1
Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.1 Tổng quan về lĩnh vực hàn hồ quang điện
Hàn hồ quang là một phương pháp hàn nóng chảy sử dụng nhiệt từ ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hàn Hồ quang hàn là dòng chuyển động của điện tử và ion giữa hai điện cực, tạo ra nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh Trong điều kiện bình thường, không khí không dẫn điện, khiến cho điện áp không tải giữa hai điện cực của máy hàn hồ quang nhỏ hơn 80 vôn, do đó không xảy ra phóng điện Để tạo ra hồ quang, người ta thực hiện hiện tượng đoản mạch, dẫn đến mật độ dòng điện tại vị trí tiếp xúc của hai điện cực rất lớn, theo định luật Jun-Lenc, với Q = 0,24.
RI 2 t, nhiệt lượng này được các điện tử tự do ở mặt đầu catốt hấp thụ Sau khi nhận được năng lượng dưới dạng nhiệt các điện tử này có thế năng lớn và bứt ra khỏi quỹ đạo của mình và phóng về anốt, trên đường đi chúng sẽ bắn phá lên các nguyên và phân tử chất khí bảo hoà để cho hoặc lấy đi của chúng một vài điện tử (tuỳ theo hoá trị của chúng) và biến chúng thành những ion Môi trường ion là môi trường dẫn điện rất tốt cho nên quá trình gây hồ quang chỉ xảy ra ở giai đoạn ban đầu
Hàn hồ quang điện trong môi trường có khí bảo vệ (GSAW) là công nghệ hàn phổ biến trong ngành công nghiệp hiện đại Công nghệ này không chỉ cho phép hàn các loại thép kết cấu thông thường mà còn có khả năng hàn thép hợp kim cao, kim loại màu và các hợp kim của chúng, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Phương pháp hàn này không chỉ cho phép thao tác bằng tay mà còn có khả năng tự động hóa, mang lại mối hàn chất lượng cao cho hầu hết các loại kim loại và hợp kim.
Trong những năm gần đây, kỹ thuật hàn đã phát triển mạnh mẽ, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về công nghệ và vật liệu Nhiều phương pháp hàn mới đã được áp dụng, giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng trong các lĩnh vực khác nhau.
Hiện nay, công nghệ hàn đã phát triển đa dạng với khoảng 130 phương pháp hàn khác nhau, thay vì chỉ sử dụng công nghệ hàn hồ quang tay như trước đây Các phương pháp này có thể được phân loại thành nhiều nhóm khác nhau, đáp ứng nhu cầu và đặc thù của từng ngành công nghiệp.
Hình 1.1 : Sơ đồ về công nghệ hàn
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
1.1.2.1 Đề tài “Nghiên cứu độ dai va đập của mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao bằng phương pháp hàn MIG/MAG” - Bộ môn Kỹ thuật Công nghiệp –
Khoa Cơ khí máy - Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Đề tài nghiên cứu vào năm 2015 do Th.sĩ Hồ Sỹ Hùng nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu tập trung vào độ dai va đập của mối hàn giáp thép ASTM A36 sử dụng phương pháp hàn MIG/MAG Kết quả của nghiên cứu này sẽ góp phần nâng cao chất lượng của các mối hàn thép, từ đó cải thiện độ bền và khả năng chịu lực của kết cấu.
- Vật liệu hàn: Thép ASTM A36
- Thông số hàn MIG/MAG:
- Trang thiết bị hàn: GENEGYS 400W – FRANCE
- Dây hàn: GEMINI (GMS-70S), 1.2 mm
- Lưu lượng khí bảo vệ: (12 ÷15) l/ph
- Kỹ thuật hàn a) Mặt cắt ngang b) Mặt cắt dọc
Hình 1.2 : Gốc độ điện cực hàn hồ quang
- Mẫu thử độ dai va đập
Hình 1.3 : Mẫu thử độ dai va đập Mẫu có tiết diện đầy đủ: 10x8 [mm 2 ]; Còn có các loại mẫu có tiết diện rút gọn: 10x7,5 và 10x5
Hình 1.4 : Phương pháp thử độ va đập
1.1.2.2 Đề tài “ Thiết kế đồ gá nâng cao khả năng công nghệ hàn ống thép ỉ(60-350) bằng phương phỏp hàn Mig/ Mag ” - Bộ mụn Kỹ thuật Cụng nghiệp – Khoa Cơ khí máy - Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Đề tài nghiên cứu vào năm 2015 do Th.sĩ Võ Đông Lao nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và chế tạo đồ gá nhằm nâng cao khả năng công nghệ hàn ống thép có đường kính từ 60 đến 350 mm bằng phương pháp hàn MIG/MAG Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao năng suất sản xuất, đáp ứng nhu cầu thực tế trong ngành công nghiệp.
Hình 1.5: Đồ gá hàn ống hai trục quay
1.1.2.3 Đề tài “ Nghiên cứu một số thông số cơ bản ảnh hưởng tới quá trình hình thành mối hàn và quá trình luyện kim trong hàn MIG, MAG ” - Trường ĐH Sư
Phạm Kỹ Thuật TP HCM Đề tài được nghiên cứu vào năm 2004 do Th.s Phạm Văn Điều thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Hoàng Văn Châu
Đề tài này nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hình dạng mối hàn và quy trình hàn Bằng cách dựa vào lý thuyết và kết quả thí nghiệm, bài viết đánh giá sự thay đổi thành phần phần trăm các nguyên tố trong kim loại mối hàn khi các thông số hàn được điều chỉnh, từ đó phân tích tác động đến cơ tính của chúng Kết luận được đưa ra nhằm tối ưu hóa lựa chọn các thông số cơ bản trong công nghệ hàn MIG, MAG, nhằm đảm bảo chất lượng mối hàn tốt nhất cho sản xuất.
1.1.2.4 Đề tài “ Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho mối hàn ống chịu áp lực bằng nhiễu xạ X- Quang” - Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Đề tài được nghiên cứu vào năm 2011 do Th.s Nguyễn Văn Tường thực hiện dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS Lê Chí Cương
Nội dung nghiên cứu tập trung vào lý thuyết không phá hủy (X-quang) để xác định ứng suất dư tại các mối hàn ống giáp mối hàn theo phương pháp lót TIG phủ điện Nghiên cứu bao gồm việc đo đạc thực nghiệm nhằm xác định ứng suất dư trên mẫu hàn ống, đồng thời khảo sát và so sánh hàm hấp thụ của mặt mối hàn ống với mặt phẳng mà thiết bị hiện đang áp dụng Thực nghiệm được thực hiện dưới dạng chọn mẫu và đo nhiễu xạ, sau đó xử lý kết quả để tính toán ứng suất dư.
Luận văn đã trình bày lý thuyết mới về xác định ứng suất dư cho vật liệu và kết cấu hàn, với kết quả thực nghiệm xác định ứng suất dư của mối hàn ống chịu áp lực A106 – GrB (theo ASTM) kích thước O.D = 114mm và dày t = 8.56 mm, thực hiện theo qui trình LiLAMA 2 – 08 và tiêu chuẩn ASME – IX Kết quả cho thấy phương pháp này có thể áp dụng để kiểm tra các kết cấu hàn tại các nhà máy nhiệt điện, phục vụ cho công tác sửa chữa và bảo dưỡng hệ thống đường ống chịu áp có chứa mối hàn, nơi có nguy cơ hư hỏng do ứng suất dư tồn tại.
Mục tiêu của đề tài
Dựa trên phân tích kết quả từ các nghiên cứu trước, vấn đề mô phỏng biến dạng hàn đang thu hút sự chú ý và có ảnh hưởng đáng kể Do đó, đề tài “Nghiên cứu biến dạng của sản phẩm dạng hộp với quy trình hàn bán tự động” được thực hiện nhằm mục đích làm rõ các khía cạnh liên quan đến biến dạng trong quá trình hàn.
- Hỗ trợ quá trình thiết kế quy trình hàn đạt được kết quả tốt hơn
Việc dự báo các biến dạng không mong muốn cho phép điều chỉnh quy trình hàn trong thiết kế, từ đó giảm thiểu các yếu tố có hại, ảnh hưởng đến năng suất và giá trị kinh tế.
Quá trình thực hiện đề tài đã cho thấy rằng các bước mô phỏng và thí nghiệm sẽ tiếp tục được áp dụng cho những nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ hàn.
Nhiệm vụ của đề tài, phương pháp nghiên cứu và giới hạn của đề tài
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
- Nghiên cứu về công nghệ hàn hồ quang điện trong môi trường có khí bảo vệ
- Lập quy trình mô phỏng biến dạng của các liên kết hàn
- Tiến hành mô phỏng quá trình hàn hộp của các mối hàn Từ đó thu nhận kết quả mô phỏng và tiến hành phân tích
- Tiến hành làm thí nghiệm với các mẫu hàn, so sánh biến dạng của các mẫu hàn với kết quả mô phỏng và rút ra kết luận
Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu liên quan đến kỹ thuật hàn bao gồm việc nghiên cứu các tiêu chuẩn trong quá trình hàn, từ khâu chuẩn bị mối ghép, lựa chọn vật liệu hàn cho đến chế độ hàn.
- Phương pháp phân tích, so sánh:
Dựa trên các kết quả của quá trình mô phỏng , kết quả của các thí nghiệm để so sánh, rút ra các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả
So sánh kết quả mô phỏng với thí nghiệm thực tế về biến dạng của vật hàn cho phép rút ra những kết luận thuyết phục Qua đó, có thể dự đoán những biến dạng có hại, ảnh hưởng đến năng suất hàn trong thực tế.
1.3.3 Giới hạn của đề tài
- Chỉ nghiên cứu trong lĩnh vực hàn hồ quang
- Phần mềm sử dụng: sử dụng phần mềm ANSYS Workbench 16.0 để mô phỏng sự biến dạng của hộp trong quá trình hàn hồ quang
- Liên kết hàn: Nghiên cứu liên kết hàn vuông góc
- Kích thước của vật hàn: Hộp 300x170x100
- Vật liệu của vật hàn: thép CT3
1.3.4 Giá trị thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu này có thể cải thiện quy trình thiết kế hàn bằng cách dự đoán biến dạng và ứng suất dư trong kết cấu hàn Điều này không chỉ giúp giảm thiểu các yếu tố gây hại trong quá trình hàn mà còn tiết kiệm chi phí kinh tế.
Bài viết này là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên ngành cơ khí, đặc biệt là trong chuyên ngành hàn Các học viên có thể sử dụng nó để hỗ trợ cho các đề tài nghiên cứu liên quan.
10
Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường có khí bảo vệ
Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ, hay còn gọi là GSAW (Gas Shielded Arc Welding), đã ra đời từ thập kỷ 40 để đáp ứng nhu cầu hàn kim loại màu như nhôm và magiê trong ngành chế tạo máy bay và hóa chất Công nghệ hàn này được chia thành hai loại chính: hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy (GMAW: Gas Metal Arc Welding) và hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy (GTAW: Gas Tungsten Arc Welding).
Đặc điểm chung của các loại hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ
Mức độ tập trung cao của nguồn nhiệt hàn đảm bảo chiều rộng nhỏ của vùng ảnh hưởng nhiệt, và khả năng biến dạng thấp
Năng suất hàn cao, hiệu quả bảo vệ kim loại nóng chảy cao (đặc biệt khi sử dụng khí trơ)
Không cần sử dụng thuốc hàn hoặc vỏ bọc như của que hàn
Khả năng cơ giớ hóa và tự động hóa cao
Có thể đạt được mối hàn có cùng tính chất hóa lý, luyện kim như kim loại cơ bản
Không cần phải làm sạch mối hàn sau khi hàn ( không có kim loại bắn tóe, xỉ hàn)
Có thể hàn hầu hết kim loại thông dụng trong công nghiệp Còn có thể dùng để hàn kim loại không đồng nhất, và hàn đắp.
Phân loại
2.2.1 Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường có khí bảo vệ (GMAW: Gas Metal Arc Welding):
Các nguyên lý vận hành:
Phương pháp hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong khí bảo vệ là một kỹ thuật hàn tự động, trong đó điện cực nóng chảy được cấp dây với vận tốc ổn định.
(Ve =Const) vào bể hàn
Theo phương pháp cơ khí hóa quá trình hàn gồm: Bán tự động; tự động và robot hàn
Phương thức dòng khí bảo vệ MIG & MAG sử dụng khí cấp ngoài để bảo vệ quá trình hàn Sau khi thiết lập các thông số ban đầu, thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ hồ quang điện, trong khi người thợ chỉ cần kiểm soát tốc độ di chuyển, hướng đi và vị trí súng hàn Khi các tham số được cài đặt chính xác, chiều dài hồ quang và cường độ dòng điện (tốc độ cấp dây) sẽ được duy trì tự động.
Súng hàn dẫn hướng cho điện cực nóng chảy, cung cấp dòng điện và khí bảo vệ tới vật hàn, tạo ra và duy trì hồ quang cháy, đồng thời làm nóng chảy điện cực và bảo vệ khỏi môi trường xung quanh Để điều chỉnh chiều dài hồ quang, có hai cách kết hợp bộ phận cấp dây và nguồn điện hàn Thông thường, sự điều chỉnh này sử dụng nguồn điện với điện áp không đổi, đặc trưng bởi đường đặc tính Volt – Ampe dốc, trong khi bộ phận cấp điện cực được điều chỉnh theo điện áp hồ quang.
Với hệ thống điện áp không đổi và tốc độ cấp dây ổn định, sự thay đổi vị trí súng hàn sẽ ảnh hưởng đến cường độ dòng điện, tương ứng với chiều dài thò ra của điện cực Khi chiều dài điện cực tăng lên do mỏ hàn nóng lên, cường độ dòng điện tại nguồn hàn sẽ giảm, dẫn đến giảm nhiệt lượng tỏa ra ở điện cực và làm giảm tốc độ nóng chảy, từ đó chiều dài hồ quang sẽ ngắn lại.
Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ là một quá trình hàn sử dụng nhiệt từ hồ quang giữa điện cực nóng chảy và vật hàn Quá trình này được bảo vệ khỏi oxy và nitơ trong không khí bằng cách sử dụng khí hoặc hỗn hợp khí bảo vệ Các loại khí bảo vệ có thể bao gồm khí trơ như Argon (Ar), Helium (He) hoặc hỗn hợp của chúng, cũng như các khí hoạt tính như CO2, CO2+O2 hoặc CO2+Ar.
Hình 2.1: Sơ đồ hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường có khí bảo vệ
Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ như Argon (Ar) và Helium (He) được biết đến là phương pháp hàn MIG (Metal Inert Gas) Tuy nhiên, do chi phí cao của các loại khí trơ, phương pháp này chưa được áp dụng phổ biến trong ngành công nghiệp.
Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí hoạt tính (CO2;
Phương pháp hàn MAG (Metal Active Gas) sử dụng khí CO2, một loại khí dễ kiếm và chi phí thấp, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật Phương pháp này cho năng suất hàn cao, có thể thực hiện ở nhiều vị trí khác nhau, và đảm bảo chất lượng hàn tốt Sản phẩm hàn ít bị cong vênh nhờ vào tốc độ hàn nhanh, đồng thời điều kiện lao động cũng được cải thiện hơn so với hàn hồ quang tay, vì trong quá trình hàn không phát sinh khí độc.
Dây hàn đóng vai trò quan trọng trong quá trình hàn, đặc biệt là trong môi trường khí bảo vệ, nơi mà sự hợp kim hóa và các tính chất của mối hàn chủ yếu phụ thuộc vào chất lượng dây hàn Điều này cho thấy rằng đặc tính công nghệ hàn chịu ảnh hưởng lớn từ tình trạng của dây hàn Đối với phương pháp hàn MAG, đường kính dây hàn thường dao động từ 0,8 đến 2,4 mm.
Khí bảo vệ là yếu tố quan trọng trong hàn, trong đó khí Argon tinh khiết (gần 100%) thường được sử dụng cho hàn các vật liệu thép Ngoài ra, khí Helium tinh khiết (gần 100%) thích hợp cho hàn các liên kết lớn và các vật liệu có tính giãn nở cao như nhôm, magiê và đồng.
CO2 dùng để hàn phải có độ sạch trên 99,5%, áp suất trong bình khoảng 50 ÷ 60 at
Hệ thống thiết bị hàn hồ quang điện cực nóng chảy bao gồm nguồn điện hàn, cơ cấu cấp dây hàn tự động, mỏ hàn, các đường ống dẫn khí, dây hàn và cáp điện, cùng với chai chứa khí bảo vệ và các thiết bị đi kèm như bộ đồng hồ, lưu lượng kế và van khí Nguồn điện hàn thường sử dụng là nguồn một chiều DC, trong khi nguồn điện xoay chiều AC không phù hợp do hiện tượng hồ quang bị tắt nửa chu kỳ và sự chỉnh lưu chu kỳ phân cực nguội, dẫn đến hồ quang không ổn định.
Hình 2.2 : Sơ đồ thiết bị hàn hồ quang điện cực nóng chảy
2.2.2 Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ (GTAW: Gas Tungsten Arc Welding):
Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ là một quá trình hàn nóng chảy, trong đó nguồn nhiệt được cung cấp bởi hồ quang giữa điện cực không nóng chảy và vũng hàn Vùng hồ quang được bảo vệ bởi khí trơ như Argon (Ar), Helium (He) hoặc hỗn hợp Ar+He, nhằm ngăn chặn tác động có hại của oxy và nitơ trong không khí Điện cực không nóng chảy thường được sử dụng trong phương pháp này là Vonfram, do đó, nó còn được gọi là hàn TIG.
Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang điện cực không nóng chảy
Hồ quang trong hàn TIG có nhiệt độ cao, lên tới hơn 6100 °C, cho phép tạo mối hàn chất lượng cao từ kim loại cơ bản hoặc bằng cách bổ sung que hàn phụ Phương pháp này có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng hàn các chi tiết mỏng với liên kết gấp mép, không cần làm sạch mối hàn sau khi hàn, và cho phép quan sát hồ quang cùng vũng hàn trong quá trình hàn mà không có kim loại bắn tóe.
Vật liệu sử dụng trong phương pháp hàn TIG bao gồm: khí bảo vệ điện cực Wolfram và que hàn phụ
Khí bảo vệ, hay còn gọi là khí trơ, là khí argon (Ar) được sản xuất từ khí quyển thông qua quá trình hóa lỏng không khí và tinh chế đạt độ tinh khiết 99,99% Khí argon thường được cung cấp trong các bình áp suất cao hoặc ở dạng lỏng với nhiệt độ dưới -184 °C trong các thùng chứa lớn So với argon lấy từ khí tự nhiên, khí heli (He) có trọng lượng riêng chỉ bằng khoảng 1/10.
Sau khi khí Argon (Ar) được sử dụng trong quá trình hàn, nó tạo thành một lớp bảo vệ trên vùng hàn Khí Helium (He), do nhẹ hơn, có xu hướng nổi lên và tạo thành cuộn xoáy quanh hồ quang Để đảm bảo hiệu quả bảo vệ, lưu lượng khí He cần phải gấp 2 đến 3 lần so với khí Ar.
Điện cực Wolfram được sử dụng rộng rãi nhờ vào khả năng chịu nhiệt cao với nhiệt độ nóng chảy lên đến 3410 °C, cùng với khả năng phát xạ điện tử tốt, giúp ion hóa hồ quang và duy trì tính ổn định của nó Ngoài ra, Wolfram còn có tính chống oxy hóa rất cao, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt.
5 Bảng 2.1: Thành phần hóa học của một số loại điện cực Wolfram theo tiêu chuẩn
Mô hình toán học của bài toán
Phương trình cân bằng nhiệt động lực học
Trạng thái nhiệt động lực học của một điểm vật chất tùy ý ở vị trí x tại thời điểm t của một hệ thống (vật thể) được mô tả :
𝑢(𝑋, 𝑡) = 𝑥(𝑡) − 𝑋 : chuyển vị 𝑒(𝑋, 𝑡) năng lượng khối
U đại diện cho sự di chuyển của các điểm vận liệu 𝑋 = 𝑥(𝑡 0 ) , với tại thời điểm t0
Năng lượng bên trong được định nghĩa là sự khác biệt giữa tổng số năng lượng và năng lượng của sự chuyển động (dịch chuyển), cụ thể là 𝑒(𝑋, 𝑡) 𝑒 𝑡𝑜𝑡 (𝑋, 𝑡) − 1
2𝑋̇ 2 Diễn biến thời gian và không gian trong năm lĩnh vực trên được xác định bởi phương trình cân bằng, động lực và năng lượng
Ghi chú : Mối quan hệ giữa v vận tốc và thời gian chính là đạo hàm của u
Các đại lượng 𝒇, 𝝈, q, r thể hiện tổng lực tác động bên ngoài lên vật thể, cùng với chuyển vị ứng suất Cauchy, dòng nhiệt và các điều chỉnh năng lượng, chẳng hạn như nhiệt ẩn trong quá trình chuyển tiếp Phương trình (1-3) mô tả chuyển động của các đại lượng chưa biết trong miền 𝝆, u và e.
Các đại lượng cấu thành như dòng nhiệt và ứng suất căng cần được thay thế bởi cấu trúc phương trình 𝑞 = 𝑞̃(𝑇, ∇𝑇, … ) và 𝜎 = 𝜎̃(𝑇, 𝑢, … ) Hiện tại, chưa có nhiệt độ T xuất hiện trong các phương trình (1-3), do đó cần giới thiệu một phương trình trạng thái cân bằng nhiệt 𝑒 = 𝑒̃(𝑇) để thay thế năng lượng bên trong e bằng nhiệt độ T Nếu tất cả các phương trình cấu thành đã được biết và bao gồm các phương trình cân bằng cho một hệ kín, thì chủ yếu là hệ phương trình phi vi phân từng phần (PDE) có thể được giải quyết bằng phương pháp số.
Quá trình nhiệt động lực học được xác định thông qua các giải pháp của hệ thống PDE, bao gồm các thông số ρ, u và T tại mọi vị trí x và thời gian t Những mối liên hệ giữa khối lượng, động lượng và năng lượng, cũng như giữa cấu trúc vật liệu, kết cấu cơ khí và hành vi nhiệt, đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả một quá trình đa vật lý trong hàn.
Hình 2.6 : Tương tác giữa các yếu tố vật lý trong quá trình hàn
Cấu trúc phương trình cho quá trình mô phỏng
Phương trình cấu thành điển hình, được cung cấp bởi các gói chương trình
FE thương mại, định luật Fourier cho trường hợp dẫn nhiệt của
Phương trình trạng thái nhiệt :
𝑑𝑡, (á𝑝 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑝 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡) (5) Định luật Hoock cho chất rắn đẳng hướng
𝜎 = 𝜎 𝑒𝑙 = 2𝜇𝜀 + 𝜆 (𝑇𝑟𝜀) 𝐼 − (3𝜆 + 2𝜇)𝜀 𝑡ℎ (6) Đường tuyến tính nhiệt như sau (Cho kích thước một chiều)
Nhiệt độ và các thuộc tính vật liệu như hệ số dẫn nhiệt (𝑘), nhiệt dung riêng (𝐶𝑝), hệ số dẫn nhiệt (𝜆), hệ số giãn nở nhiệt (𝛼) đều ảnh hưởng đến ứng suất trong vật liệu, được mô tả qua phương trình 𝑋 và 𝜀 𝑡ℎ = 𝜀 𝑡ℎ 𝐼 = 𝛼(𝑇 − 𝑇 0 )𝐼 Phương trình cấu thành cho ứng suất có thể viết dưới dạng 𝜎 = 𝜎̃(𝑢) hoặc 𝜎 = 𝜎̂(𝜀), đặc biệt đối với vật liệu dẻo, liên quan đến ứng suất Vonmiss.
Gọi Φ là năng suất chức năng , nó có thể quyết định, cho dù ứng suất hiện tại có ảnh hưởng đến năng suất hay không Φ(σ) = σ 2 v (σ) − σ y 2 = 0 (8)
Trong đó σ v đặc trưng cho giới hạn chảy
Giới hạn chảy σ y tăng khi biếng dạng dẻo tăng, được gọi là độ cứng của vật liệu,
Gọi độ cứng của vật liệu là k 𝜎 𝑦 = 𝜎̃ 𝑦 (𝑘) do đó Φ(σ) → Φ(σ, k) cho độ cứng đẳng hướng
𝑘̇ = 𝑝̇ = 𝜎 𝜀̇ 𝑝𝑙 Do đó phương trình (8) có thể được sử dụng để lấy một điều kiện nhất quán, nó đóng vai trò quan trọng trong việc xác định biến dạng dẻo Φ = ∂Φ
𝜎̇ , 𝑘̇ có thể được tính toán bằng định luật Hook kết hợp với 𝜀 = 𝜀 𝑒𝑙 + 𝜀 𝑝𝑙
𝐶 4 : biểu thị ma trận độ cứng bậc 4
Còn lại một đại lượng vẫn chưa biết 𝜀 𝑝𝑙 bằng việc rời rạc 𝜀 ta có
Trình tự các bước tính toán như sau : Biến dạng toàn phần:
Sử dụng định luật Hooke tính ứng suất ở bước n
𝜎 𝑡𝑟 (𝑛) = 𝐶 4 [𝜀(𝑛) − 𝜀 𝑝𝑙 (𝑛 − 1)] (12) Xác định giới hạn chảy σ y bằng những đại lượng đã biết, đặc tính vật liệu, ứng suất biến dạng, 𝜀 𝑝𝑙 (𝑛 − 1)𝑛ế𝑢 𝜀 𝑝𝑙 (𝑛 − 1) = 0 từ đó σ y sẽ bằng với 𝑅 𝑝02
Khi ứng suất tương đương được tính theo mức thứ 2, tức là ở bề mặt bên ngoài, sẽ dẫn đến sự biến dạng Trong quá trình chảy dẻo, ứng suất tương ứng sẽ giảm, và biến dạng nhiệt theo phương trình (8) sẽ được điều khiển một cách cuối cùng.
Do đó, σ tr cần được chiếu lên các đường chảy cong bằng cách điều chỉnh 𝑑𝜀 𝑝𝑙, tức là thay đổi các yếu tố dΛ trong điều kiện ổn định của phương trình (9) và sau đó chèn vào phương trình (11).
Cập nhật biến dạng dẻo và đàn hồi
Tính toán ứng suất hiện tại bằng cách 𝜎(𝑛) = 𝐶 4 𝜀 𝑒𝑙 (𝑛) (14)
Tiếp tục tính toán từ bước thứ (2) –(6) cho bước nội suy thứ (n+1), (n+2),
Phương trình truyền nhiệt có dạng
Dạng yếu của phương trình có dạng
Trong bài viết, 𝑞 𝑛 biểu thị thông lượng nhiệt qua bề mặt thể tích, thường được thay thế bằng công thức 𝑞 𝑛 = 𝛼(𝑇 − 𝑇 0 ), trong đó 𝛼 là hệ số truyền nhiệt và 𝑇 0 là nhiệt độ môi trường Sau khi rời rạc các đại lượng, chúng ta có thể tiếp tục phân tích các yếu tố liên quan.
𝑑𝑡+ 𝐾 𝑇 = 𝑄 + 𝑅 (17) các thành phần sau của ma trận và vectơ (i, j = 1, , n)
𝑄 𝑖 = ∫ 𝛼𝑁 𝜕Ω 𝑖 (𝑇 − 𝑇 0 )𝑛 𝑛𝑑𝐴 , 𝑅 𝑖 = ∫ 𝑟 Ω 𝑁 𝑖 𝑑𝑥 (19) Trong đó 𝑇 = (𝑇 1 , … , 𝑇 𝑛 ) tượng trưng cho vector bao gồm cả các yếu tố nhiệt độ không rõ
Sử dụng mô hình nguồn nhiệt Goldak's double ellipsoid đây là mô hình chính dùng để mô phỏng hàn GMA-welding af a r d b
Hình 2.7 : Mô hình nguồn nhiệt
Q = nhiệt cấp vào (kJ/mm),
Welding speed (mm/min) plays a crucial role in the efficiency of welding methods According to the research by M Seyyedian Choobi et al in their 2010 study titled "Investigation of the Effect of Clamping on Residual Stresses and Distortions in Butt-Welded Plates," an efficiency rate of 60% is necessary to achieve a satisfactory alignment between experimental results and simulations.
𝑓 𝑓 : Hệ số nhiệt phía trước
𝑓 𝑟 : Hệ số nhiệt phía sau
𝑎 𝑓 : Giá trị này xác định chiều dài nguồn nhiệt phía trước
Giá trị 𝑎 𝑟 xác định chiều dài của nguồn nhiệt phía sau, trong khi tổng chiều rộng của nguồn nhiệt được tính bằng công thức (af + ar) Chiều rộng một bên của nguồn nhiệt được ký hiệu là b, do đó tổng chiều rộng sẽ là 2b Cuối cùng, d đại diện cho độ sâu của nguồn nhiệt.
Sự hình thành mối hàn
2.4.1 Khái niệm về mối hàn
Mối hàn là loại mối nối không tháo rời được, được thực hiện thông qua phương pháp hàn Vị trí nơi các chi tiết được kết nối gọi là mối hàn.
Trong hàn nóng chảy mối nối hàn gồm:
Hình 2.8 : Cấu tạo mối hàn
Mối hàn gồm: kim loại cơ bản và kim loại điện cực (que hàn) sau khi nóng chảy kết tinh tạo thành
Vùng tiệm cận mối hàn:
Vùng kim loại cơ bản được nung nóng từ nhiệt độ 100 0 C đến nhiệt độ gần nhiệt độ nóng chảy
Vùng kim loại không bị tác dụng của nhiệt trong quá trình hàn
2.4.2 Sự tạo thành bể hàn
Khi hàn nóng chảy, nguồn nhiệt tác động làm cho cạnh hàn và kim loại phụ nóng chảy, tạo ra bể kim loại lỏng Bể kim loại này được gọi là bể hàn hoặc vũng hàn.
Trong quá trình hàn, nguồn nhiệt di chuyển theo kẻ hàn, đồng thời bể hàn cũng di chuyển theo Bể hàn được chia thành hai phần chính: phần đầu và phần đuôi.
Phần đầu bể hàn là nơi diễn ra quá trình nóng chảy của kim loại cơ bản và kim loại điện cực Khi nguồn nhiệt di chuyển, tất cả các kim loại phía trước sẽ bị nóng chảy.
Ở phần này xảy ra quá trình kết tinh của kim loại lỏng bể hàn để tạo nên mối hàn
Trong quá trình hàn, kim loại lỏng trong bể hàn luôn chuyển động và xáo trộn liên tục Sự chuyển động này xảy ra do áp lực của dòng khí tác động lên bề mặt kim loại lỏng và lực điện từ, khiến kim loại lỏng bị đẩy ngược lại với hướng chuyển dịch của nguồn nhiệt, tạo ra những chỗ lõm trong bể hàn.
2.4.3 Sự dịch chuyển của kim loại lỏng từ điện cực vào bể hàn:
Sự dịch chuyển của kim loại lỏng từ điện cực và bể hàn không chỉ tác động đến quá trình tạo mối hàn mà còn ảnh hưởng đến thành phần và chất lượng của mối hàn.
Khi hàn hồ quang tay, kim loại lỏng luôn chuyển dịch từ que hàn vào bể hàn dưới dạng những giọt kim loại có kích thước khác nhau, bất kể phương pháp hàn hay vị trí hàn Sự chuyển dịch này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
Trọng lực của giọt kim loại lỏng:
Những giọt kim loại hình thành ở đầu que hàn sẽ di chuyển theo phương thẳng đứng xuống bể hàn dưới tác động của trọng lực.
Lực trọng trường chỉ có tác dụng di chuyển các giọt kim loại lỏng vào bể hàn khi hàn ở vị trí sấp; tuy nhiên, khi hàn ở vị trí ngửa, yếu tố này lại không mang lại lợi ích.
Sức căng bề mặt xuất phát từ lực phân tử, khiến bề mặt kim loại lỏng luôn có xu hướng thu nhỏ Để đạt được điều này, các giọt kim loại lỏng cần có hình dạng cầu Hình dạng cầu của các giọt này chỉ bị phá vỡ khi chúng rơi vào bể hàn, nơi sức căng bề mặt của bể hàn kéo chúng vào hình dạng chung của bể.
Khi dòng điện chạy qua điện cực, nó tạo ra một từ trường, lực từ trường này tác động lên que hàn, khiến cho ranh giới giữa phần rắn và phần lỏng của que hàn bị thắt lại.
Hình 2.10 : Tác dụng của lực từ trường lên điện cực
Khi bị thắt lại, diện tích tiết diện ngang giảm, dẫn đến mật độ và cường độ lực từ trường tăng lên Đồng thời, tại vị trí thắt, điện trở cao tạo ra nhiệt lượng lớn, khiến kim loại nhanh chóng đạt đến trạng thái sôi và tạo ra áp lực lớn, đẩy các giọt kim loại lỏng vào bể hàn.
Lực từ trường có khả năng làm chuyển dịch các giọt kim loại lỏng từ đầu que hàn vào bể hàn ở mọi vị trí
Khi hàn, kim loại lỏng ở đầu que hàn bị quá nhiệt, dẫn đến việc sinh ra khí Ở nhiệt độ cao, thể tích khí tăng lên, tạo ra áp lực lớn đủ để đẩy các giọt kim loại ra ngoài.
Các thông số công nghệ hàn
Dòng điện hàn ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn, phụ thuộc vào đường kính điện cực, dạng truyền của kim loại lỏng và độ dày của chi tiết hàn Dòng điện quá thấp có thể dẫn đến độ ngấu kém, làm giảm độ bền mối hàn, trong khi dòng điện quá cao sẽ gây ra hiện tượng bắn tóe và làm cho mối hàn không đồng đều.
Điện áp hồ quang là một thông số quan trọng, ảnh hưởng đến quá trình truyền kim loại lỏng trong hàn Giá trị của điện áp hồ quang phụ thuộc vào độ dày của kim loại nền, kiểu liên kết và vị trí hàn Để xác định điện áp hợp lý, có thể cần thực hiện hàn thử hoặc tham khảo bảng dữ liệu, sau đó điều chỉnh tăng hoặc giảm cho phù hợp.
Tốc độ di chuyển của hồ quang ảnh hưởng trực tiếp đến chiều sâu và độ rộng của mối hàn Khi tốc độ di chuyển đạt mức trung bình, chiều sâu mối hàn tối đa Nếu tốc độ giảm, lượng kim loại điện cực lấp đầy trên mỗi đơn vị chiều dài tăng lên, nhưng khi di chuyển quá chậm, hồ quang tác động mạnh lên vũng hàn, dẫn đến mối hàn rộng hơn và giảm hiệu ứng thâm nhập Ngược lại, khi tốc độ di chuyển tăng, nhiệt lượng từ hồ quang truyền vào kim loại cơ bản tăng lên, làm tăng sự nóng chảy của kim loại cơ bản, nhưng sau đó sẽ giảm khi tốc độ tiếp tục tăng, có thể dẫn đến hiện tượng khoét ngách dọc theo vách mối hàn do kim loại điền đầy không đủ để lấp đầy vùng kim loại nóng chảy.
Chiều dài nhô ra của điện cực, khoảng cách giữa đầu ống tiếp điện và đầu điện cực, ảnh hưởng đến điện trở và nhiệt độ của điện cực Khi chiều dài nhô ra tăng, điện trở và nhiệt tỏa ra trên điện cực cũng tăng, dẫn đến tăng nhiệt độ và tốc độ nóng chảy của điện cực Sự gia tăng điện trở tạo ra điện áp lớn hơn từ ống tiếp điện tới vật hàn, được cảm nhận bởi nguồn điện và làm giảm cường độ dòng điện, từ đó giảm tốc độ nóng chảy của điện cực và rút ngắn chiều dài hồ quang Thông thường, chiều dài nhô ra của điện cực dao động từ 6 đến 13 mm cho chuyển kim loại dạng đoản mạch và từ 13 mm đến 25 mm cho các kiểu chuyển kim loại khác.
Hình 2.11 : a) Hồ quang dài; b) Hồ quang trung bình; c) Hồ quang ngắn
Kích cỡ điện cực, hay đường kính điện cực, ảnh hưởng đáng kể đến cấu hình mối hàn Điện cực lớn yêu cầu cường độ dòng điện tối thiểu cao hơn so với điện cực nhỏ, mặc dù các đặc điểm chuyển kim loại vào mối hàn là tương tự Cường độ dòng điện lớn giúp điện cực nóng chảy nhanh hơn và vũng hàn nóng hơn, đồng thời tạo ra tốc độ điền đầy cao hơn và chiều sâu mối hàn lớn hơn, trong khi điện cực nhỏ hơn sẽ có cường độ dòng điện thấp hơn.
Ứng suất và biến dạng trong quá trình hàn
2.6.1 Lý thuyết ứng suất và biến dạng hàn và ý nghĩa của nó:
- Khi hàn: các phần tử của kết cấu hàn bị nung nóng không đồng đều tới nhiệt độ cao ị gõy nờn ứng suṍt và biến dạng
Sự thay đổi ứng suất và biến dạng xảy ra liên tục tại các điểm khác nhau của các chi tiết hàn, tùy thuộc vào mức độ truyền nhiệt và cân bằng nhiệt độ Biến dạng này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình chế tạo kết cấu và chất lượng của nó Do đó, trong nhiều trường hợp, cần phải khử biến dạng thông qua các biện pháp khác nhau để đảm bảo hiệu quả và độ bền của sản phẩm.
- Có qui trình công nghệ lắp ghép và hàn đúng
- Chọn chế độ hàn hợp lý
- Tạo biến dạng ngược sơ bộ, v.v
- Như vậy mới có thể khống chế được biến dạng trong phạm vi cho phép
Sự thay đổi hình dạng và kích thước của vật liệu có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sử dụng Chẳng hạn, khi các cấu trúc hình trụ bị cong, điều này không chỉ làm giảm hiệu suất mà còn tạo ra ứng suất uốn bổ sung.
Xác định biến dạng và ảnh hưởng của nó đến khả năng làm việc của kết cấu là rất quan trọng Việc này giúp đưa ra các biện pháp tăng độ chính xác trong quá trình hàn chế tạo Điều này có ý nghĩa lớn đối với thiết kế và chế tạo kết cấu hàn.
- Vấn đề ứng suất và biến dạng hàn đã được nghiên cứu cách đây 70 năm
- Ngày nay lý thuyết ứng suất và biến dạng hàn là một nhánh ứng dụng của lý thuyết ứng suất nhiệt
Tất cả kim loại đều giản nở khi bị đốt nóng và co lại khi nguội đi, với mức dãn nở phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số dãn nở nhiệt của kim loại Khi thanh kim loại được đốt nóng đến nhiệt độ nhất định và sau đó nguội tự nhiên, nó sẽ trở về kích thước và hình dạng ban đầu mà không có sự thay đổi Tuy nhiên, nếu trong quá trình đốt nóng hoặc nguội đi, thanh kim loại bị ảnh hưởng bởi một lực nào đó, sẽ xuất hiện ứng suất, dẫn đến biến dạng dẻo và thay đổi kích thước, hình dạng của thanh kim loại.
Trong quá trình hàn, sự thay đổi cấu trúc và thể tích kim loại mối hàn dẫn đến hình thành ứng suất trong (hay còn gọi là ứng suất dư) Đối với kim loại thuộc nhóm thép carbon thấp, ứng suất trong thường không lớn và không đáng quan tâm Tuy nhiên, đối với thép hợp kim, ứng suất trong xuất hiện trong quá trình hàn là một yếu tố rất quan trọng cần được xem xét.
2.6.2 Cơ chế hình thành ứng suất và biến dạng trong mối hàn:
Quá trình hàn kim loại diễn ra khi kim loại được đốt nóng đến nhiệt độ nhất định, thường là nhiệt độ nóng chảy, và sau đó nguội đi Khi nguội, các tinh thể kim loại chuyển từ trạng thái lỏng sang thể rắn, tạo thành mối hàn qua quá trình kết tinh Trong quá trình này, kim loại trải qua hai trạng thái là dãn nở và co ngót, nhưng cả hai đều bị kiểm soát, không thể dãn nở hay co ngót tự do Kết quả là trong lòng mối hàn xuất hiện lực nén và lực kéo, hình thành nội lực và tạo ra ứng suất dư.
Nung nóng thanh kim loại có chiều dài ban đầu 200mm, một đầu được ngàm cố định, đầu còn lại tự do
Khi nung nóng đến 400 0 c vật giãn ra 1 mm
Sau đó để nguội về nhiệt độ thường vật thể trở về hình dạng và kích thước ban đầu
Hình 2.12 : Sự giãn nở vì nhiệt của kim loại khi bị cố định một đầu
Cố định hai đầu thanh kim loại rồi đốt nóng thanh kim loại lên đến nhiệt độ T Hiện tượng gì xảy ra trong thanh kim loại
Khi thanh kim loại không được dán nở tự do, lực nén P xuất hiện từ hai đầu thanh theo phương dọc trục với chiều ngược nhau Lực nén này tạo ra ứng suất nén trong lòng thanh kim loại, bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao và được cố định ở hai đầu.
Hình 2.13 : Sự giãn nở vì nhiệt của kim loại khi bị cố định hai đầu
2.6.3 Phân loại ứng suất và biến dạng hàn
Ứng suất hàn Được phân biệt theo các điều kiện sau : l) Theo nguyên nhân cơ bản tạo ra ứng suất, có các loại:
Ứng suất nhiệt, do nhiệt lượng hàn phân bổ không đều gây nên;
Ứng suất cấu trúc, do sự chuyển biến cấu trúc ở vùng ảnh hưởng nhiệt gây nên
2) Theo thời gian tồn tại của ứng suất:
Ứng suất tạm thời, chỉ xuất hiện nhất thời ở mối nối trong quá trình hàn
Ứng suất dư là loại ứng suất tồn tại vĩnh viễn trong chi tiết hàn sau quá trình hàn, nếu không có biện pháp công nghệ nào được áp dụng để giải tỏa.
3) Theo tính chất hoạt động, tác dụng của ứng suất:
Ứng suất chủ động, là loại ứng suất hàn xuất hiện và chi phối tình trạng chịu tải của chi tiết
Ứng suất phản ứng, là loại ứng suất xuất hiện trong tình trạng chi tiết hàn bị khống chế biến dạng tự do bằng các đồ gá hàn
Ngoài ra còn phân biệt ứng suất theo đặc tính trạng thái ứng suất:
Ứng suất đường chỉ tác dụng theo một chiều
Ứng suất mặt phẳng tác dụng theo hai chiều trên hai phương khác nhau (hai đường thẳng tạo nên một mặt phẳng)
Ứng suất khối tác dụng theo ba chiều trong không gian
Nghiên cứu cho thấy rằng thiết kế kết cấu hợp lý và công nghệ chế tạo đóng vai trò quyết định trong việc hình thành ứng suất và sức bền của sản phẩm hàn Bên cạnh đó, biến dạng cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự định hình không gian và sức bền của chi tiết hàn.
Biến dạng hàn là hậu quả của ứng suất hàn Biến dạng hàn được phân biệt các loài biến dạng ngang, dọc và góc
Khi kim loại chịu tác dụng của lực hoặc được gia nhiệt, hiện tượng biến dạng tạm thời sẽ xảy ra Tuy nhiên, hiện tượng này sẽ biến mất ngay khi ngừng tác dụng lực hoặc khi quá trình gia nhiệt kết thúc, đưa kim loại trở về trạng thái nhiệt độ bình thường.
Biến dạng dẻo hay biến dạng dư
Khi kim loại chịu tác động của lực cơ học hoặc nhiệt độ cao, nó sẽ biến dạng Biến dạng này sẽ được giữ nguyên ngay cả khi lực tác động hoặc quá trình đốt nóng ngừng lại, và chi tiết sẽ trở về trạng thái nhiệt độ bình thường sau khi làm nguội.
Quá trình đốt nóng gây ra ứng suất dọc theo đường tâm của chi tiết, và khi nguội, hiện tượng co ngót xuất hiện dọc theo trục mối hàn đối xứng qua trọng tâm, dẫn đến sự giảm chiều dài của chi tiết.
Chi tiết hàn có chiều rộng co lại theo chiều đường góc với trục mối hàn, dẫn đến việc tấm hàn cong về phía có khối lượng kim loại nóng chảy nhiều hơn Biến dạng ngang có thể gây nứt xé mối nối, và độ lớn của biến dạng phụ thuộc vào tính dẻo của kim loại, kích thước vùng bị đốt nóng và vùng hàn, cũng như hình dạng và cấu trúc của chi tiết hàn Kim loại có độ dẫn nhiệt tốt và hệ số dãn dài nhỏ sẽ có độ biến dạng hàn thấp hơn Trong khi thép không gỉ có biến dạng hàn lớn hơn thép carbon thấp, nhôm lại có độ dẫn nhiệt tốt hơn và do đó biến dạng hàn ít hơn Như vậy, biến dạng của chi tiết hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
Biến dạng góc hình thành sau khi hàn là do sự co lại không đều của kim loại mối hàn, đặc biệt ở các mối hàn đối đầu và mối hàn ghép góc Thể tích kim loại nóng chảy không đồng đều giữa các vùng, dẫn đến việc kim loại ở phía trên mối hàn co lại mạnh hơn so với phía dưới, gây ra hiện tượng cong kim loại ở hai bên mối hàn Để khắc phục biến dạng góc này, có thể áp dụng giải pháp tạo biến dạng góc ban đầu, đặc biệt là trong kiểu hàn chữ V Ngoài ra, việc sử dụng kiểu mối hàn chữ X cũng có thể giúp loại trừ hoàn toàn biến dạng góc.
Hình 2.14 : Biến dạng ngang của mối hàn; a) Biến dạng mối hàn giáp mí; b)
Biến dạng mối hàn chữ T
Hình 2.15 : Biến dạng mối hàn chữ T
2.6.4 Nguyên nhân phát sinh biến dạng và ứng suất trong quá trình hàn
Sự phân bố không đồng đều của biến dạng không dẻo là nguyên nhân chính dẫn đến các vấn đề trong quá trình hàn Biến dạng không dẻo có thể bao gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng nhiệt, đặc biệt là khi thực hiện hàn.
- Do ảnh hưởng của ngoại lực
- Do sự thay đổi pha:
37
Mô hình hình học, thông số hàn và kim loại hàn của bài toán
Hình 3.1 : Mô hình hình học của bài toán
Ta xét 8 trường hợp sản phẩm hộp có chiều dày 5mm
Chiều cao : 100 mm Thông số hàn: lấy đúng với thực tế trong quá trình làm thực nghiệm
Voltage: 80V Thành phần kim loại: sử dụng thép tấm cacbon thấp CT3 theo tiêu chuẩn TCVN 1651-85
Hình 3.2 : Máy hàn MIG bán tự động
Kết quả mô phỏng biến dạng, ứng suất và nhiệt độ
3.2.1 Trường hợp 1 : Tiến hành hàn từng đường một
Hàn lần lượt từng đường 1 - 2 - 3 – 4 :
Hình 3.28 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-2-3-4 Nhiệt độ : Max = 2078,3 o C ; Min = 27,441 o C
Hình 3.29 : Kết quả mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-2-3-4 Biến dạng : Max = 0,47 mm ; Min = 0,056 mm
Biến dạng của hộp là: 0,47 - 0,056 = 0,414 (mm) Biểu đồ biến dạng :
Hình 3.30 : Biểu đồ mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-2-3-4
Hình 3.31 : Kết quả mô phỏng ứng suất của đường hàn 1-2-3-4
Simulation(mm) Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 537,68 (MPa) Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,46 (MPa)
Hàn lần lượt theo thứ tự : 1 - 3 - 2 – 4 :
Hình 3.32 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-3-2-4 Nhiệt độ : Max = 2094,1 o C; Min = 38,978 o C
Hình 3.33 : Kết quả mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-3-2-4 Biến dạng : Max = 0,514mm ; Min = 0,078 mm
Biến dạng của hộp là: 0,514 - 0,078 = 0,436 (mm) Biểu đồ biến dạng :
Hình 3.34 Biểu đồ mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-3-2-4
Kết quả mô phỏng ứng suất của đường hàn 1-3-2-4 cho thấy ứng suất cao nhất đạt 485,54 MPa, được biểu thị bằng màu đỏ, trong khi ứng suất thấp nhất là 1,466 MPa, nằm ở vùng màu xanh dương.
Kết luận cho thấy rằng với cùng một thông số đầu vào, sự phân bố nhiệt độ khi hàn ở hai điều kiện khác nhau có sự chênh lệch khoảng 20°C Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng thứ tự hàn 1-2-3-4 tạo ra biến dạng thấp hơn so với thứ tự 1-3-2-4, nhờ vào phân bố nhiệt độ thấp hơn trong quá trình hàn 1-2-3-4 Ứng suất dư trong trường hợp hàn 1-2-3-4 cũng nhỏ hơn đáng kể.
3.2.2 Trường hợp 2 : Hàn 1 lần 2 đường
Hàn 2 đường 1 - 2 rồi tiếp đến 3 – 4 :
Hình 3.36 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-2 rồi hàn đường 3-4 Nhiệt độ : Max = 2058,7 o C ; Min = 22,001 o C
Hình 3.37 : Kết quả mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-2 rồi hàn đường 3-4 Biến dạng : Max = 0,415 mm ; Min = 0,078 mm
Biến dạng của hộp là: 0,415 - 0,078 = 0,337 (mm)
Hình 3.38 : Biểu đồ mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-2 rồi hàn đường 3-4
Kết quả mô phỏng ứng suất của đường hàn 1-2 và hàn đường 3-4 cho thấy ứng suất cao nhất đạt 597,69 MPa ở vùng màu đỏ, trong khi ứng suất thấp nhất chỉ là 1,4366 MPa ở vùng màu xanh dương.
Hàn 2 đường (1 – 4) rồi hàn 2 đường (2 – 3) :
Hình 3.40 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1- 4 rồi hàn đường 2-3
Hình 3.41 : Kết quả mô phỏng biến dạng của đường hàn 1- 4 rồi hàn đường 2-3
Biến dạng : Max = 0,391mm Min = 0,101 mm
Biến dạng của hộp là: 0,391 - 0,101 = 0,29 (mm)
Hình 3.42 : Biểu đồ mô phỏng biến dạng của đường hàn 1- 4 rồi hàn đường 2-3
Kết quả mô phỏng ứng suất của đường hàn 1-4 và đường hàn 2-3 cho thấy ứng suất cao nhất đạt 603,2 MPa, được thể hiện bằng màu đỏ, trong khi ứng suất thấp nhất là 1,7292 MPa, được biểu thị bằng màu xanh dương.
Hàn 2 đường (1 – 3) rồi hàn 2 đường (2 – 4) :
Hình 3.44 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-3 rồi hàn đường 2-4
Hình 3.45 : Kết quả mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-3 rồi hàn đường 2-4
Biến dạng : Max = 0,436 mm , Min = 0,069 mm
Biến dạng của hộp là: 0,436 - 0,069 = 0,367 (mm)
Kết quả mô phỏng ứng suất cho đường hàn 1-3 và đường hàn 2-4 cho thấy ứng suất cao nhất đạt 483,04 MPa (màu đỏ), trong khi ứng suất thấp nhất ghi nhận là 2,1087 MPa (màu xanh dương).
Kết luận cho thấy rằng, mặc dù sử dụng cùng một thông số đầu vào, nhưng khi thực hiện hàn dưới ba điều kiện khác nhau, sự phân bố nhiệt độ chỉ chênh lệch rất ít, khoảng 3 độ C.
Kết quả mô phỏng cho thấy khi hàn theo thứ tự các đường 1-4 và 2-3, mức độ biến dạng đạt giá trị thấp nhất là 0,29 mm trong ba trường hợp được phân tích.
3.2.3 Trường hợp 3 : Hàn 1 lần 3 đường và 1 đường
Hàn 3 đường 1-2-3 rồi tiếp đến hàn đường 4 còn lại:
Hình 3.48 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-2-3 rồi tiếp đến hàn đường 4 còn lại
Hình 3.49 Kết quả mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-2-3 rồi tiếp đến hàn đường 4 còn lại
Biến dạng : Max = 0,694 mm ; Min = 0,06 mm
Biến dạng của hộp là: 0,694 – 0,06 = 0,634 (mm)
Hình 3.50 : Biểu đồ mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-2-3 rồi tiếp đến hàn đường 4 còn lại
Kết quả mô phỏng ứng suất của đường hàn 1-2-3 cho thấy ứng suất cao nhất đạt 2686 MPa, được biểu thị bằng màu đỏ, trong khi ứng suất thấp nhất là 2,6303 MPa, nằm ở vùng màu xanh dương.
Hàn 1 đường 1 rồi hàn 3 đường (2 - 3 - 4 ) :
Hình 3.52 : Kết quả phân bố nhiệt độ hàn đường 1 rồi hàn đường 2 3 4 còn lại Nhiệt độ : Max = 2054,3 o C ; Min = 20,985 o C
Hình 3.53 : Kết quả mô phỏng biến dạng của hàn đường 1 rồi hàn đường
2 3 4 còn lại Biến dạng : Max = 0,421mm ; Min = 0,08 mm
Biến dạng của hộp là: 0,421 - 0,08 = 0,341(mm)
Hình 3.54 : Biểu đồ mô phỏng biến dạng của hàn đường 1 rồi hàn đường
Hình 3.55 : Kết quả mô phỏng ứng suất của hàn đường 1 rồi hàn đường
2 3 4 còn lại Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 670,01 (MPa) Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,1993(MPa)
Kết luận cho thấy rằng, với cùng một thông số đầu vào, sự phân bố nhiệt độ khi hàn ở hai điều kiện khác nhau có sự chênh lệch khoảng 15°C Kết quả mô phỏng cho thấy, khi hàn theo thứ tự đường 1 trước rồi hàn các đường 2-3-4, biến dạng đạt kết quả thấp hơn so với việc hàn theo thứ tự 1-2-3 rồi mới hàn đường 4 Điều này là do đường hàn 1 và 2-3-4 có sự phân bố nhiệt độ thấp hơn Ngoài ra, ứng suất dư trong trường hợp hàn 1-2-3-4 cũng thấp hơn rất nhiều, chỉ khoảng 2000 MPa.
3.2.4 Trường hợp 4 : Hàn 1 lần 4 đường
Hình 3.56 : Kết quả phân bố nhiệt độ hàn 1 lần 4 đường
Hình 3.57 : Kết quả mô phỏng biến dạng của hàn 1 lần 4 đường Biến dạng : Max = 0,383 mm , Min = 0,103 mm
Biến dạng của hộp là: 0,383 – 0,103 = 0,28 (mm)
Hình 3.58 : Biểu đồ mô phỏng biến dạng của hàn 1 lần 4 đường
Kết quả mô phỏng ứng suất của hàn một lần bốn đường cho thấy ứng suất cao nhất, đạt 633,15 MPa, nằm ở phần đường hàn có màu đỏ, trong khi ứng suất thấp nhất, chỉ 1,2662 MPa, xuất hiện ở vùng màu xanh dương.
Kết luận cho thấy rằng với cùng một thông số đầu vào, việc hàn đồng thời 4 đường hàn giúp phân bố nhiệt độ đều, dẫn đến biến dạng thấp Ứng suất dư cũng gần bằng các trường hợp khác.
Biến dạng (mm) Ứng suất (MPa)
Hàn 1 đường : thứ tự hàn 1-
Hàn 1 đường : thứ tự hàn 1-
Hàn một lần 2 đường : thứ tự 1-2 rồi hàn tiếp 3-4
Min = 1,4366 Hàn 1 lần 2 đường : thứ tự
Hàn 1 lần 2 đường : thứ tự
Thứ tự hàn 1-2-3 rồi hàn đường 4 còn lại
Hàn 1 lần 3 đường: thứ tự hàn : hàn đường 1 trước sau đó hàn 3 đường còn lại
Hàn cùng lúc 4 đường Max = 2054,3 o C
Min = 1,2662Bảng 3.1 : Bảng thống kê số liệu mô phỏng
Kết luận
Qua kết quả mô phỏng, khi hàn cùng lúc 4 đường, nhiệt độ và ứng suất cao nhưng biến dạng chỉ đạt 0,28 mm, là mức thấp nhất so với các trường hợp khác Để tối ưu hóa và tiết kiệm thời gian, phương án hàn 4 đường cùng lúc được chọn là phương án hàn duy nhất nhằm mang lại năng suất cao nhất.
