a) Phương án thiết kế sơ bộ b) Phương án thiết kế số 10 (tối ưu)
3.4.3. Kết quả tính toán ảnh hưởng của năng lượng đường đến khả năng hình thành liên kết hàn
hình thành liên kết hàn
Sử dụng chương trình tính toán mô phỏng bằng phần mềm Sysweld mà tác giả đã xây dựng được lần đầu tiên ở Việt Nam, để tiến hành tính toán cho liên kết hàn hybrid giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 ở dạng chữ T chiều dày 5mm ở hàng loạt các trường hợp năng lượng đường (chế độ công nghệ hàn) khác nhau, kết quả tính toán được trình bày trong các phần dưới đây.
3.4.3.1. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến nhiệt độ cực đại trong tiết diện ngang liên kết hàn hybrid nhôm – thép:
Như đã phân tích, nhiệt độ và thời gian khuếch tán là hai trong số những thông số quan trọng nhất quyết định đến khả năng hình thành liên kết trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép. Xét tại tiết diện ngang của mối hàn, các vị trí cần khảo sát và kiểm soát chặt chẽ chu trình nhiệt hàn là các nút thuộc mối hàn và nằm trên bề mặt tấm thép (các nút 2027, 2026, 1814 và 1597); nút 2620 nằm trên bề mặt mối hàn, tại vị trí tiếp giáp với tấm nhôm AA1100; các nút 2527 và 1594 tại mặt dưới của tấm nhôm.
Trong đó các nút 2027, 2026, 1814 và 1597 sẽ được xác định nhiệt độ cực đại và thời gian khuếch tán kim loại, nhằm đánh giá xem bề mặt tấm thép có bị nóng chảy hay không, thời gian khuếch tán có phù hợp hay không. Riêng tại 2 nút 1814 và 1597 còn phải xem xét đến khả năng ngấu hết chân mối hàn. Nút 2620 được theo dõi về nhiệt độ xem có đủ để nóng chảy mép hàn nhằm tạo liên kết tốt với tấm nhôm phía dưới hay không. Hai nút 2527 và 1594 phải được xem xét về nhiệt độ để đánh giá xem quá trình hàn có gây ra hiện tượng sụt mối hàn hay không.
Theo các kết quả tính toán trong mục 3.4.2.1 thì góc nghiêng của mỏ hàn ảnh hưởng lớn đến khả năng làm nóng chảy cục bộ của bề mặt tấm thép, vì vậy việc sử dụng góc nghiêng của mỏ hàn hợp lý là điều rất cần thiết. Trong các tính toán dưới đây, tác giả sẽ chỉ sử dụng góc nghiêng mỏ hàn nhỏ nhất trong phạm vi có thể thao tác được trong thực tế (Ay = 20o). Kết quả tính toán trong các mục 3.4.2.2 và 3.4.2.3 chỉ ra rằng nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại trong liên kết hàn được quyết định bởi công suất nhiệt hiệu dụng cấp vào vùng
hàn (P) và vận tốc hàn Vh, nghĩa là phụ thuộc trực tiếp vào năng lượng đường q = P/Vh [J/mm]. Kết quả tính toán cho 13 trường hợp năng lượng đường khác nhau khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T với chiều dày 5 mm được thể hiện trên hình 3.32.
Hình 3.32 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến nhiệt độ cực đại tại các nút khảo sát trên tiết diện ngang của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm
Kết quả tính toán trên hình 3.32 cho thấy rằng, khi hàn với năng lượng đường thấp hơn 640 J/mm thì nhiệt độ cực đại tại các nút khảo sát cũng thấp dẫn đến hiện tượng mối hàn tuy không bị sụt, bề mặt tấm thép không bị nóng chảy nhưng lại không ngấu chân. Khi hàn với năng lượng đường cao hơn 720 J/mm thì mối hàn sẽ bị sụt, bề mặt tấm nhôm bị chảy loang quá mức dẫn đến mối hàn không đẹp. Khi hàn với năng lượng đường nằm trong phạm vi từ 640 J/mm đến 680 J/mm thì tấm nhôm không bị sụt nhưng mối hàn lại không đủ ngấu mặt nghĩa là không hình thành được liên kết với phía tấm nhôm. Trong trường hợp này, khi hàn với năng lượng đường nằm trong dải 680 – 720 J/mm thì nhận được liên kết hàn không bị sụt, ngấu cả chân lẫn mặt mối hàn và nhiệt độ trên bề mặt của tấm thép lớn nhất cũng chỉ là 820o, thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của thép CCT38 rất nhiều.
Như vậy thông qua tính toán mô phỏng bằng phần mềm Sysweld, tác giả đã lần đầu tiên tìm ra được vùng năng lượng đường phù hợp để hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T chiều dày 5 mm là 680 – 720 J/mm. Vùng năng lượng đường này có thể coi là dải năng lượng đường tối ưu đối với liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm và sẽ được sử dụng trong quá trình thực nghiệm ở chương 4.
Chúng ta thấy rằng dải năng lượng đường tối ưu trong trường hợp hàn liên kết hybrid nhôm – thép có phạm vi rất hẹp. Trong thực tế để khống chế và kiểm soát dải năng lượng đường tối ưu là tương đối khó khăn do những nhiễu động của thiết bị và đồ gá. Cách tốt nhất là tiến hành hàn cơ giới hóa hoặc hàn tự động trên các thiết bị có độ chính xác chuyển động cao, có đồng hồ hiển thị đúng các thông số công nghệ hàn, dòng điện hàn ổn định và có khả năng điều chỉnh vô cấp các thông số công nghệ hàn.
Năng lượng đường quyết định trực tiếp đến nhiệt độ trên liên kết hàn, qua đó gián tiếp ảnh hưởng đến thời gian lưu kim loại ở trạng thái nhiệt độ cao. Tùy thuộc vào năng lượng đường sử dụng và loại vật liệu cơ bản với chiều dày chi tiết cũng như dạng kết cấu cụ thể mà thời gian lưu kim loại ở nhiệt độ cao khi hàn sẽ khác nhau, dẫn đến thời gian khuếch tán kim loại cũng khác nhau.
Kết quả tính toán thời gian khuếch tán hiệu quả (tại các nút trên bề mặt tấm thép khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T với vật liệu và chiều dày đã đề cập) ứng với 13 trường hợp năng lượng đường khác nhau được trình bày trong hình 3.33.
Hình 3.33 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian khuếch tán tại các nút trên bề mặt tấm thép CCT38 trong tiết diện ngang của mối hàn hybrid nhôm – thép chữ T dày 5 mm
Dựa vào đồ thị quan hệ giữa thời gian khuếch tán hiệu quả và năng lượng đường sử dụng, chúng ta thấy rằng khi hàn với năng lượng đường lớn hơn dải năng lượng đường phù hợp thì thời gian khuếch tán hiệu quả tại bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép CCT38 sẽ lớn hơn 6,7 giây, lớn hơn nhiều so với giai đoạn trễ (4 giây) của cặp nhôm – thép như đã tìm hiểu trong mục 2.3.1. Nghĩa là chắc chắn sẽ hình thành các lớp hợp chất IMC trên biên giới giữa KLMH và tấm thép CCT38 (điều này được xác nhận trong chương 5). Thời gian khuếch tán hiệu quả càng lớn thì chiều dày của lớp IMC càng lớn và lớp hợp chất IMC càng liên tục trên suốt bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép CCT38.
Cũng theo lý thuyết và kết quả tính toán bằng phần mềm Sysweld ở trên, chúng ta thấy rằng với liên kết hàn này nếu hàn ở năng lượng đường nhỏ hơn 580 J/mm thì khả năng hình thành lớp IMC là rất ít, thậm chí không có. Tuy nhiên mối hàn lại bị khuyết tật hình dáng do không ngấu chân và mặt.
Khi hàn với năng lượng đường nằm trong dải năng lượng đường tối ưu (680 – 720 J/mm) thì thời gian khuếch tán hiệu quả tại các nút trên bề mặt của tấm thép dao động trong phạm vi từ 5,2 đến 6,7 giây, nghĩa là vẫn lớn hơn giai đoạn trễ (4 giây của cặp nhôm - thép) và khả năng hình thành lớp hợp chất IMC là không tránh khỏi. Tuy nhiên, do thời gian khuếch tán không lớn lắm nên lớp IMC sẽ có chiều dày không quá lớn. Để đạt được cơ tính tốt, chúng ta nên đi theo hướng bảo đảm tốc độ hàn đều và sử dụng nguồn hàn có
chế độ làm việc ổn định nhằm mục đích bảo đảm cho lớp IMC có chiều dày đều trên toàn bộ bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép CCT38.
3.4.3.3. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian đông đặc của mối hàn:
Thông qua kết quả tính toán mô phỏng chu trình nhiệt tại nút 2124 nằm trong tiết diện ngang của liên kết hàn, tại điểm giữa của mối hàn (nơi sẽ đông đặc sau cùng), chúng ta có thể xác định được thời gian đông đặc của mối hàn. Kết quả tính thời gian đông đặc của mối hàn ứng với 13 trường hợp sử dụng năng lượng đường khác nhau được thể hiện trong hình 3.34 dưới đây.
Hình 3.34 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian đông đặc của mối hàn (tại nút 2124 nằm trong mối hàn)
Kết quả tính toán mà phần mềm Sysweld đưa ra cho thấy rằng, khi hàn với năng lượng đường nằm trong dải năng lượng đường tối ưu thì thời gian đông đặc của mối hàn nằm trong khoảng từ 3,8 đến 4,65 giây. Khi hàn với năng lượng đường cao hơn thì thời gian đông đặc sẽ lâu hơn có thể dẫn đến mối hàn bị loang bề mặt, còn khi hàn với năng lượng đường thấp hơn thì mối hàn sẽ đông đặc rất nhanh có thể dẫn đến mối hàn bị vón cục và bề mặt sẽ không đều.