Phân tích sự chuyển pha và trường nhiệt khi hàn nối ống thép các bon bằng quá trình Orbital - MAG

Trong bài báo này, nhóm tác giả phân tích sự chuyển pha và trường nhiệt khi hàn nối ống thép các bon bằng quá trình hàn OM. Phương pháp mô phỏng số được sử dụng để phân tích sự chuyển pha và trường nhiệt hàn.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 PHÂN TÍCH SỰ CHUYỂN PHA VÀ TRƯỜNG NHIỆT KHI HÀN NỐI ỐNG THÉP CÁC BON BẰNG QUÁ TRÌNH ORBITAL - MAG A STUDY ON PHASES TRANSITION AND TEMPERATURE FIELDS OF CARBON STEEL TUBES DURING ORBITAL - MAG WELDING PROCESS Ngô Hữu Mạnh1,*, Nguyễn Văn Kiên2,3 TĨM TẮT Q trình hàn Orbital - MAG (OM) tự động thường áp dụng để thực hàn nối đường ống cố định Sự phân bố nhiệt hàn OM có ảnh hưởng lớn đến trình chuyển pha chất lượng mối hàn Trong báo này, nhóm tác giả phân tích chuyển pha trường nhiệt hàn nối ống thép bon q trình hàn OM Phương pháp mơ số sử dụng để phân tích chuyển pha trường nhiệt hàn Từ khoá: Hàn orbital; GMAW; hàn tự động; chuyển pha; trường nhiệt hàn ABSTRACT Orbital - MAG (OM) auto welding process is complex and is often applied to weld the connection of the fixed pipe lines The heat distribution of the OM welding has influenced phases transition and quality of the weld In this paper, the authors analyze phases transition and simulate temperature fields of carbon steel pipes during OM auto welding process Numerical simulation with the support of JMATPRO and SYSWELD softwares used to analyzed phases transition and temperature fields Keywords: Orbital welding; GMAW; auto welding; phases transition; temperature fields Trường Đại học Sao Đỏ Học viện Kỹ thuật quân Xí nghiệp 143 - Nhà máy Z49 * Email:manh.weldtec@gmail.com Ngày nhận bài: 02/3/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện:02/4/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2021 GIỚI THIỆU CHUNG Trong năm gần đây, công nghệ hàn tự động ứng dụng để hỗ trợ tích cực cho người lao động, nâng cao suất hàn, cải thiện hình dạng chất lượng mối hàn, tiết kiệm thời gian,…[10] Quá trình hàn sửa chữa đường ống cố định lĩnh vực dầu khí, hóa chất, nhiệt điện, dược phẩm, cấp thoát nước, xử lý nước thải,… gặp nhiều khó khăn [9] Q trình hàn gặp nhiều khó khăn phải thực vị trí khơng thuận lợi hàn loại vật liệu khác [1] Quá trình hàn phải thực ngồi cơng trường, vị trí khác 72 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) khơng gian (dưới lịng đất, nước không), không gian tiếp cận vị trí hàn bị hạn chế Bên cạnh đó, hàn nối ống vị trí khó thực không gian, yêu cầu tay nghề thợ hàn cao (thường 5G 6G) làm tăng chi phí nhân cơng chi phí sản xuất dẫn đến làm giảm tính cạnh tranh doanh nghiệp Hiện giới, số hãng sản xuất Lincoln (Mỹ), Polysoude (Pháp),… nghiên cứu, chế tạo thiết bị hàn Orbital để cung ứng cho thị trường Việc ứng dụng thiết bị hàn Orbital tự động hàn nối ống giúp nâng cao lực sản suất, chất lượng sản phẩm, đảm bảo an toàn cho người lao động thực vị trí hàn khơng thuận lợi khơng gian Ở Việt Nam, chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu sâu công nghệ thiết bị hàn Orbital Năm 2011, TS Hoàng Văn Châu [8] nghiên cứu thiết bị hàn ống đường kính lớn trạng thái không quay Năm 2018, TS Ngô Hữu Mạnh công thực nghiệm thu đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ Công Thương “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn Orbital - TIG tự động” [9] Hiện nay, thiết bị hàn Orbital chủ yếu nhập Việt Nam từ nước có cơng nghiệp phát triển để ứng dụng vào trình hàn đường ống cố định Số lượng thiết bị hàn Orbital sử dụng hạn chế Một phần chưa tiếp cận với công nghệ hàn Mặt khác, thiết bị hàn Orbital phức tạp chi phí đầu tư lớn Trong q trình hàn, vật hàn bị nung nóng cục nhiệt độ cao [2] Sự giãn nở vật liệu bị nung nóng nguồn nhiệt hàn 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 Vì vậy, mơ số phương pháp tốt để phân tích chuyển pha, trường nhiệt độ, ứng suất biến dạng trình hàn Q trình phân tích với hỗ trợ phần mềm JMATPRO SYSWELD cho phép nhận kết Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 sát thực, rút ngắn thời gian nghiên cứu giảm chi phí thực nghiệm XÂY DỰNG MƠ HÌNH 2.1 Mơ hình nguồn nhiệt Trong q trình hàn nối ống OM, nguồn nhiệt hồ quang xác định theo công thức sau [4]: P   Uh  I h Hình Mơ hình chia lưới liên kết hàn ống (1) Trong đó: 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) Hình Các vị trí kẹp chặt liên kết ống hàn 2.3 Vật liệu hàn Vật liệu ống thép đúc, đường kính ngồi ống 300mm, chiều dày thành ống 10mm theo tiêu chuẩn ASTM A 53 [6] Đây loại thép sử dụng phổ biến Việt Nam, giới Ống vát mép chữ V, góc vát 300, chiều dài ống 250mm Khe hở hai ống gá kẹp 3mm Các thông số liên kết hàn hình 3, ống thép sử dụng làm vật liệu có thành phần hóa học tính bảng 1, [6] Hình Mơ hình nguồn nhiệt ellipsoid kép [5] Mật độ nguồn nhiệt điểm (x,y,z) bên khối ellipsoid (phía trước hồ quang hàn) biểu diễn phương trình sau [4, 5]  x y z2  QR (x,y,z,t)  Qf exp       af b c  Hình Các thơng số liên kết hàn Bảng Thành phần hóa học ống thép theo tiêu chuẩn ASTM A 53 [6] (2) Với điểm (x,y,z) bên khối ellipsoid thứ hai (phía sau hồ quang hàn), mật độ nguồn nhiệt biểu diễn phương trình sau [4, 5]  x y z2  QR (x,y,z,t)  Qr exp      c   ar b %C %Mn 0,25 0,95 %S 0,045 %P %Cr %Ni %Mo 0,05 0,4 0,4 0,15 Bảng Cơ tính ống thép theo tiêu chuẩn ASTM A 53 [6] Giới hạn bền (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ giãn dài (%) >415 >240 >20 (3) Trong đó: af, ar, b c thơng số hình học nguồn nhiệt khối ellipsoid kép; QR hàm mật độ nguồn nhiệt 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 Vật liệu hàn gồm dây hàn KC-28 (tiêu chuẩn AWS A5.18 ER70S-6) hãng KISWEL (Hàn Quốc) sử dụng làm vật liệu bổ sung cho q trình hàn có thành phần hóa học tính bảng 3, [7] Bảng Thành phần hóa học dây hàn KC-28 [7] %C %Mn %Si %P %S 2.2 Chia lưới gá kẹp 0,07 1,53 0,86 0,012 0,007 Liên kết hàn ống chia lưới với mật độ lưới tăng dần tiến đến gần mối hàn Sự gia tăng mật độ lưới vùng mối hàn cho phép nhận kết mơ xác, hình ảnh mơ rõ nét Mơ hình chia lưới trình diễn hình Bảng Cơ tính dây hàn KC-28 [7] Liên kết ống định vị kẹp chặt hai đầu (hình 3) Thời gian kẹp chặt trì suốt q trình mơ để đảm bảo ống trạng thái cố định giống thực tế Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Giới hạn bền (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ giãn dài (%) Độ dai va đập IV -300C (J) > 400 > 480 > 22 ≥ 27 Khí bảo vệ điện cực vũng hàn sử dụng Argon 99,98% chứa bình dung tích 40 lít áp suất 150bar Lưu lượng khí sử dụng 15 lít/phút Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 73 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 2.4 Thiết bị hàn Thiết bị hàn sử dụng máy hàn ống tự động MAG PIPE 400 (hình 5); điện áp nguồn 220/380V; điện áp khơng tải 70V; dịng hàn Imax = 400A; đường kính ống hàn Dmax = 400mm; đường kính dây hàn dd = 1,2mm; tốc độ dịch chuyển không tải lớn Vmax = 3.000mm/phút thực đường hàn thứ II đường hàn phủ thứ III Khi thực đường hàn, đầu hàn dao động ngang với biên độ phù hợp để đảm bảo chiều sâu ngấu, chiều rộng chiều cao mối hàn Sau đường hàn, bề mặt mối hàn làm trước thực đường hàn KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Sự chuyển pha Khi nguồn nhiệt dịch chuyển theo quỹ đạo đường hàn, trường nhiệt phân bố tức thời ứng suất nhiệt xuất liên kết hàn (hình 7) Hình Nguồn hàn ống tự động MAG PIPE 400 2.5 Chế độ hàn Các thơng số chế độ hàn có ảnh hưởng lớn đến cơng suất nguồn nhiệt, chuyển pha, hình dạng, kích thước chất lượng mối hàn Vì vậy, việc phân tích xác định giá trị thông số chế độ hàn giúp điều tiết công suất nguồn nhiệt hàn để nhận mối hàn có hình dạng chất lượng tốt Trong thơng số chế độ hàn, tác giả tính tốn xác định thơng số cường độ dòng hàn (Ih), điện áp hàn (Uh), tốc độ hàn (Vh), đường kính dây hàn (d), lưu lượng khí (L), biên độ dao động đầu hàn (B) Giá trị thơng số chế độ hàn trình bày bảng Bảng Các thông số chế độ hàn nối ống tự động OM Đường hàn Ih Uh Vh d L B (A) (V) (mm/ph) (mm) (l/ph) (mm) Thứ I 105 21 80 1,2 20 10 Thứ II 120 23 120 1,2 15 12 Thứ III 130 24 100 1,2 15 15 2.6 Trình tự hàn Ống có chiều dày 10mm nên hàn hoàn thiện ba lớp hàn Mỗi lớp hàn gồm đường hàn Các lớp hàn thực theo đường chu vi ống Chiều đường hàn hình Hình Biểu đồ nhiệt kim loại mối hàn Dưới tác động nguồn nhiệt hồ quang, kim loại chuyển dần từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng Ở nhiệt độ 15170C, kim loại vùng hàn chuyển hoàn toàn sang trạng thái lỏng (hình 8) Hình Biểu đồ chuyển pha kim loại mối hàn 15170C Ở thời điểm trước đó, nhiệt độ đạt 15000C, tổ chức kim loại mối hàn tồn hai pha rắn lỏng Trong đó, pha lỏng chiếm tỉ lệ 27,87%, lại pha rắn Ferrite chiếm 72,13% (hình 9) Hình Trình tự thực đường hàn nối ống cơng nghệ hàn OM Q trình hàn thực tự động để hàn hết chu vi ống Sau hàn xong đường hàn thứ I, tiếp tục 74 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) Hình Biểu đồ chuyển pha kim loại mối hàn 15000C Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Quá trình chuyển pha bị ảnh hưởng lớn nguồn nhiệt hàn Công suất nguồn nhiệt tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt hàn định đến tốc độ chuyển pha kim loại vùng hàn (hình 10) Tốc độ truyền nhiệt kim loại ảnh hưởng tới ứng suất nhiệt sinh trình hàn Chất lượng mối hàn liên kết hàn bị phụ thuộc lớn yếu tố Vì vậy, phân tích ảnh hưởng yếu tố cho phép dự đoán xác định giá trị tốt để nhận chất lượng mối hàn tốt (hình 13) Hình 10 Biểu đồ pha kim loại mối hàn Sự chuyển hoá Austenite nguội diễn 9000C, Pearlite 6900C, Bainite 6060C, Ferrite 8380C, Martensite 4280C Quá trình chuyển pha kim loại theo nhiệt độ thời gian (TTT) mơ tả biểu đồ 11 Hình 13 Biểu đồ ứng suất kéo sinh ống hàn 3.2 Sự phân bố nguồn nhiệt Khi thực đường hàn thứ I, vùng ảnh hưởng nhiệt mở rộng theo thời gian trình truyền nhiệt Tuy nhiên, vùng ảnh hưởng nhiệt mở rộng vô hướng tuyến tính Vùng ảnh hưởng nhiệt mở rộng hai phía hai ống dịch chuyển theo nguồn nhiệt Chiều rộng thay đổi theo thời gian dịch chuyển nguồn nhiệt hàn (hình 14) Hình 11 Biểu đồ chuyển pha TTT kim loại mối hàn Khi nguội, chuyển pha phụ thuộc lớn vào tốc độ làm nguội Khi tốc độ nguội lớn, kim loại mối hàn chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn nhanh Vì vậy, thời gian tồn pha ngắn (hình 12) Hình 14 Sự phân bố nhiệt hàn đường thứ I Đường hàn thứ II thực sau đường hàn thứ I kết thúc Lúc này, vùng ảnh hưởng nhiệt mở rộng đường hàn thứ I nguồn nhiệt dư đường hàn trước Tuy nhiên, vùng ảnh hưởng nhiệt đường hàn thứ II khơng q lớn bị giới hạn tốc độ truyền nhiệt kim loại (hình 15) Hình 12 Biểu đồ chuyển pha CCT kim loại mối hàn Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Đường hàn thứ III thực sau đường hàn thứ II kết thúc Vùng ảnh hưởng nhiệt tiếp tục mở rộng so với đường hàn thứ II lượng nhiệt dư trước công suất nguồn nhiệt đường hàn thứ III lớn hơncông suất nguồn nhiệt đường hàn thứ II, tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt lại chậm đường hàn trước chiều rộng mối hàn đường hàn thứ III lớn (hình 16) Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 75 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ống lớn công suất nhiệt đường hàn lớn nguồn nhiệt dư đường hàn trước Hình 15 Sự phân bố nhiệt hàn đường thứ II Hình 18 Sự phân bố nhiệt ống thép A53 thực đường hàn Khi hàn OM, trình dịch chuyển đầu hàn theo đường chu vi ống kết hợp với dao động ngang tự động hoá nên phân bố nhiệt hàn ổn định Sự phân bố nhiệt ổn định hai phía ống điều kiện cho phép nhận mối hàn có chất lượng cao hơn, hình dạng mối hàn hơn, phân bố ứng suất ổn định Đây lợi lớn để nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng công nghệ hàn OM vào thực tế sản xuất Việt Nam Hình 16 Sự phân bố nhiệt hàn đường thứ III Phân tích thấy rằng, phân bố nhiệt hai ống thép hàn đường I, II III ổn định (hình 17) Ở thời điểm trường nhiệt độ tương ứng với nút xác định Điều cho phép phân tích, dự đốn xác định xu hướng trường nhiệt hàn, chuyển pha, ứng suất sinh trình hàn Hình 19 Hàn nối ống thép A53 công nghệ hàn OM Như vậy, nói ứng dụng cơng nghệ hàn OM giúp ổn định trường nhiệt, chuyển pha, phân bố ứng suất, hình dạng kích thước mối hàn Với việc sử dụng phần mềm mô số giúp dự đoán xác định rõ yếu tố ảnh hưởng từ đưa giải pháp xử lý để đạt chất lượng sản phẩm hiệu sản xuất tốt KẾT LUẬN Kim loại vùng hàn chuyển hoàn toàn từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng nhiệt độ 15170C Hình 17 Sự phân bố nhiệt hàn nối ống công nghệ hàn OM Ở đường hàn tương ứng với chế độ hàn xác định bảng 5, mức độ ảnh hưởng nhiệt lên hai ống khác Phân tích biểu đồ hình 18 thấy rằng, vị trí so với chân mối hàn, nhiệt truyền ống thép hàn đường hàn khác Ở đường hàn sau, nhiệt truyền 76 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) Sự chuyển pha thời gian tồn pha kim loại vùng hàn phụ thuộc vào công suất nguồn nhiệt, tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt,đặc tính vật liệu tốc độ nguội vật hàn Khi nguội, chuyển hoá Austenite diễn 9000C, Pearlite 6900C, Bainite 6060C, Ferrite 8380C, Martensite 4280C Trường nhiệt đường hàn sau lớn trường nhiệt đường hàn trước nguồn nhiệt dư, khả truyền Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 nhiệt vật hàn, công suất tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt Khi hàn OM tự động, phân bố nhiệt ổn định hai phía ống thép nên hạn chế ứng suất dư TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Barbara K Henon, 2008 Considerations for Orbital Welding of Corrosion Resistant Materials to the ASME Bioprocessing Equipment (BPE) Standard Stainless Steel America Conference [2] Nguyen Tien Duong, 2008 Mo phong qua trinh truyen nhiet han Science and Technics Publising House, Hanoi [3] Zienkiewicz O C., 1997 The Finite Element Method Mc Graw-Hill Company, London [4] Nguyen N.T., Ohta A., Matsuoka K., Suzuki N., Maeda Y, 1999 Analytical solutions for transient temperature of semi-infinite body subjected to 3-D moving heat sources Welding Journal Research Supplement, 265-274 [5] J Goldak, M Bibby, J Moore, B Patel, 1996 Computer Modling of Heat Flow in Welds USA [6] John E Bringas, 2004 Handbook of comparative world steel standards ASTM DS67B, 3rd edition, USA [7] Kiswel electrodes cataloge, 2010 Kiswel welding consumables Kiswel, Korea [8] Hoang Van Chau, 2011 Nghien cuu thiet ke che tao he thong thiet bi han tu dong noi ong co duong kinh lon o trang thai khong quay Science and technology topics, National Research Institute of Mechanical Engineering [9] Ngo Huu Manh, 2018 Nghien cuu, thiet ke, che tao thiet bi han Orbital - TIG tu đong Science and technology topics, Ministry of Industry and Trade [10] Zeng Huilin, Wang Changjiang, Yang Xuemei, Wang Xinsheng, Liu Ran, 2014 Automatic welding technologies for long distance pipelines by use of all position shelf - shielded flux cored wire Nature gas industry B (1), 2014, pp 113-118 AUTHORS INFORMATION Ngo Huu Manh1, Nguyen Van Kien2,3 Sao Do University Military Technical Academy 143 Enterprise - Z49 Company Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 77 ... 185 9-3 585 E-ISSN 261 5-9 619 ống lớn công suất nhiệt đường hàn lớn nguồn nhiệt dư đường hàn trước Hình 15 Sự phân bố nhiệt hàn đường thứ II Hình 18 Sự phân bố nhiệt ống thép A53 thực đường hàn Khi hàn. .. SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 185 9-3 585 E-ISSN 261 5-9 619 Quá trình chuyển pha bị ảnh hưởng lớn nguồn nhiệt hàn Công suất nguồn nhiệt tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt hàn định đến tốc độ chuyển pha kim... mối hàn Sau đường hàn, bề mặt mối hàn làm trước thực đường hàn KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Sự chuyển pha Khi nguồn nhiệt dịch chuyển theo quỹ đạo đường hàn, trường nhiệt phân bố tức thời ứng suất nhiệt