Phân bố ứng suất dư và biến dạng khi hàn giáp mối hai tấm thép không gỉ AISI 304

Bài viết này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích và dự đoán sự phân bố ứng suất dư và biến dạng của liên kết hàn giáp mối hai thép tấm không gỉ AISI 304.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 51 PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯ VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN GIÁP MỐI HAI TẤM THÉP KHÔNG GỈ AISI 304 RESIDUAL STRESS AND DISTORTIONDISTRIBUTION IN BUTT WELDED JOINT OF TWO AISI 304 STAINLESS STEEL PLATES Hoàng Trọng Ánh1, Nguyễn Hồng Thanh1,Hà Xuân Hùng2, Nguyễn Tiến Dương3 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, Việt Nam Trường Đại học Lao động Xã hội, Việt Nam Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Việt Nam Ngày soạn nhận 18/7/2017, ngày phản biện đánh giá 9/8/2017, ngày chấp nhận đăng 10/10/2017 TÓM TẮT Thép không gỉ loại vật liệu ứng dụng rộng rãi chế tạo kết cấu thép, chế tạo máy, đường ống, bồn bể chứa chịu nhiệt, chịu ăn mòn hóa học, Bài báo sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích dự đốn phân bố ứng suất dư biến dạng liên kết hàn giáp mối hai thép không gỉ AISI 304 Khi hai thép nối với hàn, chu trình nhiệt phức tạp cấp vào vật hàn Kết việc cấp nhiệt biến dạng vùng đàn - dẻo phục hồi làm tăng ứng suất dư xung quanh vùng nóng chảy vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) Dự đoán ứng suất dư biến dạng hàn nhiệm vụ vô quan trọng từ thiết kế chế tạo Hơn nữa, việc nghiên cứu nhằm đưa trình tự hàn hợp lý liên kết hàn giáp mối nhằm giảm chi phí, cải thiện khả làm việc tăng khả chế tạo kết cấu hàn Từ khoá: AISI 304; Biến dạng hàn; Ứng suất dư; Liên kết hàn giáp mối vát mép chữ X; Trình tự hàn ABSTRACT Stainless steel is a type of material widely used in manufacturing structural steel, machinery,corrosion and temperature resistant pipes and tanks, etc.This paper uses finite element method to analyse and predict the distribution of residual stress and distortionof the butt welded joint between two AISI 304 stainless steel plates When two plates are joined by welding, a complex thermal cycle is applied to the weldment Thermal energy applied results in irreversible elastic-plastic deformation and consequently gives rise to the residual stresses in and around fusion zone and heat affected zone (HAZ) The prediction about welding residual stress and distortion is an important task when designing welded structure Furthermore, this investigation provides a proper butt welding sequence to reduce costs, improve workability and increase fabrication capabilities of the welded structure Key words: AISI 304; Welding strain; Residual stress; Butt welded joint with X –groove; Welding sequence ĐẶT VẤN ĐỀ Thép khơng gỉ AISI 304 [1] loại vật liệu làm việc mơi trường chịu ăn mịn hóa học, có độ bền tương đối cao thường sử dụng để làm thùng, bồn bể chứa hóa chất, Khi hàn nung nóng làm nguội khơng kèm theo ảnh hưởng thông số chế độ hàn điều kiện gá kẹp, trình tự hàn, dẫn đến xuất ứng suất dư biến dạng hàn phận toàn kết cấu hàn 52 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Harinadh Vemanaboina cộng mô số trường nhiệt độ phân bố ứng suất dư hàn TIG hai thép không gỉ 304 Vijay Gohel cộng nghiên cứu phân bố G.Mi cộng nghiên cứu ảnh hưởng thông số mối ghép đến phân bố ứng suất dư hàn nhôm phương pháp phần tử hữu hạn, Thanh cộng nghiên cứu ảnh hưởng trình tự hàn đến ứng suất dư biến dạng liên kết hàn giáp mối hai thép A36 phương pháp phần tử hữu hạn, Phân tích dự đốn phân bố ứng suất dư biến dạng hàn việc làm quan trọng từ thiết kế, chế tạo Trong năm gần 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 phân tích, đánh giá, dự đốn phân bố ứng suất dư biến dạng hàn Bài báo tác giả sử dụng phần mềm Sysweld® tập đồn ESI [2] để phân tích, dự đốn phân bố ứng suất dư biến dạng liên kết hàn giáp mối hai thép không gỉ AISI 304, vát mép chữ “X” kích thước 140×100×14mm với trình tự hàn KỸ THUẬT MƠ PHỎNG 2.1 Mơ hình nguồn nhiệt Sự phân bố nhiệt vật hàn nhiệt lượng cột hồ quang hàn, khả dẫn nhiệt kim loại bản, tỏa nhiệt môi trường, Với nguồn nhiệt hàn hồ quang, tổng công suất hiệu dụng Q=.Uh.Ih (W) (1) Trong đó: Uh-là điện áp hồ quang (V); Ih-là cường độ dòng điện hàn (A)  hiệu suất hồ quang hàn (0,6÷0,9) Goldak cộng [3] đưa mơ hình nguồn nhiệt có mật độ phân bố ellipsoid kép xác định kết hợp hai khối bán ellipsoid khác để tạo thành nguồn nhiệt, hình Hình Mơ hình nguồn nhiệt hàn SMAW Mật độ nhiệt bên khối bán ellipsoid mô tả hai phương trình riêng Với điểm (x,y,z) bên khối bán ellipsoid phía trước nguồn nhiệt, mật độ nguồn nhiệt biểu diễn phương trình  x y2 z2  Q R ( x, y, z, t )  Q f exp      c   af b (2) Với điếm (x,y,z) bên khối bán ellipsoid phía sau nguồn nhiệt, mật độ nguồn nhiệt biểu diễn phương trình  x y2 z2  Q R ( x , y, z, t )  Q r exp      c   ar b (3) Trong công thức af, ar, b c thơng số hình học nguồn nhiệt khối ellipsoid kép; Qf Qr khối bán ellipsoid phía trước phía sau nguồn nhiệt, hình 1; QR hàm mật độ nguồn nhiệt [4] Bảng Thông số nguồn nhiệt hàn thực nghiệm Thông số Giá trị af mm ar 10 mm b 6,5 mm c mm Bảng thông số nguồn nhiệt hàn thực nghiệm q trình hàn SMAW Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 53 Hình 3, 4, 5, biểu diễn tính chất – lý – kim loại học thép AISI 304 [9] Hình Hệ số dẫn nhiệt thép AISI 304 Hình 2.Trình tự thực mơ Hình trình tự thực mơ q trình hàn giáp mối vát mép chữ X hai thép AISI 304, dày 14 mm Mơ hình vật hàn mơ hình hố phần mềm VisualMesh [5]và mơ số phần mềm VisualWeld [6] Kết sau mô cho ta trường nhiệt độ, trường ứng suất dư biến dạng hàn 2.2 Mơ hình truyền nhiệt Hình Khối lượng riêng thép AISI 304 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, [7] k 2T x k 2T y k 2T z  k Q x  Ck T t (4)  h T  T0     T  T04  q s (5) 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 StefanBoltzmanvà  hệ số phát xạ, [8] Liên quan đến trạng thái giả ổn định, cơng thức viết lại sau: k 2T x k 2T y k 2T z v Q x  Vh C Vh vận tốc hàn, (mm/s) T t Hình Nhiệt dung riêng thép AISI 304 (6) Hình Giới hạn chảy thép AISI 304 54 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 2.3 Mơ hình biến dạng Trong q trình mơ biến dạng nhiệt kết cấu hàn, biến thiên nhiệt độ nút lưới định nghĩa dạng tải nhiệt đặt vào nút lưới Ứng suất nhiệt hình thành vật hàn xác định sở ứng suất thành phần theo chiều (x, y, z) công thức v   1   2     2    1 2  (7) Biến dạng tổng () gồm: biến dạng đàn hồi (e), biến dạng dẻo (p) biến dạng nhiệt (th) xác định theo công thức  = e + p + th Biến dạng đàn hồi mơ hình hố dựa theo định luật Hook [10] Với loại biến dạng nhiệt độ phụ thuộc vào mô 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 Hình 7.Mơ hình liên kết hàn giáp mối Sau liên kết hàn mơ hình hố phần mềm VisualMesh với 86.812 phần tử 69.231 nút Hình 8.a thể mơ hình lưới tồn liên kết Hình 8.b thể vùng chia lưới (8) khu vực mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) vùng xa mối hàn 2.4 Các thông số vật liệu Thành phần hóa học tính thép AISI 304 cho bảng Trong nghiên cứu tác giả coi vật liệu có tính liên tục đẳng hướng Bảng Thành phần hoá học thép Thành phần hoá học, % C Si Mn P S Cr Ni 0,08 0,75 2,0 0,04 0,03 18÷19 8÷9 Bảng Tính chất vật lý thép Hình Mơ hình hố liên kết hàn (a); Vùng chia lưới (b) Đặc tính Giá trị Mơ đun đàn hồi (ksi) 29.000 Giới hạn chảy (ksi) 31.200 Hệ số Poisson 0,29 Để kết mơ xác vùng mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt chia lưới mịn (hình 8.b – vùng 1) vùng lân cận chịu tác động nhiệt độ cao chia lưới thưa (hình 8.b vùng 2) Nhiệt độ nóng chảy (oC) 1455 2.6Trình tự thực đường hàn Nhiệt độ đông đặc (oC) 1400 Trong nghiên cứu mình, tác giả chọn hàn có chiều dày 14 mm, vát mép chữ X phương pháp hàn SMAW Để đạt kích thước mối hàn chiều sâu ngấu tác giả chọn hàn đường, hình 2.5 Mơ hình hố liên kết hàn Liên kết hàn thiết kế phần mềm với mơ hình solid (3D), hình Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 55 Bảng Chế độ hàn thực nghiệm Hình Bố trí đường hàn Thứ tự thực đường hàn mô tả bảng Bảng Thứ tự thực đường hàn Trường Thứ tự hợp đường hàn 1, 2, 4, 5, Hướng hàn Đường hàn Ih (A) Uh (V)  87,5 29 0,8 3,2 2,5 125 32 0,8 3,5 3,2 120 30 0,8 3,0 3,2 125 32 0,8 3,5 3,2 120 30 0,8 3,0 3,2 Cùng chiều Vh Dd (mm/s) (mm) Bảng Thông số mô 1, 2, 4, 3, Cùng chiều 1, 4, 2, 5, Cùng chiều Đường hàn Năng lượng đường (J/mm) Vận tốc hàn (mm/s) 1, 2, 4, 3, 1, 3, chiều 800 3,5 1, 4, 2, 5, 1, 3, chiều 900 3,5 1, 2, 3, 4, Cùng chiều 940 3,0 900 3,5 940 3,0 Tổng thời gian mơ làm nguội tồn liên kết 2000s, sau thời gian vật hàn làm nguội xuống nhiệt độ môi trường Nhiệt độ lớp hàn nhỏ 150 oC 2.7 Điều kiện gá kẹp Điều kiện gá kẹp liên kết hàn thực giống thực nghiệm Liên kết hàn kẹp chặt theo chiều x, y, z tất trường hợp, hình 10 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sau mơ hình hóa liên kết hàn giáp mối vát mép kiểu chữ “X” ta tiến hành khai báo thuộc tính vật liệu, cơng suất nguồn nhiệt, thiết lập điều kiện tính toán, điều kiện gá kẹp chặt Giải toán ta thu kết quả: 3.1 Trường nhiệt độ Hình 10 Vị trí gá kẹp mơ 2.8 Thơng số hàn mô Thông số, chế độ hàn thực nghiệm phương pháp hàn SMAW mô tả bảng [11].Trong đó: Vh: Vận tốc hàn (mm/s); Dd: Đường kính que hàn (mm) Thơng số mơ cho bảng Hình11 So sánh kích thước bể hàn mơ thực nghiệm 56 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hình 11 thể kích thước bể hàn nóng chảy, vùng HAZ mô thực nghiệm Ta nhận thấy chúng có hình dạng gần giống Như kết mơ chấp nhận sở để giải toán nhằm xác định ứng suất dư biến dạng hàn toàn liên kết Hình 13 thể biến dạng tồn liên kết hàn theo phương Z trường hợp Ta thấy trường hợp cho kết biến dạng nhỏ trường hợp cho kết biến dạng lớn vùng biến dạng tương đối rộng Hình 12 Chu trình nhiệt hàn Hình 12 biểu diễn chu trình nhiệt hàn nút 62.860thuộc đường hàn nút 17.772 thuộc vùng ảnh hưởng nhiệt cách chân đường hàn phủ, mặt thép khoảng3,5 mm Ta thấy đường hàn chịu ảnh hưởng nhiệt độ cao hàn đường lại Đây nguyên nhân dẫn đến thay đổi tổ chức tế vi tập trung ứng suất dư 3.2 Trường biến dạng Hình 13 Biến dạng theo phương Z Hình 14 Biến dạng góc theo Z Hình 14thể biến dạng góc trường hợp nêu Vị trí đường lấy biến dạng cách đầu đường hàn 50 mm phía thép Ta thấy rằng, với điều kiện kẹp chặt (hình 10) biến dạng tập trung lớn nằm khu vực mối hàn 3.3 Trường ứng suất Hình 15 Ứng suất pháp theo phương X Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hình 15 mơ tả phân bố ứng suất dư pháp tuyến theo phương X (vng góc với đường hàn) trường hợp Theo đó, ứng suất dư hàn trường hợp nhỏ nhất, lớn hàn với trường hợp 57 Bảng So sánh kết ứng suất dư giới hạn chảy Ứng suất dư (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Tỷ lệ (%) 136,8 359,4 38,1 332,0 359,4 92,4 Dựa vào kết so sánh ta thấy ứng suất dư pháp tuyến theo phương X Y 38,1 92,4% so với giới hạn chảy vật liệu khu vực khảo sát Điều chứng tỏ liên kết hàn đảm bảo điều kiện bền KẾT LUẬN Dựa vào việc phân tích, đánh giá ứng suất biến dạng hàn thép khơng gỉ AISI 304 có chiều dày 14 mm, vát mép chữ X sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tác giả đã: Hình 16 Ứng suất pháp theo phương Y Hình 16 phân bố ứng suất pháp theo phương Y (dọc trục đường hàn) trường hợp hàn nói Dựa vào kết tính tốn mơ ta thấy ứng suất dư tất trường hợp coi giống Hình 17 thể phân bố ứng suất dư pháp tuyến (theo phương X Y) giới hạn chảy kim loại kim loại mối hàn khu vực khảo sát (Vị trí đường lấy ứng suất dư cách đầu đường hàn 50 mm bề mặt thép, theo chiều rộng mẫu hàn) thuộc trường hợp Hình 17 So sánh giới hạn chảy ứng suất dư pháp tuyến Tính tốn, phân tích dự đốn ảnh hưởng trình tự hàn đến phân bố ứng suất dư biến dạng hàn; 2.Hàn với trường hợp ứng suất dư nhỏ (226,90 MPa) trường hợp cho ứng suất dư lớn (321,01 MPa); 3.Hàn với trường hợp biến dạng hàn nhỏ (1,34 mm) lớn hàn với trường hợp (4,63 mm) Với kết nghiên cứu đạt được, tác giả mong muốn thơng tin hữu ích cho sở sản xuất, chế tạo vật liệu liên quan đến thép không gỉ, đặc biệt thép AISI 304có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất 58 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Tiến Dương, Mô trình truyền nhiệt hàn, Hà Nội, 2008 Nguyễn Thế Ninh, Phân tích truyền nhiệt hàn ứng dụng, NXB Bách khoa Hà Nội, 2011 Trần Văn Địch, Sổ tay thép giới, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2004 Nguyễn Hồng Thanh, Hoàng Trọng Ánh, Nguyễn Tiến Dương, Hà Xuân Hùng, Dự đoán ứng suất dư biến dạng liên kết hàn góc chữ T phương pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, số 37, 9/2016 [5] Nguyễn Hồng Thanh, Hoàng Trọng Ánh, Hà Xuân Hùng, Nguyễn Tiến Dương, Nghiên cứu ảnh hưởng trình tự hàn đến ứng suất dư biến dạng liên kết hàn giáp mối, Hội nghị KH & CN tồn quốc khí – động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội, 10/2016 [6] Nguyễn Hồng Thanh, Nguyễn Tiến Dương, Hà Xuân Hùng, Ảnh hưởng trình tự hàn đến phân bố ứng suất dư liên kết hàn ống chữ K, Hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ Cơ kỹ thuật Tự động hóa, Đại học Bách khoa Hà Nội, 10/2016 [7] Zienkiewicz, O C, The Finite Element Method, McGraw-Hill Company, London, 1977 [8] Nguyen, N.T., Ohta, A., Matsuoka, K., Suzuki, N., and Maeda, Y Analytical solutions for transient temperature of semi-infinite body subjected to 3-D moving heat sources Welding Journal Research Supplement, August, 265-274, 1999 [9] Goldak, J., Chakravarti, A., and Bibby, M A new finite element model for welding heat source Metallurgical Transactions B, 15B, 299-305, 1984 [10] ESI Group, 99 Rue Des, Solets Silic 112 94513 Rungis Cedex FRANCE [11] AWS D1.1 2010, Structural Welding Code – Steel, An American National Standard, 2010 [1] [2] [3] [4] Tác giả chịu trách nhiệm viết: Nguyễn Hồng Thanh Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, Việt Nam Email: thanh.we@gmail.com ... trường nhiệt độ phân bố ứng suất dư hàn TIG hai thép không gỉ 304 Vijay Gohel cộng nghiên cứu phân bố G.Mi cộng nghiên cứu ảnh hưởng thông số mối ghép đến phân bố ứng suất dư hàn nhôm phương... nghiên cứu ảnh hưởng trình tự hàn đến ứng suất dư biến dạng liên kết hàn giáp mối hai thép A36 phương pháp phần tử hữu hạn, Phân tích dự đốn phân bố ứng suất dư biến dạng hàn việc làm quan trọng từ... phân tích, đánh giá, dự đoán phân bố ứng suất dư biến dạng hàn Bài báo tác giả sử dụng phần mềm Sysweld® tập đồn ESI [2] để phân tích, dự đốn phân bố ứng suất dư biến dạng liên kết hàn giáp mối