HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Phân tích mô trường nhiệt hàn liên kết ống phần mềm Sysweld Analysis and simulation of temperature field during pipe joint welding using Sysweld software Ngô Hữu Mạnh1,*, Mạc Văn Giang1, Nguyễn Hồng Thanh2, Nguyễn Tiến Dương3 Trường Đại học Sao Đỏ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email: manh.weldtech@gmail.com Mobile: 0936847980 Tóm tắt Từ khóa: GMAW, trường nhiệt hàn, liên kết ống, liên kết chữ K, mô số 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 khơng riêng Việt Nam mà giới chế tạo kết cấu thép q trình hàn điện cực nóng chảy mơi trường khí bảo vệ (GMAW) Mơ hình hóa mô trường nhiệt độ hàn liên kết ống chữ K thực sở mô hình Solid (3D) sử dụng gói phần mềm Sysweld ESI [1] Đây công cụ mô hữu ích giải tốn phức tạp nhiệt trình luyện kim hàn bao gồm toán phi tuyến, trạng thái giả ổn định, động học, Abstract Keywords: GMAW, welding temperature field, piping joint, K pipe joint, numerical simulation Ngày nhận bài: 07/07/2018 Ngày nhận sửa: 07/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 This paper studies the finite element method (FEM) to simulate the temperature field of K pipe joint welding, with diameter of main pipe being 219 mm and branch pipe being 102 mm; The thickness are respectivety 12.7 mm and mm Temperature variations at a point (node) in the heat source’s movement are examined This welding technology is widely used for steel fabrication not only in Vietnam but also in the world, referred to as gas metal arc welding (GMAW) process The modeling and simulation of the temperature field when welding K pipe joint was established on the basis of the model Solid (3D), using ESI’s Sysweld program [1] This is an useful simulation tool, as it can solve the complex problems of thermomechanical and metallurgical in welding, including nonlinear problems, pseudo steady state, kinetics, HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 GIỚI THIỆU Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành công nghệ thông tin, công cụ tính tốn mơ đươc 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 Mơ số q trình hàn phương pháp hữu hiệu để dự đốn trường nhiệt độ, ứng suất biến dạng hàn phương pháp phần tử hữu hạn Qua nghiên cứu thấy rằng, 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 [2] 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 [3] 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 dạng hàn tổ chức tế vi vùng liên kết hàn CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 [4]: P Uh Ih (1) Trong đó: P cơng suất nhiệt (W) Uh điện áp hồ quang (V) Ih cường độ dòng điện hàn (A) hiệu suất hồ quang hàn (0,6 ÷ 0,9) Goldak cộng [5] 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 mô tả hai phương trình riêng Hình Mơ hình nguồn nhiệt hàn GMAW [5] Theo [4, 5], với điểm (x,y,z) bên khối bán ellipsoid (phía trước hồ quang hàn), mật độ nguồn nhiệt biểu diễn phương trình sau: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 x2 y 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 x2 y 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; QR hàm mật độ nguồn nhiệt Như thấy nguồn nhiệt khối ellipsoid kép phân bố Gauxơ biểu diễn thơng số Đó hiệu suất hồ quang thơng số hình học nguồn nhiệt af, ar, b c Goldak cộng [5] 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 Lớp hàn/đường hàn Lớp (1,2) Lớp (3,4) Lớp (5,6) b (mm) 6 c (mm) 4 af (mm) 3 ar (mm) 5 2.2 Các thông số vật liệu Vật liệu sử dụng chế tạo liên kết ống thép bon kết cấu vật liệu sử dụng mô thép S355J2G3, tương đương với vật liệu để chế tạo kết cấu ống 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 [6] Vật liệu S355J2G3 có giới hạn chảy 355MPa, mô đun đàn hồi E = 210 GPa (tại 20oC), hệ số poisson 0,33 Mơ 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 Liên kết hàn ống chữ K HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Thông số liên kết ống chữ K Thông số D t Dbtens, Dbcomp tb g D/t Db/tb Db/D Mơ tả Đường kính ngồi ống Chiều dày ống Đường kính ống nhánh Chiều dày ống nhánh Góc ống nhánh Khe hở ống nhánh Tỷ số đường kính ống với chiều dày Tỷ số đường kính ống nhánh với chiều dày Tỷ số đường kính ống nhánh với ống Đơn vị mm mm mm mm o mm - Giá trị 219 12,7 102 50 50 17,24 17 0,47 2.3 Mơ hình hố trình tự hàn Để mơ xác 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 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 Để tăng mức độ xác mô phỏng, lưới chia mau mối hàn vùng lân cận mối hàn (vùng ảnh hưởng nhiệt - HAZ), vùng lại khoảng cách nút thưa dần để giảm thời gian tính tốn số lượng phần tử, số lượng nút mơ hình (Hình 4) Hình Kiểu lưới vùng chia lưới Với kết cấu ống chữ K, 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) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Trình tự thực đường hàn lớp hàn Trong báo tác giả chọn điểm bắt đầu 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 Trên sở mặt cắt ngang liên kết hàn so sánh với trường nhiệt độ mô để hiệu chỉnh thông số chế độ hàn (năng lượng đường, góc nghiêng mỏ hàn, thơng số af, ar, b c) cho phù hợp với chiều sâu ngấu chiều rộng vùng HAZ liên kết hàn Bảng Chế độ hàn thực nghiệm liên kết ống chữ K Lớp hàn/Đường hàn Ih (A) Uh (V) Vh (mm/s) Dd (mm) Lớp hàn (1, 2) 150 25 1,0 Lơp hàn (3, 4) 170 26 1,0 Lớp hàn (5, 6) 170 26 1,0 Trong đó: Vh: Vận tốc hàn (mm/s); Dd: Đường kính dây hàn (mm) Năng lượng đường (J/mm) 720 880 880 Bảng Thông số mô liên kết ống chữ K Lớp hàn/Đường hàn Lớp hàn (1, 2) Lớp hàn (3, 4) Lớp hàn (5, 6) Năng lượng đường (J/mm) 720 880 880 Vận tốc hàn (mm/s) 5 Hình Mơ hình nguồn nhiệt Phân tích Hình thấy rằng, với thơng số mơ 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 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 7) Quá trình thiết lập thực phần mềm Visual Weld HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình 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 2.4 Tạo lớp trao đổi nhiệt gá kẹp Trong Sysweld, thường 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 Visual Mesh Việc tạo lớp vỏ (skin) liên quan đến trao đổi xạ nhiệt với môi trường xung quanh q trình hàn Mục đích q trình mô diễn với điều kiện gần giống thực nghiệm Hình Mơ hình vỏ trao đổi nhiệt Liên kết ống chữ K ngàm Hình 9, ống ngàm chặt hai đầu theo phương (x,y,z) ống nhánh bị ngàm theo phương z Mỗi đầu ống ngàm điểm đối xứng qua tâm Thời gian ngàm trì suốt q trình mơ (4500s) Hình Vị trí ngàm liên kết ống chữ K HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 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 10.a biểu diễn phân bố nhiệt độ bể hàn vùng HAZ hàn đường thứ Hình 10.b kết phân bố nhiệt độ bể hàn vùng HAZ hàn đường thứ thứ hai Hình 10.c kết phân bố nhiệt độ bể hàn vùng HAZ hàn đường hàn với thông số chế độ nhiệt nêu Bảng Hình 10 Hình dạng kích thước bể hàn a) Đường hàn b) Đường hàn c) Đường hàn Hình 10 mơ tả hình dạng kích thước bể hàn đường bao đẳng nhiệt đường hàn Trong 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 11 Đồ thị nhiệt độ nút 1449 Trên Hình 11 nhiệt độ nút 1449 thuộc vùng HAZ ống Dựa đồ thị mơ xác định thời gian nguội từ 800 xuống 500oC, cho giá trị t8/5 2,8s theo tính tốn t8/5 2,23s Như vậy, tốc độ nguội tính tốn mơ nằm phạm vi cho phép với hàn GMAW ÷ 50s [4] 3.2 Chu trình nhiệt Trên Hình 12 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 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 33,1946 nhiệt độ 2125,14oC thời điểm bể hàn nóng chảy qua Sau khoảng 317s 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 Tuy nhiên, đường hàn thứ nằm bên nút 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 thời điểm qua nút làm nóng chảy phần đường hàn Phân tích thấy rằng, đường hàn chịu ảnh hưởng nhiệt 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 12 Chu trình nhiệt nút 341 Phân tích Hình 13 thấy rõ biến thiên nhiệt độ nút 48128 vùng HAZ nút 51720 không thuộc vùng HAZ nằm ống Phân tích nút 48128 gần tâm nguồn nhiệt hàn đường hàn nên có nhiệt độ cao (550oC), nút 51720 xa nguồn nhiệt nên có nhiệt độ thấp (90oC) Như nút 48128 51720 chịu tác động nhiệt tất đường hàn Tuy nhiên, nhiệt độ đỉnh nút 48128 đường hàn vào khoảng 200oC khơng ảnh hưởng tới tính tổ chức tế vi Hình 13 Chu trình nhiệt nút 48128 51720 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình 14 Chu trình nhiệt nút theo chiều dày thành ống Hình 14 mô 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 Hình 15 Bể hàn đường đẳng nhiệt hàn Hình 15 mơ tả hình dáng, kích thước bể hàn đường bao đẳng nhiệt hàn đường hàn thứ liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Nhiệt độ lớn nút 67981 3039oC KẾT LUẬN Trong báo này, nhóm tác giả mơ trường nhiệt độ cho liên kết ống chữ K hàn GMAW nhiều đường nhiều lớp (2 lớp, đường) phần mềm Sysweld Mơ hình hố q trình hàn phân bố nhiệt độ q trình hàn Phân tích đầy đủ sở liệu phân bố nhiệt độ ống ống nhánh tình hàn Phân tích mơ biến thiên nhiệt độ thời điểm liên kết hàn ống phần mềm chuyên ngành Sysweld Kết nhận đảm bảo độ xác, giống thực tế Đây sở quan trọng để tối ưu hóa thơng số chế độ hàn nhằm kiểm sốt tốt chất lượng mối hàn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 DANH MỤC DANH PHÁP/KÝ HIỆU af, ar, b, c : Các thơng số hình học nguồn nhiệt khối ellipsoid kép QR : Hàm mật độ nguồn nhiệt GMAW : Hàn điện cực nóng chảy mơi trường khí hoạt tính bảo vệ HAZ : Vùng ảnh hưởng nhiệt hàn t8/5 : Thời gian nguội TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ESI Group, 2010 99 Rue Des, Solets Silic 112 94513 Rungis Cedex FRANCE [2] Nguyễn Tiến Dương, 2008 Mơ q trình truyền nhiệt hàn NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Zienkiewicz, O C, 1977 The Finite Element Method Mc Graw - Hill Company, London [4] 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, pp.265-274 [5] J Goldak, M Bibby, J Moore and B Patel, 1986 Computer Modling of Heat Flow in Welds Metallurgical Transactions B, Volume 17, Issue 3, pp 587–600 [6] Trần Văn Địch, 2004 Sổ tay thép giới NXB Khoa học Kỹ thuật [7] Jeffrey Packer, 2010 Steel Design Guide AISC, USA ... đường) phần mềm Sysweld Mơ hình hố q trình hàn phân bố nhiệt độ q trình hàn Phân tích đầy đủ sở liệu phân bố nhiệt độ ống ống nhánh q tình hàn Phân tích mơ biến thiên nhiệt độ thời điểm liên kết hàn. .. bể hàn đường bao đẳng nhiệt hàn đường hàn thứ liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K Nhiệt độ lớn nút 67981 3039oC KẾT LUẬN Trong báo này, nhóm tác giả mơ trường nhiệt độ cho liên kết ống chữ K hàn. .. 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 Hình 15 Bể hàn đường đẳng nhiệt hàn Hình 15 mơ