Bài viết này tác giả sử dụng phần mềm SYSWELD® để phân tích và dự đoán sự phân bố ứng suất dư và biến dạng khi hàn nối hai ống thép không gỉ 316L bằng phương pháp hàn điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GTAW) với đường kính ống 102mm, chiều dày 3mm.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 Dự đốn phân bố ứng suất dư biến dạng hàn ống thép không gỉ 316L phần mềm Sysweld Predicting residual stresses and distortions in welding 316L stainless steel pipes using Sysweld software Nguyễn Hồng Thanh1,2*, Hoàng Trọng Ánh1, Nguyễn Tiến Dương2, Hà Xuân Hùng3 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Đại học Lao động - Xã hội * Email: thanh.we@gmail.vn Mobile: 0942283232 Tóm tắt Từ khóa: Biến dạng hàn; Mơ số; Phương pháp hàn GTAW; Thép không gỉ 316L; Ứng suất dư Ngày nay, thép không gỉ loại vật liệu ứng dụng rộng rãi chế tạo dụng cụ, thiết bị y tế; đường ống dẫn, bồn bể chứa chịu nhiệt chịu ăn mịn hóa học… Cơng nghệ hàn ứng dụng ngày nhiều vào tình tạo sản phẩm Trong trình hàn, nhiệt lượng cung cấp để làm nóng chảy kim loại dây hàn (nếu có) để tạo thành mối hàn mang tính cục Chính điều dẫn đến hình thành ứng suất dư biến dạng hàn làm giảm khả làm việc kết cấu sai lệch lắp ghép Dự đoán phân bố ứng suất dư biến dạng hàn nhiệm vụ vô quan trọng từ thiết kế ban đầu chế tạo sản phẩm Bài báo tác giả sử dụng phần mềm SYSWELD® để phân tích dự đoán phân bố ứng suất dư biến dạng hàn nối hai ống thép không gỉ 316L phương pháp hàn điện cực khơng nóng chảy mơi trường khí bảo vệ (GTAW) với đường kính ống 102mm, chiều dày 3mm Abstract Keywords: Distortions; Numerical simulation; GTAW process; 316L stainless steel; Residual stresses Ngày nhận bài: 19/7/2018 Ngày nhận sửa: 03/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 Nowadays, stainless steel is widely used in manufacturing medical instruments and devices; pipelines, heat-resistant and corrosionresistant tanks Welding technology is being increasingly used in the manufacturing of products During welding, heat is generated to melt base metal and filler wire (if any) to form a local weld This leads to the formation of residual stresses and distortion which reduces the capacity of the structure as well as creating the assembly deviation To predict the distribution of residual stress and distortion is a very important task from the initial design and manufacture of the product This article uses SYSWELD® software to analyze and predict the residual stress and distortion when welding two 316L stainless steel pipes during Gas Tungsten Inert Welding (GTAW) with a diameter of 102mm and a thickness of 3mm HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 GIỚI THIỆU Thép khơng gỉ 316L loại vật liệu làm việc mơi trường chịu ăn mịn hóa học, chịu nhiệt độ cao Đây loại vật liệu có hàm lượng bon thấp khơng phải xử lý nhiệt sau hàn so với thép không gỉ 316 Do thường sử dụng để làm thùng, bồn bể chứa, đường ống dẫn hóa chất… Hàn cơng nghệ nối vật liệu khác chủng loại lại với không tháo dời, sử dụng rộng rãi tất ngành cơng nghiệp như: đóng tàu, xây dựng dân dụng, chế tạo kết cấu xa bờ, cầu đường, hàng không, bồn bể chứa chịu áp lực… Khi hàn nung nóng làm nguội khơng đều, với ảnh hưởng thơng số chế độ hàn (dịng điện, điện áp, vận tốc hàn, ) điều kiện gá kẹp, trình tự hàn dẫn đến xuất ứng suất dư phận toàn kết cấu hàn Sự xuất ứng suất dư dẫn đến khả làm việc liên kết hàn bị giảm Biến dạng hàn làm ảnh hưởng tới dung sai lắp ghép Chính vậy, kiểm sốt ứng suất dư biến dạng hàn vấn đề nhiều nhà khoa học ngồi nước quan tâm Phân tích dự đoán phân bố trường nhiệt độ, 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 mô số dựa phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích, đánh giá, dự đoán phân bố ứng suất dư biến dạng hàn nhiều công ty, tập đoàn lớn áp dụng Bài báo tác giả sử dụng phần mềm SYSWELD® [3] để phân tích, dự đoán phân bố trường nhiệt độ, ứng suất dư biến dạng hàn đối đầu ống thép khơng gỉ 316L có đường kính ống 102mm, chiều dày 3mm phương pháp hàn GTAW KỸ THUẬT MÔ PHỎNG 2.1 Mơ hình hóa liên kết hàn Hình Kích thước ống hướng hàn (a); mơ hình kiểu lưới 3D (b) Mơ hình ống sử dụng mơ có đường kính 102mm, chiều dày 3mm, chiều dài ống 350mm hình Mơ hình lưới kiểu lưới phân tích nhiệt tác giả mơ tả hình 1b HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 Trong nghiên cứu mình, tác giả sử dụng phương pháp hàn GTAW, hàn đính vị trí cách nhau, hàn lớp, phân đoạn (hình 1a) Mỗi lớp hàn đoạn, điểm bắt đầu kết thúc mối hàn lớp lót phủ khơng trùng (hình 1a) Nhiệt độ hàn đường hàn lớp hàn không lớn 150oC để tránh tượng nứt mối hàn Tổng thời gian mô 2500s, thời gian đường hàn lớp hàn (gồm thời gian hàn thời gian làm nguội) 250s 2.2 Nguồn nhiệt hàn GTAW Trong này, thời điểm (t) lượng hồ quang hàn mô tả phần bố nguồn nhiệt mặt Gau xơ (Gao Zhang, 2011), [5, 6] 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 P lượng cột hồ quang P = .U.I (W), U-là điện áp hồ quang (V); I cường độ dòng điện hàn (A) hiệu suất hồ quang hàn (0,6 ÷ 0,9) Giá trị thông số chế độ hàn sử dụng mô cho bảng Bảng Thông số chế độ mô hàn nguồn nhiệt hàn theo Goldak Đường hàn/ lớp hàn Lớp lót Lớp phủ Năng lượng đường, Q (J/mm) Chế độ Chế độ Chế độ Vận tốc hàn (mm/s) hàn hàn hàn 400 450 500 3,0 500 600 650 3,0 Kích thước nguồn nhiệt hàn b (mm) c (mm) af (mm) ar (mm) 4 3 5 7 2.3 Phương trình truyền nhiệt Trong 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, [6] k Q 2T 2T 2T T k k k Ck t z x x y hT T0 T T04 qs (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/mmoC), khối lượng riêng, C nhiệt dung riêng (J/goC), h hệ số nhiệt đối lưu, β số Stefan-Boltzman, [5] hệ số phát xạ Liên quan đến trạng thái giả ổn định, công thức viết lại sau: k 2T 2T 2T Q T k k vh vh C 2 x y z x t (4) Trong đó: vh (mm/s) vận tốc hàn 2.4 Phương trình 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 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 vật hàn xác định sở ứng suất thành phần theo chiều (x, y, z) công thức (5) v 2 2 1 2 (5) Đối với phân tích biến dạng mơ hình phần tử hữu hạn phù hợp hexa nút (hình 1b) Trong trình hàn thép không gỉ chuyển biến pha trạng thái rắn không xuất kim loại kim loại mối hàn Vì biến dạng tổng () xác định theo công thức (6) = e + p + th (6) e p th Trong đó: biến dạng đàn hồi ( ), biến dạng dẻo ( ) biến dạng nhiệt ( ) Biến dạng đàn hồi mơ hình hố theo định luật Hook [6] với nhiệt độ phụ thuộc vào mô đun đàn hồi Young (hình 2b) hệ số Poisson (bảng 3) Đối với biến dạng dẻo mơ hình với tốc độ chảy dẻo phụ thuộc vào nhiệt độ, tính vật liệu động lực học vật liệu 2.5 Các thơng số vật liệu Thành phần hố học tính thép 316L thể bảng Để đơn giản hố việc tính tốn mơ số trường nhiệt độ, ứng suất dư biến dạng ta coi vật liệu có tính liên tục đẳng hướng Bảng Thành phần hoá học thép 316L Nguyên tố C Mn Si Cr S P Ni Mo Hàm lượng, % 0,03 2,0 max 0,75 16÷18 0,03 max 0,045 max 10÷14 2,0÷3,0 Bảng Tính chất vật lý thép 316L Đặc tính Mơ đun đàn hồi (MPa) Giới hạn bền kéo (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Nhiệt độ nóng chảy (oC) Hệ số Poisson Giá trị 193×103 485 170 1400 0,265 Hình mơ tả tính chất - lý - hóa - kim loại học thép 316L theo nhiệt độ [3] Hình 2a mơ tả nhiệt dung riêng; hình 2b mơ tả modul Young; hình 2c mơ tả hệ số dẫn nhiệt hình 2d mơ tả giới hạn chảy thép 316L Thấy giới hạn chảy thép 316L nhiệt độ khảo sát khoảng 170 MPa, giảm dần nhiệt độ tăng đạt giá trị khoảng MPa nhiệt độ nóng chảy HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 Hình Tính chất cơ-lý-hóa thép 316L KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Trường nhiệt độ Hình Chu trình nhiệt nút 37072 57872 Hình mơ tả biến thiên nhiệt độ nút 37072 (đường màu đỏ) nằm chân mối hàn nút 57872 thuộc vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cách chân mối hàn mm (đường màu xanh) ta thấy hai nút chịu ảnh hưởng nhiệt hàn lớp lót Tại nút 37072 hàn lớp lót gần tâm nguồn nhiệt nên có nhiệt độ cao (khoảng 1000oC), nút 57872 nằm xa nguồn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 nhiệt nên nhiệt độ nút vào khoảng 600oC Khi hàn lớp phủ nguồn nhiệt qua nút 37072 làm nóng chảy kim loại nên nút có nhiệt độ cao (gần 1500oC) cịn nút 57872 cách xa nguồn nhiệt (nhưng gần so với hàn lớp lót) nên nhiệt độ đạt đến 720oC 3.2 Trường ứng suất 3.2.1 Ứng suất Von mises Chế độ hàn Chế độ hàn Chế độ hàn Hình Phân bố ứng suất dư Von mises Hình mơ tả phân bố ứng suất dư tương đương (Von mises) hàn với chế độ hàn theo bảng Hình (a, c, e) mơ tả phân bố ứng suất dư hàn mối hàn đính hàn lớp lót Hình (b, d, f) mơ tả phân bố ứng suất dư hàn mối hàn phủ Ta thấy ứng suất dư tương đương chế độ hàn chênh lệch không đáng kể HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 3.2.2 Ứng suất dư pháp tuyến Hình Phân bố ứng suất dư pháp tuyến theo phương X Hình mơ tả phân bố ứng suất dư pháp tuyến theo phương X nhiệt độ mơi trường (20oC) Trên hình ảnh cho thấy hàn với chế độ hàn lớn (chế độ hàn 3) ứng suất dư kéo có giá trị lớn (438,16 MPa), ứng suất dư nén có giá trị nhỏ (352,61 MPa) trường hợp cịn lại Hình Phân bố ứng suất dư pháp tuyến theo phương Y Hình mơ tả phân bố ứng suất dư pháp tuyến theo phương Y nhiệt độ môi trường (20oC) Trên hình ảnh cho thấy hàn với chế độ hàn lớn (chế độ hàn 3) ứng suất dư kéo có giá trị nhỏ (280,77 MPa), ứng suất dư nén có giá trị giống trường hợp lại Với chế độ hàn ứng suất dư kéo ứng suất dư nén có giá trị Hình Sự phân bố ứng suất dư pháp tuyến dọc theo ống theo chiều dày thành ống HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 Trên hình mô tả phân bố ứng suất dư pháp tuyến theo phương X, theo chiều dày thành ống Ta thấy ứng suất dư bề mặt ống ứng suất nén có giá trị gần 300 MPa, ứng suất bắt đầu đổi chiều thành ứng suất dư kéo vị trí cách chân mối hàn phủ 11mm cách chân mối hàn khoảng 60mm hết chiều dài ống ứng suất dư Hình Sự phân bố ứng suất dư pháp tuyến bề mặt thành ống Hình thể phân bố ứng suất dư dọc ống (1 nửa mơ hình) Đường màu đỏ mô tả phân bố ứng suất dư bề mặt ống đường màu xanh thể phân bố ứng suất dư lòng ống mặt cắt ngang Ta thấy rằng, mặt ống chân mối hàn xuất ứng suất dư nén có chiều rộng khoảng 8mm ứng suất dư kéo phần Theo ứng suất dư kéo đạt giá trị đỉnh 135 MPa cách chân mối hàn khoảng 20mm, sau giảm dần vị trí cách chân mối hàn 60mm Hình Sự phân bố ứng suất dư pháp tuyến bề mặt thành ống Hình mơ tả phân bố ứng suất dư thay đổi theo nhiệt độ hàn Trên đồ thị đường liên màu đen biểu diễn phân bố ứng suất dư hàn xong lớp lót, vùng lân cận mối hàn ứng suất dư kéo vùng xa ứng suất nén Khi hàn xong lớp phủ nhiệt độ vật hàn khoảng 80oC ứng suất dư đảo chiều (gần mối hàn ứng suất nén có giá trị đỉnh khoảng 230 MPa, xa ứng suất kéo có giá trị khoảng 30 MPa) Sau vật hàn làm nguội xuống nhiệt độ môi trường (20oC), lúc ứng suất dư không đảo chiều mà ứng suất dư kéo giảm xuống gần HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 KẾT LUẬN Bằng phương pháp mô số hàn đối đầu ống thép khơng gỉ 316L đường kính ngồi 102mm, chiều dày 3mm tác giả phân tích, đánh giá dự đoán được: - Sự phân bố nhiệt độ hàn thép không gỉ phương pháp hàn GTAW Đây sở liệu để phân tích ứng suất biến dạng hàn sau - Qua kết thu nhận phân bố ứng suất dư ta đưa biện pháp làm giảm ứng suất biến dạng hàn - Ứng suất dư pháp tuyến vng góc với đường hàn lớn ứng suất dư pháp tuyến song song với đường hàn - Ứng suất dư bề mặt thành ống thay đổi từ nén sang kéo từ bề mặt xuống thành ống - Giá trị ứng suất dư tăng chế độ hàn tăng - Ứng suất dư thay đổi theo nhiệt độ số lớp hàn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B Brickstad, B.L Josefson, A Parametric Study of Residual Stresses in Multi-Pass Butt-Welded Stainless Steel Pipes, International Journal of Pressure Vessels and Piping 75, 1998, p 11-25 [2] Jeffrey Packer, Steel Design Guide (AISC), 2010 [3] ESI Group, 99 Rue Des, Solets Silic 112 94513 Rungis Cedex FRANCE [4] Zienkiewicz, O C, The Finite Element Method, McGraw-Hill Company, London, 1977 [5] J Goldak, M Bibby, J Moore and B Patel, Computer Modling of Heat Flow in Welds, 1996s [6] 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 ... ứng suất dư Hình Sự phân bố ứng suất dư pháp tuyến bề mặt thành ống Hình thể phân bố ứng suất dư dọc ống (1 nửa mơ hình) Đường màu đỏ mô tả phân bố ứng suất dư bề mặt ống đường màu xanh thể phân. .. để phân tích ứng suất biến dạng hàn sau - Qua kết thu nhận phân bố ứng suất dư ta đưa biện pháp làm giảm ứng suất biến dạng hàn - Ứng suất dư pháp tuyến vng góc với đường hàn ln lớn ứng suất dư. .. diễn phân bố ứng suất dư hàn xong lớp lót, vùng lân cận mối hàn ứng suất dư kéo vùng xa ứng suất nén Khi hàn xong lớp phủ nhiệt độ vật hàn khoảng 80oC ứng suất dư đảo chiều (gần mối hàn ứng suất