Home Chuyên ngành ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN

ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN

by minhhoang
419 views

1 .Khái niệm cơ bản về ứng suất và biến dạng hàn

Trong quá trình làm việc, các thiết bị, máy móc hay các bộ phận của chúng đều chịu tác động của tải trọng. Ví dụ, dãy cáp treo một vật nặng chịu một lực kéo bằng trọng lực của nó. bình chứa khí nén chịu áp lực khí tác dụng lên thành bình, khung cầu chịu tác dụng của các phương tiện qua lại, vỏ tàu thủy chịu tác động của sóng, gió v.v… Tất cả các loại tải trọng đó được gọi một cách đơn giản là ngoại lực.


Khi có ngoại lực tác dụng, trong vật thể sẽ xuất hiện một trạng thái ứng suất, đồng thời hình dạng và kích thước của vật thể đó cùng bị thay đổi so với khi không có tải trọng. Nếu như trạng thái ứng suất và biến dạng vượt qua một giới hạn cho phép thì vật thể đó có thể bị phá hủy hoặc mất khả năng làm việc tiếp theo.

Thông thường khi làm việc trong miền đàn hồi, nếu cất bò ngoại lực tác dụng lên vật thể thì trạng thái ứng suất cũng như biến dạng sẽ biến mất. Tuy nhiên, trong một số trường hợp trong vật thể vẫn có thể tồn tại mặt trạng thái ứng suất biến dạng dẫu đã không còn nguyên nhân gây ra nó. Đó chính là trạng thái ứng suất và biến dạng dư. Điều này thể hiện rất rõ trong liên kết đinh tán giới thiệu trên hình 7-1.

Hình 7-1. ứng suất dư trong liên kết đinh tán.

Để liên kết hai tấm thép 1 và 2 với nhau khi chế tạo ; đinh tán được nung nóng trong quá trình tán. Theo quy luật “nóng giãn ra, lạnh co vào” của vật liệu, khi nguội đinh tán sẽ co lại và có tác dụng ép chật các tấm thép với nhau. Nhưng sự co lại tự do của đinh tán bi hạn chế bởi hai tâm thép dẫn đến phần thân đinh tán bị kéo, còn mép lỗ trên hai tấm lại chịu nén. Trạng thái ứng suất này vẫn tồn tại trong liên kết khi không còn tác dụng nhiệt và lực tán, đó là trạng thái ứng suất dư.
Xét trường hợp nung nóng đều một thanh thép ở các điều kiện liên kết khác nhau ở hai đầu.

Ở hình 7-2a, một thanh thép có chiều dài l bị ngàm chặt một đầu và được nung nóng từ nhiệt độ môi trường T0 lên một giá trị T nào đó. Theo quy luật giãn nở nhiệt thông thường, thanh thép sẽ giãn dài thêm một đoạn ΔlT. Do một đầu không có liên kết nên thanh thép được giãn nở tự do, vì vậy khi nhiệt độ trở về giá trị ban đầu T0 thì thanh sẽ phục hồi lại chiều dài cũ và trong thanh không có ứng suất dư.
Ở trường hợp khác (H. 7-2b) thanh thép bị chặn phía bên phải bằng một vách cứng nên khi nhiệt độ tăng lên chiều dài của thanh thép không thể tăng lên được. Vì vậy thanh bị nén cưỡng bức và trong thanh xuất hiện ứng suất nén, nói cách khác có thể coi thanh đã bị nén bởi một ngoại lực R khi nung nóng. Kết thúc nung nóng (H. 7-2c) thanh thép nguội và khi đã nguội hoàn toàn nó sẽ co lại một đoạn là Δln và ứng suất nén dẩn dấn mất đi. Như vậy, sau quá trình nung nóng và làm nguội thanh thép đã bị ngắn đi một đoạn là Δln.

Hình 7-2. ứng xuất và biến dạng trong thanh được nung nóng.

Trường hợp thứ 3 (H. 7-2d), thanh được ngàm chặt cả hai đầu. Khi nung nóng, thanh bị co nén lại tương tự như ở trường hợp 2, và khi nguội nó sẽ bị ngắn đi một đoạn Δln. . Tuy nhiên, do hai đầu bị ngàm chặt khiến thanh không thể co lại tự do được cho nên nó bị kéo. Nói cách khác, có thể coi khi nguội thanh bị kéo bởi ngoại lực R và xuất hiện ứng suất dư kéo (H. 7-2e).
Tóm lại ở trường hợp 2 đã tồn tại một trạng thái biến dạng dư, còn trong trường hợp 3 đã tồn tại một trạng thái ứng suất dư sau quá trình nung nóng và làm nguội. Biến dạng và ứng suất dư nếu đủ lớn có thể làm đứt thanh thép hoặc làm nó không còn đảm bảo kích thước sử dụng nữa.
Bây giờ xét trường hợp hàn đắp lên một mép của tấm thép hình chữ nhật và khảo sát xem ứng suất và biến dạng dư xuất hiện và tồn tại như thế nào (H. 7-3).

Hình 7-3. ứng suất và biến dạng dư do hàn gây ra A – vùng được nung nóng trực tiếp do hàn B – vùng có nhiệt độ thấp và thay đổi không đáng kể khi hàn.

Trước khi hàn, tấm có dạng hình chữ nhật như ở hình 7-3a. Sau khi nguội hoàn toàn tám bị võng xuống từ phía có mối hàn như ở hình 7-3b với trạng thái ứng suất dư như trên biểu đồ hình 7-3c. Để giải thích điều này, ta giả sử khi hàn tấm thép được chia thành 2 vùng A và B. Vùng A chứa mối hàn, khi hàn được nung nóng tới nhiệt độ rất cao. Vùng B được truyền nhiệt từ A sang, nhưng nhiệt độ trung bình rất thấp. Khi đó vùng A (vùng có gạch chéo) sẽ bị giãn ra, còn ở vùng B của tấm do nhiệt độ tăng lên không đáng kể nên cũng giãn nhưng không đáng kể, tức là vùng B sẽ cản trở sự giãn dài tự do của vùng A (H. 7-3d). Sự cản trở này không phải là tuyệt đốì, nên độ giãn dài ở vùng A vẫn lớn hơn và làm cho tấm thép bị uốn vẻ phía có mối hàn. Tuy nhiên, vùng A do không thực hiện được sự giãn nở hoàn toàn nên trong nó sẽ tồn tại một trạng thái ứng suất nén, còn ở vùng B xuất hiện ứng suất kéo. Nếu chiều rộng của tấm lớn, ờ mép ngoài có thể xuất hiện ứng suất nén. Sau khi kết thúc hàn và thanh nguội về nhiệt độ ban đầu, trạng thái vùng A có nhiệt độ cao hơn sẽ co lại nhiều hơn so với vùng B. Nhưng sự co lại đó cũng không được thực hiện một cách tự do vì sự cản trở từ phía vùng B, nên sẽ tồn tại trạng thái ứng suất kéo ở vùng A và nén ở vùng B. Điều đó có nghĩa là, trạng thái ứng suất và biến dạng trong giai đoạn nung nóng và nguội là hoàn toàn trái ngược nhau. Sau khi hàn biểu đồ ứng suất dọc có dạng như trong hình 7-3g. ứng suất dư trong vùng A có thể đạt tới giới hạn σoh của vật liệu.

Hình 7-4. Quá trình biến dạng (a +e)và sự hình thành ứng suất dư khi hàn mép tấm chữ nhật có chiều dài lớn (g và h là biểu đồ ứng suất dọc khi hàn và sau khi nguội hoàn toán lại tiết diện a-a)

Hình 7-4 mô tả sự biến dạng trong quá trình hàn đắp mép tấm chữ nhật có chiều dài tương đối lớn.
Qua các ví dụ đã nêu ta thấy rằng: ứng suất và biến dạng hàn là trạng thái ứng suất và biến dạng do quá trình hàn gây ra và tồn tại trong kết cấu hàn sau khi han. Nó có ảnh hưởng nhất định đến chất lượng và khả năng làm việc của kết cấu hàn. Như vậy, ta có thể hiểu được vì sao một con tàu vượt đại dương vẫn có thể gãy thành hai nửa khi trời yên biển lặng, một cây cầu thép vẫn có thể bị đổ sập khi không có phương tiện đi lại trên đó. Việc tìm hiểu nguyên nhân sinh ra ứng suất và biến dạng hàn và tìm phương pháp để đề phòng, hạn chế ảnh hưởng của chúng là một vấn đề quan trọng ngay cả đối với người thợ hàn khi tham gia chế tạo kết cấu hàn.

Bài viết liên quan