Ảnh hưởng của góc vát đến ứng suất dư và biến dạng khi hàn giáp mối hai tấm thép SS400 bằng phần mềm Sysweld

Trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích, dự đoán, đánh giá mức độ biến dạng và sự phân bố ứng suất dư khi hàn giáp mối hai tấm thép SS400 có kích thước 200×150×10 mm với các cách chuẩn bị mép vát khác nhau.

ISSN: 1859-2171 e-ISSN: 2615-9562 TNU Journal of Science and Technology 204(11): 187 - 193 ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC VÁT ĐẾN ỨNG SUẤT DƯ VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN GIÁP MỐI HAI TẤM THÉP SS400 BẰNG PHẦN MỀM SYSWELD Nguyễn Hồng Thanh*, Hồng Trọng Ánh, Vũ Văn Khánh, Ngơ Mạnh Hà Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định TÓM TẮT Ngày công nghệ hàn ứng dụng rộng rãi tất ngành công nghiệp như: chế tạo kết cấu thép, bồn bể chứa chất lỏng, công nghiệp ô tô, chế tạo tàu thủy, Phương pháp hàn điện cực nóng chảy mơi trường khí bảo vệ (MAG) áp dụng nhiều nhà máy, công ty, xí nghiệp chế tạo kết cấu hàn, đặc biệt đóng tàu Ứng suất dư biến dạng hàn kết việc giãn nở co ngót kim loại mối hàn phần kim loại nung nóng làm nguội khơng q trình hàn Khi hàn phía biến dạng lớn nhiều so với hàn phía Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích, dự đốn, đánh giá mức độ biến dạng phân bố ứng suất dư hàn giáp mối hai thép SS400 có kích thước 200×150×10 mm với cách chuẩn bị mép vát khác Nhận thấy rằng, góc vát lớn biến dạng lớn Góc vát 50o biến dạng 3,2 mm ứng suất dư 589,76 MPa; biến dạng 4,29 mm ứng suất dư 572,99 MPa góc vát 70o Từ khố: Mơ số; Ứng suất dư; Biến dạng hàn; Hàn giáp mối; Vát mép chữ V Ngày nhận bài: 18/7/2019; Ngày hoàn thiện: 22/8/2019; Ngày đăng: 23/8/2019 THE EFFECTS OF BEVEL ANGLE ON RESIDUAL STRESS AND DISTORSION OF TWO SS400 STEEL PLATES BY SYSWELD SOFTWARE Nguyen Hong Thanh*, Hoang Trong Anh, Vu Van Khanh, Ngo Manh Ha Nam Dinh University of Technology and Education ABSTRACT Today, welding technology is widely used in all industries such as fabrication of steel structures, liquid tank, automobile technology, shipbuilding, etc In which, Gas metal arc welding (MAG) process is used in many plants, companies that manufacture welding structures, especially shipbuilding Residual stress and distortion in a weld results from the expansion and contraction of the weld metal and adjacent base metal during the heating and cooling cycle of the welding process Doing all welding on one side of a part will cause much more distortion than if the welds are alternated from one side to the other In this study, using the finite element method to analyze, predict and evaluate the degree of distortion and the residual stress distribution when welding the two SS400 steel plates 200×150×10 mm with different ways to prepare the bevel It is noticed that the larger the beveled angle is, the greater the distortion is The beveled angle of 50o, the distortion is 3,2 mm and residual stress is 589,76 MPa; deformation is 4,29 mm and residual stress is 572,99 MPa when beveled angle is 70 o Keywords: Welding simulation; Residual stress; Welding distortion; Butt welded; V – bevel Received: 18/7/2019; Revised: 22/8/2019; Published: 23/8/2019 * Corresponding author Email: thanh.we@gmail.com http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 187 Nguyễn Hồng Thanh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 204(11): 187 - 193 Giới thiệu Kỹ thuật mô Ứng suất dư biến dạng hàn tượng song hành xuất trình hàn nung nóng làm nguội khơng mối hàn tác dụng nguồn nhiệt hồ quang hàn Hiện tượng tập trung ứng suất dư chân mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt nguy hiểm kết cấu Điều làm kết cấu giảm khả chịu tải, đặc biệt tải trọng biến đổi Khi kết cấu hàn khả làm việc bị phá huỷ cục hồn tồn gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính mạng người, tài sản huỷ hoại môi trường tự nhiên [1] 2.1 Mơ hình nguồn nhiệt Chính vậy, việc phân tích dự đốn phân bố ứng suất dư biến dạng hàn việc làm quan trọng từ thiết kế quy trình hàn Trong năm gần đây, với phát triển vượt bậc ngành khoa học máy tính việc sử dụng kỹ thuật mơ số dựa phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để dự đoán phân bố ứng suất dư biến dạng hàn nghiên cứu cách Một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng hàn có chiều dày lớn góc vát, trình tự hàn lượng nhiệt cấp vào bể hàn, Để giảm biến dạng hàn ta sử dụng biện pháp công nghệ kết cấu Đối với kết cấu phức tạp việc giảm biến dạng hàn gặp nhiều khó khăn [1] Ngồi ảnh hưởng nung nóng làm nguội khơng hàn thơng số chế độ hàn điều kiện gá kẹp, trình tự hàn, góc vát, ảnh hưởng tới hình thành phân bố ứng suất dư biến dạng phận toàn kết cấu hàn Bài báo sử dụng phần mềm Sysweld® [2] để phân tích, dự đốn phân bố ứng suất dư biến dạng liên kết hàn giáp mối vát mép hai thép SS400 kích thước 200×150×10mm với góc vát (α) 50o, 60o, 70o 188 Trong nghiên cứu này, thời điểm (t) lượng hồ quang hàn mô tả phần bố nguồn nhiệt mặt Gau xơ [1] Vì thế, điểm thuộc bề mặt vật hàn có bán kính cột hồ quang nhận phân bố nhiệt qt theo công thức (1):  r 3Q q t  exp  a ra   rt       (1) Trong đó: rt bán kính cột hồ quang Q lượng cột hồ quang Q=.U.I (W), U - điện áp hồ quang (V); I cường độ dòng điện hàn (A)  hiệu suất hồ quang hàn (0,6 ÷ 0,9) Mơ hình nguồn nhiệt có mật độ phân bố ellipsoid kép [1], [2] xác định kết hợp hai khối bán ellipsoid khác để tạo thành nguồn nhiệt, hình Hình Mơ hình nguồn nhiệt hàn MAG [2] Trong af, ar, b c thơng số hình học nguồn nhiệt hàn MAG Bảng Thông số nguồn nhiệt hàn Thông số af ar b c Giá trị mm 10 mm mm mm Bảng thông số nguồn nhiệt hàn sử dụng mô số trường nhiệt độ ứng suất dư Hình trình tự thực mơ q trình hàn giáp mối vát mép hai thép SS400, dày 10 mm Mơ hình vật hàn chia lưới mô số dựa phần mềm Sysweld® http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Nguyễn Hồng Thanh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 204(11): 187 - 193 nút lưới định nghĩa dạng tải nhiệt đặt vào nút lưới [4] Ứng suất nhiệt hình thành vật hàn xác định sở ứng suất thành phần theo chiều (x, y, z), công thức v  Hình Trình tự thực mơ 2.2 Mơ hình truyền nhiệt Cơng thức mơ hình truyền nhiệt theo chiều (3D) trạng thái giả ổn định Công thức mô tả nhiệt trao đổi xạ nhiệt môi trường xung quanh [1], [2] k  2T  2T  2T Q T  k  k  k  Ck x y z x t   hT  T0     T  T04  q s (2) (3) Trong đó: Q lượng nhiệt toả lượng đường (J/mm), qs nhiệt lượng thất thoát, T nhiệt độ khảo sát, T0 nhiệt độ ban đầu, t thời gian (s), k hệ số dẫn nhiệt (W/mm oC),  khối lượng riêng, C nhiệt dung riêng (J/g oC), h hệ số nhiệt đối lưu, β số Stefan-Boltzman  hệ số phát xạ [1],[ 3] Liên quan đến trạng thái giả ổn định, cơng thức viết lại sau: k  2T  2T  2T Q T  k  k  v  Vh C x y z x t Trong q trình mơ biến dạng nhiệt kết cấu hàn, biến thiên nhiệt độ (5) Biến dạng tổng () gồm: biến dạng đàn hồi (e), biến dạng dẻo (p) biến dạng nhiệt (th) xác định theo công thức [3]  = e + p + th (6) Biến dạng đàn hồi mô hình hố dựa theo định luật Hook [3] Với loại biến dạng nhiệt độ phụ thuộc vào mơ đun đàn hồi Young hệ số Poisson (bảng 3) Đối với biến dạng dẻo mơ hình tốc độ chảy dẻo phụ thuộc vào nhiệt độ, tính vật liệu động lực học vật liệu 2.4 Các thơng số vật liệu Thành phần hóa học lý tính thép SS400 cho bảng [5] Hình Giới hạn chảy thép SS400 [2] Hình mơ tả giới hạn chảy tương ứng với pha thép SS400 biến thiên theo nhiệt độ [6] Bảng Thành phần hoá học thép SS400 Si Mn 0,12~0,3 0,25~0,50 Bảng Cơ lý thép SS400 Đặc tính Mơ đun đàn hồi (GPa) Giới hạn bền kéo (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Hệ số Poisson Nhiệt độ nóng chảy (oC) Nhiệt độ đông đặc (oC) http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn  (4) Vh vận tốc hàn, (mm/s) 2.3 Mơ hình biến dạng C 0,15     2     2     2 P 0,04 S 0,045 Giá trị 210 470 230 0,29 1500 1400 189 Nguyễn Hồng Thanh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 204(11): 187 - 193 2.5 Mơ hình hố liên kết hàn Mơ hình liên kết hàn giáp mối vát mép thiết kế phần mềm VisualMesh để tạo mơ hình solid (3D) Các thơng số mối ghép cho hình [7] Bảng Thông số mối ghép hàn Trường hợp P (mm) 2 a (mm) 3,2 3,2 3,2 α (độ) 50 60 70 S (mm) 10 10 10 Trong đó: P – lượng dư gia cơng (mm); a – khe hở lắp ghép (mm); S – chiều dày hàn (mm); α – góc vát (o) Tổng thời gian mơ làm nguội tồn liên kết 1500s, sau thời gian vật hàn làm nguội xuống nhiệt độ môi trường 2.7 Điều kiện gá kẹp Hình Thơng số mối hàn giáp mối [8] Sau liên kết hàn mơ hình hoá phần mềm VisualMesh với 40.554 element 32.125 node, hình Hình Mơ hình hố liên kết hàn Để kết mơ xác, đồng thời giảm thời gian tính tốn mơ lưới vùng mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt chia mịn hơn, vùng lân cận chịu tác động nhiệt độ cao lưới chia thưa Kiểu lưới sử dụng toán cơnhiệt chủ yếu Hexa Linear 2.6 Trình tự thực đường hàn Trong nghiên cứu tác giả chọn hàn có chiều dày 10mm, vát mép chữ V, phương pháp hàn MAG Để đạt kích thước mối hàn chiều sâu ngấu chọn hàn lớp bố trí hình [7] Hình Bố trí đường hàn 190 Liên kết hàn kẹp chặt theo chiều x, y, z tất trường hợp, hình với mục đích kết mô tương đồng với kết làm thực nghiệm Hình Vị trí gá kẹp mô 2.8 Thông số hàn mô Thông số mô cho bảng với qo lượng đường (J/mm), Vh vận tốc hàn (mm/s) Bảng Thông số mô Đường hàn qo (J/mm) Vh (mm/s) 850 5,0 1.190 5,0 1.360 5,0 Kết thảo luận Tiến hành khai báo: thuộc tính vật liệu, kiểu phần tử phân tích, cơng suất nguồn nhiệt, thiết lập điều kiện tính tốn, điều kiện gá kẹp, giải toán ta thu kết quả: http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Nguyễn Hồng Thanh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 3.1 Trường nhiệt độ 204(11): 187 - 193 lấy kết biến dạng cách đầu đường hàn 100mm Thấy biến dạng tỷ lệ thuận với góc vát, nghĩa góc vát lớn biến dạng lớn Điều lượng kim loại bổ sung vào mối hàn lớn dẫn đến việc co ngót nhiều làm chi tiết bị biến dạng nhiều Hình Trường nhiệt độ hàn lớp phủ Hình thể kích thước bể hàn nóng chảy, vùng HAZ mô Khi hàn hai vật liệu chúng có tính chất nên phân bố nhiệt độ hai Hình Chu trình nhiệt hàn nút 4634 Hình biểu diễn chu trình nhiệt hàn nút 4634 chân đường hàn phủ Ta thấy hàn lớp lót nhiệt độ nút gần 450oC, hàn lớp trung gian nhiệt độ tăng lên 620oC hàn lớp phủ nguồn nhiệt qua nút vừa khảo sát nên nhiệt độ nút lên tới 1500oC 3.2 Biến dạng Hình 10 thể biến dạng tổng liên kết hàn giáp mối có vát mép Dựa kết thu nhận thông qua mô số, thấy góc vát lớn biến dạng lớn Trong trường hợp góc vát 70o biến dạng góc lớn 4,28781 mm thuộc nút 4238 Bảng hình 11 thể kết mơ biến dạng góc liên kết hàn giáp mối với trường hợp vát mép nêu Đường http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Hình 10 Biến dạng tổng Hình 11 Biến dạng góc 191 Nguyễn Hồng Thanh Đtg Trường hợp Biến dạng (mm) Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Bảng Biến dạng tổng liên kết hàn Vát 50o Vát 60o 3,16 3,5 3.3 Trường ứng suất dư 3.3.1 Ứng suất tương đương (Von mises) 204(11): 187 - 193 Vát 70o 4,25 Hình 13 thể phân bố ứng suất pháp (Normal stress) theo phương X với trường hợp góc vát, ta thấy ứng suất dư trường hợp vát mép 50o lớn giá trị đạt khoảng 200 MPa, trường hợp vát 70o giá trị ứng suất dư nhỏ khoảng 140 MPa Hình 12 Ứng suất Von mises a) Vát 50o; b) Vát 60o; c) Vát 70o Hình 12 thể phân bố ứng suất ứng suất tương đương (Von mises) với trường hợp góc vát, nhận thấy giá trị ứng suất dư chênh lệch góc vát 50o 70o khoảng 17 MPa; góc vát 50o 60o khoảng 3,7 Mpa; góc vát 60o 70o khoảng 14 MPa 3.3.2 Ứng suất pháp (Normal stress) Hình 14 Ứng suất pháp theo Y Hình 13 Ứng suất pháp theo X 192 Hình 14 thể giá trị ứng suất pháp theo phương Y Nhận thấy rằng, giá trị ứng suất dư trường hợp khảo sát có giá trị gần sát Tuy nhiên, khác với ứng suất tương đương, ứng suất pháp theo phương X Y lại có xu hướng tăng góc vát thay đổi từ nhỏ tới lớn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Nguyễn Hồng Thanh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 204(11): 187 - 193 Bảng Mối quan hệ ứng suất góc vát Ứng suất tương đương (MPa) Ứng suất pháp theo Y (MPa) Vát 50o 589,76 606,54 Bảng thể mối quan hệ ứng suất dư góc vát Theo kết mơ thấy hàn nhiều đường nhiều lớp ứng suất dư dọc trục mối hàn thường tăng góc vát tăng Trong ứng suất dư tương đương lại có xu hướng giảm góc vát tăng Kết luận Dựa vào việc phân tích, đánh giá ứng suất biến dạng hàn giáp mối vát mép thép SS400 có chiều dày 10mm, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tác giả đã: Tính tốn, phân tích dự đốn ảnh hưởng góc vát đến phân bố ứng suất dư biến dạng hàn; Góc vát lớn biến dạng lớn; Qua mơ dự đốn phân bố ứng suất dư biến dạng vị trí liên kết hàn Với kết nghiên cứu ứng suất biến dạng hàn giáp mối có vát mép thép SS400, chiều dày 10mm phân tích dự đoán trên, tác giả hy vọng http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Vát 60o 586,08 610,12 Vát 70o 572,99 619,86 thơng tin khoa học hữu ích áp dụng vào thực sản xuất lĩnh vực nghiên cứu ứng suất dư biến dạng hàn liên kết hàn giáp mối có chiều dày lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thế Ninh, Phân tích truyền nhiệt hàn ứng dụng, Nxb Bách khoa Hà Nội, 2011 [2] Goldak, J., Chakravarti, A., and Bibby, “A new finite element model for welding heat source”, Metallurgical Transactions B, 15B, pp 299-305, 1984 [3] Zhili Feng (2005), Processes and mechanisms of welding residual stress and distortion, page 185 [4] Zienkiewicz O C., The Finite Element Method, McGraw-Hill Company, London, 1977 [5] Trần Văn Địch (2004), Sổ tay thép giới, Nxb Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2004 [6] ESI User guide, 99 Rue Des, Solets Silic 112 94513 Rungis Cedex FRANCE [7] Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn nóng chảy, Tập Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2007 [8] AWS D1.1, Structural Welding Code – Steel, An American National Standard, 2010 193 194 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... phân bố ứng suất dư biến dạng hàn nghiên cứu cách Một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng hàn có chiều dày lớn góc vát, trình tự hàn lượng nhiệt cấp vào bể hàn, Để giảm biến dạng hàn ta... ứng suất dư dọc trục mối hàn thường tăng góc vát tăng Trong ứng suất dư tương đương lại có xu hướng giảm góc vát tăng Kết luận Dựa vào việc phân tích, đánh giá ứng suất biến dạng hàn giáp mối vát. .. biến dạng phận toàn kết cấu hàn Bài báo sử dụng phần mềm Sysweld [2] để phân tích, dự đốn phân bố ứng suất dư biến dạng liên kết hàn giáp mối vát mép hai thép SS400 kích thước 200×150×10mm với góc