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 tạo ra dòng chuyển động của điện tử và ion, kèm theo sự phát nhiệt và phát sáng mạnh mẽ Trong điều kiện bình thường, không khí không dẫn điện và điện áp không tải giữa hai điện cực thường nhỏ hơn 80 vôn, do đó không xảy ra phóng điện Để tạo ra hồ quang, người ta cần gây ra hiện tượng đoản mạch, làm tăng mật độ dòng điện tại điểm tiếp xúc của hai điện cực, 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 và quan trọng 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.
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 xuất hiện và các công nghệ tiên tiến được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực này.
Hàn đã phát triển từ việc chủ yếu sử dụng công nghệ hàn hồ quang tay đến khoảng 130 phương pháp hàn khác nhau hiện nay Công nghệ hàn có thể được phân loại thành nhiều nhóm khác nhau.
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
Nghiên cứu độ dai va đập của mối hàn giáp mối thép ASTM A36 bằng phương pháp hàn MIG/MAG nhằm nâng cao chất lượng mối hàn thép Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc cải thiện tính chất cơ học của mối hàn, từ đó đảm bảo độ bền và an toàn trong ứng dụng thực tế.
- 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
Đề tài nghiên cứu và thiết kế 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 và đáp ứng tốt hơn 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
Nội dung bài viết tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hình dáng mối hàn và quá trình hàn Thông qua các 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 tác động đến cơ tính của chúng Kết luận được đưa ra nhằm tối ưu hóa việc 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, đặc biệt là phương pháp X-quang, nhằm xác định các ứng suất dư trong các mối hàn ống giáp mối Nghiên cứu này có thể giúp cải thiện độ bền và an toàn của các cấu trúc hàn trong ngành công nghiệp.
Nghiên cứu này tập trung vào việc hàn ống bằng phương pháp lót TIG phủ điện, với mục tiêu đo đạc thực nghiệm để xác định ứng suất dư trên mẫu hàn Chúng tôi tiến hành khảo sát và so sánh hàm hấp thụ của mặt mối hàn ống với mặt phẳng mà thiết bị đang áp dụng Thực nghiệm được thực hiện dưới dạng chọn mẫu và đo nhiễu xạ, sau đó xử lý kết quả đạt được để tính toán ứng suất dư.
Mục tiêu của đề tài
Dựa trên phân tích các kết quả nghiên cứu trước đó, vấn đề mô phỏng biến dạng hàn đang thu hút sự chú ý và có tầm quan trọng lớn 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 tìm hiểu sâu hơn về hiện tượng này.
- Hỗ trợ quá trình thiết kế quy trình hàn đạt được kết quả tốt hơn
Việc dự báo các biến dạng không mong muốn giúp điều chỉnh quy trình hàn trong thiết kế, từ đó giảm thiểu các yếu tố gây hại, nâng cao năng suất và giá trị kinh tế.
Thông qua việc thực hiện đề tài, các bước mô phỏng và thí nghiệm sẽ được áp dụng để phục vụ 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
- 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 bao gồm việc thu thập thông tin liên quan đến kỹ thuật hàn, các tiêu chuẩn quy định trong quá trình hàn, từ giai đoạn chuẩn bị mối ghép cho đến vật liệu hàn và 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 sự tương thích giữa kết quả mô phỏng và 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 trước những biến dạng có hại, từ đó 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 của kết cấu hàn Điều này giúp giảm thiểu các yếu tố gây hại trong quá trình hàn và 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 Học viên có thể sử dụng nội dung này 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 có khí bảo vệ, hay còn gọi là GSAW (Gas Shielded Arc Welding), đã ra đời từ thập kỷ 40 nhằm 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 dây hàn được cấp tự động 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
Theo phương thức dòng khí bảo vệ gồm: MIG & MAG
Quá trình liên kết mối hàn được bảo vệ bằng khí cấp ngoài, trong đó thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ hồ quang điện sau khi người thợ vận hành thiết lập các thông số ban đầu Người thợ chỉ cần điều khiển tốc độ di chuyển, hướng di chuyển và vị trí của súng hàn Khi các tham số đã được thiết lập đúng, 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, giúp duy trì hồ quang cháy và bảo vệ khỏi môi trường xung quanh Để điều chỉnh chiều dài hồ quang, có hai cách kết hợp giữa bộ phận cấp dây và nguồn điện hàn Phương pháp phổ biến nhất sử dụng nguồn điện với điện áp không đổi, tạo ra đường đặc tính Volt – Ampe dốc, trong khi bộ phận cấp điện cực được điều chỉnh theo điện áp hồ quang.
Khi sử dụng điện áp không đổi và tốc độ cấp dây ổn định, sự thay đổi vị trí của súng hàn sẽ ảnh hưởng đến cường độ dòng điện, phản ánh chính xác sự thay đổi chiều dài thò ra của điện cực Điều này giúp duy trì chiều dài của hồ quang không đổi Ví dụ, khi phần điện cực thò ra tăng lên do mỏ hàn bị nung nóng, cường độ dòng điện tại nguồn sẽ giảm.
12 điện hàn, bằng cách nhiệt lượng tỏa ra ở điện cực sẽ giảm và tốc độ nóng chảy giảm, chiều dài của hồ quang sẽ ngắn lại
Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ là quá trình hàn mà nguồn nhiệt được cung cấp bởi hồ quang giữa điện cực nóng chảy và vật hàn Quá trình này sử dụng khí bảo vệ để bảo vệ hồ quang và kim loại nóng chảy khỏi tác động của oxy và nitơ Các loại khí bảo vệ có thể bao gồm khí trơ như Argon (Ar) và Helium (He), hoặc các khí hoạt tính như CO2, CO2+O2, và 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 ứng 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 tìm và chi phí thấp, đã trở nên phổ biến và được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hàn.
Hàn tự động mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm năng suất hàn cao và khả năng thực hiện ở mọi vị trí không gian khác nhau Chất lượng hàn được cải thiện, giúp sản phẩm ít bị cong vênh nhờ tốc độ hàn nhanh Bên cạnh đó, điều kiện lao động cũng tốt 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 trong môi trường khí bảo vệ, ảnh hưởng đến sự hợp kim hóa kim loại mối hàn và các tính chất yêu cầu của mối hàn Chất lượng và tình trạng của dây hàn quyết định nhiều đến đặc tính của công nghệ hàn Đối với hàn MAG, đường kính dây hàn thường dao động từ 0,8 đến 2,4 mm.
Khí bảo vệ trong hàn là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng mối hàn Khí Argon tinh khiết (gần 100%) thường được sử dụng để hàn các vật liệu thép, trong khi 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 (Al), magiê (Mg) và đồng (Cu).
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, đường ống dẫn khí, dây hàn và cáp điện, cùng với chai chứa khí bảo vệ và các thiết bị điều chỉnh như đồng hồ, lưu lượng kế và van khí Nguồn điện hàn thường sử dụng là nguồn một chiều DC, vì nguồn điện xoay chiều AC không phù hợp do hiện tượng tắt hồ quang trong nửa chu kỳ và sự không ổn định của hồ quang khi chỉnh lưu chu kỳ phân cực nguội.
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 của chúng để ngăn chặn tác động có hại của oxy và nitơ trong không khí Điện cực không nóng chảy phổ biến nhất là Vonfram, do đó phương pháp này 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 thể đạt nhiệt độ lên tới hơn 6100 °C, cho phép tạo ra mối hàn chất lượng cao từ kim loại cơ bản hoặc thông qua que hàn phụ Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng tạo mối hàn chất lượng cao cho hầu hết các loại kim loại và hợp kim, không cần làm sạch sau khi hàn, và cho phép quan sát hồ quang cũng như vũng hàn trong quá trình hàn mà không có hiện tượng 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 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 này được cung cấp trong các bình dưới 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, helium (He) có trọng lượng riêng chỉ bằng khoảng 1/10 và thường cũng được lưu trữ trong các bình dưới áp suất cao.
Sau khi thoát ra khỏi chụp khí trong quá trình hàn, khí Argon (Ar) tạo thành lớp bảo vệ trên vùng hàn Khí Helium (He) nhẹ hơn, nên có xu hướng nổi lên và tạo thành cuộn xoáy xung 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.
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, và r biểu thị tổng lực tác động bên ngoài lên vật thể, bao gồm các chuyển vị ứng suất Cauchy, dòng nhiệt, và các điều chỉnh năng lượng như nhiệt ẩn trong giai đoạn chuyển tiếp Phương trình (1-3) mô tả chuyển động cho các đại lượng chưa biết trong miền 𝝆, u, và e.
Các phương trình cấu thành như dòng nhiệt và ứng suất căng cần được thay thế bởi các cấu trúc 𝑞 = 𝑞̃(𝑇, ∇𝑇, … ) và 𝜎 = 𝜎̃(𝑇, 𝑢, … ) Hiện tại, nhiệt độ T chưa 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 xác định và bao gồm các phương trình cân bằng cho một hệ kín, chúng có thể được giải bằng phương pháp số thông qua hệ phương trình phi vi phân từng phần (PDE).
Quá trình nhiệt động lực học được xác định bởi các giải pháp của hệ thống PDE, liên quan đến 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, tạo nên các ký hiệu của 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)
Trong nghiên cứu về tính dẫn nhiệt của vật liệu, các yếu tố như 𝑘, 𝐶𝑝, 𝜆, 𝛼 có vai trò quan trọng trong việc xác định các thuộc tính như năng lượng nhiệt, hằng số LAME và hệ số giãn nở nhiệt Phương trình cấu thành cho vật liệu có thể được biểu diễn dưới dạng 𝜎 = 𝜎̃(𝑢) hoặc 𝜎 = 𝜎̂(𝜀), trong đó 𝜎 là ứng suất Đặc biệt, đối với vật liệu dẻo, ứng suất Vonmiss được áp dụng để mô tả hành vi của vật liệu trong điều kiện tải trọng.
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 :
Sử dụng định luật Hooke tính ứng suất ở bước n
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 ở bề mặt ngoài, biến dạng sẽ xảy ra Quá trình chảy dẻo sẽ dẫn đến sự giảm ứng suất tương ứng, và biến dạng nhiệt theo phương trình (8) sẽ được điều khiển 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
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 nghiên cứu này, thông lượng nhiệt 𝑞 𝑛 được định nghĩa là lượng nhiệt truyền qua bề mặt thể tích, thường được biểu diễn 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 phân tích các đại lượng liên quan, chúng ta có thể rút ra những kết luận quan trọng về sự truyền nhiệt trong hệ thống.
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 conducted 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 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 là b, do đó tổng chiều rộng sẽ là 2b Cuối cùng, d biểu thị độ sâu của nguồn nhiệt.
Sự hình thành mối hàn
2.4.1 Khái niệm về mối hàn
Mối hàn là phương pháp nối các chi tiết bằng cách hàn, tạo ra mối nối liền không thể tháo rời Vị trí nơi các chi tiết được kết nối được 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 thực hiện hàn nóng chảy, nguồn nhiệt tác động lên cạnh hàn và kim loại phụ, khiến chúng nóng chảy và tạo ra một bể kim loại lỏng Bể kim loại lỏng này được gọi là bể hàn hay vũng hàn.
Trong quá trình hàn, nguồn nhiệt di chuyển theo kẻ hàn, kéo theo sự dịch chuyển của bể hàn Bể hàn được chia thành hai phần: 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 liên tục chuyển động và xáo trộn do tác động của áp lực dòng khí và lực điện từ Sự chuyển động này đẩy kim loại lỏng về phía ngược lại với nguồn nhiệt, tạo ra các chỗ lõm trong bể hàn.
2.4.3 Sự dịch chuyển của kim loại lỏng từ điện cực vào bể hàn:
Sự di chuyển của kim loại lỏng từ điện cực và bể hàn không chỉ ảnh hưởng đến quá trình hình thành mối hàn mà còn tác động 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 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 dụng của trọng lực.
Lực trọng trường chỉ có tác dụng di chuyển các giọt kim loại lỏng vào bể hàn khi 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, có xu hướng tạo ra năng lượng tối thiểu cho bề mặt kim loại lỏng.
Để làm cho bề mặt kim loại lỏng thu nhỏ lại, các giọt kim loại lỏng cần có hình dạng cầu Những giọt này chỉ bị biến dạng khi rơi vào bể hàn, nơi sức căng bề mặt của bể hàn kéo chúng vào hình dạng chung của nó.
Khi dòng điện đi qua điện cực, nó tạo ra một từ trường, lực từ trường này tác động lên que hàn, dẫn đến việc 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 có điện trở cao, nhiệt sinh ra 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 sự hình thành khí Nhiệt độ cao làm tăng thể tích khí, 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 chi tiết hàn Dòng điện quá thấp có thể gây ra độ ngấu không đảm bảo, làm giảm độ bền mối hàn, trong khi dòng điện quá cao sẽ dẫn đến hiện tượng bắn tóe và mối hàn không đồng đều.
Điện áp hồ quang là thông số quan trọng quyết định dạng truyền kim loại lỏng trong quá trình hàn Giá trị điện áp này 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 nghiệm hoặc tham khảo bảng giá trị, sau đó điều chỉnh tăng hoặc giảm cho phù hợp.
Tốc độ di chuyển của hồ quang ảnh hưởng lớn đến chiều sâu và bề rộng của mối hàn Khi tốc độ di chuyển đạt mức trung bình, chiều sâu mối hàn sẽ lớn nhất Nếu tốc độ giảm, lượng kim loại điện cực lấp đầy trên mỗi đơn vị chiều dài sẽ tăng, nhưng với tốc độ rất chậm, hồ quang sẽ tác động mạnh hơn lên vũng hàn nóng chảy, dẫn đến mối hàn rộng hơn và giảm hiệu ứng thâm nhập vào kim loại cơ bản Ngược lại, khi tốc độ di chuyển tăng, nhiệt lượng truyền vào kim loại cơ bản từ hồ quang sẽ tăng, làm tăng sau đó giảm nhiệt độ nóng chảy của kim loại cơ bản Cuối cùng, nếu tốc độ tiếp tục tăng, sẽ xảy ra hiện tượng khoét ngách dọc theo vách mối hàn, khiến kim loại điền đầy không đủ để lấp đầy các khu vực bị nóng chảy.
Chiều dài nhô ra của điện cực là 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 cũng tăng, dẫn đến tốc độ nóng chảy cao hơn Sự tăng điện trở tạo ra điện áp lớn hơn từ ống tiếp điện tới vật hàn, gây ra hiện tượng giảm cường độ dòng điện và làm giảm tốc độ nóng chảy của điện cực, dẫn đến chiều dài hồ quang ngắn lại Do đó, nếu không tăng điện áp trong máy hàn, kim loại điền sẽ được đưa vào mối hàn với hình dạng hẹp và phần tròn lồi cao Chiều dài nhô ra của điện cực thường 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, đặc biệt là đường kính của nó, có ảnh hưởng lớn đến cấu hình của mối hàn Điện cực lớn yêu cầu cường độ dòng điện tối thiểu cao hơn so với điện cực nhỏ, nhưng với các đặc điểm chuyển kim loại vào mối hàn giống nhau Cường độ dòng điện lớn hơn giúp điện cực nóng chảy nhanh hơn và làm tăng nhiệt độ của vũng hàn Ngoài ra, cường độ dòng điện cao còn tạo ra tốc độ điền đầy nhanh hơn và chiều sâu mối hàn lớn hơn, trong khi điện cực nhỏ hơn và cường độ dòng điện thấp hơn có thể dẫn đến kết quả khác.
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
Tùy thuộc vào mức độ truyền nhiệt và cân bằng nhiệt độ, sự thay đổi ứng suất và biến dạng xảy ra liên tục tại các điểm khác nhau của chi tiết hàn Biến dạng này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình chế tạo và chất lượng kết cấu Do đó, trong nhiều trường hợp, cần phải khử biến dạng thông qua các biện pháp khác nhau để đảm bảo hiệu quả sản xuất.
- 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 biến đổi hình dạng và kích thước của vật có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sử dụng Chẳng hạn, các kết cấu dạng trụ bị cong sẽ tạo ra ứng suất uốn bổ sung, làm giảm hiệu suất và độ bền của chúng.
Để đảm bảo khả năng làm việc của kết cấu hàn, việc xác định biến dạng và ảnh hưởng của nó là rất quan trọng Điều này giúp đưa ra các biện pháp tăng độ chính xác trong quá trình hàn chế tạo Sự hiểu biết này có ý nghĩa lớn đối với các giai đoạn 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 Khi thanh kim loại được đốt nóng đến nhiệt độ nhất định và sau đó để 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 tác động bởi một lực nào đó, sẽ xuất hiện ứng suất, dẫn đến biến dạng dẻo và thay đổi kích thước, hình dạng của nó.
Trong quá trình hàn, cấu trúc và thể tích kim loại mối hàn thay đổi, dẫn đến hình thành ứng suất trong (hay còn gọi là ứng suất dư) Đối với kim loại 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 vấn đề quan trọng cần được xem xét kỹ lưỡng.
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 nóng chảy và sau đó nguội đi, dẫn đến sự kết tinh và hình thành mối hàn Trong quá trình này, kim loại trải qua hai giai đoạn là dãn nở và co ngót, nhưng cả hai đều bị hạn chế, không thể diễn ra tự do Kết quả là trong lòng mối hàn xuất hiện lực nén và lực kéo, tạo ra nội lực và 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 nội lực, dẫn đến ứng suất nén trong lòng thanh kim loại, trong điều kiện bị đốt nóng và 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 :
31 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 và công nghệ chế tạo hợp lý đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành ứng suất và sức bền của sản phẩm hàn Bên cạnh đó, biến dạng cũng là yếu tố ảnh hưởng đáng kể 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, sẽ xuất hiện một hiện tượng nhất định Tuy nhiên, hiện tượng này sẽ biến mất ngay sau khi ngừng tác dụng lực hoặc khi quá trình gia nhiệt kết thúc, khiến cho chi tiết trở về trạng thái nhiệt độ bình thường.
Biến dạng dẻo hay biến dạng dư
Dưới tác động của lực cơ học hoặc nguồn nhiệt, kim loại có thể biến dạng và giữ nguyên trạng thái này sau khi ngừng tác động lực hoặc ngừng quá trình đốt nóng Khi được làm nguội, chi tiết sẽ trở về nhiệt độ bình thường mà vẫn duy trì biến dạng đã xảy ra.
Quá trình gia nhiệt tạo ra ứng suất dọc theo trục 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.
Chiều rộng của chi tiết hàn bị co lại do ảnh hưởng của quá trình hàn, đặc biệt là trong hàn tôn tấm, nơi tấm lô có xu hướng cong về phía khối lượng kim loại nóng chảy nhiều hơn Biến dạng ngang có thể dẫn đến nứt xé mối nối, với độ lớn của biến dạng phụ thuộc vào tính dẻo của kim loại, kích thước vùng bị đốt nóng và vùng hàn, cùng với hình dạng và cấu trúc của chi tiết hàn Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt và hệ số dãn dài nhỏ thường có độ biến dạng hàn thấp hơn Trong khi đó, thép không gỉ có độ biến dạng hàn lớn hơn thép carbon thấp, trong khi nhôm, với khả năng dẫn nhiệt tốt, lại có biến dạng hàn ít hơn Do đó, biến dạng của chi tiết hàn chịu ảnh hưởng từ 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, thường xảy ra ở các mối hàn đối đầu và mối hàn ghép góc Thể tích kim loại nóng chảy trong những mối hàn này không đồng nhất, với kim loại ở vùng trên mối hàn co lại nhiều hơn và mạnh hơn so với kim loại ở vùng dưới Điều này dẫn đến hiện tượng cong kim loại ở hai phía đối xứng qua trục mối hàn về cùng một phía, gây ra biến dạng góc Giải pháp tạo biến dạng góc có thể giúp khắc phục tình trạng này.
Việc sử dụng kiểu hàn chữ V có thể giúp loại trừ biến dạng góc sau khi hàn, trong khi kiểu mối hàn chữ X có khả năng loại bỏ hoàn toàn hiện tượng này.
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
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
Thông số hàn: lấy đúng với thực tế trong quá trình làm thực nghiệm
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)
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)
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 chỉ là 1,466 MPa, được thể hiện bằng màu xanh dương.
Kết luận cho thấy rằng, mặc dù sử dụng cùng một thông số đầu vào, nhưng khi hàn ở hai điều kiện khác nhau, sự chênh lệch nhiệt độ chỉ khoảng 20°C Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng thứ tự hàn 1-2-3-4 dẫn đến 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 Đồng thời, 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
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
Hình 3.39 : Kết quả mô phỏng ứng suất của đường hàn 1-2 rồi hàn đường 3-4 Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 597,69 (MPa)
43 Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,4366 (MPa)
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 cho 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 Ngược lại, ứng suất thấp nhất ở vùng màu xanh dương chỉ đạt 1,7292 MPa.
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)
Hình 3.46 : Biểu đồ mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-3 rồi hàn đường 2-4
Kết quả mô phỏng ứng suất cho đường hàn 1-3 và 2-4 cho thấy ứng suất cao nhất đạt 483,04 MPa ở khu vực có màu đỏ, trong khi ứng suất thấp nhất là 2,1087 MPa ở vùng có 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 thấp nhất đạt được là 0,29 mm trong ba trường hợp được khảo sát.
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
Hình 3.51 : Kết quả mô phỏng ứng suất của đường hàn1-2-3 rồi tiếp đến hàn đường 4 còn lại
48 Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 2686 (MPa) Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 2,6303 (MPa)
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, mặc dù sử dụng cùng một thông số đầu vào, nhưng khi hàn dưới hai điều kiện khác nhau, sự chênh lệch nhiệt độ chỉ khoảng 15 °C Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng việc hàn theo thứ tự đường 1 trước, sau đó hàn các đường 2-3-4 mang lại kết quả biến dạng thấp hơn so với việc hàn theo thứ tự 1-2-3 rồi mới hàn đường 4 Điều này là do phân bố nhiệt độ ở các đường hàn 1, 2-3-4 thấp hơn Ứng suất dư trong trường hợp hàn 1, 2-3-4 cũng nhỏ hơn 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 ở phần đường hàn có màu đỏ, đạt giá trị 633,15 MPa Ngược lại, ứng suất thấp nhất được ghi nhận ở vùng màu xanh dương, chỉ là 1,2662 MPa.
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 hơn, dẫn đến biến dạng thấp Ứng suất dư trong trường hợp này cũng gần bằng với 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
Kết quả mô phỏng cho thấy khi hàn 4 đường cùng lúc, nhiệt độ và ứng suất đạt mức cao, nhưng biến dạng khi hàn chỉ là 0,28 mm, là thấp nhất so với các trường hợp khác Để tối ưu hóa quy trình và tiết kiệm thời gian, phương án hàn 4 đường cùng lúc được chọn làm phương án hàn duy nhất nhằm đạt năng suất cao nhất.
