a) Phương án thiết kế sơ bộ b) Phương án thiết kế số 10 (tối ưu)
3.4.1. Mô hình hóa quá trình hàn TIG liên kết hybrid nhô m– thép dạng chữ T
3.4.1.1. Mô hình hóa nguồn nhiệt hàn TIG:
Bài toán mô phỏng ở đây thực chất là tiến hành giải hệ phương trình ma trận (3.37) trong không gian các PTHH thông qua phần mềm chuyên dụng Sysweld, trong đó thông số đầu vào hết sức quan trọng của bài toán mô phỏng quá trình hàn chính là mô hình nguồn nhiệt sử dụng. Tùy thuộc vào loại quá trình hàn sử dụng mà ta lựa chọn mô hình nguồn nhiệt phù hợp. Tác giả Radaj [59] đã nghiên cứu rất chuyên sâu về các loại mô hình nguồn nhiệt trong các quá trình hàn khác nhau, trong đó kết luận rằng nguồn nhiệt dùng để mô phỏng quá trình hàn hồ quang nói chung sẽ có dạng hai nửa elipsoid (hình 3.11). Các quá trình hàn MMA, TIG, MIG/MAG sẽ giống nhau về dạng mô hình nguồn nhiệt, chúng chỉ khác nhau về các giá trị nhiệt hiệu dụng cũng như kích thước của nguồn nhiệt – điều này cũng đã được Sysweld thừa nhận. Do đó tác giả sẽ sử dụng nguồn nhiệt elipsoid này để nghiên cứu.
Hình 3.11 Mô hình nguồn nhiệt hàn MMA/TIG/MIG/MAG (nguồn: [10])
Theo tài liệu [53], để mô phỏng số, tác giả Goldak đã đưa ra một dạng rút gọn và tương đương của mô hình nguồn nhiệt nhằm cung cấp số liệu đầu vào cho phần mềm Sysweld thực thi như sau:
(3.73)
Hình 3.12 Mô hình nguồn nhiệt rút gọn hàn MMA/TIG/MIG/MAG theo Goldak (nguồn: [53])
Trong đó P = .Uh.Ih là công suất nhiệt hiệu dụng của nguồn nhiệt hàn, Uh là điện áp hàn, Ih là cường độ dòng điện hàn và là hiệu suất của quá trình hàn TIG ( = 60 - 70%) [53]. Các thông số Qf, Qr, af, ar, b và c của nguồn nhiệt hàn được xác định từ thực nghiệm và sẽ được đưa vào mô hình PTHH để tính toán.
3.4.1.2. Mô hình các thuộc tính của vật liệu:
Ngoài mô hình nguồn nhiệt nêu trên, để tính toán mô phỏng chúng ta cần phải tổng hợp được một bộ thông số đầy đủ về cơ – nhiệt – kim loại học của vật liệu nghiên cứu. Ở đây cần phải lưu ý rằng bài toán mô phỏng quá trình hàn sẽ nghiên cứu sự thay đổi các thuộc tính của vật liệu liên tục từ trạng thái nhiệt độ thường (25oC) đến trạng thái nóng chảy. Nghĩa là vật liệu có tính chất phi tuyến phức tạp chứ không phải là tuyến tính hay hằng số như trong bài toán kết cấu. Đối với các vật liệu thép và nhôm, trong phần mềm Sysweld người ta quy ước ký hiệu của các tổ chức như mô tả trong bảng 3.5 dưới đây:
Bảng 3.5 Ký hiệu quy ước của các tổ chức kim loại khi hàn (nguồn: [53])
57
Pha
Thép
Nhôm và hợp kim nhôm
1
Tổ chức ban đầu (Ferrite/Pearlite)
Tổ chức ban đầu (tổ chức T6 hoặc hợp kim hóa bền biến dạng)
2
Trong quá trình hàn, các vật liệu sẽ thay đổi trạng thái liên tục từ nhiệt độ môi trường cho đến nhiệt độ nóng chảy. Các tính chất của vật liệu phụ thuộc vào tổ chức cụ thể của chúng đồng thời là hàm số của nhiệt độ và được mô tả trong các hình dưới đây:
Hình 3.13 Khối lượng riêng của thép CCT38 (trái) và của nhôm AA1100 (phải) (nguồn: [53])
Hình 3.14 Mô đun đàn hồi của thép CCT38 (trái) và của nhôm AA1100 (phải) (nguồn: [53])
Hình 3.16 Hệ số dẫn nhiệt của thép CCT38 (trái) và của nhôm AA1100 (phải) (nguồn: [53])
3.4.1.3. Xây dựng mô hình mô phỏng:
Đối tượng mô phỏng là liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T có chiều dày 5 mm như đã xác định trong phần 3.3. Vật liệu tấm dưới là nhôm AA1100, vật liệu tấm đứng là thép CCT38 còn vật liệu dây hàn là ER4043 như đã chọn trong mục 2.3.5. Thành phần hóa học của chúng đã được mô tả trong các bảng 2.1, 2.4 và 2.9 ở chương 2. Tại bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép sẽ thực hiện quá trình hàn vảy, nên để bảo đảm khả năng liên kết tốt, tấm thép sẽ được vát mép và để khe hở hàn 1,5 mm. Kết cấu của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T được thể hiện trên hình 3.17.
Hình 3.17 Mô hình khối của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T
Nhằm mục đích đạt được độ chính xác cao khi tính toán, tác giả sử dụng PTHH loại 5 mặt, 15 nút để tiến hành chia lưới cho mô hình. Kết quả sau khi chia lưới được thể hiện trên hình 3.18 dưới đây.
Sysweld là phần mềm chuyên dụng cho mô phỏng số quá trình hàn, nó cho phép khai báo quỹ đạo đường hàn ở dạng bất kỳ sao cho phù hợp với thực tế dịch chuyển của mỏ hàn (kể cả quỹ đạo là đường cong 3D, có hoặc không dao động ngang, quỹ đạo dao động ngang bất kỳ). Sysweld cũng cho phép và yêu cầu khai báo chính xác các nút bắt đầu và kết thúc hàn.
Đối với bài toán này, nhằm khống chế vũng hàn ở mức tối thiểu, sử dụng năng lượng đường thấp nhất có thể nên quỹ đạo mỏ hàn thích hợp nhất là dạng đường thẳng và không có dao động ngang. Trong quá trình hàn, nguồn nhiệt trên hình 3.12 sẽ di chuyển dọc theo quỹ đạo đường hàn đã khai báo với một vận tốc đều bằng với vận tốc hàn trong thực tế. Kết quả xây dựng quỹ đạo đường hàn, đường dẫn, nút bắt đầu và nút kết thúc hàn được thể hiện trong hình 3.19 dưới đây.
Hình 3.19 Quỹ đạo đường hàn và đường dẫn trên liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T
Nút bắt đầu trên mô hình mô phỏng chính là điểm khởi động hồ quang trong thực tế. Do ban đầu chi tiết hàn còn nguội nên tốc độ tản nhiệt sẽ nhanh. Để đảm bảo độ ngấu tại vị trí bắt đầu hàn thì cần phải tăng giá trị nhiệt cấp vào cao hơn so với định mức bằng các kỹ thuật “khởi động nóng – hot start” hoặc di chuyển chậm mỏ hàn. Nút kết thúc trên mô hình mô phỏng chính là điểm dừng hàn (tắt hồ quang) trong thực tế. Tại đây do nhiệt lượng cấp vào đường hàn đã nhiều nên nhiệt độ tại đây rất cao (vũng hàn có nguy cơ lớn hơn định mức, thậm chí chi tiết hàn bị cháy thủng), do vậy để bảo đảm đường hàn đều từ đầu đến cuối, tránh hiện tượng bị cháy thủng hay quá nhiệt thì ta cần phải giảm lượng nhiệt cấp vào bằng các kỹ thuật “giảm dòng hàn – down slope” hoặc di chuyển nhanh mỏ hàn (hình 3.20). Tất cả các kỹ thuật này đều được đưa vào trong mô hình tính toán nhằm mục đích mô tả giống hệt với thực tế.
Hình 3.20 Sử dụng các kỹ thuật "khởi động nóng" và "giảm dòng hàn"
hình nghiên cứu – nơi sẽ xảy ra quá trình truyền nhiệt từ mô hình ra môi trường bên ngoài bằng đối lưu và bức xạ. Giá trị hàm số truyền nhiệt này được xác định bằng thực nghiệm và được đưa vào phần mềm để tính toán [53].
Hình 3.21 Các bề mặt và hàm trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh
Đối với bài toán đa trường như đã mô tả trong phần cơ sở lý thuyết (mục 3.2), để phân tích đầy đủ các ứng xử của liên kết hàn về mặt cơ học, chúng ta cũng cần phải sử dụng đến điều kiện biên gá kẹp khi hàn. Vị trí gá kẹp cũng như kiểu gá kẹp (kẹp chặt hay kẹp đàn hồi) cần phải được mô tả đúng như quá trình thực nghiệm.
Áp dụng các kết quả nghiên cứu ở chương 2, trong trường hợp này ta sử dụng giải pháp kẹp chặt tại 3 mép của liên kết hàn như thể hiện trên hình (3.22), nghĩa là tại 3 mép của liên kết hàn được khống chế chuyển vị theo cả 3 phương X, Y, Z.
Hình 3.22 Các vị trí kẹp chặt khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép chữ T
Điều kiện ban đầu của bài toán mô phỏng dạng này chính là nhiệt độ của chi tiết trước khi hàn và ứng suất có sẵn trong nó. Để đơn giản, ta giả thiết các chi tiết hàn không có ứng suất trước khi hàn mối hàn 1. Nhiệt độ ban đầu đối với mối hàn 1 bằng nhiệt độ của môi trường (25oC), nhiệt độ ban đầu đối với mối hàn 2 (mối hàn phía đối diện) chính là trường nhiệt độ do mối hàn 1 gây ra. Trong trường hợp này, áp dụng các kết quả nghiên cứu ở chương 2 nhằm kiểm soát chu trình nhiệt một cách chính xác và khống chế vũng hàn nhỏ nhất có thể nên trước khi hàn mối hàn ở phía đối diện (mối hàn 2), liên kết hàn phải được để nguội đến nhiệt độ môi trường, nghĩa là nhiệt độ ban đầu của mối hàn 2 cũng bằng 25oC. Ứng suất ban đầu đối với mối hàn 2 chính là trường ứng suất do mối hàn 1 gây ra.