Có nhiều bài viết đã nêu ra nguyên nhân gây ra ứng suất và biến dạng hàn là do trường nhiệt độ khi hàn không đồng đều trong chi tiết hàn, tuy nhiên không nói về biến dạng dẻo. Cùng với trường nhiệt độ không đồng đều thì biến dạng dẻo cũng là nguyên nhân dẫn đến ứng suất và biến dạng khi hàn.
Chúng ta có thể phân tích đơn giản như sau
Khi ta nung đều 1 chi tiết lên, chi tiết sẽ dãn nở theo nguyên lý Nóng nở – Lạnh co như ta đã biết. Khi làm nguội về nhiệt độ ban đầu chi tiết sẽ co lại về đúng kích thước ban đầu. Không có ứng suất và biến dạng. Khi hàn, do trường nhiệt độ khác nhau, nên các phần tử của chi tiết có nhiệt độ khác nhau và có độ dãn nở khác nhau. Các phần tử ở vùng có nhiệt độ cao ( vùng ảnh hưởng nhiệt ) sẽ dãn nở nhiều, nhưng bên ngoài là các phần tử có nhiệt độ thấp hơn, có độ dãn nở thấp hơn. Nên các phần tử có nhiệt độ cao sẽ có xu hướng chịu ứng suất nén, các phần tử có nhiệt độ thấp sẽ có xu hướng chịu ứng suất kéo.
Nguyên nhân gây ra ứng suất và biến dạng hàn
Tại các khu vực có nhiệt độ cao, kim loại sẽ mất độ bền. Đố với thép khoảng 500-600oC. Do đó các phần tử khi đạt đến nhiệt độ này sẽ bắt đầu có biến dạng dẻo, và sẽ bị giảm kích thước. Khi nguồn nhiệt hàn đi qua, các phần tử của chi tiết bắt đầu nguội đi và co lại. Nhưng do các phần tử đã có biến dạng dẻo bị giảm kích thước, khi co lại sẽ bị thiếu, nên gây ra ứng suất kéo. Các phần tử bên ngoài trước đây không bị nung cao và không bị biến dạng dẻo sẽ vẫn đủ kích thước. Các phần tử này sẽ bị ứng suất nén. Do vậy ứng suất hàn xuất hiện.
Ứng suất hàn sẽ gây ra biến dạng hàn theo các phương khác nhau, tùy theo mức độ của ứng suất và độ chịu tải của chi tiết. Như vậy ta thấy khi hàn sẽ có trường nhiệt độ khác nhau, dẫn đến có ứng suất và biến dạng dẻo, và tạo ra ứng suất hàn và biến dạng hàn. Các phương pháp tính toán trường nhiệt độ và ứng suất biến dạng cũng chia chi tiết thành các phần tử để tính toán, gọi là phương pháp Phần tử hữu hạn.
Về các biện pháp chống biến dạng hàn các bài đăng đã đề cập đến nhiều biện pháp. Kinh nghiệm của chúng tôi là cần chú ý đến việc tạo ra biến dạng đối xứng cho chi tiết, để biến dạng theo các hướng bù trừ cho nhau là tốt nhất. Biện pháp này các nhà máy sản xuất kết cấu thép đã áp dụng rất tốt khi hàn dầm I dầm H, với thứ tự hàn các mối hàn đối xứng nhau. Việc xác định thứ tự mối hàn để giảm biến dạng thường được coi là một phần của Quy trình hàn.
Công ty GMC chúng tôi đã áp dụng phương pháp trên cho quy trình hàn vỏ máy phát điện, nặng 1500 kg, kích thước 1800 x 1500 x 1200 mm, đảm bảo bề mặt lắp ráp có độ phẳng < 1,5 mm. Các kích thước khác sẽ bị hụt do chi tiết co lại, được bù bằng cách tăng kích thước ban đầu.
