC:

- Hiện tượng này xuất hiện do độ co ngang không đều của kim loại theo chiều dày của liên kết hàn. Khi hàn các  giáp mối, biến dạng góc có thể tới b=30 (với chiều dày tấm 6 – 12 mm) và b=70 (với chiều dày tấm 15 – 20 mm). Ap dụng kiểu vát mép đối xứng sẽ hạn chế tối đa loại biến dạng này.

4. BIỆN PHÁP CHỐNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN:

- Khi thiết kế các sản phẩm phải cố gắng giảm tới mức tối đa lượng kim loại nóng chảy, không cho phép có nhiều mối hàn cắt nhau, phân bố mối hàn ngoài vùng tác dụng lớn nhất của ứng suất, phân bố mối hàn đối xứng nhau,… 
Một số biện pháp thường áp dụng khi hàn và sau khi hàn.

4.1. CÔNG NGHỆ LẮP GHÉP VÀ HÀN:

- Khi lắp ghép kết cấu, phải tránh có những mối hàn đính gây nên mối ghép cứng. Tốt nhất là sử dụng các đồ gá sao cho trong khi hàn, kim loại mối hàn có thể co dãn tương đối tự do.

- Đặc biệt phải chú ý đến thứ tự thực hiện các mối hàn và chiều hàn. Phải làm sao cho các mối hàn khép kín được hàn sau cùng và hàn các tấm lớn phải tiến hành từ giữa mối hàn ra hai bên.

- Thứ tự thực hiện các mối hàn như sau:

► Khi hàn các tấm lớn được chế tạo từ các tấm nhỏ, trước tiên phải hàn các mối hàn ngang để tạo thành các dải riêng biệt, sau đó hàn các dải này lại với nhau.
► Khi hàn dầm chữ I, trước tiên phải hàn các mối nối của tấm biên và tấm vách, sau đó hàn các mối hàn góc giữa biên và vách.
► Khi hàn các bể chứa hình trụ trước hết cần phải hàn các mối hàn dọc của các tấm vòng, sau đó hàn các vòng lại với nhau.
► Khi chế tạo mối hàn nhiều lớp, thì các lớp sau được hàn theo hướng ngược lại với hướng của lớp hàn trước.

4.2. PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG BIẾN DẠNG:

Phương pháp này được sử dụng khi hàn các mối hàn đối xứng nhau. Khi đó biến dạng do các mối hàn trước  gây ra sẽ được cân bằng bởi biến dạng do mối hàn sau đối xứng với mối hàn trước gây ra. 

4.3. PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG NGƯỢC:

Trong trường hợp này, khi lắp ghép người ta tạo biến dạng có chiều ngược với biến dạng do quá trình hàn gây ra.

4.4. KẸP CHẶT CHI TIẾT HÀN:

Chi tiết được kẹp chặt trong các đồ gá có đủ độ vững cần thiết. Kết quả là khi hàn trong các đồ gá loại này các biến dạng sẽ giảm đáng kể. Tuy vậy cũng phải tính đến một điều là khi đó nội ứng suất sẽ tăng.

4.5. NẮN:

- Nắn các kết cấu hàn đã biến dạng: mặc dù đã sử dụng các biện pháp chống lại ứng suất và biến dạng, đôi khi các kết cấu vẫn phải nắn lại. Biện pháp có thể sử dụng là nắn cơ khí hoặc nắn nhiệt:

► Nắn cơ khí được tiến hành trên các loại máy ép, máy búa, trục cán khác nhau ở trạng thái nóng hoặc nguội.
► Nắn nhiệt dựa trên nguyên tắc cân bằng biến dạng bằng biện pháp tạo nội ứng suất trong kết cấu, ứng suất này cân bằng với ứng suất tạo ra biến dạng dư. Kỹ thuật nắn bao gồm nung nóng nhanh bề mặt kim loại và sau đó làm nguội (vùng nung nóng sẽ co lại ). Nung nóng, được tiến hành trên những vùng mà tưởng tượng rằng nếu ép nó lại ta sẽ có đúng hình dáng yêu cầu của kết cấu.

4.6. PHƯƠNG PHÁP GIẢM ỨNG SUẤT:

- Các phương pháp cơ bản để giảm ứng suất trong các mối hàn là tạo lực ép trên bề mặt từng lớp của mối hàn, nung nóng trước hoặc nung nóng đồng thời xử lý nhiệt.

a) Phương pháp tạo lực ép (rèn nhẹ): được dùng khi hàn mối hàn nhiều lớp có bề dày lớn. Để tránh vết nứt có thể xuất hiện thì không rèn lớp lót và lớp bề mặt. Những mối hàn dễ thấm tôi thì không dùng phương pháp này. Có thể thay thế phương pháp này bằng phương pháp biến dạng dẻo bằng cách cán mối hàn trên các máy cán.

b) Nung nóng trước lúc hàn hoặc nung nóng đồng thời trong khi hàn được dùng khi hàn các chi tiết có xu hướng bị thấm tối và dễ nứt. Nhiệt độ nung nóng từ 1000C – 6000C (tùy theo mác thép và độ cứng vững của kết cấu). Các phương pháp nung nóng thông thường: dùng dòng điện cao tần, dùng nhiều mỏ đốt và các nguồn nhiệt khác.

c) Để loại bỏ nội ứng suất nhất thiết phải tiến hành xử lý nhiệt. Trong đa số các trường hợp người ta dùng biện pháp ram nhiệt thấp ở nhiệt độ 600 – 6500C, giữ nhiệt (thời gian 2 –3 phút cho 1mm chiều dày) và làm nguội trong lò. Trong trường hợp này không xảy ra sự thay đổi cấu trúc vật hàn.