Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết phân tích kết hợp mô phỏng và thực nghiệm hàn thép không gỉ SUS304 với thép các bon SS400 bằng quá trình hàn hồ quang tay (SMAW). Trường nhiệt, ứng suất và biến dạng hàn được phân tích bằng phương pháp mô phỏng số trên phần mềm ANSYS. Phương pháp kim tương được sử dụng để phân tích cấu trúc tế vi kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. Đây là cơ sở để ứng dụng vào thực tế sản xuất.
SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH HÀN GIÁP MỐI VÁT MÉP CHỮ V GIỮA THÉP CÁC BON SS400 VỚI THÉP KHÔNG GỈ SUS304 ANALYSIS AND SIMULATION ON BUTT JOIN WELDING OF SINGLE-V GROOVE BETWEEN SS400 CARBON STEEL AND SUS304 STAINLESS STEEL Ngô Hữu Mạnh TĨM TẮT Q trình hàn giáp mối thép bon SS400 với thép không gỉ SUS304 phương pháp hàn hồ quang tay gặp nhiều khó khăn khác thành phần tính Mối hàn u cầu khơng có khuyết tật, tổ chức ổn định, có độ bền cao q trình làm việc Trong báo này, tác giả phân tích kết hợp mô thực nghiệm hàn thép không gỉ SUS304 với thép bon SS400 trình hàn hồ quang tay (SMAW) Trường nhiệt, ứng suất biến dạng hàn phân tích phương pháp mơ số phần mềm ANSYS Phương pháp kim tương sử dụng để phân tích cấu trúc tế vi kim loại mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt Đây sở để ứng dụng vào thực tế sản xuất Từ khoá: Hàn thép austenite; hàn vật liệu khác nhau; hàn thép không gỉ; mô số ABSTRACT Dissimilar metal welding (DMW) process of single-V groove butt weld between SS400 carbon steel and SUS304 stainless steel is difficultly, because they have differences in composition and properties The weld is require non defect, stability microstructure and high strength In this paper, author is analysis combide simulation and experimental of shielded metal arc welding (SMAW) process between SUS304 stainless steel and SS400 carbon steel The temperature fields, stress and distortion had been analysed by ANSYS software Metallography method was used for analysis metals microstructure of the weld and heat affected zone (HAZ) There are data bases to application in dissimilar metals welding process Keywords: Austenite welding; dissimilar metal welding; stainless steel welding; numerical simulation Trường Đại học Sao Đỏ Email: manh.weldtec@gmail.com Ngày nhận bài: 26/4/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 05/8/2020 Ngày chấp nhận đăng: 18/8/2020 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU GIỚI THIỆU CHUNG Hiện nay, việc liên kết hai loại vật liệu khác phương pháp hàn gặp nhiều khó khăn Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn người thực yêu cầu thực tế sản xuất đời sống Quá trình hàn nối vật liệu khác nhằm khai thác, sử dụng tối đa đặc tính ưu việt loại vật liệu Q trình hàn thép khơng gỉ SUS304 với thép bon SS400 ứng dụng nhiều lĩnh vực nhiệt điện, hóa chất, Một mặt nhằm sử dụng vật liệu để phát huy tốt đặc tính ưu việt chúng Mặt khác giúp tiết kiệm vật liệu tốt, giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm sau chế tạo Tuy nhiên vấn đề khó khăn liên kết loại vật liệu khác hoàn toàn thành phần đặc tính với [1, 2] Khi hàn hai loại vật liệu không đồng nhất, nhiều trường hợp, để hàn nối loại vật liệu người ta thường phải sử dụng đến lớp vật liệu trung gian gọi lớp đệm [3] Kim loại khác kim loại khác thành phần hóa học, đặc tính, tổ chức tế vi Quá trình hàn kim loại đồng thường thuận lợi hàn kim loại khác DMW [1, 2] Trong trình hàn, nguyên tố hợp kim bị nóng chảy, hịa tan vào tạo liên kim pha hợp chất Quá trình bị ảnh hưởng quy trình hàn, trình luyện kim, tốc độ nguội [4] Vì vậy, yếu tố ảnh hưởng phải nghiên cứu, phân tích trước hàn để loại bỏ yếu tố bất lợi hướng đến nhận mối hàn liên kết hàn tốt [2] Mô phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite element method) giải pháp giúp phân tích xu hướng xảy trình hàn Đây sở khoa học để xây dựng quy trình hàn phù hợp với thực tế tiết kiệm chi phí sản xuất Quá trình mơ trường nhiệt, ứng suất biến dạng hàn thực phần mềm ANSYS 2.1 Vật liệu Vật liệu sử dụng gồm thép không gỉ SUS304 thép bon thấp SS400 dạng tấm, chiều dày 10mm Bề mặt vật hàn làm gia công vát mép chữ V, Vol 56 - No (Aug 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 63 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 góc vát α = 600 Khe hở hai từ a = 2,0 ÷ 3,0mm, chiều dày phần khơng vát từ p = 1,5 ÷ 2,0mm (hình 1) Thành phần hóa học, tính thép SUS304, SS400 bảng ÷ Hình Liên kết hàn thép SUS304 SS400 Bảng Thành phần hóa học thép SUS304 [5] %C 0,08 %Si 0,75 %Mn 2,0 %S 0,03 %P 0,045 %Cr 18 - 20 %Ni 8,0 - 10,5 Bảng Cơ tính thép SUS304 [5] Giới hạn bền (MPa) 500 - 525 Giới hạn chảy (MPa) 205 - 215 Độ giãn dài (%) 40 Hình So sánh đặc tính thép SS400 SUS304 [8] Kết phân tích hình thấy rằng, tỉ trọng độ dẫn nhiệt thép SUS304 với SS400 có chênh lệch đáng kể Điều gây ảnh hưởng lớn đến trình phân bố nhiệt hồ quang hàn Vì trình hàn, nguồn nhiệt hồ quang hướng sang thép SUS304 cần thiết để cân nguồn nhiệt Bảng Thành phần hóa học thép SS400 [5, 6] %C < 0,25 %Si < 0,2 %Mn < 0,5 %S 0,05 %P 0,05 Bảng Cơ tính thép SS400 [5, 6] Giới hạn bền (MPa) 400 - 510 Giới hạn chảy (MPa) 245 Độ giãn dài (%) 21 2.2 Vật liệu hàn Vật liệu hàn sử dụng gồm que hàn hồ quang tay NC-39L tiêu chuẩn AWS A5.4 E309L-16, đường kính 3,2mm hãng Kobelco (Nhật Bản) sản xuất có thành phần hóa học, tính bảng 5, Bảng Thành phần hóa học que hàn NC-39L [7] %C 0,03 %Si 0,6 %Mn 1,5 %S 0,005 %P 0,02 %Cr 23,13 %Ni 12,5 Bảng Cơ tính của que hàn NC-39L [7] Giới hạn bền (MPa) 560 Giới hạn chảy (MPa) 410 Độ giãn dài (%) 42 Độ dai va đập (V) 00C (J) 67 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Phân tích q trình hàn Thép khơng gỉ SUS304 có khác biệt lớn tính lý tính so với thép SS400 64 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (8/2020) Hình Q trình chuyển hố trạng thái từ rắn sang lỏng kim loại mối hàn Quá trình phân tích đường đặc tính nhiệt thấy rằng, kim loại mối hàn chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng nhiệt độ khoảng 14300C (hình 3) Đây sở quan trọng để điều tiết nguồn nhiệt lệch phía vật liệu SUS304 q trình hàn Vì trình điều tiết nguồn nhiệt giúp kiểm soát mức độ tham gia vật liệu vào mối hàn [2] Khi đó, mức độ tham gia vào mối hàn thép SUS304 nhiều so với SS400 Thép SUS304 tham gia nhiều vào mối hàn kết hợp với vật liệu bổ sung từ que hàn làm tăng độ dẻo, độ bền, khả chịu nhiệt, khả chống ăn mòn, khả kháng nứt cho kim loại mối hàn Do sử dụng phương pháp hàn nóng chảy nên kim loại mối hàn hỗn hợp gồm vật liệu vật liệu bổ sung từ que hàn [2] Vì hàn nối ghép hai loại vật liệu khác hoàn toàn thành phần tính, nên thép SS400 tham gia nhiều vào mối hàn làm giảm tính, khả chịu nhiệt khả chống ăn mòn kim loại mối hàn Để đảm bảo chất lượng hàn, xây dựng quy trình hàn theo tiêu chuẩn AWS D1.1 [9] Gia nhiệt cho vật hàn (từ 200 - 3000C) thực mối hàn vị trí 1G theo quy trình Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 hàn Các mối hàn thực theo trình tự từ lớp đáy đến lớp phủ trình hàn SMAW để hoàn thiện mối hàn giáp mối hai loại vật liệu SUS304 SS400 Quá trình hàn lớp phủ thực công nghệ hàn SMAW sử dụng que hàn NC-39L tiêu chuẩn E309L-16, đường kính 3,2mm hãng Kobelco [7] Trước thực hàn lớp phủ, bề mặt mối hàn mép vật hàn làm để đảm bảo nhận mối hàn tốt Mỗi lớp hàn phủ gồm nhiều đường hàn khác nhau, nên đường hàn phải thực theo quy trình hàn Sau đường hàn lớp hàn, bề mặt mối hàn, vật hàn làm trước thực đường hàn Các thông số chế độ hàn xác định lựa chọn theo lý thuyết thực nghiệm Năng lượng đường xác định theo công thức sau [10]: Q UI 60 1000.v Trong đó: Q - Năng lượng đường (kJ/mm) U - Điện áp hàn (V) I - Dòng điện hàn (A) v - Tốc độ hàn (mm/min) η - Hiệu suất hàn SMAW, η = 0,6 Với chiều dày 10mm, mối hàn hoàn thiện bao gồm ba lớp hàn; có 01 lớp hàn đáy (lớp hàn lót) Lớp hàn đáy gồm đường hàn, yêu cầu mối hàn ngấu hết chân vật hàn độ lồi chân mối hàn không 1,0mm Thông số chế độ hàn lớp thứ I bảng Bảng Thông số chế độ hàn lớp thứ I Chế độ hàn Đường kính que hàn (mm) Cường độ dịng hàn (A) Điện áp hàn (V) Vận tốc hàn (mm/phút) Năng lượng đường (kJ/mm) Ký hiệu d Ih Uh Vh Q1 Giá trị 3,2 100 30 100 1,08 Ký hiệu Giá trị Đường kính que hàn (mm) d 3,2 Cường độ dịng hàn (A) Ih 110 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Uh 32 Vận tốc hàn (mm/phút) Vh 100 Q2,3,4 1,27 O 12 Năng lượng đường (kJ/mm) Biên độ dao động que hàn (mm) Sử dụng phần mềm ANSYS để mơ q trình hàn giáp mối thép bon SS400 với thép không gỉ SUS304 Các thông số chế độ hàn xác định sở lý thuyết điều chỉnh thông qua trình thực nghiệm Các điều kiện biên tác giả đưa gần giống điều kiện hàn thực tế Nguồn nhiệt hồ quang xác định theo công thức sau [11]: P Uh I h Trong đó: Uh - Điện áp hồ quang (V) Ih - Cường độ dòng điện hàn (A) - Hiệu suất hồ quang hàn (0,6 ÷ 0,9) Goldak cơng [12] đưa mơ hình nguồn nhiệt có mật độ phân bố ellipsoid kép xác định cách phối hợp hai khối bán ellipsoid khác để tạo thành nguồn nhiệt (hình 4) Ghi DCEP Sau đường hàn, lớp hàn, bề mặt mối hàn mép vật hàn làm trước thực hàn lớp Lớp hàn thứ hai gồm đường hàn phủ kín tồn lớp hàn thứ (lớp hàn lót) Lớp hàn thứ ba gồm hai đường hàn phủ kín tồn lớp hàn thứ hai Bảng thông số chế độ hàn lớp thứ II III nhu bảng Từ lớp hàn thứ hai, việc dao động que hàn bắt buộc để phân bố nguồn nhiệt, đảm bảo chiều rộng độ sâu ngấu mối hàn Biên độ dao động que hàn từ 10 - 12mm Cùng với đó, cường độ dịng hàn tăng lên từ 5% đến 10% để đảm bảo công suất nguồn nhiệt hồ quang độ sâu ngấu cần thiết cho mối hàn Bảng Thông số chế độ hàn lớp thứ II III Chế độ hàn Điện áp hàn (V) Ghi DCEP Hình Mơ hình nguồn nhiệt hàn [12] Mật độ nguồn nhiệt điểm (x,y,z) bên khối ellipsoid (phía trước hồ quang hàn) biểu diễn phương trình sau [11, 12]: x2 y2 z QR (x, y, z, t) Q f exp a c f b Với điểm (x,y,z) bên khối ellipsoid thứ hai (phía sau hồ quang hàn), mật độ nguồn nhiệt biểu diễn phương trình sau [11, 12]: x y z2 QR (x, y, z, t) Q r exp a c r b Trong đó: af, ar, b c thơng số hình học nguồn nhiệt khối ellipsoid kép; QR hàm mật độ nguồn nhiệt Mối tương quan kích thước nguồn nhiệt kích thước bể hàn, nhận giá trị cho af, ar, b c cách đo trực tiếp thơng số hình học bể hàn Vol 56 - No (Aug 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 65 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình Mơ hình mặt cắt ngang mối hàn P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Phân tích hình ảnh mơ (hình ÷ 8) thấy rằng, thời điểm phân bố nhiệt kim loại vũng hàn mối hàn khác Vùng ảnh hưởng nhiệt thời điểm bắt đầu đường hàn nhỏ so với hàn đến đường hàn cuối đường hàn Khi nguồn nhiệt dịch chuyển, sau kim loại vũng hàn kết tinh để hình thành mối hàn Sự phân bố nhiệt kim loại mối hàn không đồng vùng Ở đường hàn thứ nhất, vùng ảnh hưởng nhiệt không lớn Ở đường hàn sau, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn hồ quang liên tục cung cấp nhiệt cho vật hàn Hình Bắt đầu đường hàn Hình Sự phân bố ứng suất hàn Do chênh lệch hệ số dẫn nhiệt hệ số giãn nở nhiệt thép không gỉ SUS304 thép bon SS400, nên phân bố nhiệt vùng kim loại mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) khác Kết phân tích thấy rằng, ứng suất sinh q trình hàn lớn đạt giá trị lớn vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) mối hàn (hình 9) Đây ngun nhân gây biến dạng nứt cho liên kết hàn bị kẹp chặt hàn Hình Nối tiếp đường hàn Hình Kết thúc đường hàn 66 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (8/2020) Hình 10 Biến dạng hàn lớp thứ I Sau hàn lớp thứ I trạng thái tự do, liên kết vát mép chữ V bị biến dạng góc tượng co ngang mối hàn Ở giai đoạn đầu, mức độ biến dạng không lớn Về cuối đường hàn, mức độ biến dạng góc lớn vùng ảnh hưởng nhiệt tăng lên Ở trạng thái tự (vật hàn không bị kẹp chặt), co ngót biến dạng vật hàn tăng lên trình nguội (hình 10) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Hình 11 Biến dạng hàn lớp thứ II Sau hàn lớp thứ II trạng thái tự do, mức độ biến dạng góc tượng co ngang mối hàn lớn (hình 11) Do tác động nguồn nhiệt hồ quang, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn dần theo thời gian dẫn đến biến dạng gia tăng Mức độ biến dạng vùng khác Ở vùng kim loại lỏng (vùng mối hàn), mức độ biến dạng lớn co ngót vật liệu nguội Vì vậy, sau hàn, liên kết có xu hướng biến dạng theo phương dọc phương ngang gây tượng cong vênh 3.2 Quy trình hàn Trước hàn, vật hàn gia nhiệt từ 200 - 3000C Mối hàn thực vị trí hàn Với chiều dày 10mm, mối hàn hoàn thiện ba lớp hàn Lớp hàn thứ (lớp đáy) sử dụng phương pháp dao động que hàn hình cưa để đảm bảo chân mối hàn ngấu hết mép vật hàn, độ lồi chân mối hàn khơng q 1,0mm (hình 12) 3.3 Tổ chức kim loại mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt Do sử dụng phương pháp hàn nóng chảy nên kim loại mối hàn hỗn hợp gồm vật liệu vật liệu bổ sung từ que hàn Vì hàn giáp mối hai loại vật liệu khác thành phần tính, nên thép SS400 tham gia nhiều vào mối hàn làm giảm tính, khả chịu nhiệt khả chống ăn mòn kim loại mối hàn Mẫu kiểm tra kim tương cắt từ vật hàn Sau đó, mẫu thử mài bóng tẩm thực màu để thuận lợi cho cho trình phân tích cấu trúc Mẫu thử quan sát chụp ảnh thiết bị hiển vi quang học (OM - Optical microscopy) với độ phóng đại từ 200 đến 1000 lần Kết phân tích ảnh chụp cấu trúc kim loại vùng mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt sau: - Tại vùng kim loại mối hàn: Kim loại vùng mối hàn có cấu trúc gồm hai pha Ferrite Austenite Cấu trúc pha tương đối đồng đều, pha xếp ổn định (hình 14) Hình 14 Cấu trúc kim loại mối hàn thép SUS304 với thép SS400 - Tại vùng ảnh hưởng nhiệt thép SUS304 với mối hàn có cấu trúc tương đối ổn định; đường phân giới mối hàn với kim loại SUS304 rõ nét; không thấy xuất vết nứt tách lớp vùng phân giới vị trí kiểm tra (hình 15) Hình 12 Chân mối hàn Các lớp phủ thực sau bề mặt mối hàn mép vật hàn lớp hàn trước làm để đảm bảo nhận mối hàn tốt nhất, dao động que hàn hình cưa, biên độ dao động que hàn điều chỉnh phù hợp với chiều rộng mối hàn (hình 13) Hình 13 Bề mặt mối hàn Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình 15 Cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt thép SUS304 với mối hàn - Tại vùng ảnh hưởng nhiệt thép SS400 với mối hàn hai loại thép khác thành phần tính nên q trình tẩm thực màu ưu tiên thể cấu trúc thép SS400 Từ đường phân giới với mối hàn phía thép SS400 có thay đổi rõ rệt tổ chức kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt Cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt khơng cịn dạng sóng/thớ thép SS400 ban đầu Vol 56 - No (Aug 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 67 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Thay vào đó, hạt có cấu trúc hạt nhỏ; xa mối hàn phía thép SS400, mức độ ảnh hưởng nguồn nhiệt giảm nên kích cỡ hạt thô to; không thấy xuất vết nứt tách lớp vùng phân giới vị trí kiểm tra (hình 16) P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 [8] Wang Rui, Rashed Sherif, Serizawa Hisashi, Murakawa Hidekazu, Jianxun Zhang, 2008 Numerical and experimental investigation on welding deformation Transactions of JWRI, Vol 37, No 1, pp 79-90 [9] AWS D1.1/D1.1M, 2010 Structural welding code - steel USA [10] Ngô Lê Thông, 2007 Cơng nghệ hàn điện nóng chảy NXB Khoa học Kỹ thuật [11] Nguyen, N.T., Ohta, A., Matsuoka, K., Suzuki, N., and Maeda, Y, 1999 Analytical solutions for transient temperature of semi-infinite body subjected to 3D moving heat sources Welding Journal Research Supplement, 265-274 [12] J Goldak, M Bibby, J Moore and B Patel, 1996 Computer Modling of Heat Flow in Welds USA AUTHOR INFORMATION Ngo Huu Manh Sao Do University Hình 16 Cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt thép SS400 với mối hàn KẾT LUẬN Khi hàn nối vật liệu thép không gỉ SUS304 với thép bon SS400, gia nhiệt trước hàn từ 200 - 3000C để hạn chế nứt tách lớp Kim loại mối hàn có cấu trúc gồm hai pha Ferrite Austenite xếp ổn định Đường phân giới SUS304 SS400 với mối hàn khơng có vết nứt Cấu trúc kim loại vùng HAZ thép SUS304 với mối hàn ổn định Cấu trúc kim loại vùng HAZ thép SS400 với mối hàn thay đổi theo hướng xa mối hàn kim loại có cấu trúc hạt thơ đại Liên kết bị cong dọc trục mối hàn biến dạng góc co ngang mối hàn ảnh hưởng nguồn nhiệt hàn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] E Taban, et al, 2008 Evaluation of Dissimilar Welds between Ferritic Stainless Steel Modified 12% Cr and Carbon Steel S355 SUPPLEMENT TO THE WELDING JOURNAL, Sponsored by the American Welding Society and the Welding Research Council [2] Ngô Hữu Mạnh, 2020 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn để hàn thép không gỉ SUS304 với thép bon A53 Tạp chí Khoa học Thuỷ lợi Môi trường, số 68 [3] Wang Rui, Jianxun Zhang, Serizawa Hisashi, Murakawa Hidekazu, 2009 Study of welding inherent deformations in thin plates based on finite element analysis using interactive substructure method Materials and Design, Volume 30, Issue 9, pages 3474-3481 [4] AWS welding handbook, 2011 Materials and Applications, Part Ed 9th, Volume 4, AWS, USA [5] JIS G 3101, 2010 Rolled steels for genaral structure Japan [6] John E Bringas, 2007 Handbook of comparative world steel standards Ed 4th, USA [7] Kobe steel, 2011 Kobelco welding handbook Kobe steel, LTD, Japan 68 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (8/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... loại mối hàn thép SUS304 v? ??i thép SS400 - Tại v? ?ng ảnh hưởng nhiệt thép SUS304 v? ??i mối hàn có cấu trúc tương đối ổn định; đường phân giới mối hàn v? ??i kim loại SUS304 rõ nét; không thấy xuất v? ??t... phía v? ??t liệu SUS304 trình hàn V? ? trình điều tiết nguồn nhiệt giúp kiểm soát mức độ tham gia v? ??t liệu v? ?o mối hàn [2] Khi đó, mức độ tham gia v? ?o mối hàn thép SUS304 nhiều so v? ??i SS400 Thép SUS304. .. Manh Sao Do University Hình 16 Cấu trúc kim loại v? ?ng ảnh hưởng nhiệt thép SS400 v? ??i mối hàn KẾT LUẬN Khi hàn nối v? ??t liệu thép không gỉ SUS304 v? ??i thép bon SS400, gia nhiệt trước hàn từ 200 -