4.3.1.1. Mô hình hóa nguồn nhiệt hàn TIG
Trong phần mềm SYSWELD, nguồn nhiệt hàn được mô tả như một “khối năng lượng
nhiệt” tác động lên các phần tử, di chuyển theo quỹ đạo đường hàn khai báo. Đặc trưng của
mô hình nguồn nhiệt là mật độ năng lượng khối Q (W mm⁄ ), biểu thị mức độ tập trung năng
lượng tại điểm đang xét ở một thời điểm xác định [11]:
Q(P) = f( , , , ) (4.38)
Trong đó:
Q(P): mật độ năng lượng khối tại điểm khảo sát P.
, , : tọa độ điểm P trong hệ tọa độ gắn với kết cấu.
t : thời điểm khảo sát.
f : ký hiệu hàm mật độ năng lượng khối (hàm mật độ nguồn nhiệt).
Có 3 dạng mô hình nguồn nhiệt hàn được định nghĩa trước trong thư viện của phần
T r a n g 72 | 118
nhiệt sao cho phù hợp. Các phương pháp hàn MMA, TIG, MIG/MAG sẽ giống nhau về dạng
mô hình nguồn nhiệt (mô hình nguồn nhiệt elipsoid kép), chúng chỉ khác nhau về các giá trị
hiệu dụng cũng như kích thước của nguồn nhiệt – điều này cũng đã được phần mềm SYSWELD thừa nhận [11]. Do đó, tác giả sẽ sử dụng mô hình nguồn nhiệt elipsoid kép này để nghiên cứu giải quyết bài toán mô phỏng của mình.
Hình 4-1: Mô hình nguồn nhiệt hàn MMA/TIG/MIG/MAG (nguồn [11])
Cũng theo tài liệu [11], dạng rút gọn và tương đương của mô hình nguồn nhiệt elipsoid kép cung cấp số liệu đầu vào cho phần mềm SYSWELD thực thi được thể hiện như hình 4-2 sau:
T r a n g 73 | 118
Với mô hình nguồn nhiệt elipsoid kép, mật độ năng lượng khối tại một điểm được xác định qua phương trình [11]:
Q(x, y, z, t) = . (phía trước nguồn nhiệt ≥ 0) (3.49)
Q(x, y, z, t) = . (phía sau nguồn nhiệt ≤ 0) (3.50)
Công thức liên hệ giữa công suất nhiệt hiệu dụng của nguồn nhiệt hàn P và hàm mật
độ nguồn nhiệt Q(x, y, z, t) được xác định [11] :
P = ( , , , ) ế ấ (3.51) Trong đó: o P = . . với: (3.52) - Điện áp hàn - Cường độ dòng điện hàn
- Hiệu suất của quá trình hàn TIG ( = 25 ÷ 70%) [15]
o Các thông số , , , , b, và c của nguồn nhiệt hàn được xác định từ thực
nghiệm và sẽ đưa vào mô hình phần tử hữu hạn để tính toán:
, : mật độ năng lượng khối cực đại phía trước và phía sau tâm nguồn
nhiệt theo hướng trục y.
, , b, và c: tham số của mô hình nguồn nhiệt ứng với công suất nhiệt (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
hiệu dụng P đang xét.
Mô hình nguồn nhiệt ứng với bài toán của tác giả đang nghiên cứu là mô hình nguồn nhiệt elipsoid kép di chuyển tịnh tiến thẳng đều với vận tốc theo hướng trục Y của hệ trục
T r a n g 74 | 118
Hình 4-3: Mô hình nguồn nhiệt elipsoid kép tịnh tiến thẳng đều. (nguồn [11]) 4.3.1.2. Mô hình hóa các thuộc tính của vật liệu
Ngoài mô hình hóa 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 (20 ) đến trạng thái nóng chảy. Nghĩa
là vật liệu nghiên cứu có tính chất phi tuyến phức tạp chứ không phải là tuyến tính hay là hằng số như trong bài toán kết cấu. Đối với vật liệu thép, phần mềm SYSWELD quy ước ký hiệu của các tổ chức như mô tả trong bảng 4.1 dưới đây:
Bảng 4.1: Ký hiệu quy ước của các tổ chức kim loại khi hàn [11]:
Pha Tên tổ chức của thép
1 Tổ chức ban đầu (Ferrite/ Pearlite)
2 Pha giả (dùng cho vật liệu hàn)
3 Tổ chức Martensite
4 Tổ chức Bainite
5 Tổ chức sau khi ram
6 Tổ chức Austenite
Trong quá trình hàn, vật liệu sẽ thay đổi trạng thái liên tục từ nhiệt độ ban đầu 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:
T r a n g 75 | 118
Hình 4-4: Khối lượng riêng của thép không gỉ Austenit SUS 304 (nguồn [14])
Hình 4-5: Môđun đàn hồi của thép không gỉ Austenit SUS 304 (nguồn [14])
T r a n g 76 | 118
Hình 4-7: Nhiệt dung riêng của thép không gỉ Austenit SUS 304 (nguồn [14])
Hình 4-8: Độ dẫn nhiệt của thép không gỉ Austenit SUS 304 (nguồn [14])
T r a n g 77 | 118
4.3.1.3. Xây dựng mô hình mô phỏng
Mô hình mô phỏng như đã xác định ngay tử đầu, đó là mô hình hàn giáp mối hai tấm thép không gỉ SUS 304, kích thước mỗi tấm là 100x200x1 mm và để khe hở hàn g = 0. Trong bài toán mô phỏng, tác giả sử dụng quá trình hàn TIG không dùng que hàn phụ. Mô hình liên kết được thể hiện như hình 4-10 sau:
Hình 4-10: Mô hình khối của liên kết hàn giáp mối hai tấm SUS 304
Sysweld là một trong những phần mềm chuyên dụng cho mô phỏng số quá trình hàn, nó cho phép chúng ta thiết lập quỹ đạo đường hàn ở dạng bất kỳ sao cho phù hợp với thực tế dịch chuyển của mỏ hàn (quỹ đạo đường cong 3D, có/không dao động ngang,…). Sysweld cũng cho phép và yêu cầu ta khai báo chính xác các nút bắt đầu hàn và kết thúc hàn trong bài toán mô phỏng của ta.
Để đạt được độ chính xác cao hơn khi tính toán mô phỏng, tác giả chọn phần tử hữu
hạn loại 3020 và 3008 [11] để chia lưới cho mô hình. Kết quả sau khi chia lưới được thể hiện
T r a n g 78 | 118 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3020
3008
Hình 4-11: Mô hình PTHH của liên kết hàn giáp mối hai tấm SUS 304
Với bài toán hàn giáp mối tấm mỏng, biến dạng là một trong những bài toán hàng đầu chúng ta cần phải giải quyết. Do vậy, ta phải 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 mỏ hàn. Trong quá trình hàn, mô hình nguồn nhiệt elipsoid kép
(hình 4-2) sẽ di chuyển dọc theo quỹ đạo đường hàn đã khai báo với một vận tốc đều bằng
vận tốc hàn thực tế. Kết quả xây dựng mô hình, quỹ đạo đường hàn, đường dẫn, nút bắt đầu và nút kết thúc được thể hiện như hình 4-12 dưới đây:
Hình 4-12: Quỹ đạo đường hàn, đường dẫn, nút bắt đầu và nút kết thúc của mô hình PTHH của liên kết hàn giáp mối hai tấm SUS 304
Vị trí nút bắt đầu trên mô hình chính là điểm gây hồ quang trong thực tế. Ban đầu tấm còn nguội nên tốc độ tản nhiệt lớn, gây mất mát nhiệt. Để bù lại lượng nhiệt bị tổn thất và
T r a n g 79 | 118
đảm bảo độ ngấu tại vị trí này ta cần phải tăng công suất nhiệt cao hơn giá trị định mức bằng kỹ thuật khởi động nóng – hot start hoặc di chuyển chậm mỏ hàn. Vị trí nút kết thúc trên mô hình đặc trưng cho điểm ngắt hồ quang trong thực tế. Do hiện tượng tích nhiệt khi hàn, nếu cữ giữ nguyên công suất nguồn nhiệt đến nút cuối thì tại đây có nguy cơ cao bị cháy thủng. Vì vậy, tại vị trí đó chúng ta phải hạ công suất nhiệt cấp vào bằng kỹ thuật giảm dòng hàn –
down slope hoặc di chuyển nhanh mỏ hàn (hình 4-13).
Hình 4-13: Đường biểu diễn kỹ thuật khởi động nóng và giảm dòng hàn
Để bài toán mô phỏng đúng với thực tế, ta cần sử dụng điều kiện biên truyền nhiệt cho mô hình mô phỏng. Biên chính là lớp “vỏ” của mô hình – nơi xảy ra sự đối lưu và bức xạ nhiệt với môi trường xung quanh. Giá trị của hàm số truyền nhiệt này được xác định từ thực nghiệm và được đưa vào phần mềm để tính toán [11].
Như đã phân tích ở các phần trên, để giảm biến dạng cho liên kết, chúng ta sẽ sử dụng biện pháp gá kẹp chi tiết khi hàn. Vị trí gá kẹp cũng như kiểu gá kẹp được đặt đúng như thực tế, chúng ta sẽ đi kẹp chặt ở hai mép của tấm, nghĩa là chúng được định vị theo cả 3 phương
T r a n g 80 | 118
Hình 4-14: Điều kiện biên gá kẹp khi hàn
Để mô phỏng đúng với thực tế chúng ta còn có rất nhiều các điều kiện khác như nhiệt độ ban đầu, ứng suất của chi tiết trước khi hàn…, nhưng để đơn giản hóa chúng ta coi các chi tiết trước khi hàn không tồn tại ứng suất và nhiệt độ ban đầu bằng với nhiệt độ môi trường
20 .