JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 070-077 Xác định dải lượng đường phù hợp cho liên kết giáp mối thép không gỉ chịu nhiệt SUS316L mô số Determining the Suitable Heat Input Range for Butt Joint Made by Heat Resistance Stainless Steel SUS316L by Using the Numerical Simulation Đỗ Văn Long1, Vũ Đình Toại2* Trường Cao đẳng Giao thơng Vận tải Trung ương 2, Hải Phòng, Việt Nam Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam * Email: toai.vudinh@hust.edu.vn Tóm tắt Một biện pháp giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh hạn chế tối đa phế phẩm chi phí sản xuất thử nghiệm mơ số cơng cụ hữu ích để giải nhiệm vụ Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm SYSWELD để tính tốn xác định trước dải lượng đường phù hợp để hàn lớp cụ thể liên kết hàn giáp mối thép không gỉ chịu nhiệt ứng dụng nhà máy hóa chất, dầu khí lượng Tính tốn với liên kết giáp mối thép SUS316L dày mm, hàn lớp trình hàn MIG lượng đường phù hợp lớp lót 506 J/mm ≤ qđl ≤ 650J/mm lượng đường phù hợp với lớp phủ 754 J/mm ≤ qđl ≤ 1066 J/mm Từ khóa: thép SUS316L, Sysweld, lượng đường phù hợp, hàn MIG Abstract One of the methods for reducing the production costs to increase competitiveness is to minimize waste products as well as the cost of testing products, and numerical simulation is a useful tool to solve this task In this study, the authors use SYSWELD software to compute in advance the suitable heat input range to weld specific layers in heat-resistant stainless steel butt welded joints in chemical plants, oil and gas, and energy The simulation results show that with the butt-welded joint made by SUS316L steel in mm thick and welded by the MIG welding process, the appropriate heat input of the root pass is 506 J/mm ≤ qđl ≤ 650 J/mm and the heat input suitable for cap pass is 754 J/mm ≤ qđl ≤ 1066 J/mm Keywords: SUS316L steel, Sysweld, suitable heat input, MIG welding Giới thiệu * toán hàn tính chất vật liệu hàm số nhiệt độ tổ chức kim loại Việc xác định dải lượng đường phù hợp thực nghiệm cho kết thực tế xác lại nhiều thời gian đặc biệt tốn Nhờ phát triển vượt bậc máy tính điện tử phương pháp tốn số mà ngày người ta xây dựng phần mềm mơ có độ xác cao, đáp ứng đòi hỏi thực tế Lợi mô số cho ta biết trước kiện xảy thực nghiệm, kết trực quan, giảm nhiều thời gian chi phí thực nghiệm Từ lý mà nhóm tác giả lựa chọn phương pháp mơ số để tính tốn xác định dải lượng đường phù hợp cho liên kết hàn giáp mối thép không gỉ chịu nhiệt SUS316L Đối với vật liệu cụ thể với dạng liên kết xác định có dải chế độ hàn phù hợp, đặc trưng trực tiếp lượng đường Nếu hàn với lượng đường thấp liên kết có ứng suất dư biến dạng nhiệt nhỏ Tuy nhiên, lượng đường mà nhỏ mức cần thiết dẫn tới hàng loạt khuyết tật như: hàn khơng ngấu, liên kết nguội nhanh dẫn đến hình thành tổ chức kim loại cứng, giòn, dễ nứt Mặt khác, hàn với lượng đường lớn mức cho phép liên kết hàn bị chảy xệ cháy thủng, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn, ứng suất dư biến dạng hàn lớn làm giảm khả làm việc kết cấu Như vậy, việc thực hàn giá trị lượng đường hợp lý tối quan trọng nên việc xác định dải lượng đường phù hợp với liên kết vật liệu cụ thể cần thiết Trong thực tế có cách xác định dải lượng đường phù hợp liên kết hàn cụ thể là: 1) tính tốn theo lý thuyết, 2) thực nghiệm 3) mơ số Việc tính tốn theo lý thuyết có độ xác thấp phức tạp Xây dựng tốn mơ 2.1 Mơ hình phần tử hữu hạn Mơ hình nghiên cứu liên kết hàn giáp mối thép không gỉ chịu nhiệt SUS316L với chiều dày mm ISSN: 2734-9381 https://doi.org/10.51316/jst.151.etsd.2021.31.3.13 Received: September 10, 2020; accepted: November 23, 2020 70 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 070-077 thực trình hàn MIG Theo quy phạm AWS D1.6 [1] phơi phải có kích thước tối thiểu (Dài x Rộng x Dày) = 150 x 350 x (mm) liên kết hàn vát mép dạng chữ V với thông số cụ thể sau: khe đáy R = 2mm, mặt đáy f = mm, góc rãnh hàn α = 60° Áp dụng công thức tài liệu [2] ta xác định số lớp hàn liên kết hàn n = Sử dụng mô đun Visual-Mesh phần mềm SYSWELD để xây dựng mơ hình 3D chọn loại phần tử mặt 18 nút để chia lưới ta kết biểu diễn hình dụng mơ hình nguồn nhiệt hồ quang di động tác giả Radaj hình Mơ hình nguồn nhiệt tích hợp sẵn mơ đun Visual-Weld phần mềm SYSWELD 2.3 Các thông số vật liệu Một thông số đầy đủ - nhiệt - kim loại học hàm số nhiệt độ tổ chức kim loại thép không gỉ chịu nhiệt SUS316L, xác định lý thuyết nhiệt động - kim loại học đo đạc thực nghiệm, tích hợp sẵn ngân hàng liệu vật liệu phần mềm SYSWELD [4] Trong nghiên cứu tác giả sử dụng thông số - nhiệt - kim loại học thép SUS316 sẵn có ngân hàng liệu SYSWELD 2.2 Mơ hình nguồn nhiệt hàn Vật liệu nghiên cứu thép không gỉ SUS316L nên tác giả chọn trình hàn MIG để thực áp Hình Mơ hình PTHH liên kết giáp mối lớp Hình Mơ hình nguồn nhiệt hồ quang di động Radaj [3] Hình Vị trí kẹp phơi quỹ đạo đường hàn 71 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 070-077 nung chảy hoàn toàn Mặt khác theo tài liệu [5], thép không gỉ, chiều sâu chảy đáy liên kết (DF1) mà lớn 1,4 mm mối hàn bị khuyết tật chảy xệ, chí cháy thủng Đồng thời chiều sâu chảy mặt (DF3) mà lớn 1,7 mm mối hàn bị khuyết tật cháy cạnh Như vậy, để bảo đảm liên kết hàn hình thành tránh loại khuyết tật liên kết hàn phải có: 2.4 Điều kiện biên điều kiện đầu Vỏ mơ hình, nơi diễn q trình đối lưu xạ nhiệt từ mơ hình mơi trường phần tử mặt 2D xây dựng gắn vào phần tử 3D hình Hàm truyền nhiệt xác định thực nghiệm nhập vào phần mềm SYSWELD để tính tốn Trước tính tốn, vị trí kiểu gá kẹp mơ hình phải mơ tả với thực tế Trong nghiên cứu này, tác giả kẹp chặt mơ hình góc thể hình < DF1 < 1,4 mm; < DF2; < DF3 < 1,7 mm Gốc để xác định DF bề mặt mép vát quy ước DF theo chiều mũi tên hình có giá trị dương cịn theo chiều ngược lại có giá trị âm Ở toán này, nhiệt độ thời điểm trước hàn tồn mơ hình nhiệt độ môi trường 30 oC 2.5 Thiết lập thơng số tính tốn Mơ yêu cầu phải mô tả với thực tế nghiên cứu tác giả xây dựng quỹ đạo đường hàn thẳng, không dao động ngang, theo yêu cầu hàn thép không gỉ Vị trí bắt đầu hồ quang nằm đầu mép hàn điểm kết thúc hồ quang nằm cuối mép hàn trình bày hình Tốc độ hàn giữ cố định tính tốn sơ (tốc độ lớp lót = mm/s, tốc độ lớp phủ = mm/s) Để tính tốn xác định dải lượng đường phù hợp liên kết hàn nghiên cứu, tác giả tiến hành tính tốn nhiều dự án với lượng đường khác mô tả bảng Xuất phát từ lượng đường sơ tính theo lý thuyết (ở PA4), tiến hành mơ với lượng đường giảm dần khơng đủ ngấu liên kết dừng lại (PA1) Tiếp tục thực tương tự theo hướng tăng lượng đường liên kết hàn bị cháy thủng dừng lại (PA6) Hình Quy ước chiều sâu chảy vùng Sau xây dựng mơ hình 3D, chia lưới, tạo vỏ trao đổi nhiệt, đặt điều kiện gá kẹp, tạo đường hàn, gán thuộc tính vật liệu, gán mơ hình nguồn nhiệt đặt tải lên mơ hình lượng đường bảng tiến hành tính tốn ta thu kết mục 3.2 3.3 đây: 3.2 Trường nhiệt hàn lớp lót Bảng Các thơng số tính tốn mơ Dự án Năng lượng đường lớp lót qđl [J/mm] Năng lượng đường lớp phủ qđp [J/mm] PA1 440 702 PA2 506 754 PA3 552 910 PA4 600 1066 PA5 650 1118 PA6 702 1170 Theo tài liệu [5] nhiệt độ nóng chảy thép SUS316L 1450 oC nhiệt độ bắt đầu chuyển biến pha thép 800 oC Sử dụng thang đo biểu diễn đường đẳng nhiệt có chứa giá trị quan trọng 1450 oC (màu đỏ) 800 oC (màu cam nhạt) tiến hành cắt ngang liên kết hàn vị trí tâm hồ quang ta kết thể hình Các kết tính tốn mơ phần mềm SYSWELD cho biết rằng: Khi hàn lớp lót với lượng đường qđl = 440 J/mm, sử dụng công cụ Measure mô-đun Visual-Viewer ta đo chiều sâu chảy đáy liên kết DF1 = -0,38 mm mặt lớp lót DF20 (hình 5b) - chế độ hàn với lượng đường 506 J/mm liên kết bắt đầu đủ ngấu đường hàn lót Kết nghiên cứu bàn luận 3.1 Xác định tiêu chuẩn đánh giá Giả sử ký hiệu chiều sâu chảy đáy liên kết DF1, chỗ tiếp giáp lớp hàn DF2 mặt DF3 (hình 4) điều kiện tiên đảm bảo việc hình thành liên kết hàn (hàn ngấu) chiều sâu chảy lớn - nghĩa mép vát 72 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 070-077 a) PA1 b) PA2 c) PA3 d) PA4 e) PA5 f) PA6 Hình Phân bố nhiệt độ tiết diện ngang liên kết hàn hàn lớp lót Tiếp tục tăng giá trị lượng đường theo dự án PA3, PA4 PA5 mô tả bảng thu kết tương ứng hình 5c, 5d 5e Ta nhận thấy tăng lượng đường chiều sâu chảy DF1 DF2 tăng lên, nghĩa điều kiện ngấu đường hàn lót bảo đảm Ở phương án PA5 với lượng đường qđl = 650 J/mm DF1 = 1,342 mm - tiệm cận với điều kiện xuất khuyết tật chảy xệ đáy liên kết Khi hàn với lượng đường qđl = 702 J/mm (dự án PA6) đo chiều sâu chảy đáy liên kết DF1 = 1,626 mm (hình 5f)- vượt điều kiện cho phép dẫn mục 3.1 Như hàn lượng đường 702 J/mm trở lên chắn liên kết hàn bị khuyết tật chảy xệ đáy, chí cháy thủng Dựa vào kết tính tốn cho lớp lót ta tìm dải lượng đường phù hợp để hàn lớp lót cho liên kết hàn giáp mối thép không gỉ chịu nhiệt SUS316L dày 8mm 506 J/mm ≤ qđl ≤ 650 J/mm 3.3 Trường nhiệt hàn lớp phủ Sau hàn xong lớp lót, tiếp tục tiến hành hàn lớp phủ với dải lượng đường qđp mô tả bảng ta nhận kết trường nhiệt độ theo tiết diện ngang liên kết thể hình Khi hàn lớp phủ với lượng đường qđp = 702 J/mm (PA1) chiều sâu chảy 73 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 070-077 DF3 = -0,078 mm khơng nấu chảy hết tồn bề mặt đường hàn lót bề mặt mép vát (hình 6a) Trường hợp mắc đồng thời khuyết tật không ngấu mép liên kết không ngấu lớp hàn Khi hàn với lượng đường qđp = 754 J/mm (PA2) DF3 = 0,115 mm vừa đủ ngấu hết mép vát lẫn bề mặt đường hàn lót (hình 6b) Nghĩa lượng đường vừa đủ để hình thành lớp hàn phủ Tiếp tục tính tốn với giá trị qđp tăng dần dự án PA3, PA4, PA5 (bảng 1) ta nhận kết tương ứng hình 6c, 6d 6e Ta thấy tăng qđp chiều sâu chảy DF3 tăng lên mép vát lớp hàn lót bị nấu chảy nhiều hơn, nghĩa điều kiện hình thành đường hàn phủ bảo đảm Ở dự án PA5 với qđp = 1118 J/mm DF3 = 1,665 mm - tiệm cận với điều kiện bị khuyết tật cháy cạnh, lớp phủ nấu chảy gần hồn tồn lớp lót nên không phù hợp Khi hàn với qđp = 1170 J/mm (PA6) DF3 = 1,878 mm liên kết bị khuyết tật cháy cạnh đường hàn phủ nấu chảy tồn đường hàn lót (hình 6f) Từ kết tính tốn cho lớp phủ ta tìm dải lượng đường phù hợp để hàn lớp phủ cho liên kết giáp mối thép SUS316L dày mm 754 J/mm ≤ qđp ≤ 1066 J/mm Tổng hợp kết tính tốn chiều sâu chảy cho lớp lót lớp phủ trình bày bảng a) PA1 b) PA2 c) PA3 d) PA4 e) PA5 f) PA6 Hình Phân bố nhiệt độ tiết diện ngang liên kết hàn hàn lớp phủ 74 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 070-077 Bảng Chiều sâu chảy hàn phương án Dự án DF1 [mm] DF2 [mm] DF3 [mm] PA1 -0,38 0 0,115 PA3 0,743 >0 0,719 PA4 0,995 >0 1,45 PA5 1,342 >0 1,665 PA6 1,626 >0 1,878 bảng trình bày hình Khi hàn theo PA1 với lượng đường nhỏ lớp hàn lót khơng ngấu hai mép chân, đường hàn phủ bị hụt kích thước (lõm) bề mặt Khi hàn theo PA2 với lượng đường lớn PA1 lớp lót đủ ngấu, lớp phủ ngấu đủ sang hai bên mép Bề mặt mối hàn không nhiệt độ vũng kim loại lỏng chưa đủ cao để tăng tính chảy lỗng cần thiết cho KLMH Khi hàn theo PA3 với lượng đường lớn PA2 liên kết hàn nhận có ngoại dạng đẹp Chân mối hàn ngấu hết có độ lồi đặn Bề mặt mối hàn ngấu đủ sang hai bên mép có bề rộng đặn Kết thực nghiệm hàn liên kết giáp mối thép không gỉ 316L với lượng đường khác a) PA1 - mặt đáy b) PA1 - mặt c) PA2 - mặt đáy d) PA2 - mặt e) PA3 - mặt đáy f) PA3 - mặt g) PA4 - mặt đáy h) PA4 - mặt i) PA5 - mặt đáy j) PA5 - mặt k) PA6 - mặt đáy l) PA6 - mặt Hình Hình ảnh ngoại dạng liên kết hàn hàn phương án 75 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Volume 31, Issue 3, July 2021, 070-077 Bảng So sánh kích thước mối hàn mơ thực nghiệm TT PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 Hình ảnh mơ Kích thước theo mơ Mối hàn bị lõm mặt, đáy không thấu B = 9,81 mm, h = 7,53 mm Mối hàn ngấu hoàn toàn B = 10,6 mm, h = mm b = 3,35 mm Mối hàn ngấu hoàn toàn B = 11,2 mm, h = mm b = 4,38 mm Mối hàn ngấu hoàn toàn B = 11,7 mm, h = mm b = 5,5 mm Mối hàn chảy xệ B = 12,3 mm, h = mm b = 6,13 mm Mối hàn chảy xệ B = 12,7 mm h = mm b = 6,6 mm 76 Hình ảnh Macro Kích thước đo thực tế Mối hàn bị lõm mặt, đáy không thấu B = 11,5 mm, h = 7,3 mm Mối hàn ngấu hoàn toàn B = 12,5 mm, h= mm, b = mm Mối hàn ngấu hoàn toàn B = 13,5 mm, h = mm, b = mm Mối hàn ngấu hoàn toàn B = 14 mm, h = mm, b = 4,5 mm Mối hàn chảy xệ B = 14,5 mm, h = mm, b = 5,5 mm Mối hàn chảy xệ B = 15 mm h = mm b = mm ... mm liên kết bị khuyết tật cháy cạnh đường hàn phủ nấu chảy tồn đường hàn lót (hình 6f) Từ kết tính tốn cho lớp phủ ta tìm dải lượng đường phù hợp để hàn lớp phủ cho liên kết giáp mối thép SUS316L. .. tính tốn cho lớp lót ta tìm dải lượng đường phù hợp để hàn lớp lót cho liên kết hàn giáp mối thép không gỉ chịu nhiệt SUS316L dày 8mm 506 J/mm ≤ qđl ≤ 650 J/mm 3.3 Trường nhiệt hàn lớp phủ Sau hàn... có nghĩa liên kết hàn không ngấu Từ suy hàn lớp lót với lượng đường từ 440 J/mm trở xuống chắn khơng tạo lớp hàn lót cho liên kết hàn giáp mối thép SUS316L dày 8mm Khi hàn với lượng đường qđl