KẾT HYBRID NHÔM - THÉP DẠNG CHỮ T
Liên kết hàn hybrid nhôm – thép như đã mô tả là một bài toán mới, nên nếu chỉ tiến hành nghiên cứu thực nghiệm đơn thuần thì sẽ mất rất nhiều thời gian và đặc biệt là chi phí thực nghiệm. Số lượng thí nghiệm có thể phải lên tới hàng trăm, thậm chí tới hàng ngàn, gây ra một sự tốn kém và lãng phí lớn.
Ưu thế của máy tính điện tử và khoa học mô phỏng là lợi ích biết và dự đoán trước được các sự kiện sẽ xảy ra trong thực nghiệm, từ đó giúp chúng ta tìm ra được dải thông số công nghệ thích hợp nhất để áp dụng trong thực nghiệm, giúp cho quá trình thực nghiệm nhanh hội tụ đến đích và giảm được nhiều chi phí do không phải thực nghiệm ở vùng thông số không thích hợp. Trên cơ sở đó tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng số quá trình hàn TIG cho liên kết hybrid nhôm – thép trước khi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm.
3.1. Mục đích
Các kết quả nghiên cứu trong chương 2 đã đưa ra nhận định rằng nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại là hai thông số cốt lõi quyết định đến quá trình hình thành liên kết hàn hybrid nhôm – thép, do vậy chương này sẽ tìm cách chứng minh nhận định đó thông qua đề xuất mô hình tính toán và mô phỏng quá trình hàn TIG liên kết hàn hybrid nhôm – thép đã nêu để đưa ra các dự báo trước về trường nhiệt, chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán kim loại,… đồng thời kết hợp với các kết quả nghiên cứu ở chương 2 sẽ tìm ra được dải chế độ công nghệ hàn phù hợp cho quá trình thực nghiệm ở chương 4.
Nghiên cứu mô phỏng còn nhằm mục đích nắm bắt quá trình hàn một cách tổng quát và trực quan, giảm nhiều các chi phí thử nghiệm do tránh được việc thực nghiệm ở các vùng thông số không thích hợp.
3.2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu3.2.1. Số hóa phương trình truyền nhiệt khi hàn 3.2.1. Số hóa phương trình truyền nhiệt khi hàn
Trong hàn nóng chảy nói chung và hàn hồ quang nói riêng, quá trình truyền nhiệt trong vật hàn là nguyên nhân của các vấn đề phát sinh trong đó (gồm các quá trình: nóng chảy, biến đổi tổ chức, khuếch tán, tiết pha mới, gây ra ứng suất, biến dạng,…). Mặt khác, theo các kết quả nghiên cứu ở chương 2 thì các thông số quan trọng quyết định đến khả năng hình thành liên kết hàn giữa KLMH và tấm thép CCT38 bao gồm độ sạch và nhẵn của bề mặt tấm thép, nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại. Trong đó nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại là hai thông số quyết định nhất, do vậy chúng ta cần phải nghiên cứu về quy luật phân bố của trường nhiệt hàn trong liên kết hàn nghiên cứu.
Cơ sở của nghiên cứu quá trình truyền nhiệt xuất phát từ định luật thứ nhất của nhiệt động lực học. Định luật này phát biểu rằng: năng lượng nhiệt được bảo tồn và được mô tả bởi phương trình vi phân như sau [49]:
(3.1)
∂t
Ở đây: là khối lượng riêng của vật chất, c là nhiệt dung riêng, T là nhiệt độ (=T(x,y,z,t))
T
và t là biến thời gian. Ta ký hiệu: ∂x ∂y ∂z là véc tơ cột (gradient), {v}T = {v x , v y , v z } là véc tơ tốc độ truyền nhiệt, {q} là véc tơ dòng nhiệt và q là lượng nhiệt sinh ra của một đơn vị thể tích.
Theo định luật Fourier [49], quan hệ giữa véc tơ dòng nhiệt và gradient nhiệt độ là:
{q} = −[K ]{L}T (3.2)
K xx 0 0
[K ] = 0 K yy 0 0 0 K zz
hướng x, y và z
Kết hợp các phương trình (3.1) và (3.2) ta được phương trình sau:
(3.3)
Đối với bài toán truyền nhiệt, chúng ta có 3 điều kiện biên như sau [48]: a) Nhiệt độ xác định trên bề mặt S1:
T = T
b) Dòng nhiệt truyền qua bề mặt xem xét S2 (dẫn nhiệt):
T
(3.4) (3.5) Với {} là véc tơ pháp tuyến đơn vị của bề mặt S2 và q là dòng nhiệt truyền qua bề
mặt S2 đang xét.
c) Lượng nhiệt đối lưu và bức xạ qua bề mặt S3 (theo định luật làm mát Newton): (3.6) Với hf là hệ số đối lưu nhiệt, TB là nhiệt độ của môi trường và T là nhiệt độ trên bề mặt của mô hình.
Chú ý rằng: dòng nhiệt mang dấu dương là dòng nhiệt đi vào trong mô hình (ngược hướng
với véc tơ pháp tuyến đơn vị của bề mặt đang xét {}). Kết hợp phương trình (3.2) với (3.5) và (3.6) ta được:
(3.7) và (3.8)
Nhân phương trình (3.3) với vi phân nhiệt độ T, rồi tích phân qua thể tích phần tử Ve, và kết hợp với các phương trình (3.7) và (3.8) ta được:
(3.9)
Ve S 2 S 3 Ve
3.2.2. Xây dựng ma trận dòng nhiệt
Theo lý thuyết phần tử hữu hạn [50], nhiệt độ được xác định bởi công thức:
T
(3.10)
Với: [N]=[N(x,y,z)] là ma trận hàm hình dáng về nhiệt độ của phần tử, còn {Te}={Te(t)} là
véc tơ nhiệt độ nút của phần tử. Từ đó suy ra: ∂ T T ∂t (3.11) và T = {Te }T [N ] (3.12) T (3.13) Kết hợp các phương trình (3.9), (3.10), (3.11), (3.12) và (3.13) ta được: T T T T Ve Ve T T e 2 3 T e
Rút gọn phương trình (3.14) và đưa các hằng số ra ngoài dấu tích phân ta được:
41
∫Ve c.[N ][N ]T dVe {Te }+ ∫Ve c.[N ]{v}T [B]dVe {Te } + ∫Ve [B]T [K ][B]dVe {Te } =
T
2
(3.15) Viết gọn phương trình (3.15) dưới dạng ma trận, ta được:
t tm tb tc f c ge e e e e e e e e