(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083

(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083(Luận văn thạc sĩ file word) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN LIÊN KẾT GÓC CHỮ T HỢP KIM NHÔM A5083

Lýdochọnđềtài

Ngày nay, sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đã dẫn đến sự ra đời của nhiều vật liệu mới, với sự đa dạng về chủng loại và tính công nghệ Nhu cầu về năng suất, chất lượng và tính thẩm mỹ của sản phẩm ngày càng cao, đặc biệt trong ngành xây dựng, hàng không và công nghiệp tàu biển, nơi nhôm và hợp kim nhôm được ứng dụng rộng rãi Do đó, ngành công nghệ hàn cần nghiên cứu và phát triển các công nghệ hàn phù hợp, trong đó công nghệ hàn MIG cho nhôm và hợp kim nhôm đang ngày càng được áp dụng phổ biến tại Việt Nam.

Quá trình hàn MIG nhôm và hợp kim nhôm có nhiều ưu điểm như thời gian duy trì hồ quang dài, tốc độ đắp lớn và mức độ bắn tóe thấp, giúp tăng hiệu quả trong ứng dụng Mặc dù công nghệ hàn MIG nhôm ngày càng được áp dụng rộng rãi, nhưng việc nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam vẫn còn hạn chế Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cơ bản đến kích thước và hình dạng mối hàn là rất cần thiết để đánh giá chất lượng mối hàn một cách thực tiễn và hiệu quả.

Lịchsử nghiêncứu

Hợp kim nhôm đã được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, hàng không, dầu khí và đóng tàu Nhiều công ty lớn như Hyundai, Miller, và Lincoln đã nghiên cứu quy trình công nghệ hàn và sản xuất vật liệu hàn cho hợp kim nhôm Tại Việt Nam, hợp kim nhôm đã được sử dụng trong xây dựng từ lâu, trong khi ngành công nghiệp tàu thủy gần đây mới bắt đầu áp dụng hợp kim nhôm để đóng mới tàu tuần tra và cabin tàu thủy Năm 2015, tác giả Dương Đình Hảo cùng các cộng sự đã nghiên cứu quá trình hàn ma sát khuấy với hợp kim nhôm AA7075 cho ngành công nghiệp tàu thủy.

Tác giả đã tiến hành nghiên cứu và thi công cabin tàu tuần tra bằng hợp kim nhôm 5052 và 5083 tại nhà máy đóng tàu Nguyễn Văn Tuấn, thuộc công ty TNHH 1 thành viên đóng tàu Thịnh Long, sử dụng công nghệ hàn TIG và MIG trong giai đoạn 2015-2016.

Mụcđíchnghiêncứu

Đánhgiáảnhhưởngcủacácthôngsốcôngnghệhànđếncơtínhvàtổchứccủa mối hàn hàn góc chữ T vật liệu hợp kim nhôm A5083 thực hiện bằng công nghệhànhànMIG nhằmứngdụngvàosảnxuấtmộtcáchcóhiệuquả.

Nộidungnghiêncứu

- Công nghệ và quá trình luyện kim khi hàn nhôm và hợp kim nhôm 5083bằngphươngpháphànMIG.

- Mô phỏng quá trình hàn nhôm và hợp kim nhôm A5083 bằng phương phápPTHH.

Phươngpháp nghiêncứu

Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ hàn MIG cho nhôm và hợp kim nhôm bao gồm các thông số kỹ thuật quan trọng Bài viết cũng đề cập đến thiết bị hàn MIG, vật liệu hàn nhôm và hợp kim nhôm, cùng với các tiêu chuẩn hàn nhôm và hợp kim nhôm cần tuân thủ để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Lờicảmơn

Tìnhhình nghiên cứutrong nướcvànướcngoài

Sanjeev Kumar và cộng sự đã áp dụng công nghệ hàn TIG cho hàn nhôm tấm dày và sử dụng công nghệ hàn TIG xung cho tấm dày từ 3 đến 5 mm, với dòng điện hàn từ 48 đến 112A và lưu lượng khí bảo vệ từ 7 đến 15 lít/phút Kết quả cho thấy ứng suất cắt của KLMH (73MPa) nhỏ hơn KLCB.

(85M P a ) Từviệcphântíchcác mẫuhàndướikínhhiểnvi,cáctácgiảnhậnthấy rằngkimloại đắp (KLĐ) có cấu trúc dạng nhánh cây, đồng trục dọc theo đường viền chảy vàsựpháhủymẫuthử nằmởkhuvựcnày.

Indira Rani và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về cơ tính của hợp kim nhôm AA khi hàn TIG với hai phương pháp: không xung và có xung, trong đó thay đổi tần số xung từ 3 đến 7 Hz Họ thực hiện quá trình hàn trong khoảng điện áp 70÷74V và tốc độ hàn từ 700 đến 600mm/phút Kết quả thực nghiệm cho thấy giới hạn chảy và giới hạn bền kéo của KLMH và KLCB gần như tương đương nhau, trong khi mẫu thử kéo cho thấy kết quả đứt tại vùng HAZ.

Ahmed Khalid Hussain và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc hàn đến giới hạn bền kéo khi hàn TIG hợp kim nhôm AA6351 với độ dày 4 mm, sử dụng mối ghép vát kiểu chữ V và vận tốc hàn từ 1800 đến 7200 mm/phút Kết quả thử kéo cho thấy rằng khu vực mối hàn và vùng lân cận có giá trị bền kéo thấp hơn so với vùng KLCB, và giới hạn bền kéo tăng lên khi vận tốc hàn giảm Đồng thời, Norman và cộng sự đã nghiên cứu tổ chức tế vi của hợp kim Al-Mg-Cu-Mn trong phạm vi chế độ hàn rộng, với dòng điện hàn từ 100 đến 190 A và tốc độ hàn thay đổi từ 420 mm/phút.

Tại tốc độ hàn 1500 mm/phút, tổ chức tế vi ở vùng trung tâm mối hàn khi làm nguội nhanh hơn so với tổ chức tế vi tại vùng viền chảy Norman kết luận rằng khi tốc độ hàn tăng, tốc độ nguội ở vùng KLMH cũng tăng, dẫn đến tổ chức tế vi tại vùng KLMH có hình dạng nhánh cây nhưng kích thước nhỏ hơn.

Kumar and Sundarrajan đã nghiên cứu công nghệ hàn TIG xung khi hàn hợpkim nhôm AA có chiều dày 2,14 mm với dòng điện hàn (40 ÷ 90 A), vận tốc hàn(210 ÷

230 mm/ phút) Tác giả đã sử dụng phương pháp Taguchi để tối ưu hóa cácthôngsốchếđộhànTIGxungvới mụcđíchlàmtăngcơtínhcủaKLMH.

Preston và cộng sự đã áp dụng kỹ thuật mô phỏng số để dự đoán ứng suất dư và biến dạng của hợp kim nhôm A2024 với độ dày 3,2 mm, sử dụng phương pháp hàn TIG.

Krzysztof Dudzik đã thực hiện nghiên cứu về tính chất cơ học của liên kết hàn hợp kim nhôm 5083 bằng phương pháp hàn MIG, so sánh với hợp kim nhôm 5059 có độ bền cao đang được sử dụng trong ngành công nghiệp đóng tàu Tác giả đã nghiên cứu công nghệ hàn MIG để áp dụng cho các liên kết giữa các hợp kim nhôm, đồng thời đưa ra bộ thông số chế độ hàn và tiến hành hàn thực nghiệm Sau đó, các cơ tính được kiểm tra và đánh giá theo tiêu chuẩn PN-EN10002:2004 của Ba Lan Mục tiêu chính của tác giả là khẳng định rằng phương pháp hàn MIG đảm bảo chất lượng liên kết hàn hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn PN-EN10002:2004 và có năng suất cao hơn nhiều so với hàn TIG.

Hội nghị quốc tế lần thứ 6 về "Cơ tin và Kỹ thuật ảo" diễn ra vào ngày 15 và 16 tháng 10 năm 2015 tại Braşov, Romania Tại hội nghị, Polixenia Iuliana Simion và các cộng sự đã trình bày quy trình hàn MIG cho hợp kim nhôm trong ngành công nghiệp đóng tàu Nghiên cứu tập trung vào các thuộc tính vật liệu của hợp kim nhôm 5083 và 6061, đồng thời áp dụng công nghệ hàn MIG với khí bảo vệ Argon Tác giả cũng đã đánh giá động lực học của liên kết hàn góc và giáp mối, cũng như ảnh hưởng của xung đơn và xung kép đến chất lượng hàn.

Năm 1997, Công ty 189 đã đạt được một bước đột phá trong công nghệ đóng tàu cao tốc bằng vỏ hợp kim nhôm tại Việt Nam, khi chế tạo thành công tàu tuần tra cao tốc mang ký hiệu ST112 cho Bộ Tư Lệnh Bộ đội Biên phòng.

Kể từ năm 1997, Công ty đã sản xuất hàng loạt xuồng cao tốc vỏ hợp kim nhôm với các mẫu thiết kế như ST450, ST520, ST660, ST570, ST700, ST650, ST750, ST750-CN, ST750CNX, ST737, ST850, ST880, ST900, ST920, ST1200, ST740, SD530 và SD420 Những sản phẩm này được thiết kế để phục vụ các chương trình kiểm tra phòng chống bão lụt, tuần tra, cứu hộ, đổ bộ và du lịch Tất cả các mẫu xuồng đều đã được kiểm nghiệm thực tế và nhận được đánh giá cao từ các thị trường khó tính về chất lượng và tính năng sử dụng.

Công ty 189 không chỉ nổi bật trong việc sản xuất xuồng cao tốc vỏ hợp kim nhôm mà còn thành công trong việc chế tạo hàng loạt tàu tuần tra quân sự tiên tiến như tàu tuần tra ST126 của Bộ Công an, ST112 của Bộ đội Biên phòng, DS197 của Tổng cục Hải quan và ST146 của Biên phòng Ngoài ra, công ty còn sản xuất tàu chở khách như tàu KT01 cho Huyện đảo Cô Tô và tàu vỏ hợp kim nhôm cao tốc 100 khách Bạch Long (ST138) cho Ban QLDA Bạch Long Vĩ, cùng với nhiều loại tàu khác như tàu đo đạc địa chính và tàu khảo sát thủy văn.

Năm 2001, Công ty 189 đã đạt được bước phát triển quan trọng khi chế tạo thành công tàu cảnh sát biển cao tốc vỏ hợp kim nhôm mang ký hiệu TT120 cho lực lượng Cảnh sát Biển Việt Nam Đây là tàu tuần tra cao tốc có giá trị lớn, được đóng lắp tại Việt Nam và đã nhận được đánh giá cao từ Thủ trưởng Bộ cùng các cơ quan chức năng về chất lượng, thẩm mỹ và tính năng kỹ chiến thuật Hiện nay, Công ty đã xuất xưởng đến chiếc tàu thứ 8.

Công ty 189 không chỉ nổi bật trong lĩnh vực đóng tàu tuần tra cao tốc phục vụ quốc phòng mà còn thành công trong việc chế tạo tàu khách, tàu du lịch và tàu công vụ cao tốc bằng vỏ hợp kim nhôm Hiện nay, công ty đã xuất xưởng nhiều mẫu tàu du lịch và tàu công vụ cao tốc như ST880, ST1500, ST138, ST166-1&2, ST1600, ST1650-1&2, ST155, K103, ST176, ST196, ST182, ST1360, 1706, tất cả đều đã được kiểm nghiệm thực tế và nhận được đánh giá cao từ khách hàng Chất liệu chính được sử dụng là hợp kim nhôm 5083.

Vũ Đình Toại đã nghiên cứu và bảo vệ thành công luận án tiến sĩ kỹ thuật khihànliênkếtgócgiữanhôm1010và thép.

Nguyễn Quốc Mạnh cũng đã nghiên cứu và bảo vệ thành công luận án tiến sĩkỹthuậtkhihànhàngócchữTvàliênkếtgócgiữahợpkimnhôm6061và5083vớithé pkhônggỉ304và316.

Nghiên cứu về hàn nhôm và hợp kim nhôm đã được thực hiện cả trong và ngoài nước, nhưng chưa có phân tích cụ thể về chế độ công nghệ tối ưu cho từng loại nhôm Đề tài này tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của chế độ hàn MIG đến cơ tính và tổ chức của kim loại mối hàn Mục tiêu là xác định chế độ công nghệ và quy trình hàn hợp lý cho hợp kim nhôm 5083 có độ dày 6mm.

Tổng quan vềvậtliệunhômvàhợpkimnhôm

1.2.1 Đặc điểm công nghệ của nhôm và hợp kim nhôm, phạm vi ứngdụngcủachúng

Nhôm là kim loại nhẹ, mềm với màu bạc ánh kim mờ và nhanh chóng hình thành lớp oxit bảo vệ khi tiếp xúc với không khí Tỷ trọng riêng của nhôm chỉ bằng một phần ba so với sắt và đồng, khiến nó dễ uốn và gia công Nhôm nổi bật với khả năng chống ăn mòn và độ bền cao nhờ lớp oxit bảo vệ, đồng thời không nhiễm từ và không cháy trong điều kiện thông thường.

Nhôm là kim loại nhẹ nhất, giúp dễ dàng vận chuyển với chi phí thấp Nhờ vào đặc tính này, nhôm trở thành nguyên liệu lý tưởng cho ngành hàng không, xây dựng nhà cao tầng và công nghiệp ô tô Sử dụng nhôm trong lĩnh vực vận tải còn góp phần giảm chi phí nhiên liệu hiệu quả.

Nhôm có thể được chế tạo với độ bền tùy ý, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ thấp, khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trong khí hậu lạnh Với trọng lượng nhẹ và độ bền cao, nhôm có thể được cải thiện đáng kể khi bổ sung các hợp chất như mangan, đồng, và kẽm Đặc biệt, quá trình xử lý nhiệt cũng giúp tăng cường độ bền của nhôm.

Tính chống mài mòn của nhôm tùy vào lớp màng oxit mỏng, và cứng bênngoài.Lớpmàngnàycóthểdàytới0.2milimet,cóthểsơnhoặcxiđểtăngđộbền.

Nhôm là vật liệu có khả năng dẫn nhiệt tốt, lý tưởng cho các ứng dụng cần trao đổi nhiệt, chẳng hạn như trong bộ phận làm mát của tủ lạnh và các thành phần động cơ Nhờ vào tính chất này, nhôm được thiết kế theo hình dạng phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất dẫn nhiệt cho các bộ phận cần thiết.

Trongđóhợpkimnhôm–magiê(5xxxseries)đượcứngdụngrộngrãitạicácnước pháttriểntrongcácngànhxâydựng, côngnghiệp đóngtàu, hàngkhông, [1],

[2] Vìthếtácgiảchọnnghiêncứucôngnghệhànhợpkimnhôm- magiê5083vớicơtínhvàthànhphầnhóa họcnhưsau:

Mg Mn Cu Si Cr Fe Zn Ti Al

Khi hàn, lớp màng oxit AL2O3 dễ hình thành, dẫn đến hiện tượng cạnh mối hàn khó nóng chảy và có thể xuất hiện xỉ Do đó, trước khi tiến hành hàn, cần phải khử lớp màng oxit nhôm bằng các biện pháp thích hợp.

- Hóahọc:thuốchàntạothànhcácchấtdễbayhơi: thuốc 50% KCl + 15% NaCl + 35% Na3AlF3cho phản ứngAl2O3+6KCl2 A l C l3+3K2O.Dungdịchaxitkiềm.

Khi hàn nhôm ở nhiệt độ cao, độ bền của vật liệu giảm nhanh chóng, dẫn đến hiện tượng sụt lún Nhôm có độ chảy loãng cao, dễ dàng bị chảy ra khỏi chân mối hàn Bên cạnh đó, nhôm cũng bị đổi màu khi hàn, gây khó khăn trong việc phát hiện và điều chỉnh kích thước của vùng hàn.

Hệ số dãn nở nhiệt cao, module đàn hồi thấp, nhôm dễ bị biến dạng khi hàn(phảidùngđồgá kẹpchặtbằngđồgácótínhdẫnnhiệtkém)[3].

Hydrô là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng rỗ khí trong quá trình hàn nhôm, do đó cần phải loại bỏ các hợp chất chứa khí Hydrô trên bề mặt hàn Độ hòa tan của Hydrô trong nhôm nóng chảy rất cao nhưng giảm mạnh khi nhôm kết tinh, dẫn đến việc hình thành "bong bóng" trong mối hàn và gây ra tình trạng xốp Trong hàn thép, hiện tượng rỗ khí ít xảy ra hơn vì độ hòa tan của Hydrô trong thép giảm nhưng không quá mạnh như nhôm, cùng với việc nhiệt độ kết tinh của thép cao hơn gấp đôi so với nhôm, giúp các bong bóng khí dễ dàng thoát ra Hydro có thể xâm nhập vào mối hàn từ nhiều nguồn như kim loại cơ bản, kim loại phụ, dầu mỡ, dung môi hoặc từ điều kiện môi trường xung quanh Do nhôm dẫn điện tốt, quá trình hàn cần sử dụng nguồn nhiệt có công suất lớn hoặc nguồn xung.

Trong quá trình hàn hiện tượng nứt nóng thường xảy ra với các hợp kimnhôm7XXX.Nhữngvếtnứtnàyxảyranga ytrongquátrìnhhànvàkhikimloại

(gây hồ quang, dịch chuyển que hàn, thay que hàn , ) đều do người thợ hàn thực hiện bằng tay. vẫncònnóng.NóthườngxảyratrongvùngHAZvàgọilàhiệntượngnứtnóng.

Cácphươngpháp hànnhômvàhợpkimnhôm

Hiện nay, công nghệ hàn nhôm đã phát triển mạnh mẽ với nhiều phương pháp đa dạng Các kỹ thuật hàn phổ biến bao gồm hàn SMAW, TIG, MIG, hàn hơi, hàn nổ, hàn laser và hàn plasma.

Hình1.1Sơđồnguyênlýphươngpháphànhồquangquehànthuốcbọc

Hàn hồ quang que hàn thuốc bọc (SMAW) là phương pháp hàn điện nóng chảy sử dụng que hàn có vỏ bọc, giúp thực hiện các thao tác hàn một cách hiệu quả Ưu điểm của phương pháp này bao gồm thiết bị hàn đơn giản, giá thành thấp, và phù hợp cho việc hàn sửa chữa cũng như các chi tiết đơn giản mà không yêu cầu kỹ thuật cao.

Nhược điểm của phương pháp hàn nhôm là mối hàn không liên tục do cần thay que hàn, dẫn đến gián đoạn nguồn nhiệt và ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Hơn nữa, phương pháp này còn gây bắn tóe, gây khó khăn cho công tác vệ sinh sau khi hàn.

Hình1.2Sơđồnguyênlýphươngpháphàn TIG

HànTIGhaycòngọilà hànhồquangđiệncựckhôngnóngchảy(Tungsten)trong môitrườngkhítrơbảovệ. Ưuđ i ể m : P h ư ơ n g p h á p n à y ứn g d ụ n g t r o n g h à n n h ô m k h á n h i ề u , c h o c h ấ t l ượng mốihàntốt,tuynhiênthườngchỉứngdụngtronghàncáctấm mỏng.

Nhượcđ iể m: P h ư ơ n g p h á p T I G ch on ă n g suấ tt h ấ p v à đò ih ỏ i t ay nghềt hợ h àncao,đâycũnglànguyênnhânlớndẫnđếngiáthànhsản phẩm tăng.

Hàn MIG[1][3]là phương pháp hàn hồ quang với điện cực nóng chảy trongmôitrườngkhítrơbảovệ.

Phương pháp hàn MIG/MAG nổi bật với việc cấp dây hàn liên tục, giúp tăng tốc độ hàn so với các phương pháp hàn TIG và SMAW.

Sản phẩm hàn MIG/MAG mang lại kết quả hàn mịn màng, đẹp mắt và sạch sẽ mà không cần sử dụng thuốc hàn Điều này giúp loại bỏ xỉ bắn tóe trên bề mặt, từ đó không cần làm sạch bề mặt sau hàn, góp phần giảm tổng chi phí hàn hiệu quả.

2 Nhược điểm: đi cùng với các ưu điểm trên, phương pháp MIG/MAG cũngcómộtsốnhượcđiểmsau:

Quá trình hàn TIG và hàn que yêu cầu kiểm soát chặt chẽ một số thông số quan trọng như dính điện cực, góc nghiêng điện cực, và chế độ hàn (U, I, V,…) Ngoài ra, kiểu và đường kính dây hàn, cũng như kiểu tay hàn cũng cần được lựa chọn kỹ càng Việc lựa chọn và kiểm soát đúng các thông số này là cần thiết để đạt được mối hàn có kết quả tốt.

- Thiếtbịhànthìkhálà phứctạp,đắttiền,tính diđộngthấp.

- Khíbảovệcóthểdễdàngpháttánnếuđiềukiệnchechắnkhôngđượctốt,do đó hànMIG/MAGsẽ gặp rấtnhiều khó khăn trongđiều kiện hàn ở ngoàit r ờ i nếukhôngđượcchechắntốt.

Tốc độ nguội của kim loại hàn cao dẫn đến khả năng khí thoát không kịp, gây ra hiện tượng rỗ khí trong mối hàn Đồng thời, vùng HAZ cũng dễ bị xâm nhập bởi hydro, dẫn đến nứt nóng, đặc biệt là với các hợp kim nhôm 7XXX và 6XXX.

Phân tích,tổng hợp và đánh giácác côngt r ì n h n g h i ê n c ứ u c ủ a c á c t á c g i ả trong và ngoài nước về công nghệh à n n h ô m v à h ợ p k i m n h ô m b ằ n g v ớ i c á c phươngpháphànkhácnhau.

Phân tích đặc điểm và tính công nghệ của nhôm và hợp kim nhôm, đặc biệt là hợp kim nhôm A5083, giúp lựa chọn phương pháp hàn phù hợp và hiệu quả cho hợp kim này.

Lựa chọn phương pháp hàn MIG để hàn mối ghép góc chữ T hợp kim nhômA5083.

Công nghệhànnhômvàhợp kimnhôm

Phương pháp hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ đã được giới thiệu từ năm 1920, nhưng chỉ được ứng dụng rộng rãi từ năm 1948 Quá trình hàn này sử dụng nguồn nhiệt từ hồ quang tạo ra giữa điện cực nóng chảy (dây hàn) và vật hàn, đồng thời bảo vệ hồ quang và kim loại nóng chảy khỏi tác động của môi trường bên ngoài.

Oxy và Nitơ là hai loại khí có mặt trong môi trường xung quanh, có thể tồn tại dưới dạng khí trơ hoặc khí hoạt tính Khi hàn, khí trơ không tác dụng với kim loại lỏng, trong khi khí hoạt tính có khả năng tạo ra các phản ứng hóa học, giúp đẩy không khí ra ngoài khu vực hàn và giảm thiểu tác động tiêu cực Phương pháp hàn này được gọi là GMAW (Gas Metal Arc Welding).

Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí hoạt tính (CO2,CO

2,…) gọi là phương pháp hànMAG (Metal Active Gas), thường được sửdụngrộngrãiđểhànkimloạithépcarbonvàthéphợpkimthấptrong côngnghiệp.

Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ, như Argon (Ar) và Helium (He), được gọi là phương pháp hàn MIG (Metal Inert Gas) Phương pháp này thường được áp dụng để hàn các kim loại màu và hợp kim kim loại màu.

Phương pháp hàn MIG cho nhôm và hợp kim nhôm có thể thực hiện theo kiểu bán tự động hoặc tự động Với kỹ thuật này, bạn có thể hàn các loại nhôm và hợp kim nhôm ở mọi tư thế, chỉ cần lựa chọn vật liệu hàn và các thông số hàn phù hợp.

Đặcđiểm

Dòng một chiều cực nghịch (bắn phá catot màng Al2O3 bằng các ion dương) trong hàn TIG giúp tạo mối hàn có chất lượng cao nhờ khả năng khử tạp chất oxit nhôm hiệu quả Đường kính dây hàn thường dao động từ 1,2 đến 1,5 mm, và khi sử dụng dây lớn hơn, quá trình hàn chỉ ổn định với dòng điện trên 130A đến 140A, cho phép hàn các tấm có độ dày từ 4 đến 6 mm Đối với các tư thế hàn ngang và hàn trần, cần giảm cường độ dòng hàn từ 10 đến 15% để đảm bảo hiệu quả.

Các ưu điểm của dịch chuyển tia là ngấu tốt, hồ quang cứng, hẹp và ổn định dễhànởcáctưthếkhácnhau,cóthểhànmốihàngócnhỏtrênchiềudàilớn.

Cácthôngsốcông nghệ

Dòng điện hàn cần được chọn lựa dựa trên kích thước điện cực dây hàn, dạng truyền kim loại lỏng vào bể hàn và chiều dày liên kết hàn Nếu dòng điện quá thấp, sẽ không đảm bảo ngấu hết chiều dày liên kết, dẫn đến giảm độ bền của mối hàn Ngược lại, dòng điện quá cao có thể gây ra hiện tượng bắn tóe kim loại, làm rỗ xốp và biến dạng mối hàn không ổn định.

Tốc độ cấp dây hàn cần phải phù hợp với tốc độ nóng chảy của điện cực, phụ thuộc vào cường độ dòng điện và đường kính dây hàn Thông thường, tốc độ này được điều chỉnh theo quy định của nhà sản xuất Tuy nhiên, trước khi tiến hành hàn, cần thực hiện thử nghiệm và điều chỉnh tốc độ theo yêu cầu cụ thể của công việc.

2.3.2 Điệnáphàn Điện áp hàn là một thông số quan trọng trong hàn MIG [12-14], quyết địnhdạng truyền kim loại lỏng Điện áp sử dụng phụ thuộc vào chiều dày chi tiết hàn,kiểu liên kết, kích thước điện cực dây hàn, thành phần khí bảo vệ, dây hàn Để cógiá trị điện áp hàn hợp lí, ta phải tiến hành hàn thử với các giá trị điện áp tra bảnghoặctínhtoán,sauđótaquansátđườnghànđểchọngiátrịthíchhợp.

Mối quan hệ giữa điện áp hàn và cường độ dòng điện hàn quyết định đến hìnhthứcdịchchuyểnkim loạilỏngvào bểh à n từđóảnhhưởngđếnh ìn h dáng, kí ch thướcvàchiều sâungấucủamốihàn,[18].

Hình2.2Cácdạngdịchchuyểnkimloạivảo bểhàn

Sự tiêu hao khí bảo vệ trong quá trình hàn phụ thuộc vào cường độ dòng điện, đường kính dây hàn và kích thước miệng phun Lưu lượng khí bảo vệ không đủ có thể dẫn đến mối hàn bị xốp và làm tăng lượng kim loại lỏng bắn tóe, gây khó khăn trong việc hàn nhôm và hợp kim nhôm Ngược lại, lưu lượng khí bảo vệ dư thừa với miệng phun nhỏ có thể tạo ra dòng khí xoáy, hút không khí từ môi trường vào bể hàn, gây lãng phí không cần thiết.

Khi chọn đường kính dây hàn, cần lưu ý rằng đường kính lớn hơn thường phù hợp với chi tiết hàn dày hơn Tuy nhiên, việc lựa chọn đường kính dây hàn ảnh hưởng đáng kể đến kiểu dịch chuyển của kim loại lỏng vào bể hàn Đối với dòng điện hàn cho trước, việc giảm đường kính dây hàn sẽ dẫn đến việc tăng tốc độ dịch chuyển của kim loại lỏng và làm tăng tốc độ nóng chảy của điện cực, do mật độ dòng điện tăng lên.

Tốc độ hàn quyết định tới chiều sâu ngấu của mối hàn Nếu tốc độ hàn thấp,kíchthướcvũnghànsẽlớnvàngấusâu.Khităngtốcđộhàn,tốcđộcấpnhiệtcủahồq uangvàomốihànsẽgiảm,làmgiảmđộngấuvàthuhẹpmối hàn[1][6].

Khi tăng chiều dài phần nhô của dây hàn, nhiệt độ nung nóng sẽ tăng lên, dẫn đến việc giảm cường độ dòng điện cần thiết để làm nóng chảy điện cực với tốc độ cấp dây nhất định Khoảng cách này rất quan trọng trong quá trình hàn, vì chỉ cần một sự biến thiên nhỏ cũng có thể làm tăng cường độ dòng điện một cách rõ rệt.

Chiều dài phần nhô ra của mối hàn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng hàn; nếu quá dài, sẽ dẫn đến dư kim loại nóng chảy và giảm độngấu, đồng thời làm giảm tính ổn định của hồ quang Ngược lại, nếu chiều dài phần nhô ra quá ngắn, sẽ gây ra hiện tượng bắn tóe, khiến kim loại bắn tóe dính vào mỏ hàn ống chụp, gây cản trở trong quá trình bảo vệ mối hàn và tạo ra rỗ xốp trong mối hàn.

Hầu như mọi máy hàn MIG đều được dùng điện DC Tùy theo máy, cường độdòng điện trong khoảng vài trăm tới khoảng 1200A, điện ápđầuv à o

Khí Argon là một loại khí được chiết xuất từ khí quyển thông qua quy trình hóa lỏng không khí, đạt độ tinh khiết lên tới 99,98% Khí này thường được lưu trữ trong các chai khí với áp suất cao hoặc dưới dạng lỏng ở nhiệt độ -185,5ºC.

Khí bảo vệ Argon và Heli được sử dụng trong hàn MIG không chỉ để bảo vệ vùng hàn mà còn giúp làm mát điện cực Argon là khí trơ, không màu, không độc, nặng khoảng 1,5 lần so với không khí với tỷ trọng 1,783 g/l, và không hòa tan trong kim loại ở trạng thái lỏng hay rắn Trong khi đó, Heli có tỷ trọng chỉ 0,187 g/l, tức là Argon nặng gấp 10 lần Heli Do những đặc tính này, Argon thường được sử dụng rộng rãi hơn Heli trong các ứng dụng hàn.

Nó tạo ra hồ quang cháy êm hơn và điện áp hồ quang thấp hơn khi sử dụng cùng một dòng hàn với các khí khác Ngoài ra, khí này có tác dụng làm sạch bề mặt vật liệu khi hàn nhôm và cung cấp khả năng bảo vệ tốt hơn với lưu lượng thấp hơn do tính nặng hơn so với khí Heli.

Khí Heli là loại khí phong phú thứ hai, chỉ sau khí Argon, và khi sử dụng trong hàn, khí Heli tạo ra điện áp hồ quang cao gấp 1,7 lần so với khí Argon Bên cạnh đó, nguồn nhiệt của hồ quang khí Heli cũng lớn gấp 1,7 lần so với khí Argon, làm cho nó trở thành lựa chọn ưu việt trong các ứng dụng hàn.

Trong ngành công nghiệp, khí Argon được sản xuất từ không khí thông qua quá trình làm lạnh, biến không khí thành trạng thái lỏng Sau đó, quá trình bay hơi sẽ tách Argon ra khỏi các thành phần khác trong hỗn hợp khí, dựa vào nhiệt độ sôi của từng chất.

Chế độ hàn nhôm trong môi trường khí bảo vệ điện cực nóng chảy

Ứngsuấtdư

Vậtliệuhàn

ER2319 6,3Cu,(V +Zr)cókiểmsoát;Al cònlại

ER4145 10Si,4Cu;cònlạilà Al

Chọn vật liệu hàn cho hàn nhôm là bước rất quan trọng, vì nếu lựa chọn không phù hợp, có thể dẫn đến nứt tại kim loại mối hàn do tính dẻo và độ bền thấp khi nhiệt độ đột ngột tăng Để giảm nguy cơ nứt giữa các tinh thể trong vùng ảnh hưởng nhiệt, nên sử dụng vật liệu hàn có nhiệt độ nóng chảy bằng hoặc thấp hơn kim loại cơ bản, tức là có hàm lượng các nguyên tố hợp kim cao hơn.

Đánh giá các yếu tố công nghệ có ảnh hưởng trực tiếp đến hình dáng và kích thước của bể hàn là rất quan trọng trong quá trình hàn hợp kim nhôm Chất lượng mối hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó dây hàn (vật liệu bổ sung) đóng vai trò chủ chốt Sự tương tác giữa dây hàn và quy trình hàn sẽ quyết định đến chất lượng mối hàn, vì vậy cần chú trọng đến việc lựa chọn dây hàn phù hợp để đảm bảo hiệu quả và độ bền của mối hàn.

- Khảo sát đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số tới ứng suất và biếndạngdư hàn.

Cácvầnđềnhiệttrongquátrình hàn

Năng lượng đường là một trong những thông số quan trọng để xác định nhiệt độ trong vật hàn, đóng vai trò là công suất từ nguồn nhiệt hàn tạo nên mối hàn Năng lượng này có thể được định nghĩa qua công Q (J) của nguồn nhiệt tức thời hoặc công suất nguồn nhiệt liên tục trong một đơn vị thời gian (W) Đối với hàn giáp mối, năng lượng đường được tính theo lượng nhiệt cung cấp cho mỗi đơn vị chiều dài của mối hàn hoặc chiều dày tấm hàn, ký hiệu là q w (J/mm), với q w = Q/v, trong đó v là tốc độ di chuyển của hồ quang hàn (mm/s) Đối với các quá trình hàn hồ quang thông dụng, năng lượng đường được tính từ công suất nhiệt của hồ quang, bao gồm dòng điện một chiều hoặc xoay chiều.

Trong đóUlà điện áp,Ilà cường độ dòng điện hàn một chiều vàI hd là cườngđộhiệudụngcủadòngđiệnhànxoaychiều.

Khi nguồn nhiệt có mật độ nhiệt năng phân bố theo chuẩn Gauss, nhiệt lượng truyền vào vật hàn được xác định từ nguồn nhiệt phẳng (J/mm²) hoặc nguồn nhiệt khối (J/mm³) Các nguồn nhiệt có cường độ cao như hàn hồ quang hoặc hồ quang plasma thường có đặc trưng phân bố cao và hẹp theo chuẩn Gauss, trong khi đó, các nguồn nhiệt cường độ thấp như hàn khí có phân bố Gauss thấp và hẹp.

Hiệu suất của hồ quang hàn là tỷ lệ giữa phần năng lượng của hồ quangtruyềnvàovậthànsovớitoànbộnănglượngcủahồquang[7]

Nhiệt tỏa ra từ hồ quang bao gồm bức xạ vào không khí xung quanh, truyền nhiệt đối lưu trong vũng hàn, đối lưu nhiệt với môi trường và dẫn nhiệt từ vị trí nóng đến vị trí lạnh trong vật hàn Ngoài ra, còn có sự truyền dẫn tản nhiệt vào điện cực Nhờ vào đối lưu nhiệt từ dòng khí chuyển động trong cột hồ quang, nhiệt được truyền vào vật hàn và tổn thất vào môi trường xung quanh.

Bức xạ nhiệt trong quá trình hàn bao gồm tổn thất từ hồ quang và bề mặt vật hàn Khi thực hiện hàn hồ quang tay và hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ, nhiệt hấp thụ bởi điện cực sẽ được truyền vào vật hàn Điều này xảy ra do hiệu suất của các quá trình hàn này cao hơn so với hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ.

Cóthểsửdụng cáccông thứcsauđâyđểtính hiệu suất hồquang hàn:

UI Đối vớiquátrìnhhànsửdụng điện cựckhôngnóngchảyvà

Trong các công thức, q là nhiệt truyền vào điện cực, qplà nhiệt bức xạ và đối lưu từ cột hồ quang, qwlà nhiệt truyền vào vật hàn, m là nhiệt tổn thất do bức xạ, n là nhiệt truyền vào vật hàn từ cột hồ quang, U là điện áp hồ quang, và I là cường độ dòng điện qua hồ quang.

Hiệu suất của các quá trình hàn ống và hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ dao động từ 66% đến 85% Đối với hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ, hiệu suất hồ quang đạt khoảng 21%.

Trung bình, khoảng 80% lượng nhiệt sinh ra được sử dụng một cách hữu íchđểhìnhthànhmốihàn.

Bảng3.1SơđồcânbằngnhiệtkhihànGMAW 20%,vào môitrường (+0,5%,bắn tóe)

Cácloạinguồnnhiệttronghàn

Nhiệt trường là tập hợp những điểm có nhiệt độ trong một vật thể hoặc trongkhônggiantạimộtthờiđiểmn à o đó.

Nhiệt trường là hàm số của không gian và thời gian Phương trình tổng quátcủatrườngnhiệtđộcódạngt=f(x,y,z,  ).

Nếu trường nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thờigianthìgọilànhiệttrườngổnđịnh.

Nhiệt trường không ổn định xảy ra khi nhiệt độ thay đổi theo cả không gian và thời gian Tùy thuộc vào sự biến đổi nhiệt độ theo các trục tọa độ, nhiệt trường có thể được phân loại thành một chiều, hai chiều hoặc ba chiều.

Gradientnhiệtđộ:Giảsử biến thiênnhiệtđộgiữahaimặt đẳngnhiệtliềnnhau là t,khoảngcáchgiữachúngtheophươngpháptuyếnlà n,theophươngxlà  x,

Hình3.1PhươngvàchiềucủagradT làsự gi a tăngn hi ệt độtrên m ộ t đ ơ n vịđ ộ dà i, vì nx nên

n x phươngpháp tuyến.Khihai mặttiếnsáttớinhau: lim  t

Gradient nhiệt độ là véc-tơ chỉ phương pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt, có chiều tăng của nhiệt độ, trong khi dấu (-) biểu thị chiều ngược lại với dòng nhiệt Nó thể hiện tốc độ biến thiên của nhiệt độ trên một đơn vị độ dài theo phương pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt Khi t > 0, thì grad T > 0, dẫn đến hiện tượng dẫn nhiệt và sự xuất hiện của dòng nhiệt trong vật thể Định luật Fourier và hệ số dẫn nhiệt là những khái niệm quan trọng liên quan đến hiện tượng này.

Khinghiêncứuquátrìnhdẫnnhiệttrongvậtthể,Fourierđãpháthiện:“Một lượngn h i ệ t d Q t r u y ề n q u a m ộ t b ề m ặ t d F t r o n g t h ờ i g i a nds ẽt ỷ lệ t h u ậ n v ớ i gra dientnhiệtđộ,vớithờigianvàdiệntíchbềmặt”: dQ  dtdF

d  dn (bỏquachiều,chỉ xét độlớn) 3.6

Nếuquátrìnhlàổnđịnh: Q  dtF  dn với,l àhệsốdẫnnhiệt(hệsốtỷlệ, độdẫnnhiệt),Qlànhiệtlượng,Flà bềmặtvuônggócvớiphương dẫnnhiệt(m 2 ),

Hệ số dẫn nhiệt của chất rắn phụ thuộc vào nhiệt độ, với xu hướng tăng khi nhiệt độ tăng Đối với các vật thể rắn đồng chất, mối quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt và nhiệt độ có thể được mô tả bằng một công thức cụ thể.

3.7 làhệsốdẫnnhiệtở0( o C),tlà nhiệt độ làm việc, b là hệ số nhiệt độ, được xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộcvàotínhchấtcủavật liệu.Đơnvịcủal à W / m o C.

Sự truyền nhiệt năng trong kim loại chủ yếu diễn ra qua các điện tử tự do, trong khi dao động của nguyên tử dưới dạng sóng đàn hồi không có ảnh hưởng lớn Khi nhiệt độ tăng, sự hỗn loạn của điện tử tự do cũng tăng theo, dẫn đến hệ số dẫn nhiệt tăng Tuy nhiên, khi có lẫn tạp chất khác, hệ số dẫn nhiệt sẽ giảm do sự gia tăng tính hỗn loạn của cấu trúc mạng, gây ra sự phân tán lớn hơn của điện tử tự do.

Phân tích quá trình truyền nhiệt trong hàn giúp hiểu rõ mối quan hệ giữa nhiệt độ vật hàn và thời gian Quá trình này bao gồm nhiều hiện tượng phức tạp như bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt và chuyển động của dòng kim loại nóng chảy.

Giải quyết bài toán truyền nhiệt yêu cầu giải các phương trình vi phân Các phương pháp số phổ biến hiện nay bao gồm phương pháp sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn Ngoài ra, phương pháp giải tích cũng có thể được áp dụng, mặc dù còn một số hạn chế, nhưng phương pháp này có ưu điểm là cung cấp thông tin nhanh chóng và tiện lợi về thời gian và nhiệt độ hàn khi có nghiệm giải tích.

Hầu hết các quá trình hàn sử dụng khi hàn các tấm dày, dòng nhiệt truyềntrong tấmmangtínhchất3 chiềukhônggian(3D)[6][7] Đểmôphỏngtruyềnnhiệt

Để phân tích nguồn nhiệt trong hàn, cần sử dụng mô hình 3D với nguồn nhiệt có mật độ phân bố dạng khối cầu hoặc khối elipsoid Trong trường hợp hàn tấm tương đối mỏng, có thể áp dụng phương pháp hàn bằng một đường hàn duy nhất, cho phép sử dụng các phương trình dòng nhiệt hai chiều (2D) dựa trên nguồn nhiệt 2D Đối với nguồn nhiệt công suất lớn và di chuyển nhanh, dòng nhiệt theo hướng di chuyển của nguồn nhiệt có thể được bỏ qua, dẫn đến việc coi đây là trường hợp dòng nhiệt một chiều.

Bài viết này sẽ phân tích các nguồn nhiệt khác nhau và phương pháp giải tích để giải quyết các bài toán truyền nhiệt trong quá trình hàn Chúng tôi sẽ không xem xét tổn thất nhiệt do bức xạ và đối lưu Sự phân bố nhiệt theo thời gian sẽ được tính toán dựa trên các phương trình dẫn nhiệt cổ điển trong môi trường vật rắn.

Trongđó a là hệsốkhuếchtánnhiệt(còngọilàhệsốtruyềnnhiệtđộ)của vậtliệudẫnnhiệt( a  k/

Phương trìnhnày cóthểbiểudiễnởhệtọa độtrụ( r,  ,z)nhưsau:

Bềmặtcáchnhiệthoànhảo: T(x,y,z,t)/n  0. Đốilưutạibềmặt:màn gdẫnnhiệtbềmặt. kT(x,y,z,t)/nh  T o  T(x,y,z,t )  trongđóhlàhệsố

1,T2l àcácnhiệtđộtạibềmặt tiếpxúcvàk 1 ,k 2l à cáchệsốdẫn nhiệttươngứngcủahaivật tiếpxúcnhau.

Biểu diễn sự phân bố nhiệt độ trong một vật có kích thước vô hạn từ một nguồn nhiệt tại điểm (x’,y’,z’) cho phép tính toán nhiệt lượng toàn phần Nhiệt lượng này được xác định bằng cách thực hiện tích phân các lượng nhiệt trong đơn vị thể tích dxdydz tương ứng với nhiệt độ T(x,y,z,t).

 exp 4a t  dx  exp 4a t  dy  exp 4a t  dz  Q  c

Phân bố nhiệt độ theo phương trình (1.10) tương ứng với tổng lượng nhiệt cung cấp Q  c Khi thời gian tiến tới giá trị 0, phương trình này đạt giá trị 0 tại tất cả các điểm trong vật rắn vô hạn, ngoại trừ điểm (x’,y’,z’), nơi nó đạt giá trị vô cùng Do đó, nghiệm của phương trình (1.10) có thể được coi là phân bố nhiệt độ tương ứng với nguồn nhiệt có độ lớn Q  c, tại thời điểm t = 0 ở điểm (x’,y’,z’) Nghiệm này được gọi là phân bố nhiệt độ do nguồn nhiệt điểm tức thời tại điểm (x’,y’,z’) với độ lớn Q tại thời điểm t = 0.

Dựa trên nguồn nhiệt tức thời, một vật rắn vô hạn với nhiệt độ ban đầu T0(x,y,z) có thể được xem như có phân bố nhiệt độ do vô số nguồn nhiệt điểm hình thành tại thời điểm t=0 trên toàn bộ thể tích của vật thể.

Nhiệt độ T(x,y,z,t) tại một điểm bất kỳ trong vật thể (x,y,z) bị ảnh hưởng bởi các nguồn nhiệt xung quanh Để tính toán nhiệt độ tại điểm đó, ta cần thực hiện tích phân trên toàn bộ thể tích của vật thể, cụ thể là tích phân cT 0(x',y',z')dx'dy'dz' tại điểm (dx', dy', dz').

T(x,y,z,t)  T 0 ( x'),y'),z'))exp  4at dx')dy')dz')

Nguồn nhiệt điểm là phương pháp phổ biến để mô phỏng quá trình hàn đắp trên bề mặt vật rắn hoặc tấm dày Phương pháp này sử dụng một lượng nhiệt hữu hạn, cho phép tạo ra các kết quả chính xác trong việc hàn đắp.

Nghiệm cho bài toán nguồn nhiệt tức thời trong một vật rắn có kích thước vô hạn, với biểu thức 2Q x2 + y2 + z2 tỏa ra tại một điểm và thời điểm cho trước, được coi là nghiệm căn bản trong phân tích nhiệt.

Khi tính toán tích phân theo thời gian, ta có thể xác định nghiệm cho nguồn nhiệt điểm liên tục tại một vị trí nhất định với tốc độ tỏa nhiệt q(t) Nếu lượng nhiệt cung cấp không phụ thuộc vào thời gian (Q=q(t)) và được duy trì đủ lâu, nghiệm này sẽ tương đương với trường hợp nguồn nhiệt điểm ổn định Bằng cách tích phân theo các biến số không gian thích hợp, ta có thể nhận được nghiệm cho các bài toán liên quan đến nguồn nhiệt ở các dạng như đường, mặt phẳng, mặt cầu hoặc mặt trụ với các vật thể khác nhau Đối với các quá trình hàn nhanh như hàn điểm, nguồn nhiệt điểm cố định và tức thời là mô hình đơn giản nhưng hiệu quả Trong trường hợp này, nguồn nhiệt điểm sẽ có lượng nhiệt Q tác động tức thời tại thời điểm t=0 tại vị trí gốc của hệ tọa độ Oxyz, nằm giữa bề mặt của vật hàn bán vô hạn, với điểm (x’,y’,z’) được mô tả trong phương trình (1.10) sẽ là (0,0,0).

Hình3.2Nguồn nhiệt điểmtứcthờitrongvật thểbánvô hạn

Tương quan nhiệt độ theo thời gian cho một điểm bất kỳ(x,y,z)nằm cáchnguồn nhiệt điểm một khoảngRđã được Rykalin (trích dẫn tài liệu Rykalin) giảinhưsau:

Giớithiệunguồn nhiệtkhi hàntấmmỏng

Hình 3 7minh họa khi hàn tấm mỏng[6][7], thường khi hàn tấm mỏngnguồn nhiệt là nguồn nhiệt đường, chiều dày tấm là S và ở nhiệt độ ban đầu T0 Tạithời gian t

Nguồn nhiệt di chuyển với tốc độ không đổi v theo phương x, làm tăng nhiệt độ tại điểm P lên một lượng T - T0 trong khoảng thời gian t Giả thiết rằng nhiệt độ không thay đổi theo chiều dày của tấm, theo công thức 1.46, nguồn nhiệt cơ bản dJ = Q.dt’ sẽ giải phóng ra tại vị trí vt’ và làm tăng nhiệt độ lên một lượng dT tại điểm P trong thời gian t.

Thời gian t’’ = t - t’ là khoảng thời gian mà nguồn nhiệt di chuyển đến điểm P Khi chúng ta quan tâm đến điểm P của nguồn nhiệt tại thời gian t, chúng ta mong muốn có lời giải không phụ thuộc vào thời gian Điều này được thực hiện bằng cách chuyển hệ trục tọa độ từ O đến O’.

' vx r 2 v 2 t'' dT Sk4 t''exp  4at''  exp  

Với 4a ta có TT 0 2S  k exp  2a  K 0  2 a 

Hình3.8Sựphânbốnhiệthàntrongtấmmỏng Đểđơngiảntrongviệctínhtoánsựphânbốnhiệtđộởtrạngtháigiảổnđịnhtrườnghợphàntấm mỏng,ngườitađưacácthamsốkhôngthứ nguyênvào:

(mm);v:vậntốchàn(mm/s); a:hệsốdẫnnhiệt(tùythuộc vàotừng loạivật liệu);

Sự phân bố nhiệt độ ở trạng thái giả ổn định phụ thuộc vào tham số (/ n3).Nhưngdạngcủađườngđẳngnhiệtkhôngbịảnhhưởngcủavậntốchànvìcảvàn 3đ ề u tỷlệvới vậntốchàn(v).

Phươngt r ì n h ( 1 5 3 ) đ ư ợ c s ử d ụ n g đ ể t í n h c h i ề u r ộ n g v ù n g đ ẳ n g n h i ệ t l ớ n nhấtmv àtiếtdiệnngang(2)khihàntấmmỏng.

Khoảngc á c h t ừ t â m n g u ồ n n h i ệ t t ớ i p h í a t r ư ớ c (’)v à p h í a s a u (”)c ủ a đườ ngbaođẳngnhiệtđạtđượcbằngcáchthay5=vàophương trình

Phươngtrình(1.58)cũnglàcơsởđểtínhthờigiannguộitrongkhoảngthờigianxá cđịnhnàođó(vídụtừ 275 0 Cxuốngnhiệtđộbanđầucủa vậtliệu).

Hầu hết thép kết cấu trong chế tạo kết cấu hàn trải qua quá trình phân hủy austenit dưới nhiệt độ Ar1, đặc biệt trong dải nhiệt độ 800 ÷ 500 °C, nơi dễ hình thành tổ chức kim loại có độ cứng cao và nhạy cảm với nứt Do đó, các nhà nghiên cứu đã đề xuất sử dụng thông số thời gian nguội, gọi là Δt8/5, để đặc trưng cho quá trình nguội trong khoảng nhiệt độ này, khi đường cong nguội thường không tuyến tính Giá trị tiêu biểu của thời gian nguội này rất quan trọng đối với liên kết hàn thép kết cấu.

Đối với thép hợp kim thấp, quá trình chuyển biến pha xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều, từ 500 đến 300°C Nhiều nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng khoảng nhiệt độ nguội từ 800 đến 150°C là đặc trưng cho quá trình nguội của chu trình nhiệt hàn Hơn nữa, tốc độ nguội ở 300°C cũng ảnh hưởng đến sự khuyết tán của hydro và tính nhạy cảm của thép đối với nứt nguội do hydro gây ra.

Trường nhiệtđộ

Việc xác định trường nhiệt ảnh hưởng đến quá trình hàn là rất quan trọng, với hai yếu tố chính cần lưu ý Đầu tiên là loại nguồn nhiệt và phân tích nhiệt độ ở trạng thái dẻo, điều này ảnh hưởng đến tỷ số nguồn nhiệt, tốc độ di chuyển của nguồn nhiệt, và chiều dày tấm hàn Yếu tố thứ hai liên quan đến sự biến dạng tại nguồn nhiệt, sự phân bố nguồn nhiệt, và việc hình thành ứng suất dư.

Hệ số dẫn nhiệt được xác định theo công thức (3.1), dòng năng lượng từ vùngnhiệtđộcaođếnvùngcónhiệtđộthấphơn,gradientnhiệtđộT:

Trongđ ó kl à h ệ s ố d ẫ n nhiệ tc ủ a v ậ tl iệ u v à=

Nguồn nhiệt luôn truyền theo hướng giảm nhiệt độ, do đó, hiện tượng Q” mang dấu dương Để thay đổi nhiệt độ của vật liệu, cần có nguồn năng lượng xác định bởi các thông số của nguồn nhiệt, chẳng hạn như năng lượng riêng (hoặc gia số Enthalpy, H) Dòng nhiệt và sự phân bố nhiệt độ được biểu thị bằng Q’”(W/m³), và sự bảo toàn năng lượng được xác định theo công thức (3.2).

Trong nghiên cứu nhiệt học, công thức liên quan đến thời gian (t) và khối lượng riêng (ρ) của vật liệu cần được áp dụng trong bối cảnh có điều kiện biên và điều kiện ban đầu rõ ràng Điều kiện biên có thể là độ lập (nhiệt độ trước) hoặc tự nhiên (dòng nhiệt trước) và thời gian Hệ số truyền nhiệt được xác định thông qua hai hình thức: bức xạ nhiệt độ và trao đổi nhiệt (đối lưu) Nhiệt độ của vật hàn được đo bằng độ C (Celsius), trong khi sự bức xạ nhiệt liên quan đến nhiệt độ T0 tuân theo định luật Stefan-Boltzmann.

Nhiệt độ tại điểm khảo sát là T, được bao quanh bởi chất lỏng hoặc khí ở nhiệt độ T0 Sự đối lưu nhiệt diễn ra giữa các lớp nhiệt (lớp hàn) với hệ số truyền nhiệt a Do đó, sự chênh lệch nhiệt độ giữa các biên nóng chảy tạo ra dòng chảy Q”con, được xác định.

Trong đó Pr làhệsố Prandtl vàRe là hệsố Reynolds,ahệsố truyềnnhiệt, k làhệsốdẫnnhiệt(W/mK)vớimlàchiềudàylớpbiên.Độdẫnnhiệttrongkhôngkhí thườngtrong khoảng(210) W mK

ViệcphântíchFEMvớicácđiềukiệnbiênđượcứngdụngđểxácđịnhgiátrịcủahệ sốtruyền nhiệtvànhiệtđộở các vùng lân cận

Sựphânbốnhiệt độởtrạng tháigiảổnđịnh

Việc tìm nghiệm cho bài toán dòng nhiệt gặp nhiều khó khăn do phụ thuộc vào tính chất nhiệt độ của kim loại cơ bản Hầu hết các kim loại và hợp kim đều có các giả thiết không thực, vì cả hai hệ số dẫn nhiệt và hệ số truyền nhiệt đều có sự biến đổi.

c nhiệtđộ. vàn hi ệt d u n g kh ối (c)c ó t hể r ấ t đ a dạ n g p h ụ t hu ộc v à o

Nguồn nhiệt trong quá trình hàn là nguồn nhiệt di động theo chiều dài đường hàn Giả thiết rằng nguồn nhiệt di chuyển với tốc độ không đổi và theo đường thẳng, thì đường bao nhiệt nhìn từ nguồn nhiệt sẽ ở trạng thái giả ổn định Trạng thái giả ổn định được định nghĩa là trạng thái mà nhiệt độ không thay đổi theo thời gian tại vị trí quan sát ở phía sau nguồn nhiệt.

Một cách khác để mô tả điều kiện so sánh nhiệt độ xung quanh nguồn nhiệt là việc xác định điểm nằm dọc theo đường hàn có nhiệt độ khác biệt so với điểm nằm xa nguồn nhiệt Sự khác biệt này được thể hiện rõ ràng trong hình 3.10, cho thấy sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian hàn không đồng đều.

Trong hàn, kim loại cơ bản sẽ được nung nóng vàm ộ t p h ầ n k i m l o ạ i n ó n g chảytạothànhbểhàn.

Sự khác biệt giữa vùng kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) là rất quan trọng Nhiệt độ đỉnh và tốc độ nguội đóng vai trò quyết định trong việc hình thành cấu trúc tế vi của HAZ, nơi mà gradient nhiệt độ, tốc độ kết tinh và tốc độ nguội ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn.

Hình3 11Batrạngtháicơ bảntronghàn hồquang

Trạng thái 1: Giai đoạn bão hòa nhiệt đó là trạng thái nhiệt độ xung quanhnguồnnhiệttănglên.

Trạng thái 2: Giai đoạn giả ổn định là trạng thái mà nhiệt độ phân bố ổn địnhtrong mộthệthốngtọa độ,dichuyểncùngvớinguồnnhiệt.

Trạng thái 3: Giai đoạn san phẳng mà ở đó nhiệt độ sẽ giảm khi hồ quang hànkếtthúc.

Sự giãn nở và co ngót do nhiệt chủ yếu xảy ra ở phần KLCB, trong khi vùng HAZ duy trì trạng thái giả ổn định Ở giai đoạn này, việc tính toán trở nên đơn giản hơn, tương tự như giải bài toán với nguồn nhiệt ổn định và di động Trạng thái giả ổn định chỉ xuất hiện gần tâm mối hàn trong quá trình hàn dài, và phần lớn tính toán dòng nhiệt dựa vào sự phân bố nhiệt độ trong trạng thái này Tuy nhiên, ở vùng gần trạng thái 1 lúc bắt đầu và trạng thái 3 lúc kết thúc một đường hàn, dòng nhiệt trở nên không ổn định Nếu mối hàn quá ngắn, trạng thái giả ổn định sẽ không đạt được, dẫn đến việc tính toán dòng nhiệt trong trạng thái không ổn định phức tạp hơn nhiều so với trạng thái giả ổn định.

Giả thiết là nguồn nhiệt tức thời tại thờiđiểm t = 0v ớ i v ậ t t h ể b á n v ô h ạ n , nhiệt độ ban đầu T 0 Lời giải công thức (Error! Not a valid link.) theo điều kiệnbiênchonguồnnhiệtđườngvới(r0)sẽlà:

Giả thiết cơ bản của dòng nhiệt cấp vào vật hàn là nguồn nhiệt di động đượcpháttriểnbởiRosenthalvàocuốinhữngnăm1930,đâyvẫnlàphươngphápđư ợcápdụngcho đến nay.

Theo Rosenthal nghiên cứu về nguồn nhiệt không đổi từ gốc tọa độ vuông góc (x’, y’, z’) di chuyển với vận tốc ổn định so với hệ tọa độ vuông góc (x, y, z) Vận tốc v di chuyển theo chiều dương của phương x và hai hệ trục tọa độ song song y’=y, z’=z.

Hình3 12 Môhình nguồn nhiệtdi động

Giả thiết rằng độ dẫn nhiệt của vật liệu là đồng nhất, trường nhiệt độ T(x,y,x,t)phải thỏa mãn công thức (Error! Not a valid link.) với Q’”=0 (giả thiết với nguồnnhiệtđiểm):

Tấm dày được xem là đẳng hướng và bán vô hạn với nhiệt độ ban đầu T0, bị giới hạn theo một hướng bởi một mặt phẳng không thoát nhiệt Tại thời điểm t = 0, nguồn nhiệt Q0 không đổi, di chuyển với tốc độ không đổi theo phương x từ vị trí ban đầu.

Hình3 13Nguồn nhiệtđiểmdi độngtrongtấm bán vôhạn, Grong

Trong quá trình truyền nhiệt, một lượng nhiệt lớn được tỏa ra trên bề mặt, được mô tả bằng công thức dJ = Q.dt’ Theo công thức vi phân nhiệt tại điểm P sau thời gian tác động, chúng ta có thể tính toán sự thay đổi nhiệt độ một cách chính xác.

Hình3.14minhhọanguồnnhiệt3chiều,thểhiệnhìnhdángkíchthướcvũnghànkhihà ntấmdày.

Hình3 14Nguồn nhiệt3D trongtấm dày,Rosenthal

Trongkhoảngt h ờ i g i a n từt’ tới t’+dt’lượngn h i ệ t p h á t r a ở b ề m ặ t l à dQ=q 0 dt’.Tacócôngthứctínhnguồnnhiệtđiểmtrongtấmdàynhưsau:

T : là nhiệt độ sau khoảng thời gian tT 0: lànhiệtđộbanđầu (T0=20oC)

Theo(Error!Notavalidlink.)sựtăngnhiệt độởđiểmPtạithờiđiểmt là:

R' y=y0;z=z0;x=x0–vtvàx0–vt’=x+vt-vt’=x+vt”Khiđó:

 vR Mặtkhác:  exp u  u 2 du  2 exp(2m) 2 exp 2a 

Trongtrườnghợp,nếuuđủnhỏ(tứclàkhiđãhànđượcmộtthờigian),tacósựphânb ốnhiệtđộởtrạngtháigiảổnđịnhsau:

Phươngtrình(Error!Notavalidlink.)cònđượcgọilàlờigiảichotấmdàyRosenthal. Đểđơngiảnhóaviệctínhtoánsựphânbốnhiệtđộởtrạngtháigiảổnđịnhngườit ađưavàocácthamsốkhôngthứnguyênđólà:

:hiệusuấtcủahồquang a – hệ số truyền nhiệt (tùy thuộc vào tính chất của từng loại vật liệu)

Chiềurộng vùngđẳngnhiệtmđ ược xácđịnh theocôngthứcsau:

Từgiả thiết của nguồn nhiệt điểm bao gồm các đường đẳng nhiệtb á n h ì n h tròn trongmặtphẳng-, thể tích củav ù n g b a o đ ẳ n g n h i ệ t đ ư ợ c t í n h b ằ n g c á c h lấytíchphânquachiềudàitổngtừ” đến’:

Thểtíchthực(cóthứ nguyên)củavùngbaođẳngnhiệtV(mm 3 )là:

3 vớicácđiểmnằmgầntâmmốihànphíasaunguồnnhiệt( 0,= 0 ) v à 3= -= Thay3v àvào công thức (Error! Not a validlink.)tacó:

 Lấyviphân phươngtrình( Error!Notavalidlink )tađược:

c thayvào( Error!Notavalidlink )tacócôngthứctínhtốcđộnguội chotrườnghợpnguồn nhiệtdiđộngởtrạngtháigiảổnđịnhkhihàntấmdày. o -1

Thời gian nguội từ 800 đến

Khi hàn tấm mỏng, nguồn nhiệt di chuyển với tốc độ không đổi theo phương x, làm tăng nhiệt độ tại điểm P từ T0 lên T trong thời gian t Giả thiết rằng nhiệt độ không thay đổi theo chiều dày tấm, lượng nhiệt giải phóng tại vị trí vt’ sẽ làm tăng nhiệt độ tại điểm P lên một lượng dT trong khoảng thời gian t.

Trong bài viết này, t’’ = t - t’ là thời gian mà nguồn nhiệt di chuyển từ điểm O đến điểm P Khi chúng ta quan tâm đến điểm P của nguồn nhiệt tại thời gian t, chúng ta mong muốn có lời giải độc lập với thời gian Điều này được thực hiện bằng cách chuyển hệ tọa độ từ O đến O’.

Qdt ' vx r 2 v 2 t'' dTSk4t''exp 4at''  exp  

Hình3.16Nguồnnhiệtđườngdichuyểntrong tấmmỏng

4a, r 2  r *2 (3.115) t" v 2 dt" v 2 d 4at" 4 thayvàocôngthứcError!Notavalidlink.tađược

Công thứcError! Not a valid link liên quan đến lời giải tấm mỏng của Rosenthal.Hình

3 17cho ta thấy đường bao đẳng nhiệt càng xa nguồn nhiệt càngdài.

2 Phươngpháptính Đểđơngiảntrongviệctínhtoánsựphânbốnhiệtđộởtrạngtháigiảổnđịnhtrườnghợ phàntấmmỏng,ngườitađưacácthamsốkhôngthứ nguyênvào:

(mm);v:vậntốchàn(mm/s); a:hệsốdẫnnhiệt(tùythuộc vàotừng loại vật liệu);

Sự phân bố nhiệt độ ở trạng thái giả ổn định phụ thuộc vào tham số (/ n3).Nhưngdạngcủađườngđẳngnhiệtkhôngbịảnhhưởngcủavậntốchànvìcảvàn 3đ ề u tỷlệvớivậntốchàn(v).

Phươngtrình(3 127)đ ượ c sửdụngđể tínhchiềurộng vùngđẳngnhiệtlớnn hấtmv àtiếtdiệnngang(2)khihàntấmmỏng.

Khoảng cách từ tâm nguồn nhiệt tới phía trước (’) và phía sau (”) của đườngbaođẳngnhiệtđạtđượcbằngcáchthay5=vàophươngtrình

Phươngtrình(3.132)cũnglàcơsởđểtínhthờigiannguộitrongkhoảngthờigianxácđị nhnàođó(vídụtừ 275 0 Cxuốngnhiệtđộbanđầucủavậtliệu).

Trong chế tạo kết cấu hàn, thép kết cấu thường gặp phải hiện tượng phân hủy austenit dưới nhiệt độ Ar1 Đặc biệt, trong khoảng nhiệt độ 800 ÷ 500 °C, austenit dễ hình thành các tổ chức kim loại có độ cứng cao và nhạy cảm với nứt Do đó, các nhà nghiên cứu đã đề xuất sử dụng thông số thời gian nguội (được tính bằng giây) trong khoảng nhiệt độ này, gọi là Δt8/5, để đặc trưng cho quá trình nguội, khi mà đường cong nguội thường không ổn định.

- Nghiêncứusựphânbốnhiệt độ ởtrạng thái giảổnđịnh khihàntấmmỏng.

GiớithiệuSysweld

Phần mềm được phát triển vào năm 1979 nhằm mô phỏng các quá trình hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn Đến năm 1980, các nghiên cứu về xử lý nhiệt như nứt nguội và khuếch tán hydro đã được tích hợp vào bộ mã của phần mềm Năm 1981, phần mềm chính thức đi vào hoạt động và đã liên tục được cải tiến qua các năm, giúp giải quyết ngày càng nhiều vấn đề phức tạp liên quan đến hàn.

Về cấu trúc tính toán, Sysweld có cấu trúc tính toán dạng module ghép nốinhiềubộtínhtoánlạivớinhau.

Trong bản thân Sysweld có hai module chính là module xử lý nhiệt và modulehàn. Để mô phỏng một quá trình hàn trong Sysweld với module hàn (WeldingAdvisor)

Xây dựng mô hình và chia lưới là bước đầu tiên quan trọng trong việc giải quyết bài toán mô phỏng hàn Trong quá trình chia lưới, cần đảm bảo rằng các phần tử đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật, không có nút tự do hay phần tử trùng lặp, và tất cả các nút phải được liên kết chặt chẽ với nhau, bao gồm việc kiểm tra các cạnh và mặt biên Hiện nay, có thể nhập lưới từ các định dạng NASTRAN (*.nas) và PAMCRASH (*.pc), cũng như từ HYPERMESH, với khả năng xuất nhập trực tiếp sang định dạng SYSWELD ASCII (*.ASC).

Năm 2006, VISUAL MESH đã trở thành công cụ chia lưới hiệu quả cho SYSWELD, phát triển bởi tập đoàn ESI, với khả năng chia lưới trong các trường 1D, 2D và 3D Để đơn giản hóa giao diện của Sysweld, ESI đã phát triển phần mềm Visual-Weld, giúp mô phỏng quá trình hàn trở nên trực quan và dễ dàng hơn Trong khi đó, Sysweld chỉ còn đóng vai trò là bộ giải cho Visual-Weld Để hiển thị kết quả mô phỏng, ESI cũng phát triển phần mềm VisualViewer chuyên dụng.

Để mô phỏng quá trình hàn với kết cấu cụ thể, chúng ta có thể xây dựng mô hình sơ bộ bằng CAD (như Catia, Solidworks, NX, Autodesk Inventor) và sau đó nhập vào Visual-Mesh Tại đây, có thể chia lưới hoặc xây dựng toàn bộ mô hình từ đầu Sau khi chia lưới, mô hình sẽ được nhập vào Visual-Weld để thiết lập các thông số chế độ hàn Cuối cùng, kết quả sẽ được xử lý trên Visual-Viewer.

Tínht o á n , m ô p h ỏ n g ứ n g s u ấ t , b i ế n d ạ n g t r o n g l i ê n k ế t h à n n h ô m A5083b ằ n g PP.PTHH

4.2.1 Tínhtoán môphỏngbàitoánnhiệt-đànhồi- dẻobằngPP.PTHH

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là công cụ hiệu quả trong nghiên cứu và thử nghiệm, giúp xác định hành vi cũng như tương tác của các hiện tượng vật lý phức tạp trong quá trình hàn.

Mô phỏng quá trình hàn là một nhiệm vụ phức tạp do sự tương tác giữa nhiệt, cơ học và luyện kim Đối với hàn nóng chảy, phần mềm SYSWELD 2015 đã được thiết lập để thực hiện tính toán nhiệt và quá trình luyện kim, đồng thời kiểm soát nhiệt độ, tỷ lệ pha và ứng xử cơ học, phụ thuộc vào nhiệt độ và tổ chức kim loại của phần tử.

Năng lượng nhiệt có thể được truyền từ hệ thống này sang hệ thống khác do sự chênh lệch nhiệt độ Tổng lượng nhiệt cung cấp trong hàn hồ quang được biểu thị qua năng lượng hồ quang và hiệu suất quá trình hàn.

Nhiệt độ từ nguồn hàn sẽ truyền vào vùng hàn và kim loại cơ bản thông qua dẫn nhiệt, đồng thời nhiệt sẽ được tỏa ra môi trường xung quanh bằng sự đối lưu và bức xạ Theo nghiên cứu của Parmar (2005), hệ số truyền nhiệt trong quá trình này dao động từ 0,65 đến 0,85.

Khuếch tán nhiệt theo định luật Fourier mô tả quá trình truyền nhiệt (Q, W/m³) từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp hơn Quá trình này phụ thuộc vào độ dốc nhiệt độ, trong đó hệ số dẫn nhiệt được biểu thị bằng W/(mK).

Đối với một đơn vị diện tích bề mặt tương ứng với vector đơn vị n, giá trị nhiệt được truyền qua mỗi đơn vị diện tích theo hướng n được xác định theo công thức của Lewis et al (2004).

Khi xem xét sự truyền nhiệt theo công thức enthalpy cơ bản trong lĩnh vực lỏng và rắn, và với k là hệ số trong phương trình bảo toàn năng lượng, phương trình truyền nhiệt cho trường hợp tốc độ nhanh có thể được diễn đạt như sau:

Trong công thức này, ρ, cp và Q lần lượt đại diện cho mối tương quan giữa trọng lượng và khối lượng (kg/m³), nhiệt dung riêng (J/kg K), và nguồn nhiệt bên trong (W/m³) Tích số ρ.cp phản ánh khả năng tích trữ năng lượng của vật liệu Tốc độ truyền nhiệt qua đối lưu tuân theo tỷ lệ tương ứng với sự chênh lệch nhiệt độ, được mô tả bởi định luật Newton, trong đó qconvl là dòng nhiệt đối lưu (W/m²K), hconvl là hệ số truyền nhiệt đối lưu, và (Ts - T∞) là sự chênh lệch nhiệt độ.

Boltzmannởđóσ,εvàhradl ầ nlượtlàhằngsốStefanBokltzmann,nhiệttỏaravàhệsốbức xạtruyềnnhiệt:

(a) mậtđộ dòngnhiệtq,lợidụng vào cạnhthành:

Hệ số truyền nhiệt của đường bao được phân chia thành hai loại: đối lưu và phát xạ Đối với đối lưu, điều kiện được xác định dựa trên sự cân bằng năng lượng bề mặt.

(4.11) Baogồmtấtcảcácđiềukiệnđường baonhiệt cóthểđượcxácđịnh như sau:

Nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi tương đương với sự thay đổi enthalpy Đối với nhiều mối hàn hồ quang, giá trị xấp xỉ của nhiệt cấp vào (Q) có thể được xác định bằng cách sử dụng hai hình elip, như đã được đề xuất bởi Goldak và Akhlaghi (2005).

(4.13) Trong mô hình này, ffvà frlần lượt là phân số của nhiệt lưu ở góc phần tư phíatrướcvàphíasau,ởđóff+fr=2,vàa,b,clàthôngsốkíchthướccủanguồnnhiệt,vlàvậntốc hàn,tlàthờigian,làhệsốtrễcủanhiệtlưubanđầuởt=0.

Việc tính toán nhiệt trong luyện kim dựa trên việc giải các phương trình nhiệt, bao gồm cả nhiệt ẩn của sự nóng chảy và đông đặc, cùng với nhiệt chuyển pha trong trạng thái đặc Quá trình luyện kim và tính toán nhiệt là hai yếu tố liên kết chặt chẽ ở mỗi nhiệt độ Sự tương tác giữa phân tích nhiệt và luyện kim có ba loại, trong đó sự biến đổi trong luyện kim phụ thuộc trực tiếp vào lịch sử nhiệt của vật liệu Hơn nữa, sự biến đổi này còn bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trong phân bố nhiệt độ, và pha của vật liệu phụ thuộc vào tính chất lý nhiệt Ảnh hưởng nhiệt ẩn từ sự biến đổi luyện kim được mô tả bởi phương trình (4.14), trong đó H đại diện cho gia số enthalpy.

Trong một phạm vi nhiệt độ nhất định, việc xử lý sự khuếch tán nhiệt với công thức enthalpy là cơ sở để giải quyết các vấn đề liên quan đến chất lỏng và rắn Các phương trình sau đây sẽ cung cấp những giải pháp hữu ích cho các tình huống này.

Việc tính toán nhiệt luyện kim dựa vào chu kỳ nhiệt, tỷ số nhiệt, dòng nhiệt và sự biến đổi trong tỷ lệ pha cùng kích thước hạt austenit Những yếu tố này được xác định từ các tính chất nhiệt của vật liệu như hệ số dẫn nhiệt k, nhiệt dung khối cρ và enthalpy H, kết hợp với các thông số quá trình hàn và đồ thị biến đổi luyện kim, tất cả đều được biểu diễn bằng toán học.

Biến đổi khuếch tán theo mô hình Johnson-Mehl-Avrami được mô tả trong điều kiện đẳng nhiệt, trong đó tỷ lệ pha thu được sẽ xuất hiện sau một khoảng thời gian vô hạn ở nhiệt độ T Thời gian trễ τRl và số mũ n được kết hợp với tốc độ phản ứng để xác định quá trình này.

Đối với các điều kiện nhiệt không đẳng hướng, động lực học biến đổi được LEBLOND đề xuất, vì nó đơn giản và có thể đại diện cho mọi loại biến đổi thông qua quá trình nung nóng hoặc làm nguội Phương trình cơ bản được diễn đạt như sau:

MôphỏngquátrìnhhàntrênphầnmềmSysweld

Phân tích trường nhiệt hàn là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá ứng suất biến dạng dư hàn và mô phỏng cấu trúc tế vi kim loại mối hàn Quy trình này là bước đầu tiên cần thực hiện để đánh giá khả năng làm việc của các chi tiết kết cấu hàn trong ngành công nghiệp chế tạo tàu biển, máy bay, cầu thép, tháp cao và các đường ống cao áp dẫn hơi nước, khí dầu trong ngành năng lượng hóa chất và dầu khí Thông tin chính xác về quá trình thay đổi nhiệt của các chi tiết hàn trong quy trình chế tạo và vận hành là cơ sở quyết định đến kết quả đánh giá tổn thất và khả năng làm việc của kết cấu hàn.

Trong những năm gần đây, việc kiểm soát nhiệt độ, phân bố ứng suất dư, ứng suất tập trung cục bộ và biến dạng hàn đã trở nên đơn giản hơn nhờ sự phát triển của kỹ thuật máy tính Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn qua các phần mềm như SYSWELD, ANSYS, ABAQUS, COSMOS, và NASTRAN, chúng ta có thể dễ dàng dự đoán hành vi của các thông số công nghệ hàn, từ đó kiểm soát ứng suất dư và biến dạng Đồng thời, việc điều chỉnh lượng nhiệt cấp vào bể hàn cũng giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiệt đến tính chất cơ nhiệt của KLCB, đặc biệt là vùng HAZ.

Nhiệt hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ điện cực nóng chảy có tổng công suất hiệu dụng được tính bằng công thức P = η.Uh.Ih (W), trong đó Uh là điện áp hồ quang (V), Ih là cường độ dòng điện hàn (A), và η là hiệu suất hồ quang hàn, thường đạt khoảng 85%.

Goldak và cộng sự đã phát triển mô hình nguồn nhiệt với mật độ phân bố ellipsoid kép, kết hợp hai khối bán ellipsoid khác nhau để tạo thành một nguồn nhiệt tổng hợp Mật độ nhiệt trong từng khối bán ellipsoid được mô tả bằng hai phương trình riêng biệt.

Hình4.9Môhình nguồnnhiệthàn MIG

Vớimộtđiểmbấtkỳ(x,y,z)bêntrongkhốibánellipsoidđầutiên(phíatrướchồqu anghàn),mậtđộnguồnnhiệtđượcbiểudiễnbởiphươngtrình4.28.

Vớimộtđiếmbấtkỳ(x,y,z)bêntrongkhốibánellipsoidthứhai(phíasauhồquanghà n),mậtđộnguồnnhiệt đượcbiểudiễnbởiphươngtrình4.29.

Trong hai công thức trên af, ar, b và c là các thông số hình học của nguồn nhiệtkhốiellipsoidkép,hình4.9;QRlàhàmmậtđộnguồnnhiệt.

Nguồn nhiệt khối ellipsoid kép phân bố Gauxơ có thể được mô tả bằng 5 thông số quan trọng Các thông số này bao gồm hiệu suất hồ quang (η) và 4 thông số hình học của nguồn nhiệt: af, ar, bv và c.

Bảng4.1MôhìnhnguồnnhiệttheoGoldak b(mm) c(mm) af(mm) ar(mm)

Bảng4.2Thôngsốmôphỏnghàn Nănglượngđường(J/mm) Vậntốchàn(mm/s)

Mn Si Cr Fe Mg Ti Cu Zn Al

Hình4.10Giớihạnchảytheocác phacủahợpkimnhômA5083

Hợp kim nhôm A5083 có các tính chất hóa lý và cơ-nhiệt thay đổi theo nhiệt độ, như được mô tả trong các hình 4.10 đến 4.14 Cụ thể, khi nhiệt độ tăng, giới hạn chảy của hợp kim này giảm và hệ số dẫn nhiệt tăng.

Môhìnhhóavà môphỏng số

Tác giả đã sử dụng phần mềm VisualMesh để thiết kế mối ghép hàn góc chữ T với mép vát, sử dụng hợp kim nhôm A5083 Kích thước của mối ghép được trình bày trong hình 4.15, và tấm vách được thiết kế theo hình 4.16.

Hình4.16Bốtrí cácmốihàn

ViệcchialướimôhìnhđượctácgiảthựchiệntrênphầnmềmVISUALMESH®[8] Việc tạo các mối hàn và điểm bắt đầu hàn và kết thúc hànđượcthựchiệnđúngnhư trongthựcnghiệm.

Kích thước lưới ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian mô phỏng, với lưới nhỏ dẫn đến thời gian giải từng bước rất lâu Do đó, việc chọn thời gian giải từng bước là rất quan trọng, đảm bảo độ chính xác mà thời gian mô phỏng được tối ưu nhất Tác giả đã mô hình hóa liên kết với các vùng có kích thước lưới khác nhau để đạt được hiệu quả này.

Dưới đây là một số kiểu lưới phần tử sử dụng trong phân tích và tính toán cácbàitoáncơnhiệt (Hình4.17).

Hình4.17 Kiểulưới phầntử a) Phầntử1-D;(b, c)Phầntử2-D;d)Phầntử3-D

Trong mô phỏng số trường ứng suất và biến dạng với phần tử khối, theo khuyến cáo, nên sử dụng các loại phần tử HEXA/PENTA và hạn chế sử dụng phần tử TETRA và PYRAMID Để đảm bảo kết quả tính toán chính xác và thời gian xử lý nhanh, tác giả đã chọn mô hình chia lưới phù hợp Mô hình hình học 3D của liên kết hàn góc chữ T được mô phỏng với 28.531 node và 40.369 phần tử (HEXA, PENTA, TETRA) Khu vực mối hàn và vùng HAZ được chia lưới mịn, trong khi khu vực xa vùng chịu tác động của nhiệt độ cao được chia thưa Dạng lưới phần tử sử dụng là Linear Hex 8 và Linear Penta 6, với kích thước lưới nhỏ nhất từ 1 đến 3 mm, vùng lưới thưa có kích thước tăng dần và vùng ít chịu tác động nhiệt độ có kích thước lưới đạt tới 10 mm.

Để đảm bảo kết quả mô phỏng số hàn gần sát với thực tế, việc tạo lớp vỏ là rất cần thiết Lớp vỏ này giúp tạo ra bề mặt trao đổi nhiệt, cho phép tỏa nhiệt và bức xạ ra môi trường xung quanh, tương tự như trong quá trình hàn thực nghiệm.

Liênq u a n đ ế n s ự d ẫ n n h i ệ t , đ ố i v ớ i v ậ t l i ệ u đ ẳ n g h ư ớ n g k h ô n g p h ụ t h u ộ c nhiệt độ và hệ số dẫn nhiệt, không có sự phát sinh nhiệt từ bên trong và nhiệt truyềntheo mộthướng,thườngtheophươngX[9][17][18].

X 2 (4.30) Đốivớisựthayđổinhiệtđộnhưnhau,côngthức3.31cóthểđượcsửdụngđể ướctínhmối quanhệgiữakhônggian vàthờigiannhưsau:

Với kích thước lưới đặc trưng 3 mm tại vùng hàn và HAZ, thời gian giải cho mỗi bước là 0,45 giây được coi là chấp nhận được Nếu lưới quá mịn, thời gian giải bài toán cơ nhiệt sẽ tăng lên đáng kể Theo thuật toán tối ưu của phần mềm, thời gian giải cho mỗi bước là 0,44 giây, gần với mức thời gian chấp nhận được cho tính toán.

- Khaibáođiềukiệnvề thôngsố chế độhàn(vậntốchàn,côngsuấtnguồn nhiệt,slop-up,slop-down, ).

Trong nghiên cứu của mình tác giả lựa chọn điều kiện gá kẹp như hình 4.21,kẹpchặtmộtphíatấmđếtheocả3phươngX,Y,Z;tấmváchvàphíakiacủatấmđếđểt ự do.

Giải bài toán bằng phần mềm

Thời gianmô phỏng vàlàmnguộimô hìnhxuốngnhiệtđộdưới 100 o Ckhoảng1000s.

Kếquả môphỏng

Hình 4.22 mô tả kích thước và hình dáng của bể hàn, với các thông số chế độ mô phỏng được trình bày trong bảng 3 Nhiệt độ tối đa tại nút 12211 đạt khoảng 1174 °C Sau thời gian mô phỏng 1000 giây, nhiệt độ vật hàn giảm xuống còn 76 °C, như thể hiện trong hình 4.23.

Hình 4.24 minh họa chiều sâu ngấu của liên kết hàn hợp kim nhôm A5083, dựa trên các thông số mô phỏng trong bảng 3.2 Khi thực hiện hàn lớp lót với nguồn nhiệt 750J/mm, chiều sâu ngấu đạt yêu cầu Tương tự, khi hàn lớp phủ với nguồn nhiệt 800J/mm, mức năng lượng này cũng đủ để làm nóng chân mối hàn và một phần kim loại của mối hàn lót.

Hình 4.25 minh họa chiều sâu ngấu trong quá trình hàn góc chữ T bằng hợp kim nhôm A5083, sử dụng phương pháp hàn MIG và mô phỏng số bằng phần mềm Sysweld Kết quả cho thấy, các thông số chế độ hàn giữa thực nghiệm và mô phỏng hoàn toàn phù hợp.

Hình4.26Sựbiếnthiênnhiệtđộ tạinút 18536và4786

Hình 4.26 thể hiện sự biến thiên nhiệt độ tại nút 4786, cách chân mối hàn phủ 2mm, và nút 18536, cách chân mối hàn phủ 6mm Qua đó, có thể nhận thấy rằng khi nguồn nhiệt di chuyển qua các nút này, nhiệt độ có sự thay đổi rõ rệt.

4786 nhiệt độ cao nhất khoảng 585 o C, trong khi đó do nút 18536 các nguồnnhiệt 6mm nên nhiệt độ đạt khoảng 475 o C Khi hàn đường hàn thứ 4, nhiệt độ củacácnút nàythấp hơn khoảng 455 o C.

Hình4.27thểhiệnbiếndạngtổngkhihàngócchữThợpkimnhômA5083vát mép 2 phía, dựa vào phổ màu ta thấy rằng mức độ biến dạng cao nhất tại vùnggiữa tấm không kẹp, tương ứng với nút

27220 cách đầu và cuối đường hàn khoảng150mm.

Tanhậnthấyrằngbiếndạngởtấmváchlàtươngđốinhỏ.Điềuđóchothấy rằngkhihànđốixứngthìbiếndạngkhôngđángkể,điềunàyhoàntoànphùhợpvớilýthuyếtvềứn gsuấtvàbiếndạnghàn.

Hình4.28Biếndạngcạnhtấmkhôngkẹp(môphỏngvàthựcnghiệm)

Kết quả từ Bảng 4.5 cho thấy sự so sánh giữa các vị trí đo trên tấm hàn thực nghiệm và mô phỏng Dưới cùng một điều kiện gá kẹp, độ sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm là tương đối nhỏ và hoàn toàn chấp nhận được.

Hình 4.29 minh họa sự phân bố ứng suất Von Mises của hợp kim nhôm A5083 khi vát mép một phía (hình 4.29a) và hai phía (hình 4.29b) Qua phổ màu, ta thấy ứng suất dư tập trung tại các vị trí gá kẹp với giá trị lần lượt là 212,2 MPa và 205 MPa, trong khi ở vùng không gá kẹp, ứng suất dư chỉ dưới 100 MPa Cả hai trường hợp đều cho thấy ứng suất dư nằm trong phạm vi cho phép, nhỏ hơn ứng suất chảy.

Hình 4.30 thể hiện sự phân bố ứng suất pháp theo phương X, cho thấy ứng suất cao nhất tại khu vực tấm bị ngàm, với ứng suất kéo cao nhất đạt 231,27MPa cho trường hợp vát mép một phía và khoảng 203,78MPa cho trường hợp vát mép hai phía Ở các điểm bắt đầu và kết thúc của đường hàn, ứng suất dư nén xuất hiện với giá trị khoảng 130MPa So với trường hợp vát 2 phía, ứng suất kéo của trường hợp vát 1 phía cao hơn 29MPa, trong khi ứng suất nén của trường hợp 2 lại cao hơn trường hợp 1 là 15MPa.

Hình 4.31 thể hiện sự phân bố ứng suất dư dọc theo trục đường hàn (theo phương Y), cho thấy ứng suất dư tập trung chủ yếu ở vùng giữa mối hàn và phía tấm kẹp Ứng suất cao nhất (ứng suất kéo) tại nút 20979 đạt giá trị 143,8 MPa, trong khi ứng suất nhỏ nhất (ứng suất nén) tại nút 27248 là 66,12 MPa.

SựphânbốứngsuấtpháptheophươngZđượcthểhiệntrênhình4.32,nhậnthấyrằ ngứng suấtdưkéovànéntrongliênkết hàncógiátrịtươngđốigầnnhau.

Sau 1000 giây mô phỏng hàn, phân bố ứng suất tiếp theo phương X cho thấy ứng suất dư tương đối thấp, với ứng suất dư kéo đạt 110,5 MPa và ứng suất dư nén là 99,8 MPa.

Hình4.34Phânbốứngsuấtdư dọcđườnghàntheoY

Phân bố ứng suất tiếp theo phương Y được thể hiện trong Hình 4.34, cho thấy ứng suất dư dọc trục đường hàn với giá trị kéo khoảng 43,6 MPa và nén khoảng 34,8 MPa Với các giá trị ứng suất dư này, liên kết hàn mô phỏng không thể bị phá hủy.

Hình 4 thể hiện sự phân bố ứng suất tiếp theo phương Z sau 1000 giây Ứng suất dư kéo và nén tại vùng mối hàn cùng vùng HAZ tương đối nhỏ so với giới hạn bền chảy của hợp kim nhôm A5083.

Mô hình hóa và mô phỏng số trường nhiệt độ của liên kết hàn góc chữ A bằng hợp kim nhôm A5083 được thực hiện thông qua phần mềm SYSWELD Phương pháp này cho phép xác định chính xác nhiệt độ tại một điểm (node) trên mô hình mô phỏng, đồng thời xuất ra chu trình nhiệt tại node đó.

Dự đoán sự phân bố ứng suất dư sau hàn và ứng suất dư cục bộ trong liên kết hàn là rất quan trọng Điều này cho phép điều chỉnh các thông số chế độ hàn và điều kiện biên như gá kẹp, trình tự thực hiện các đường hàn và lớp hàn Mục tiêu là giảm ứng suất dư và biến dạng hàn hiệu quả.

Dự đoán và đánh giá mức độ biến dạng của liên kết hàn theo các phương X, Y, Z là rất quan trọng Bên cạnh đó, việc phân tích ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến phương và chiều biến dạng của tấm hàn cũng giúp tối ưu hóa quá trình hàn.

Qua việc ứng dụng phần mềm SYSWELD để mô phỏng trường nhiệt độ, ứngsuất và biến dạng liên kết hàn góc chữ T hợp kim nhôm A5083 có chiều dày 8mmbằngphươngpháphànMIG.

Trong luận văn này tác giả đãn g h i ê n c ứ u t ổ n g q u a n v ề c ô n g n g h ệ h à n M I G khi hàn nhôm và hợp kim nhôm Đồng thời tác giả cũng nghiên cứu các phươngpháphànnhômvàhợpkimnhôm.

Tác giả đã nghiên cứu công nghệ và quá trình luyện kim trong hàn nhôm vàhợpkimnhôm.

Cũng trong luận văn này tác giả đã nghiên cứu các vấn đề về nhiệt và truyềnnhiệttrongcácquátrìnhhànvàtruyềnnhiệttronghàntấmmỏng.

Qua mô phỏng tác giả đã đánh giá được sự phân bố nhiệt độ khi hàn liên kếtgócchữT,hợpkimnhômA5083.Từđó,cócáccơsởdữnhiệtvềtrườngnhiệtđểcóthể làmcác nghiên cứu chuyên sâu.

Tác giả đã tiến hành so sánh mức độ biến dạng giữa thực nghiệm và mô phỏng trong quá trình hàn liên kết góc chữ T bằng hợp kim nhôm A5083 Dựa trên kết quả này, tác giả khuyến cáo các công ty sản xuất vật liệu nhôm và hợp kim nhôm áp dụng quy trình hàn và công nghệ hàn phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam Ngoài ra, việc sử dụng các thiết bị khử ứng suất dư tại các vị trí có nồng độ ứng suất cao trong kết cấu cũng được đề xuất.