a) Phương án thiết kế sơ bộ b) Phương án thiết kế số 10 (tối ưu)
3.4.2.Kết quả tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn hybrid nhô m– thép dạng chữ T
thép dạng chữ T
3.4.2.1. Ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến phân bố nhiệt độ trong tiết diện ngang của liên kết hàn:
Sysweld là một phần mềm PTHH cực mạnh chuyên dụng cho mô phỏng các quá trình hàn và xử lý nhiệt kim loại, nó cho phép mô phỏng các bài toán một cách đầy đủ và toàn diện nhất, trong đó cho phép quan tâm đầy đủ các yếu tố liên quan nhằm mô tả quá trình mô phỏng giống với thực tế nhất. Trong số đó phải kể đến việc mô tả ảnh hưởng của góc nghiêng của mỏ hàn đến hình dáng và kích thước mối hàn mà được thể hiện bằng phân bố trường nhiệt độ.
Trên hình 3.23 mô tả quy ước về góc nghiêng của mỏ hàn Ay trong hệ trục tọa độ của nguồn nhiệt hàn, trong đó trục Y là trục di chuyển của nguồn nhiệt hàn dọc theo mối hàn. Trục Z là trục của nguồn nhiệt hàn, chiều của trục Z ngược với chiều tác động của nguồn nhiệt hàn lên mô hình tính toán. Trục X là trục hợp với trục Y một góc 90o thành mặt phẳng chịu tác động trực tiếp của nguồn nhiệt đưa vào.
Hình 3.23 Quy ước góc nghiêng của mỏ hàn Ay trong Sysweld (nguồn: [53])
Do liên kết hàn là góc chữ T, với mỏ hàn TIG có đường kính chụp khí từ 10 – 12 mm nên vùng không gian thao tác được của mỏ hàn bị hạn chế. Do vậy tác giả chỉ nghiên cứu thay đổi góc nghiêng của mỏ hàn trong phạm vi có thể thao tác được mỏ hàn trong thực tế. Kết quả tính toán với nguồn nhiệt hiệu dụng P = 2100 W, vận tốc hàn Vh = 3 mm/s (tương ứng với năng lượng đường 700 J/mm) cho các trường hợp góc nghiêng mỏ hàn Ay khác nhau được thể hiện trên hình 3.24.
Chúng ta thấy rằng phân bố trường nhiệt độ trong các trường hợp này là khác nhau. Góc nghiêng Ay càng lớn thì nhiệt có xu hướng truyền vào tấm vách (thép CCT38) nhiều hơn, như vậy tấm thép sẽ nóng hơn (dễ bị quá nhiệt) và khả năng khuếch tán của các nguyên tử Fe vào trong KLMH cũng sẽ lớn hơn. Điều này là không có lợi vì sẽ hình thành lớp IMC có chiều dày lớn, sẽ làm cho mối hàn bị nứt mạnh.
Khi hướng mỏ hàn về phía tấm thép (hình 3.24a), hồ quang sẽ tác động trực tiếp vào bề mặt tấm thép làm cho bề mặt tấm thép có nguy cơ bị nóng chảy cục bộ (do nhiệt độ của hồ quang rất cao), điều này cũng sẽ dẫn đến việc hình thành các tổ chức liên kim rất nhiều làm cho mối hàn bị giòn và nứt. Vì thế tuyệt đối không được để hồ quang tác động trực tiếp vào bề mặt tấm thép.
Do đó, muốn lớp IMC mỏng hoặc thậm chí không kịp xuất hiện thì chúng ta nên sử dụng góc nghiêng mỏ hàn nhỏ (hình 3.24c). Theo xu hướng này thì góc nghiêng mỏ hàn bằng 0o là tốt nhất, tuy nhiên lại bị vướng bởi kích thước chụp khí của mỏ hàn TIG và chiều dài chuôi của mỏ hàn, vì vậy trong thực tế thực nghiệm ta sẽ sử dụng góc nghiêng mỏ hàn nhỏ nhất có thể đối với đường kính cụ thể của từng chụp khí. Với trường hợp hàn liên kết góc, tấm dày 5 mm, ta lựa chọn chụp khí có đường kính 10 mm như đã trình bày ở
chương 2 thì góc nghiêng mỏ hàn thích hợp nhất là 20o. Từ đây về sau ta sẽ chỉ tính toán và thực nghiệm với góc nghiêng mỏ hàn Ay = 20o cho tất cả các trường hợp.
a) Ay=70o
b) Ay=45o
Hình 3.24 Ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến phân bố nhiệt độ trên tiết diện ngang của liên kết hàn khi hàn ở cùng chế
độ P=2100W, Vh=3mm/s
c) Ay=20o
3.4.2.2. Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T:
Áp dụng góc nghiêng mỏ hàn 20o như đã nêu, tiến hành tính toán mô phỏng cho trường hợp nguồn nhiệt hiệu dụng P = 2400 W, vận tốc hàn Vh = 3,5 mm/s (năng lượng đường q = 686 J/mm) ta được trường nhiệt độ phân bố tức thời khi nguồn nhiệt hàn di chuyển đều đến giữa mô hình (ở thang đo hẹp) như mô tả trên hình 3.25.
Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, mặc dù hai tấm có chiều dày như nhau, nhưng do nhôm AA1100 (tấm dưới) có hệ số dẫn nhiệt cao hơn thép CCT38 (tấm đứng) rất nhiều, nên nhiệt sẽ lan truyền trong tấm dưới nhanh hơn. Biểu thị trên hình 3.25 là các đường đẳng nhiệt thưa trên tấm nhôm và rất mau trên tấm thép. Vùng ảnh hưởng nhiệt trong tấm nhôm cũng sẽ lớn hơn trong tấm thép. Nghĩa là trong liên kết hàn kiểu này sẽ tồn tại hai xu hướng đối lập nhau. Ở phía tấm nhôm sẽ là xu hướng tản nhiệt đi nhanh, còn ở phía tấm thép có xu hướng tích tụ nhiệt do tản nhiệt chậm trong khi quá trình hàn lại cấp nhiệt liên tục. Cả hai xu hướng kể trên đều là bất lợi cho quá trình hàn liên kết hybrid nhôm – thép kiểu này vì phía tấm nhôm khó hình thành mối hàn nóng chảy còn phía tấm thép lại khó tạo ra liên kết hàn vảy. Do đó việc tìm ra vùng năng lượng đường đồng thời thỏa mãn hai yêu cầu: vừa đủ nhiệt để làm nóng chảy tấm nhôm AA1100, vừa không được quá lớn để tránh làm quá nhiệt tấm thép CCT38 là rất quan trọng nhằm bảo đảm thực hiện được liên kết hybrid dạng này.
Hình 3.25 Trường nhiệt độ phân bố tức thời trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T khi
nguồn nhiệt di chuyển đến giữa mô hình (P=2400W, Vh=3,5mm/s)
Trường nhiệt độ phân bố trên tiết diện ngang của liên kết, ngang qua tâm của nguồn nhiệt hàn được thể hiện trên hình 3.26. Trong tiết diện ngang này cũng thể hiện rất rõ hai xu hướng đối lập kể trên. Để hạn chế các xu hướng này, chúng ta cần phải áp dụng các giải pháp kỹ thuật đi kèm. Một trong các giải pháp kỹ thuật cần phải được áp dụng đó là cách điều chỉnh góc nghiêng mỏ hàn Ay như đã trình bày trong mục 3.4.2.1
Hình 3.26 Trường nhiệt độ phân bố trên tiết diện ngang liên kết hybrid nhôm – thép chữ T
khi hàn với công suât nhiệt hiệu dụng P=2400W, vận tốc hàn Vh=3,5mm/s
Mục đích của chúng ta là tìm ra được bộ thông số công nghệ P và Vh (đặc trưng bởi năng lượng đường q) phù hợp tương ứng để đảm bảo tấm thép CCT38 không bị quá nhiệt
vũng hàn. Trong thực tế để thực hiện được điều này là rất khó khăn, bởi vì một mặt ta cần phải sử dụng nguồn nhiệt có năng lượng đủ lớn và tập trung để làm nóng chảy tấm nhôm phía dưới, mặt khác lại phải hạn định lượng nhiệt truyền vào tấm thép để không bị quá nhiệt. Mặt khác, một yêu cầu bắt buộc là phải hình thành được vũng kim loại nóng chảy của mối hàn để liên kết với tấm nhôm và chảy tràn (thấm ướt) lên bề mặt tấm thép một cách đều đặn và ổn định. Nghĩa là chúng ta phải tìm ra và khống chế chặt chẽ cả cận trên và cận dưới của bộ thông số công nghệ hàn.
Nếu chỉ nghiên cứu bằng thực nghiệm đơn thuần để tìm ra bộ thông số công nghệ hàn phù hợp cho liên kết hoàn toàn mới kiểu này thì sẽ mất rất nhiều thời gian và đặc biệt là tốn rất nhiều vật liệu cũng như các chi phí thực nghiệm. Tuy nhiên bằng mô phỏng, chúng ta hoàn toàn có thể dự báo trước được vùng thông số công nghệ phù hợp đó, giúp cho quá trình thực nghiệm nhanh đạt đến đích và tiết kiệm được nhiều chi phí nghiên cứu (do không phải mất thời gian và chi phí thử nghiệm ở các vùng thông số không phù hợp). Đó cũng chính là lý do của việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu mô phỏng thay vì phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Toàn bộ quá trình tính toán để tìm ra bộ thông số công nghệ phù hợp được trình bày trong các nội dung dưới đây.
Với liên kết hàn dày 5 mm như đã xác định ở phần 3.3, tiến hành tính toán cho các trường hợp tốc độ hàn khác nhau trong khi sử dụng cùng công suất nhiệt hiệu dụng P = 2400 W và góc nghiêng mỏ hàn Ay = 20o được thể hiện trên hình 3.27 dưới đây.
a) P=2400 W, Vh=3 mm/s b) P=2400 W, Vh=3,5 mm/s
Hình 3.27 Trường nhiệt độ phân bố trên tiết diện ngang của liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T ở các chế độ công nghệ khác nhau
c) P=2400 W, Vh=4 mm/s
Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, với cùng công suất nhiệt hiệu dụng cấp vào mô hình, các vận tốc hàn khác nhau sẽ đưa đến các kết quả rất khác nhau. Với công suất P kể trên, trong trường hợp hàn ở tốc độ 3 mm/s thì mối hàn bị thủng tấm dưới và chân mối hàn cũng
bị ngấu quá mức (hình 3.27a). Khi hàn ở tốc độ Vh = 3,5 mm/s thì tấm nhôm phía dưới không bị sụt, vừa đủ ngấu chân và tấm thép cũng không bị nóng chảy (hình 3.27b), còn khi hàn với vận tốc cao hơn (4 mm/s) thì mối hàn lại không đủ ngấu chân (hình 3.27c).
Như vậy, nếu sử dụng công suất nhiệt P = 2400 W thì chỉ nên hàn ở vận tốc hàn 3,5 mm/s là phù hợp. Thực hiện ở chế độ này thì sẽ đảm bảo hình thành mối hàn tốt ở phía liên kết với tấm nhôm AA1100 và cả ở phía liên kết với tấm thép CCT38.
Tương tự như vậy, với chương trình máy tính này chúng ta hoàn toàn có thể tính toán mô phỏng cho hàng loạt các trường hợp năng lượng đường (công suất nhiệt hiệu dụng P và vận tốc hàn Vh khác nhau). Các kết quả tìm được của bộ thông số công nghệ hàn thông qua tính toán mô phỏng ở chương này sẽ được dùng để thực nghiệm trong chương 4.
3.4.2.3. Chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán kim loại tại một số vị trí khảo sát quan trọng:
Các kết quả đưa ra trong mục 3.4.2.2 chủ yếu có tính chất định tính, nhằm đánh giá sơ bộ về quá trình. Để biết chính xác chu trình nhiệt hàn tại những vị trí quan trọng, thông qua đó có thể đánh giá được quá trình khuếch tán kim loại, khả năng hình thành mối hàn,… chúng ta cần phải biết được chính xác sự biến thiên của nhiệt độ theo thời gian (với các giá trị cụ thể) tại những vị trí quan trọng cần khảo sát.
Đối với liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T này, các vị trí cần khảo sát được mô tả trong hình 3.28 và bảng 3.6 dưới đây. Trong đó, nhiệt độ cực đại và thời gian lưu kim loại ở nhiệt độ cao (trên 600oC, nhưng phải thấp hơn 1450oC) của các nút 2027, 2026, 1814 và 1597 trong tiết diện ngang của mô hình là những thông số rất quan trọng, quyết định đến khả năng khuếch tán, hòa tan, tiết ra các tổ chức IMC cũng như chiều dày của lớp IMC đó.
Hình 3.28 Vị trí của các nút cần phải kiểm soát chặt chẽ chu trình nhiệt hàn
Theo tài liệu [36], nhiệt độ khuếch tán hiệu quả sang nhau đối với hai nguyên tố Al và Fe là dải nhiệt độ trên 600oC. Nếu áp dụng quy ước này thì ta sẽ có khoảng thời gian khuếch tán hiệu quả là khoảng thời gian mà kim loại tồn tại ở trên nhiệt độ 600oC và để đơn giản, từ đây về sau ta sẽ gọi thời gian khuếch tán hiệu quả là thời gian khuếch tán.
Theo các định luật khuếch tán kim loại (định luật Fick I và II), quá trình khuếch tán kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian, quá trình khuếch tán kim loại còn phụ thuộc vào bản chất của từng kim loại và môi trường khuếch tán cụ thể [7, 8]. Đối với một loại nguyên tử nào đó, nhiệt độ càng cao thì khả năng khuếch tán càng nhanh, lượng nguyên tử khuếch tán càng nhiều. Thời gian càng lâu thì lượng nguyên tử khuếch tán cũng càng nhiều và chiều sâu khuếch tán sẽ tăng lên. Khả năng khuếch tán trong môi trường lỏng sẽ dễ dàng hơn khuếch tán trong môi trường rắn rất
nhiều (theo giả thuyết của luận án này). Môi trường nào có “vật cản” thì môi trường đó sẽ hạn chế khả năng khuếch tán của các nguyên tử ngoại lai.
Bảng 3.6 Mô tả các nút cần khảo sát
Trong trường hợp hàn hybrid này có thể dự báo trước rằng các nguyên tử Fe khuếch tán từ tấm thép CCT38 vào trong KLMH sẽ dễ dàng hơn so với các nguyên tử Al khuếch tán từ KLMH vào trong tấm thép. Trong khi lượng hòa tan tối đa của Fe trong Al chỉ là 0,05% nên đây là một rủi ro rất lớn. Khi lượng khuếch tán vượt quá giới hạn hòa tan tối đa này, sẽ xảy ra hiện tượng “tích tụ” nguyên tử ngoại lai (Fe) và dẫn đến hình thành các tổ chức hoặc các hợp chất mới. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng nút nào có nhiệt độ càng cao thì nút đó sẽ có thời gian khuếch tán càng lâu, dẫn đến khả năng hình thành lớp IMC sẽ nhiều hơn và nguy cơ nứt khi đó cũng cao hơn.
Hình 3.29 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=3mm/s
Với chế độ hàn P = 2400 W và Vh = 3 mm/s, đồ thị chu trình nhiệt hàn tại các nút đã nêu trên hình 3.28 thu được sau mô phỏng như trình bày trên hình 3.29. Tại nút 2527 nhiệt độ vượt quá điểm nóng chảy của nhôm AA1100, nghĩa là mối hàn bị cháy thủng tại đó (vết sụt sẽ chạy dọc theo mối hàn). Nhiệt độ tại nút 2026 đạt giá trị cao nhất trong số các nút khảo sát (trên 1000oC) và vị trí này cũng có thời gian khuếch tán lâu nhất (khoảng 12 giây). Điều này có thể giải thích rằng tại vị trí góc, sự truyền nhiệt là tổng hợp theo 2 phương nên nhiệt độ tại đó sẽ lớn hơn. Do có nhiệt độ cao, trong khi thời gian khuếch tán lại lâu nên khả năng tại vị trí góc này sẽ có lớp IMC dày nhất. Tại chân mối hàn (nút 1597) có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của nhôm khá nhiều, nên tại đây sẽ có nguy cơ bị
67
Nút
Các yếu tố cần khảo sát
2027
khả năng bị nóng chảy, khuếch tán kim loại 2026
khả năng bị nóng chảy, khuếch tán kim loại 1814
sụt chân mối hàn. Từ những nhận xét trên có thể kết luận rằng chế độ công nghệ này không phù hợp để hàn liên kết nhôm – thép như đề cập.
Hình 3.30 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=3,5mm/s
Đồ thị chu trình nhiệt hàn tại các nút khảo sát đã nêu ứng với chế độ hàn P = 2400W, Vh = 3,5 mm/s được thể hiện trên hình 3.30. Trong trường hợp này, thời gian khuếch tán tối đa khoảng 7,5 giây đạt được cũng tại nút 2026. Nhiệt độ tại các nút 2527 và 1594 không vượt quá điểm nóng chảy của nhôm nên mối hàn không bị sụt chân. Nút 2620 vừa đạt tới nhiệt độ nóng chảy của nhôm nên bảo đảm khả năng ngấu mặt mối hàn. Tại vị trí chân mối hàn nhiệt độ cũng không quá lớn nên khả năng sụt chân không xảy ra. Toàn bộ bề mặt tấm thép bảo đảm không bị nóng chảy (nhiệt độ tối đa đạt khoảng 970oC). Như vậy chế độ hàn này đáp ứng được các yêu cầu cần thiết.
Khi hàn ở tốc độ nhanh hơn (Vh = 4 mm/s) trong khi vẫn sử dụng công suất nhiệt hiệu dụng P = 2400 W, chu trình nhiệt tại các nút khảo sát được thể hiện trên hình 3.31. Trong trường hợp này, thời gian khuếch tán tối đa là khoảng 6 giây (tại nút 2026). Nhiệt độ trên bề mặt của tấm thép không cao lắm (tối đa 940oC) nên lớp liên kim IMC sẽ có chiều dày nhỏ. Tuy nhiên, mối hàn này có một nhược điểm cơ bản là không ngấu chân vì nhiệt độ tại nút 1597 chưa đạt tới nhiệt độ nóng chảy của nhôm. Như vậy chế độ hàn này cũng không phù hợp để hàn liên kết hybrid nhôm – thép với chiều dày 5 mm.
Hình 3.31 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=4mm/s