CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN Mã chương: MH 22. 01 Giới thiệu: Để chế tạo ra các kết cấu hàn khác nhau chúng ta phải sử dụng các loại vật liệu hàn khác nhau cho phù hợp với nhu cầu sử dụng đối với từng trường hợp cụ thể trong thực tế. Chương này trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về các loại vật liệu dùng để chế tạo kết cấu hàn, công dụng của nó từ đó lựa chọn được loại vật liệu phù hợp để chế tạo nên kết cấu hàn. Mục tiêu: - Trình bày được tổng quan về kết cấu hàn; - 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; - Trình bày được phương pháp 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; - Có ý thức tự giác, có tính kỷ luật cao, có tinh thần tập thể, có tránh nhiệm với công việc.
Tổng quan về kết cấu hàn 1.1 Giới thiệu chung về kết cấu hàn * Kết cấu hàn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau: - Trong xây dựng: Khung, vòm có khẩu độ lớn, khung nhà,. - Trong giao thông vận tải: Cầu thép, vỏ tàu, ô tô, máy bay,. - Trong cơ khí CTM: Máy móc, cầu trục, khung, bệ máy,. - Trong ngành năng lượng, hoá chất: Hệ thống nồi hơi, đường ống, dàn khoan, bồn bể,.
* Kết cấu hàn rất phong phú đa dạng về chủng loại, kích cỡ và khối lượng. * Kết cấu hàn có thể làm việc trong những điều kiện rất khác nhau: - Dưới nước: tàu ngầm, dàn khoan, tàu thuỷ,. - Trên không và trong vũ trụ: máy bay, tàu liên hợp,. - Trong điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao hoặc rất thấp.
- Trong điều kiện ăn mòn hoặc mài mòn cao,. Kết cấu dầm cầu Hình 1. Kết cấu dàn khoan dầu tự nâng 7 Hình 1. Tàu chở dầu 300.000 tấn Để tạo ra các bộ phận kết cấu hoặc kết cấu tổng thể người ta có thể sử dụng nhiều quá trình công nghệ khác nhau như đúc, biến dạng tạo hình, gia công cắt gọt,.Trong đó những kết cấu được gia công, chế tạo bằng công nghệ hàn trong kỹ thuật quy ước gọi là kết cấu hàn.
Ví dụ: cầu thép, nồi hơi, dầm cầu trục,. Cùng với sự phát triển của của các lĩnh vực công nghiệp, công nghệ hàn ra đời chậm (cuối thế kỷ thứ 19) nhưng đã có những bước tiến dài và đã trở thành một trong những phương pháp công nghệ tiên tiến không thể thiếu được trong nhiều công nghệ cơ khí. Có thể nhận thấy rằng khối lượng kết cấu hàn ngày càng lớn, đa dạng cả về hình thức, kiểu dáng và cả về chủng loại vật liệu. Theo điều tra của Tổ chức Hàn Quốc tế IIW( International Institute of Welding) năm 2007 sản lượng thép đã vượt quá một tỷ tấn, trong đó ước tính hơn 2/3 sản lượng này được dùng để chế tạo kết cấu hàn- đây thực sự là một con số khổng lồ.
Đặc điểm của kết cấu hàn 1. Ưu điểm - Khả năng chịu lực lớn, có độ tin cậy cao khi sử dụng - Do vật liệu kim loại có cơ tính tốt và ổn định về chất lượng,. - Khối lượng nhỏ: kết cấu hàn nhẹ nhất trong các loại kết cấu chịu lực khác như bêtông cốt thép, gỗ - Cơ động trong lắp ráp và vận chuyển: Do có khối lượng bé việc vận chuyển từ nơi sản xuất tới nơi tổ hợp kết cấu rất dễ dàng và nhanh chóng. Một kết cấu đồ sộ có thể chia thành các đơn vị vận chuyển hợp lý và tổ hợp nhanh chóng tại hiện trường.
Hơn thế nữa, kết cấu kim loại rất dễ sửa chữa, thay thế và di chuyển. 8 - Có tính công nghiệp hoá cao, tức là có thể chế tạo hàng loạt trong điều kiện nhà máyvới thiết bị chuyên dùng có mức độ cơ khí hoá và tự động hoá cao. - Có thể tạo ra những kết cấu siêu trường, siêu trọng, phi tiêu chuẩn (không hạn chế về kích thước và khối lượng) mà các phương pháp công nghệ khác không thể thực hiện được hoặc gặp nhiều khó khăn. - Có thể tạo ra những kết cấu nguyên khối và bền vững từ những vật liệu có tính chất khác nhau.
Điều này hết sức có ý nghĩa khi từng phần hoặc từng bộ phận của kết cấu phải làm việc trong những điều kiện rất khác nhau như mài mòn, ăn mòn, nhiệt độ và áp suất rất cao hoặc rất thấp. - Các liên kết hàn không những có độ bền cao mà có độ kín tốt rất cần thiết cho nhiều loại kết cấu như nồi hơi, vỏ tàu thuỷ, bồn bể, đường ống,. - Đầu tư thiết bị nhà xưởng thấp. - Điều kiện lao động của công nhân được cải thiện.
- Tiết kiệm vật liệu dùng để chế tạo kết cấu. So sánh liên kết hàn với liên kết đinh tán và ghép ren. Nhược điểm Trong quá trình hàn thường phải sử dụng một nguồn nhiệt công suất lớn (hồ quang, khí cháy, chùm tia năng lượng cao,.) có độ tập trung cao, tác dụng trong một thời gian ngắn, do vậy khu vực hàn có tốc độ nguội lớn và trong vật hàn có sự phân bố nhiệt độ không đều. Điều này có thể dẫn đến hậu quả : - Tại khu vực mối hàn và vùng lân cận nhiệt, tổ chức kim loại và các tính chất khác có thể thay đổi theo chiều hướng xấu như tăng cứng và giảm dẻo, dai làm giảm khả năng làm việc của kết cấu hàn, đặc biệt khi kết cấu làm việc dưới tác dụng của tải trọng động, tải trọng va đập hoặc trong môi trường có nhiệt độ thấp.
- Trong kết cấu hàn luôn tồn tại một trạng thái ứng suất dư. - Kết cấu hàn dễ bị biến dạng do tác dụng nhiệt, làm giảm độ chính xác tăng độ phức tạp cho quá trình lắp ráp, tổ hợp tiếp theo, giảm tính thẩm mỹ của sản phẩm và gây tốn kém thêm khi có nhu cầu loại bỏ biến dạng hàn. 9 - Để tạo ra một kết cấu hàn đạt yêu cầu, thông thường người thiết kế phải giải quyết đồng thời 3 vấn đề lớn sau đây: 1. Chọn vật liệu hợp lý.
Có giải pháp kết cấu tối ưu. Có công nghệ chế tạo phù hợp để đạt yêu cầu về chất lượng. Thực tiễn cho thấy, nếu giải quyết tốt những vấn đề đó thì kết cấu hàn cho phép Đáp ứng yêu cầu sử dụng. Tiết kiệm vật liệu.
Chế tạo được bằng các công nghệ tiên tiến có chất lượng và năng suất cao. Vận chuyển, tổ hợp đơn giản. Đảm bảo tính thẩm mỹ và độ chính xác cần thiết. Giá thành sản phẩm thấp.
Các loại vật liệu thường dùng để chế tạo kết cấu hàn 2. Định nghĩa và đặc điểm ứng dụng - Là thép mà cacbon là nguyên tố chủ yếu quyết định các tính chất của thép. Ngoài C, trong thép cacbon còn chứa 1 lượng hạn chế các nguyên tố khác như Mn, Si, P, S. - Thép C có cơ tính cao, giá thành hạ nên được sử dụng nhiều nhất trong các loại vật liệu kim loại.
C cứng, bền, dẻo, dai 2. Phân loại và ký hiệu Có nhiều cách phân loại thép cacbon, tuỳ theo mục đích của người sản xuất và người sử dụng: a- Phân loại theo hàm lượng C chứa trong thép: Thép cacbon thấp: C < 0,25% Thép cacbon trung bình: 0,25% C 0,5% Thép cacbon cao C > 0,5% b- Phân loại theo tổ chức tế vi và hàm lượng C trên giản đồ trạng thái Fe-C: Thép trước tích với C < 0,8% và tổ chức F+P. Thép cùng tích với C 0,8% và tổ chức P. ( là tổ chức 2 pha: hỗn hợp cơ học của F và Xê) Thép sau cùng tích với C > 0,8% và tổ chức Xê+P.
c- Phân loại theo phương pháp luyện: Thép có thể được luyện bằng nhiều cách, trong các lò luyện khác nhau nên chất lượng của chúng cũng khác nhau: Thép luyện trong lò chuyển( thổi oxy sạch vào gang lỏng) thường có chất lượng không cao; N2 từ không khí hoà tan vào thép thép dễ bị dòn; hàm lượng các nguyên thường kém chính xác; năng suất cao và giá thành thấp. Thép luyện trong lò Mactanh( nấu chảy sắt vụn, gang, thêm chất khử oxy, trợ dung và các nguyên tố hợp kim): chất lượng cao hơn thép luyện trong lò 10 chuyển, cấu trúc thuần nhất, thành phần thép có thể kiểm soát và điểu chỉnh trong khi luyện. Tuy nhiên, năng suất thấp và giá thành cao. Thép luyện trong lò điện: có chất lượng cao hơn so với 2 loại trên, đặc biệt là hàm lượng các tạp chất có hại( P, S) rất bé.
d- Phân loại theo mức độ khử oxy trong thép. Thép sôi: Người ta thường sử dụng thép sôi cho các kết cấu hàn làm việc ở các vùng có nhiệt độ dương, chịu tải trọng tĩnh với các mối hàn có chiều sâu ngấu không lớn. Thép lặng: là thép có mức độ khử oxy triệt để được dùng nhiều để chế tạo kết cấu hàn. Thép nửa lặng( nửa sôi): có các tính chất ở mức trung bình so với thép sôi và thép lặng.
e- Theo công dụng của thép: (cách phân loại hay dùng nhất ). Thép cacbon kết cấu thông dụng( thép thông dụng, thép thường). Theo TCVN 1765- 75 thép cacbon kết cấu thông dụng được chia thành 3 nhóm: Nhóm A : được đảm bảo về tính chất cơ học( CT31, CT33, …, CT61). Nhóm B: được đảm bảo thành phần hoá học( BCT31, BCT33,.
NhómC: được đảm bảo cả về thành phần hoá học cả về tính chất cơ học( CCT34, CCT38, …, BCT51). Thép cacbon kết cấu chất lượng tốt( thép tốt). Thép có hàm lượng các bon chính xác hơn, các tạp chất P, S rất thấp và các chỉ tiêu về cơ tính khá rõ ràng ở các trạng thái nhiệt luyện khác nhau. Trong các chứng từ cung cấp thép được chỉ rõ cơ tính và thành phần hoá học.
Thép cacbon dụng cụ: có hàm lượng cácbon khá cao( từ 0,7 đến 1,3 %) TCVN 1822-76 : CD70, CD70A, CD80,., CD130 Tương ứng với GOST : Y7, Y7A, Y8, …, Y13. Chữ A chỉ thép có chất lượng cao.
