Bài viết trình bày một số kết quả về mô phỏng số trường nhiệt độ khi hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung gốm bằng phần mềm SYSWELD. Kết quả cho thấy quá trình hàn được mô phỏng cũng như trường nhiệt độ hàn hình thành dưới tác động của hồ quang đảm bảo được sự chính xác khi so sánh với những kết quả nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm đã được công bố.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trường nhiệt độ hàn hồ quang tự động lớp trợ dung gốm Temperature field when automatic arc welding under ceramic flux Tăng Bá Đại1, Nguyễn Văn Hưng2, Đào Quang Kế2 Trường ĐH Công nghiệp Việt - Hung, NCS Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Cơng Thương Khoa Cơ Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam Email:dqke@vnua.edu.vn; tbdaicnh@gmail.com Tel: 0904365844; 01669995888 Tóm tắt Từ khóa: Mơ số; q trình hàn hồ quang; SYSWELD: trợ dung gốm Báo cáo trình bày số kết mơ số trường nhiệt độ hàn hồ quang tự động lớp trợ dung gốm phần mềm SYSWELD Kết cho thấy q trình hàn mơ trường nhiệt độ hàn hình thành tác động hồ quang đảm bảo xác so sánh với kết nghiên cứu lí thuyết thực nghiệm công bố.Với kết mô phỏng, tranh toàn cảnh trường nhiệt độ mặt cắt theo 3D rõ Từ đặt tiền đề ứng dụng phần mềm SYSWELD cho việc nghiên cứu toán khác cơng nghệ hàn, tiết kiêm thời gian, giảm chi phí, phù hợp với điều kiện nghiên cứu Việt Nam Abstract Keywords: Numerical simulation; arc welding process; SYSWELD: ceramic flux The report presents some results on the simulation of the temperature field during automatic arc welding under ceramic flux (submerged arc weelding) by SYSWELD software The results show that the welding process is simulated as well as the welding temperature field formed under the effect of arc to ensure accuracy when compared with published theoretical and empirical results With simulation results, a panoramic view of the temperature field at the cross sections and in 3D has been identified It then sets the premise of applying SYSWELD software for the study of various welding techniques, time cumulation, cost reduction, and matching the current research conditions in Vietnam Ngày nhận bài: 26/7/2018 Ngày nhận sửa bài: 14/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ hàn công nghệ hiệu quan trọng tạo phôi chế tạo máy đặc biệt chi tiết thép cho phép tạo phơi xác tiết kiệm nguyên vật liệu nhiều so với phương pháp tạo phôi công nghệ đúc Ở nước công nghiệp tiên tiến, tất cấu kiện thân máy máy xúc, máy ủi, xe vận tải lớn nhỏ, máy gia công áp lực v.v thực cơng nghệ cắt hàn tự động có điều khiển theo chương trình Sau cắt tạo phơi, gia cơng khí phận cần thiết, thực cơng nghệ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 hàn, xử lý nhiệt giảm ứng suất ổn định tổ chức tế vi xuất xưởng phận máy móc với độ xác cao, với mức độ tiêu hao vật tư thấp nhiều so với đúc toàn khối [1, 2] Trong nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, năm gần nhà khoa học công nghệ nước giới trọng ứng dụng mô số vào lĩnh vực công nghệ hàn Việc áp dụng thành tựu toán học lý thuyết chuyên ngành phương pháp phần tử hữu hạn vào mô số trợ giúp hữu hiệu cho nhà khoa học, kỹ thuật viên thực nghiên cứu đề tài, rút ngắn nhiều thời gian thực đề tài đảm bảo xác dự báo kết xác cần thiết kết nghiên cứu [1, 3] Từ kết q trình mơ giúp người nghiên cứu kiểm soát trường nhiệt độ, phân bố ứng suất dư hay biến dạng hàn, vốn vấn đề phức tạp, khó kiểm sốt nghiên cứu thực nghiệm thường tốn tài thời gian Thông qua mô phỏng, người nghiên cứu chọn thơng số cơng nghệ hàn hợp lý [2, 4] Trong năm qua, số đề tài nghiên cứu khoa học ứng dụng mô số công nghệ hàn với trợ giúp phần mềm chuyên dụng SYSWELD,… thu kết đáng kể Ở trường đại học có ứng dụng mơ số công nghệ hàn (Bách khoa Hà Nội, Sư phạm kỹ thuật Nam Định, Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên,…) [5] Tuy nhiên, hàn hồ quang tự động lớp trợ dung gốm thép hợp kim thấp Q460D dùng kỹ thuật khí đến cơng trình cơng bố [1] ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Quá trình hàn hồ quang tự động lớp trợ dung gốm trường nhiệt độ hàn mô số phần mềm SYSWELD 2.2 Vật liệu thiết bị nghiên cứu - Kim loại bản: Thép hợp kim thấp Q460D (theo GB/T1591-2008) với kích thước L x B x H = 300 x 150 x 20 mm Thép có thành phần hóa học tính chất học giới thiệu bảng Thành phần hóa học thép Q460D: 0,2%C, 1,7%Mn, 0,55%Si, 0,033%P, 0,03%S, 0,17%Cu, 0,7%Cr, 0,015%Al, 0,015%N Bảng Đặc tính thép hợp kim thấp Q460D Mác thép Phẩm cấp Giới hạn chảy (MPa) ≥ Chiều dày đường kính (mm) ≤16 Q460 >16 ~35 35~50 Độ bền kéo δb (MPa) Độ giãn dài δ (%) 50~100 D 460 440 420 400 520~720 17 Độ dai va đập C KV2 (J) ≥ -20 34 - Dây hàn: Dây hàn hợp kim thấp W49-VD, đường kính mm - Thuốc hàn: AR-HUA-01 (Sản phẩm nhóm đề tài) - Thiết bị hàn: Model Autotractor-630-1, nguồn hàn Armada-630 - Chế độ hàn: Ih = 350 (A), Uh = 31 (V), vh = 23 (m/h) Uốn cong 180o ≤ 16 >16 ~100 d = 2a d =3a HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.3 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng phần mềm SYSWELD [7, 8] mô trình hàn hồ quang tự động lớp trợ dung gốm Giải toán trường nhiệt độ ảnh hưởng đến mối hàn phần mềm SYSWELD Để đơn giản hóa giao diện nhằm giúp người dùng dễ dàng sử dụng thao tác phần mềm, ESI Group (Pháp) phát triển công cụ Visual - Weld nhóm VisualEnvironment Lúc này, SYSWELD đóng vai trị giải (solver) tốn hàn Q trình mơ tốn hàn thực theo trình tự xác định Theo đó, người dùng xây dựng mơ hình tốn trực tiếp phần mềm Visual-Mesh đưa mơ hình xây dựng sẵn từ phần mềm vẽ Solidworks, Inventor,… sau sử dụng phần mềm Visual-Mesh để chia lưới cho mơ hình Sau xây dựng xong mơ hình chia lưới, mơ hình chuyển sang phần mềm Visual-Weld để thiết lập thông số q trình hàn tốn giải nhờ Sysweld solver Kết xuất quan sát đánh giá phần mềm Visual-Viewer [7, 8] KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Phần mềm SYSWELD phần mềm tính tốn dựa phương pháp phần tử hữu hạn, ESI Group (Pháp) xây dựng phát triển, chuyên dùng để mô trình hàn, xử lý nhiệt lắp ráp kết cấu hàn [7, 8] SYSWELD mô tương tác hầu hết tượng vật lý liên quan đến trình hàn (hình 1): Hình Các tượng vật lý mô SYSWELD SYSWELD giải tốn mang tính chất phi tuyến: Các thuộc tính vật liệu phụ thuộc nhiệt độ, chuyển biến pha, thành phần hóa học,… Các kết SYSWELD tính tốn gồm: Sự phân bố nhiệt độ, phân bố lượng nhiệt; Tổ chức kim loại; Độ hạt tinh thể; Độ cứng; Phân bố ứng suất biến dạng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 3.1 Kết mô Mô số trình hàn thực theo bước sau (hình 2): Hình Sơ đồ q trình mơ số Sau giải tốn nhiệt cơng cụ Visual Weld, kết quan sát công cụ Visual Viewer (hình 3) Nhiệt độ nhỏ liên kết Min = 53,2 0C node 81993 vùng nguồn nhiệt Nhiệt độ lớn liên kết Max = 4931,170C node 312 tâm nguồn nhiệt Khi nguồn nhiệt hồ quang di chuyển dọc theo đường hàn liên kết hàn tồn trường phân bố nhiệt độ tức thời Sử dụng thang đo đường đẳng nhiệt có chứa mốc 1550 0C ứng với nhiệt độ nóng chảy vật liệu biết kích thước vũng hàn Từ phần mềm SYSWELD giải VISUAL VIEW xuất mặt cắt ngang vũng hàn (hình 4): + Vùng màu tím (vũng hàn) vùng nóng chảy + Vùng màu đỏ (liền kề vũng hàn) biểu thị vùng viền chảy Các vùng màu biểu thị vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn Nhiệt độ giảm dần theo vùng xuống đến nhiệt độ mơi trường HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Phân bố trường nhiệt độ mối hàn Hình Mặt cắt ngang mối hàn Để tạo thành mối hàn, cần thiết phải hàn số lớp với chế độ xác định Khi hàn lớp thứ nhất, trường nhiệt độ mơ tả qua hình Dễ dàng nhận thấy, đầu trình hàn lớp thứ nhiệt ảnh hưởng đến kết cấu hàn chưa nhiều Tại lớp thứ nhất, thời điểm nhiệt làm kim loại nóng chảy tạo thành mối hàn lúc xác định nhiệt độ vùng ảnh hưởng nhiệt Trên hình nhiệt giảm dần từ vùng kim loại mối hàn (màu hồng) đến vùng ảnh hưởng nhiệt (màu xanh) sau: Min = 250C node 154; Max = 37520C node 587 Dựa vào kết mô cho thấy, từ lớp thứ hai trở đi, ảnh hưởng nhiệt thể rõ (hình 6): Min = 31,390C node 81993; Max = 40100C node 15463 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Phân bố trường nhiệt mối hàn lớp thứ Hình Phân bố trường nhiệt mối hàn lớp thứ hai 3.2 Chu trình nhiệt số vị trí quan trọng Các kết trình bày mang tính chất định tính nhằm đánh giá sơ q trình hàn Để biết xác chu trình nhiệt hàn vị trí quan trọng, qua đánh giá q trình hình thành mối hàn cần thiết phải biết biến thiên nhiệt độ theo thời gian (với giá trị cụ thể) vị trí quan trọng cần khảo sát Do tính chất đối xứng nên cần xét nửa mơ hình Các vị trí quan trọng cần khảo sát trình bày hình Để thấy rõ biến thiên trường nhiệt độ cần thiết xem xét thay đổi nhiệt độ đồ thị node phần tử (hình 8) Hình Chu trình nhiệt số điểm vị trí khảo sát HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Đồ thị biểu diễn trường nhiệt độ node 3998 Tại node phần tử số 3998 thuộc vùng nóng chảy có nhiệt độ cao (hình 8) Theo đồ thị vùng nhiệt MAX node 3998 đạt xấp xỉ 34000C, sau giảm dần theo thời gian Tại node phần tử số 4083 thuộc vùng ảnh hưởng nhiệt đồ thị biểu diễn màu xanh dương Theo đồ thị vùng nhiệt MAX node 4083 đạt xấp xỉ 26000C, sau giảm dần theo thời gian (hình 9) Cũng hình 9, đồ thị biểu diễn biến thiên nhiệt độ số điểm khảo sát nhận thấy, node 3998 nằm tâm mối hàn bề mặt nhiệt độ cao đạt khoảng 34000C Nhiệt độ cao node 4083 cách tâm mối hàn mm đạt giá trị cao 26000C, Nhiệt độ cao node 4404 cách tâm mối hàn mm đạt giá trị cao 8500C Như thấy nguồn nhiệt hàn hồ quang cho lượng tập trung nên mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt có kích thước nhỏ Hình Đồ thị biểu diễn trường nhiệt độ node 3998 node 4083 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Tại node phần tử số 4404 thuộc vùng ảnh hưởng nhiệt, đồ thị biểu diễn màu hồng Theo đồ thị vùng nhiệt MAX node 4404 đạt xấp xỉ 8500C, sau giảm dần theo thời gian (hình 10) Hình 10 Đồ thị biểu diễn trường nhiệt node 3998, 4083 4404 Ngồi chu trình điểm quan trọng xét xét thêm điểm node 312 node 81993 chu trình nhiệt biểu thị biến thiên trường nhiệt độ mối hàn theo thời gian nhằm so sánh với kết qủa thang đo đường đẳng nhiệt (biểu thị hình 3) Tại node phần tử số 312 nhiệt độ lớn liên kết Max=4931.170C Tại node 312 tâm nguồn nhiệt (biểu diễn màu đỏ đồ thị), sau nhiệt độ giảm dần theo thời gian (hình 11) Hình 11 Đồ thị chu trình nhiệt node 312 Max = 4931,17 0C Tại node phần tử số 81993 nhiệt độ lớn liên kết Min = 53,2 0C Tại node 81993 vùng nguồn nhiệt (được biểu diễn màu đỏ đồ thị), sau nhiệt độ giảm dần theo thời gian (hình 12) Thơng qua đồ thị biểu diễn biến thiên nhiệt độ số node khảo sát, node phần tử số 312 nhiệt độ lớn liên kết Max = 4931,170C tâm nguồn nhiệt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Node 3998 nằm tâm mối hàn bề mặt trên, nhiệt độ cao đạt khoảng 34000C Node 4083 cách tâm mối hàn 5mm đạt giá trị cao 26000C, node 4404 cách tâm mối hàn 8mm đạt giá trị cao 8500C, node phần tử số 81993 nhiệt độ lớn liên kết Min,= 53,20C vùng ngồi nguồn nhiệt Như thấy nguồn nhiệt hàn hồ quang cho lượng tập trung nên mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt có kích thước nhỏ Hình 12 Đồ thị chu trình nhiệt node 81993 Min = 53,2 0C KẾT LUẬN Mơ hình nguồn nhiệt thích hợp q trình hàn hồ quang tự động lớp trợ dung dạng nguồn nhiệt ellipsoid kép với mật độ lượng tập trung lớn phía bề mặt giảm dần theo chiều dày vật hàn Bằng việc sử dụng mơ hình nguồn nhiệt ellipsoid kép cơng cụ phần mềm VISUAL WELD để mơ lại q trình hàn dự đốn trường nhiệt độ, kích thước hình dạng mối hàn Thơng qua mơ q trình hàn thấy độ ngấu mối hàn từ hình ảnh mơ phỏng, từ điều chỉnh vận tốc, thời gian hàn với mục đích đạt độ ngấu cao hạn chế khuyết tật mối hàn làm ảnh hưởng tới chất lượng kết cấu hàn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Quang Kế, Lục Vân Thương, Hoàng Văn Châu, “Một số kết nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tính cơng nghệ hàn thuốc hàn gốm hàn tự động kết cấu thép”, Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Khoa học tồn quốc Cơ khí, Nxb Khoa học tự nhiên công nghệ, Hà Nội-2013 [2] Output of welding flux in 2005 [3] The Japan welding news for the Word Atumn isue, 2011 [4] Worldwide weld metal consumption by Region 2010 [5] Trịnh Quang Ngọc (2017) Nghiên cứu công nghệ hàn plasma thép không gỉ Austenit Luận văn cao học Đại học Bách khoa Hà Nội [6] Võ Văn Phong (2007) SYSWELD - Presentation at DWE-HUST, Hà Nội [7] ESI Group (2014) Panel - Bartutorial visual weld 9.5 [8] ESI group (2010) Sysweld 2010 reference manual ... 2018 Hình Phân bố trường nhiệt độ mối hàn Hình Mặt cắt ngang mối hàn Để tạo thành mối hàn, cần thiết phải hàn số lớp với chế độ xác định Khi hàn lớp thứ nhất, trường nhiệt độ mơ tả qua hình Dễ... Nghiên cứu ứng dụng phần mềm SYSWELD [7, 8] mơ q trình hàn hồ quang tự động lớp trợ dung gốm Giải toán trường nhiệt độ ảnh hưởng đến mối hàn phần mềm SYSWELD Để đơn giản hóa giao diện nhằm giúp... VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Quá trình hàn hồ quang tự động lớp trợ dung gốm trường nhiệt độ hàn mô số phần mềm SYSWELD 2.2 Vật liệu thiết bị nghiên cứu - Kim loại