Bài viết này nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng số trường nhiệt độ khi hàn liên kết ống chữ K với đường kính ống chính là 219 mm và đường kính ống nhánh là 102 mm; chiều dày lần lượt tương ứng là 12,7 mm và 8 mm. Sự biến thiên nhiệt độ tại một điểm (node) trong quá trình nguồn nhiệt di động cũng được khảo sát.
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Mô trường nhiệt hàn liên kết ống chữ K phương pháp phần tử hữu hạn Simulation of temperature field welding of K pipe joint by finite element method Ngô Hữu Mạnh, Mạc Văn Giang Email: manh.nh.1981@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 8/6/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 21/10/2018 Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2018 Tóm tắt Bài báo nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô số trường nhiệt độ hàn liên kết ống chữ K với đường kính ống 219 mm đường kính ống nhánh 102 mm; chiều dày tương ứng 12,7 mm mm Sự biến thiên nhiệt độ điểm (node) trình nguồn nhiệt di động khảo sát Công nghệ hàn sử dụng chế tạo liên kết dạng sử dụng rộng rãi không riêng Việt Nam mà giới chế tạo kết cấu thép trình hàn điện cực nóng chảy mơi trường khí bảo vệ (GMAW) Mơ hình hóa mơ trường nhiệt độ hàn liên kết ống chữ K thực sở mơ hình Solid (3D) sử dụng gói phần mềm SYSWELD hãng ESI [5] Đây công cụ mơ hữu ích giải toán phức tạp nhiệt trình luyện kim hàn bao gồm toán phi tuyến, trạng thái giả ổn định, động học, Từ khóa: GMAW; trường nhiệt hàn; liên kết ống; liên kết chữ K; mô số Abstract This paper studies the finite element method (FEM) to simulate the temperature field of K welded joint connection with diameter of main pipe is 219 mm and branch pipe is 102 mm; The thickness are respectivety 12.7 mm and mm Temperature variations at a point (node) in the movement heat source are examined The welding technology is widely used not only in Vietnam but also in the world in steel fabrication is gas metal arc welding (GMAW) process The modeling and simulation of the temperature field when welding K joint connection made on the basis of the model solid (3D) using SYSWELD of ESI group [5] This is a simulation tool is useful because it can solve the complex problems of thermomechanical and metallurgical as welding including nonlinear problems, pseudo steady state, kinetics, Keywords: GMAW; temperature field; piping joint; K pipe joint; numerical simulation ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ ngành cơng nghệ thơng tin, cơng cụ tính tốn mô ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực có cơng nghệ hàn Việc ứng dụng kỹ thuật mô cho phép rút ngắn thời gian nghiên cứu, giảm chi phí thực nghiệm mà cho phép nhận kết tốt Mô số trình hàn phương pháp hữu hiệu để dự đốn Người phản biện: PGS TS Nguyễn Đắc Trung TS Trần Hải Đăng trường nhiệt độ, ứng suất biến dạng hàn phương pháp phần tử hữu hạn Như biết, chu trình nhiệt có ảnh hưởng trực tiếp đến ứng xử kết cấu trình hàn tính tổ chức tế vi Trong q trình hàn, vật hàn bị nung nóng cục nhiệt độ cao [1] Theo tính chất lý hóa kim loại hợp kim nóng giãn nở co lại làm nguội Sự giãn nở bị hạn chế vùng có nhiệt độ thấp bị gá kẹp [4] Điều dẫn đến xuất ứng suất nhiệt tức thời vật hàn ứng suất dư sau vật hàn làm nguội Việc xác định trường nhiệt hàn đóng vai trị quan trọng việc xác định ứng suất dư, biến 42 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA dạng hàn tổ chức tế vi vùng liên kết hàn PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Trong q trình thực hiện, nhóm tác giả sử dụng phần mềm SYSWELD để tính tốn, mơ liên kết hàn ống chữ K Phần mềm SYSWELD tập đoàn ESI đánh giá phần mềm chuyên dùng lĩnh vực mơ q trình hàn xử lý nhiệt kim loại cách đầy đủ sát với thực tế Đồng thời giải toán phức tạp liên quan đến phân tích phi tuyến (trong truyền nhiệt, biến dạng chuyển biến pha) 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 tính nhiệt vật liệu Với nguồn nhiệt hàn hồ quang, tổng công suất hiệu dụng xác định theo công thức sau [3]: P = η.Uh.Ih (W) (1) đó: Uh điện áp hồ quang (V); x2 y2 z QR ( x, y, z , t ) = Qr exp − − − c ar b (3) Trong hai phương trình trên, af, ar, b c thơng số hình học nguồn nhiệt khối ellipsoid kép (hình 1); QR hàm mật độ nguồn nhiệt Như thấy nguồn nhiệt khối ellipsoid kép phân bố Gauxơ biểu diễn năm thơng số, là: hiệu suất hồ quang η bốn thơng số hình học nguồn nhiệt af, ar, b c Goldak cộng [6] mối tương quan kích thước nguồn nhiệt kích thước bể hàn, đồng thời cho nhận giá trị thích hợp cho af, ar, b c cách đo trực tiếp thơng số hình học bể hàn (bảng 1) Bảng Thơng số hình học nguồn nhiệt [6] Lớp hàn/ b c Đường hàn (mm) (mm) (mm) Lớp (1, 2) Lớp (3, 4) Lớp (5, 6) af ar (mm) 2.2 Các thông số vật liệu Ih cường độ dòng điện hàn (A); η hiệu suất hồ quang hàn (0,6÷0,9) Goldak cộng [6] 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 1) Mật độ nhiệt bên khối bán ellipsoid mơ tả hai phương trình riêng Vật liệu sử dụng chế tạo liên kết ống chữ K thép cacbon kết cấu vật liệu sử dụng mô thép S355J2G3, tương đương với vật liệu để chế tạo kết cấu ống chữ K Thành phần hóa học thép S355J2G3: C (0,18%), Mn (1,6%), Si (0,55%), S (0,035%), P (0,035%) có nhiệt độ nóng chảy 1500oC [2] Vật liệu S355J2G3 có giới hạn chảy 355MPa, mơđun đàn hồi E = 210 GPa (tại 20oC), hệ số Poisson 0,33 Mô q trình hàn, nhóm tác giả nghiên cứu biến thiên nhiệt độ từ 20oC đến trạng thái nhiệt độ nóng chảy vật liệu (1500oC) Kích thước liên kết nút chữ K thiết kế theo tiêu chuẩn AISC [7] Các thông số liên kết ống chữ K mơ tả bảng Hình Mơ hình nguồn nhiệt hàn GMAW [6] Theo [3, 6], với điểm (x,y,z) bên khối bán ellipsoid (phía trước hồ quang hàn), mật độ nguồn nhiệt biểu diễn phương trình (2) x2 y2 z QR ( x, y, z , t ) = Q f exp − − − a b c f (2) Với điểm (x,y,z) bên khối bán ellipsoid thứ hai (phía sau hồ quang hàn), mật độ nguồn nhiệt biểu diễn phương trình Hình Liên kết hàn ống chữ K Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 43 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Bảng Thông số liên kết ống chữ K [7] Thông Mô tả Đơn số Giá trị vị D Đường kính ngồi ống mm 219 t Chiều dày ống mm 12,7 Dbtens, Đường kính ống nhánh mm 102 Chiều dày ống nhánh mm Dbcomp tb θ Góc ống nhánh o 50 g Khe hở ống nhánh mm 50 D/t Tỷ số đường kính ống với chiều dày - 17,24 Db/tb Tỷ số đường kính ống nhánh với chiều dày - 17 Db/D Tỷ số đường kính ống nhánh với ống - 0,47 2.3 Rời rạc hóa mơ hình Để mơ xác, ta phải mơ tả mơ hình FEM trình hàn diễn thực tế, bao gồm: quỹ đạo đường hàn, đường dẫn đầu hàn, điểm bắt đầu điểm kết thúc đường hàn Với chiều dày ống nhánh mm, có vát mép tiến hành hàn lớp với đường hàn hình Để tăng mức độ xác mô phỏng, lưới chia mau mối hàn vùng lân cận mối hàn (vùng HAZ), vùng lại khoảng cách nút thưa dần để giảm thời gian tính tốn số lượng phần tử, số lượng nút mơ hình (hình 5) Hình Kiểu lưới vùng chia lưới 2.4 Trình tự hàn Với kết cấu ống chữ K thiết kế, trình tự thực đường hàn, lớp hàn bố trí hình Như vậy, để hàn hồn thành liên kết phải thực tất 12 đường hàn ngắn (một nửa ống) Hình Trình tự thực đường hàn lớp hàn Trong báo này, tác giả chọn điểm bắt đầu Hình Bố trí lớp hàn Liên kết hàn ống chữ K rời rạc hóa với 145.126 phần tử (elements) 115.495 nút (nodes) Trong đó, số phần tử solid (hexa, penta, tetra) sử dụng mơ hình 94.288 (hình 4) đường hàn từ phía góc hẹp kết thúc phía góc rộng Thứ tự hàn đường hàn I, II, III, IV hình Các lớp hàn (đường hàn) sau áp dụng trình tự thứ tự hàn Điểm bắt đầu kết thúc đường hàn so le khoảng cho chúng không trùng 2.5 Hiệu chỉnh mơ hình nguồn nhiệt Đây bước quan trọng dựa vào hình ảnh mặt cắt ngang liên kết hàn so sánh với trường nhiệt độ mô để hiệu chỉnh vài thông số chế độ hàn (năng lượng đường, góc nghiêng mỏ hàn, thông số af, ar, b c) cho phù hợp với chiều sâu ngấu chiều rộng vùng Hình Mơ hình lưới (3D) liên kết ống chữ K HAZ liên kết hàn 44 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Bảng Chế độ hàn thực nghiệm liên kết ống chữ K Năng Lớp hàn/ Ih Uh Vh Dd lượng Đường hàn (A) (V) (mm/s) (mm) đường (J/mm) Lớp hàn (1, 2) 150 25 1,0 720 Lớp hàn (3, 4) 170 26 1,0 880 Lớp hàn (5, 6) 170 Hình Mơ hình vỏ trao đổi nhiệt (2D) 2.7 Điều kiện gá kẹp 26 1,0 880 đó: Vh: vận tốc hàn (mm/s); Dd: đường kính dây hàn (mm) Bảng Thông số mô liên kết ống chữ K Lớp hàn/ Năng lượng Vận tốc hàn Đường hàn đường (J/mm) (mm/s) Lớp hàn (1, 2) 720 Lớp hàn (3, 4) 880 Lớp hàn (5, 6) 880 Liên kết ống chữ K ngàm hình 9, ống ngàm chặt hai đầu theo ba phương (x,y,z) hai ống nhánh bị ngàm theo phương z Mỗi đầu ống ngàm bốn điểm đối xứng qua tâm Thời gian ngàm trì suốt q trình mơ (4500 s) Hình Vị trí ngàm liên kết ống chữ K 2.8 Tính tốn mơ Hình Hiệu chỉnh mơ hình nguồn nhiệt Để có kết mơ xác, cần thiết phải mơ tả mơ hình FEM thơng số chế độ trình hàn diễn thực tế, bao gồm: quỹ đạo đường hàn, đường dẫn đầu hàn, điểm bắt đầu điểm kết thúc đường hàn (hình 10) Quá trình thiết lập thực phần mềm Visual Weld Phân tích hình thấy rằng, với thông số mô bảng cho kết chiều sâu ngấu mô thực nghiệm gần giống hồn tồn chấp nhận Như vậy, sử dụng chế độ nhiệt để mơ nhiệt tồn q trình hàn 2.6 Tạo lớp vỏ trao đổi nhiệt Trong SYSWELD, người ta sử dụng phần tử 2D (2D element) cho điều kiện biên nhiệt độ Đó lớp vỏ trao đổi nhiệt (hình 8) Nó tạo từ mơ hình 3D liên kết, thực phần mềm VisualMesh Việc tạo lớp vỏ (skin) liên quan đến trao đổi xạ nhiệt với mơi trường xung quanh q trình hàn Mục đích q trình mơ diễn với điều kiện gần giống thực nghiệm Hình 10 Quỹ đạo đường hàn, đường dẫn Quỹ đạo đường hàn thiết lập (bắt buộc) để điều chỉnh nguồn nhiệt theo phương x,y,z Nguồn nhiệt di chuyển theo quỹ đạo đường dẫn mặt cắt ngang nguồn nhiệt thuộc mặt phẳng chứa đường hàn đường dẫn KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Sau mơ hình hóa mơ hình liên kết hàn, tiến hành khai báo thuộc tính vật liệu, cơng suất nguồn nhiệt thiết lập điều kiện tính tốn Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 45 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC mô tả Giải toán thu kết sau: 3.1 Trường nhiệt độ Khi nguồn nhiệt hàn di chuyển dọc theo đường hàn liên kết xuất trường phân bố nhiệt độ tức thời ứng suất nhiệt Trên hình 11a biểu diễn phân bố nhiệt độ bể hàn vùng HAZ hàn đường thứ Hình 11b kết phân bố nhiệt độ bể hàn vùng HAZ hàn đường thứ thứ hai Hình 11c kết phân bố nhiệt độ bể hàn vùng HAZ hàn đường hàn ba với thông số chế độ nhiệt nêu bảng Hình 12 Đồ thị nhiệt độ nút 1449 Trên hình 12 nhiệt độ nút 1449 thuộc vùng HAZ ống Dựa đồ thị mơ xác định thời gian nguội từ 800oC xuống 500oC, cho giá trị ∆t8/5 ≈ 2,8 s theo tính tốn ∆t8/5 ≈ 2,23 s Như vậy, tốc độ nguội tính tốn mơ nằm phạm vi cho phép với hàn GMAW 2÷50 s [3] 3.2 Chu trình nhiệt Trên hình 13 phân bố nhiệt độ nút 341 thuộc đường hàn liên kết hàn ống chữ K với công suất nhiệt hữu ích tốc độ hàn tương ứng Phân tích thấy rằng, giây thứ 33,1946, nhiệt độ 2125,14oC thời điểm bể hàn nóng chảy qua Sau khoảng 317 s, nhiệt độ liên kết giảm xuống 38oC, lúc ta tiến hành hàn đường Tại giây thứ 1435,65, nhiệt độ nút 685,3oC, nguyên nhân tăng hàn đường thứ hai Tuy nhiên, đường hàn thứ hai nằm bên nút này, thời điểm nút 341 chịu tác động nhiệt giống vùng HAZ Tại giây thứ 3181,56, nhiệt độ nút 1785,97oC vượt qua nhiệt độ nóng chảy vật liệu Nguyên nhân bể hàn nóng chảy đường hàn thứ ba thời điểm qua nút làm nóng chảy phần đường hàn Phân tích thấy rằng, đường hàn chịu ảnh hưởng nhiệt hai đường hàn sau gây Đây nguyên nhân ảnh hưởng trực tiếp đến tính, q trình luyện kim cấu trúc kim loại mối hàn lót Hình 11 Hình dạng kích thước bể hàn a) Đường hàn 1; b) Đường hàn 2; c) Đường hàn Hình 11 mơ tả hình dạng kích thước bể hàn đường bao đẳng nhiệt đường hàn Ở phần này, tác giả sử dụng kỹ thuật tiêu diệt tái sinh phần tử (Element death and born) SYSWELD để thể kích thước bể hàn đường bao đẳng nhiệt cách đầy đủ Hình 13 Chu trình nhiệt nút 341 46 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA Phân tích hình hình 11 ta thấy với công suất nguồn nhiệt chọn liên kết hàn không bị cháy thủng hay chưa ngấu Hình 14 mơ tả biến thiên nhiệt độ nút 48128 vùng HAZ nút 51720 không thuộc vùng HAZ nằm ống Phân tích thấy nút 48128 gần tâm nguồn nhiệt hàn đường hàn (xem hình 3) nên có nhiệt độ cao (550oC), nút 51720 xa nguồn nhiệt nên có nhiệt độ thấp (90oC) Như vậy, nút 48128 51720 chịu tác động nhiệt tất đường hàn Tuy nhiên, nhiệt độ đỉnh nút 48128 đường hàn vào khoảng 200oC không ảnh hưởng tới tính tổ chức tế vi Hình 16 mơ tả hình dáng, kích thước bể hàn đường bao đẳng nhiệt hàn đường hàn thứ ba liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Nhiệt độ lớn nút 67981 3039oC KẾT LUẬN Trong báo này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm SYSWELD mơ trường nhiệt độ cho liên kết ống chữ K hàn nhiều đường nhiều lớp (hai lớp, ba đường) q trình hàn GMAW Dựa vào kết mơ trường nhiệt độ liên kết ống chữ K, nhóm tác giả rút số kết luận sau: - Có thể thay đổi thơng số chế độ hàn để tìm thơng số phù hợp hàn liên kết nút giàn dạng ống chữ K; - Mơ hình hóa bể hàn nóng chảy phân bố nhiệt độ trình hàn; Hình 14 Chu trình nhiệt nút 48128 51720 - Phân tích đầy đủ sở liệu phân bố nhiệt độ ống ống nhánh Đây sở quan trọng liệu cho trình mơ ứng suất – biến dạng sau Với hỗ trợ phần mềm SYSWELD, nhóm tác giả mơ phân tích biến thiên nhiệt độ thời điểm liên kết ống chữ K Q trình mơ cho phép nhận kết nhanh, xác, hướng đến tối ưu hóa thơng số chế độ hàn nhằm kiểm sốt tốt chất lượng mối hàn Hình 15 Chu trình nhiệt nút theo chiều dày thành ống Hình 15 mơ tả phân bố nhiệt theo chiều dày thành ống liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Phân tích đồ thị thấy rằng, nhiệt độ giảm dần theo chiều dày thành ống từ bề mặt xuống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tiến Dương (2008) Mơ q trình truyền nhiệt hàn Hà Nội, năm 2008 [2] Trần Văn Địch (2004) Sổ tay thép giới NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyen, N.T., Ohta, A., Matsuoka, K., Suzuki, N., and Maeda, Y (1999) Analytical solutions for transient temperature of semi-infinite body subjected to 3-D moving heat sources Welding Journal Research Supplement, August, 265-274 [4] Zienkiewicz, O.C (1977) The Finite Element Method McGraw-Hill Company, London [5] ESI Group 99 Rue Des, Solets Silic 112 94513 Rungis Cedex FRANCE [6] J Goldak, M Bibby, J Moore and B Patel (1996) Computer Modling of Heat Flow in Welds Hình 16 Bể hàn đường đẳng nhiệt hàn [7] Jeffrey Packer (2010) Steel Design Guide (AISC) Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 47 ... đường hàn thứ ba liên k? ??t hàn nút giàn dạng ống chữ K Nhiệt độ lớn nút 67981 3039oC K? ??T LUẬN Trong báo này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm SYSWELD mơ trường nhiệt độ cho liên k? ??t ống chữ K hàn nhiều... trình hàn GMAW Dựa vào k? ??t mơ trường nhiệt độ liên k? ??t ống chữ K, nhóm tác giả rút số k? ??t luận sau: - Có thể thay đổi thơng số chế độ hàn để tìm thơng số phù hợp hàn liên k? ??t nút giàn dạng ống chữ. .. Thơng số mô liên k? ??t ống chữ K Lớp hàn/ Năng lượng Vận tốc hàn Đường hàn đường (J/mm) (mm/s) Lớp hàn (1, 2) 720 Lớp hàn (3, 4) 880 Lớp hàn (5, 6) 880 Liên k? ??t ống chữ K ngàm hình 9, ống ngàm chặt