Trong nghiên cứu này, phần mềm COMSOL được lựa chọn để mô phỏng trường nhiệt độ, biến dạng của liên kết hàn giáp mối hợp kim nhôm. Kết quả biến dạng dự đoán được kiểm chứng thông qua kết quả biến dạng tính toán theo lý thuyết.
ISSN 2354-0575 MƠ PHỎNG VÀ TÍNH TỐN BIẾN DẠNG CỦA LIÊN KẾT HÀN GIÁP MỐI HỢP KIM NHƠM Ngơ Thị Thảo1,*, Vũ Văn Linh1,2, Thân Văn Thế1 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Hưng Yên Cơ khí động lực- Trường cao đẳng kinh tế kỹ thuật Tô Hiệu Hưng Yên E-mail: ngothaohnt@gmail.com; vulinhhungyen@gmail.com; thanthe.ck@gmail.com Ngày tòa soạn nhận báo: 10/10/2019 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 30/10/2019 Ngày báo duyệt đăng: 16/11/2019 Tóm tắt: Biến dạng tượng khơng thể tránh khỏi trình hàn, ảnh hưởng đến chất lượng kết cấu, tính thẩm mỹ hiệu kinh tế sản phẩm hàn Trong nghiên cứu ứng dụng phần mềm Comsol Multiphysics để mô biến dạng liên kết giáp mối hợp kim nhôm A1060 với chế độ hàn khác Biến dạng liên kết hàn giáp mối bao gồm biến dạng co dọc, biến dạng co ngang biến dạng góc tính tốn lý thuyết dựa vào mơ hình thực nghiệm So sánh kết biến dạng mơ tính tốn cho thấy có tương thích cao, điều chứng tỏ phương pháp mơ phù hợp tốt với lý thuyết tính tốn Ngồi ra, ảnh hưởng cường độ dịng điện hàn đến biến dạng liên kết hàn nghiên cứu Kết cho thấy biến dạng hàn tăng cường độ dịng điện hàn tăng ngược lại Mơ hình phân tích dự đốn biến dạng liên kết hàn với chế độ hàn khác sở cho việc lựa chọn chế độ hàn hợp lý giúp giảm biến dạng Từ khóa: Liên kết hàn giáp mối; biến dạng; Comsol; hợp kim nhôm Giới thiệu Biến dạng hàn tượng xảy co ngót khơng kim loại mối hàn kim loại q trình nung nóng làm nguội Biến dạng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm ảnh hưởng trực tiếp đến khả làm việc kết cấu hàn Ngoài ra, biến dạng gây phát sinh chi phí thời gian sửa chữa, giảm tính thẩm mỹ sản phẩm Vì vậy, dự đốn biến dạng hàn giảm thiểu ảnh hưởng biến dạng đến khả làm việc kết cấu hàn đóng vai trị quan trọng chế tạo kết cấu khí Gần có nhiều nghiên cứu thực để tìm hiểu biến dạng hàn ảnh hưởng chúng đến độ bền khả làm việc kết cấu Thân Văn Thế cộng [1] ứng dụng phần mềm ANSYS để mô dự đoán nhiệt độ, biến dạng ứng suất hàn liên kết giáp mối giáp mối ống Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 phương pháp GMAW GTAW, qua đánh giá ảnh hưởng thơng số chế độ hàn đến nhiệt độ, ứng suất biến dạng hàn Trạng thái ứng suất biến dạng liên kết chữ T nghiên cứu thông qua phương pháp phần tử hữu hạn [2] Bên cạnh đó, có nhiều nhà nghiên cứu áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích mơ hình thực nghiệm, đề xuất cơng thức tính tốn biến dạng hàn theo mơ hình thực nghiệm Roger William O'Brien [3] tổng hợp nhiều mơ hình tính tốn biến dạng co dọc, biến dạng co ngang biến dạng góc, so sánh chúng với so sánh với kết đo thực nghiệm, từ đưa kết luận đánh giá kết Ngoài ra, A.S Gangwar cộng [4] nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày đến biến dạng hàn giáp mối thép cacbon thấp phương pháp thực nghiệm Một phân tích biến dạng hàn dựa kết khảo sát thực nghiệm thực Filipe D.S Jornal of Science and technology Jornal of Science and technology |7 15 ISSN 2354-0575 2354-0575 ISSN Cordeiro [5] Trong nghiên cứu ảnh hưởng thơng số chế độ đặc tính vật liệu đến biến dạng hàn trình bày đồng thời đưa biện pháp ngăn ngừa biến dạng hàn xảy N.R Mandal C.V.N Sundar [6] trình bày sở lý thuyết biến dạng co ngang liên kết hàn giáp mối ảnh hưởng tới độ bền, khả làm việc kết cấu hàn Có thể thấy biến dạng hàn tồn kết cấu hàn, thông thường phương pháp mô thực trước để dự đốn tình trạng biến dạng liên kết hàn, từ có phương án hàn hợp lý, tránh trạng thái biến dạng mức giảm số lần hàn thực nghiệm Trong nghiên cứu này, phần mềm COMSOL lựa chọn để mô trường nhiệt độ, biến dạng liên kết hàn giáp mối hợp kim nhơm Kết biến dạng dự đốn kiểm chứng thơng qua kết biến dạng tính toán theo lý thuyết Cơ sở lý thuyết 2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn biến dạng liên kết hàn giáp mối Với yêu cầu xác ngày cao quy trình chế tạo, việc định lượng mức độ biến dạng hàn trở nên cần thiết Tuy nhiên mơ hình đơn giản khơng thể dự đốn biến dạng phụ thuộc vào nhiều yếu tố trình hàn khác Bảng đến số mơ hình dự đốn lý thuyết Các mơ hình đề cập sở để so sánh với kết mô thực cụ thể phần Bảng Tính tốn biến dạng co ngang [3] Tên mơ hình Biến dạng co ngang Guiaux Okerblom (1) (2) Malisius Guyot Leggatt Capel 16 8| ( δtr δtr δtr ( C q ) v)η v tw t α q ρc v t bw Gilde Aw δtr Hansen WatanabeSatoh (7) t (8) (9) ( ) ( √ ) (10) Bảng Tính tốn biến dạng co dọc [3] Tên mơ hình Biến dạng co dọc Thumb (11) Okerblom (12) OkerblomWells (13) Horst Plufg (14) White cộng (15) Guyot (16) Bảng Tính tốn biến dạng góc [3] Tên mơ hình Biến dạng góc Okerblom (17) Leggatt (18) Blodgett (19) Các công thức (1-19) bao gồm số ứng với phương pháp hàn GMAW vật liệu nhôm sau: Hiệu suất = 0,8; hệ số giãn nở nhiệt = 24.10-6 K-1; khối lượng riêng 𝜌𝜌 = 2,7 g/cm3; nhiệt dung riêng 𝑐𝑐 = 0,22 Cal/(g.K) tương ứng với biến dạng co ngang, biến dạng co dọc biến dạng góc Tỉ số đặc (5) trưng cho lượng đường; t L chiều dày vật hàn chiều dài đường hàn (cm); bw thể bề rộng mối hàn (cm); A Aw tiết diện ngang liên kết tiết diện ngang mối hàn hệ số giãn nở nhiệt tính (cm2) (6) tuyến tính thép (3) Aw Blodgett (4) Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN 2354-0575 2.2 Phương pháp hàn điện cực nóng chảy mơi trường khí bảo vệ (GMAW) a Nguồn nhiệt sinh trình hàn GMAW Nguồn nhiệt sinh trình hàn GMAW dạng hai bán elip, nửa nhỏ nằm phía trước tâm cột hồ quang, nửa lớn phía sau Kích thước bán trục lớn, bán trục nhỏ, chiều sâu bán elip trước sau tương ứng (a1, b, c) (a2, b, c) Mật độ lượng phân bố nguồn nhiệt bán elip phía trước phía sau viết [7]: 𝑄𝑄 √3 𝑖𝑖 𝑃𝑃𝑃 𝜋𝜋√𝜋𝜋 𝑖𝑖 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑝𝑝 ( 3𝑥𝑥 3𝑦𝑦 𝑖𝑖 3𝑧𝑧 ) (20) q 0, 24.U h I h v v (21) Qua ta thấy thơng số chế độ hàn ảnh hưởng đến lượng đường, chế độ nhiệt ảnh hưởng lớn đến biến dạng liên kết hàn b Lựa chọn vật liệu nghiên cứu Vật liệu chọn nghiên cứu hợp kim nhôm A1060 (ký hiệu theo tiêu chuẩn ASTM) có thành phần nhơm 99,6% Thành phần hóa học tính hợp kim nhôm thể Bảng Hai phơi có kích thước 200x500x3mm hàn với sử dụng chế độ hàn Bảng Trong nghiên cứu này, chế độ hàn sử dụng có điện áp tốc độ hàn khơng đổi, cường độ dòng điện hàn thay đổi ba mức để xem xét ảnh hưởng đến biến dạng hàn Trong đó, i = 2, tương ứng với nguồn nhiệt phía trước phía sau; 𝜼𝜼 = 0,8 hiệu suất trình hàn; P lượng hồ quang Trong q trình tính tốn biến dạng, lượng đường sử dụng công thức sau: Bảng Thành phần hố học tính vật liệu A1060 [8] Vật liệu A1060 Si Fe Cu Mn Mg Zn Al 0.25 0.4 0.05 0.05 0.05 05 Cịn lại Mơđun đàn hồi GPa Giới hạn bền MPa Độ dãn dài tương đối % Độ thắt tỉ đối % 70-80 78 - 108 40 80 Bảng Bảng thông số chế độ hàn giáp mối nhôm [9] Chế độ hàn Dòng điện hàn Ih (A) Điện áp hàn Uh (V) Tốc độ hàn Vh (cm/s) Năng lượng đường qd (cal/cm) Chế độ hàn 120 20 1.25 368,64 Chế độ hàn 135 20 1.25 414,72 Chế độ hàn 150 20 1.25 460,8 Mô số dự đoán biến dạng liên kết hàn giáp mối Phần mềm Comsol Multiphysics ứng dụng để mô dự đoán nhiệt độ biến dạng Liên kết hàn giáp mối hợp kim nhôm không vát mép, không khe hở chuẩn bị Hình Các điều kiện biên gồm trình đối lưu, xạ điều kiện ban đầu nguồn nhiệt hàn thiết lập Hình Theodoe L Bergman cộng [10] đưa cơng thức tính hệ số đối lưu sau: Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 2k cho mặt 0.15Ra1/3 L w (22a) 2k cho 0.52 Ra1/5 L w Và RaL g (Ts T ) L3 (22b) ht hb (22c) công thức trên, k hệ số dẫn nhiệt khơng khí, w bề rộng tấm; g 9.8m / s ; 0.0033K 1 ; Ts nhiệt độ bề mặt; T nhiệt độ môi trường; L AS P1 ; AS diện tích mặt; P1 chu vi bề mặt; Jornal of Science and technology Jornal of Science and technology 17 |9 ISSN 2354-0575 Khi có hệ số đối lưu (ht hb), lượng nhiệt tiêu tán môi trường thông qua trình đối lưu tính sau: (23) qc h(T T ) Bên cạnh đối lưu không khí, tượng xạ phải xem xét q trình xây dựng mơ hình nhiệt Bức xạ nhiệt mơi trường tính sau [10]: qr T T đường hàn để đảm bảo độ xác q trình phân tích truyền nhiệt (Hình 2); đồng thời làm giảm thời gian phân tích (số lượng phần tử, nút giảm) Trình tự thiết lập mơ q trình hàn phần mềm số tổng hợp sơ đồ khối Hình (24) Trong cơng thức (24), 0.3 ; 5.67 108 (W / m2 K ) Nguồn nhiệt Q thiết lập chạy dọc theo tâm đường hàn tương ứng với vận tốc hàn (Hình 1) Tại thời điểm ban đầu nhiệt độ phôi nhiệt độ môi trường T Bốn điểm mặt phôi dọc theo mặt cắt ngang thiết lập để trích xuất nhiệt độ giúp cho trình đánh giá trường nhiệt độ Hình Sơ đồ khối trình tự mơ Kết thảo luận Hình thể nhiệt độ phân bố liên kết 717 °C nằm hàn 20s có giá trị lớn 𝑥𝑥 tâm bể hàn, xa tâm nguồn nhiệt nhiệt độ giảm Hình Mơ hình hóa q trình hàn Comsol Hình Trường nhiệt độ phân bố 20s chế độ hàn với Ih =120A Hình Mơ hình chia lưới Việc chia lưới mơ hình phân tích ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn thường có ảnh hưởng tới độ xác thời gian tính tốn Trong nghiên cứu, vùng gần tâm mối hàn chia mịn thô xa tâm 18 10| Bên cạnh đó, đường đẳng nhiệt quan sát rõ ràng Sự phân bố đường đẳng nhiệt phía trước sau nguồn nhiệt khơng bị kéo dài phía sau Hiện tượng truyền nhiệt không đều, phía trước nguồn nhiệt mức độ truyền nhiệt nhanh phía sau phơi hàn bị nóng lên nên mức độ truyền nhiệt nhỏ Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN ISSN 2354-0575 2354-0575 Nhiệt độ số điểm P1, P2, P3 P4 (Hình 1) mơ tả Hình Ta thấy nhiệt độ tăng dần theo thời gian đạt giá trị lớn nguồn nhiệt ngang qua vị trí Sau nhiệt độ bị giảm dần trình nguội Nhiệt độ vị trí hàn P1 đạt cao sau giảm dần điểm đo xa tâm đường hàn (P2, P3 P4) c Biến dạng theo phương Z Hình Nhiệt độ số điểm theo phương ngang d Biến dạng tổng Hình Biến dạng liên kết hàn a b Biến dạng theo phương X Biến dạng theo phương Y Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Hình thể biến dạng thành phần biến dạng tổng chi tiết hàn chế độ hàn với Ih = 120(A) Giá trị biến dạng tự lớn 0,85mm (Hình 6d) Biến dạng theo phương X, Y, Z thể Hình 6a, b, c với giá trị lớn tương ứng 0,35mm; 0,84mm 0,02mm Quan sát ta thấy biến dạng nhiều dọc theo đường hàn (phương Y) Biến dạng co ngang có giá trị lớn hàn liên kết có vát mép Trong nghiên cứu này, biến dạng ngang theo phương Z có giá trị 0,02mm nhỏ biến dạng co dọc phôi khơng vát mép Biến dạng góc tính tốn theo độ co ngang 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 ( ) 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 ( ) = 7,63 (25) Kết mô gồm biến dạng co dọc, biến dạng co ngang biến dạng góc tổng hợp Bảng sử dụng chế độ hàn Đồng thời Bảng thể biến dạng tính tốn theo mơ hình thực nghiệm so sánh kết với biến dạng mô Jornal of Science and technology Jornal of Science and technology 19 |11 ISSN 2354-0575 2354-0575 ISSN Với biến dạng co dọc (độ co dọc), so sánh kết tính tốn theo mơ hình với kết mơ ta thấy sai số kết dao động khoảng (2,38-17,98)% Sai số nhỏ tương ứng với mô hình Okerblom 2,38%, tiếp sau 4,64% tương ứng với mơ hình Okerblom – Wells Các mơ hình lại cho sai số tương đối cao mơ hình Thumb khơng xét đến tồn q trình hàn tham số vật liệu; mơ hình Horst Plufg dựa mơ hình Okerblom vùng biến dạng dẻo thay biểu thức liên quan đến vùng hàn biểu thức chưa thể rõ ràng; mơ hình White cộng chưa xét đến ảnh hưởng hiệu suất q trình mơ hình Okerblom So sánh với kết độ co ngang cho thấy, Okerblom cho biến dạng lớn mơ hình phù hợp áp dụng cho liên kết hàn có vát mép chữ V Các mơ hình cịn lại sử dụng kim loại nhôm hợp kim nhơm nên có sai số so với biến dạng mơ cao Từ thấy mơ hình tính tốn biến dạng co ngang phù hợp với biến dạng mô mô hình Guyot Đối với biến dạng góc, mơ hình trình bày Bảng áp dụng đặc biệt cho liên kết hàn có vát mép Trong nghiên cứu này, dạng liên kết áp dụng liên kết giáp mối không vát mép nên sai số biến dạng góc mơ biến dạng góc tính tốn theo mơ hình tương đối lớn Tuy nhiên mơ hình Okerblom cho biến dạng góc có sai số 7.86% (