Hình 2.16 : Tính chất của kim loại thay đổi do nhiệt độ
2.6.5. Trường nhiệt độ khi hàn
- Ứng suất và biến dạng hàn xuất hiện do ba nguyên nhân mà đều liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ không đồng đều trong vật hàn bởi có việc sử dụng nguồn nhiệt hàn có mức độ tập trung cao (hồ quang). Nói cách khác, sự truyền nhiệt hay là trạng thái nhiệt là nguyên nhân sâu xa nhất ứng suất và biến dạng hàn (ngoài ra cịn có các yếu tố khác như trạng thái ứng suất của kim loại trớc khi hàn).
- Vấn đề là ta biết dự đốn trước (bằng tính tốn) sự truyền nhiệt đó với độ chính xác như thế nào để có thể giải các bài tốn về ứng suất và biến dạng hàn.
Trường nhiệt độ khi hàn tấm mỏng
- Định nghĩa tấm mỏng: là chi tiết dạng tấm mà khi hàn một lợt thì sự phân bố nhiệt độ theo chiều dày của nó được coi là đồng đều
36
- Với thép cacbon thấp, có thể coi tấm mỏng là tấm có chiều dày d<20 mm.
Trường nhiệt độ khi hàn vật bán vô hạn
- Định nghĩa vật bán vơ hạn: là những tấm có chiều dày lớn (d>50 mm) và có một nguồn nhiệt điểm tác dụng lên một bề mặt giới hạn.
- Lý do định nghĩa như vậy
Khi hàn, trờng nhiệt độ là trờng không gian T(x,y,z).
Sơ đồ tính tốn: sơ đồ nguồn nhiệt điểm.
Nhiệt độ các điểm phân bố rất không đồng đều theo chiều dày tấm.
Trường nhiệt độ khi hàn các tấm dày
Khái niệm về tấm dày
Khi hàn vật dày vô hạn (chiều dày d>50 mm), vùng kim loại có nhiệt độ cao tập trung xung quanh nguồn nhiệt. Tại các điểm xa nguồn nhiệt, nhiệt độ tăng lên không đáng kể.
Khi hàn các tấm thép có chiều dày d=20¸50 mm, sự phân bố nhiệt độ trong các điểm nằm gần nguồn nhiệt không giống với trờng hợp của nhiệt độ phẳng (tấm mỏng d<20 mm) và trường nhiệt độ không gian (vật bán vô hạn d>50 mm) mà ta đã tìm hiểu.
Với tấm dày, ta phải tính tốn theo sơ đồ nguồn nhiệt điểm
tác động lên bề mặt và chịu ảnh hưởng của hiện tượng mất nhiệt bề mặt giới hạn.
Tóm tắt về trường nhiệt độ khi hàn
- Với tấm mỏng d£ 20 mm, sơ đồ tính tốn là nguồn nhiệt đờng, trờng nhiệt độ là trờng phẳng T(x,y)
- Với vật bán vơ hạn d³50 mm, sơ đồ tính tốn là nguồn nhiệt điểm, trờng nhiệt độ là trờng không gian T(x,y,z).
37
CHƯƠNG 3
MÔ PHỎNG BIẾN DẠNG SẢN PHẨM DẠNG HỘP TRONG Q TRÌNH HÀN HỜ QUANG
BÁN TỰ ĐỘNG
3.1. Mơ hình hình học, thơng số hàn và kim loại hàn của bài tốn:
Hình 3.1 : Mơ hình hình học của bài tốn. Ta xét 8 trường hợp sản phẩm hộp có chiều dày 5mm .
Chiều dài: 300 mm
Chiều rộng: 170 mm
Chiều cao : 100 mm
Thông số hàn: lấy đúng với thực tế trong quá trình làm thực nghiệm
Dòng: 50-90A
Voltage: 80V
Thành phần kim loại: sử dụng thép tấm cacbon thấp CT3 theo tiêu chuẩn TCVN 1651-85 Thành phần: C: 0.14 ÷ 0.22 Si: 0.12 ÷ 0.30 Mn: 0.40 ÷ 0.65 Đặc tính:
38
Yeild Strength (MPa): 355
Hệ số Poisson: 0.33
Nhiệt độ nóng chảy (°C): 1505
Hình 3.2 : Máy hàn MIG bán tự động
3.2. Kết quả mô phỏng biến dạng, ứng suất và nhiệt độ: 3.2.1. Trường hợp 1 : Tiến hành hàn từng đường một 3.2.1. Trường hợp 1 : Tiến hành hàn từng đường một
Hàn lần lượt từng đường 1 - 2 - 3 – 4 :
Nhiệt độ :
Hình 3.28 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-2-3-4 Nhiệt độ : Max = 2078,3oC ; Min = 27,441oC Nhiệt độ : Max = 2078,3oC ; Min = 27,441oC
39
Hình 3.29 : Kết quả mơ phỏng biến dạng của đường hàn 1-2-3-4 Biến dạng : Max = 0,47 mm ; Min = 0,056 mm
Biến dạng của hộp là: 0,47 - 0,056 = 0,414 (mm)
Biểu đồ biến dạng :
Hình 3.30 : Biểu đồ mô phỏng biến dạng của đường hàn 1-2-3-4
Ứng suất :
Hình 3.31 : Kết quả mơ phỏng ứng suất của đường hàn 1-2-3-4
0 0.2 0.4
0 100 200 300 400
40 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 100 200 300 400 Simulation(mm)
Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 537,68 (MPa) Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,46 (MPa)
Hàn lần lượt theo thứ tự : 1 - 3 - 2 – 4 :
Nhiệt độ :
Hình 3.32 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-3-2-4 Nhiệt độ : Max = 2094,1oC; Min = 38,978oC Nhiệt độ : Max = 2094,1oC; Min = 38,978oC
Kết quả biến dạng :
Hình 3.33 : Kết quả mơ phỏng biến dạng của đường hàn 1-3-2-4 Biến dạng : Max = 0,514mm ; Min = 0,078 mm
Biến dạng của hộp là: 0,514 - 0,078 = 0,436 (mm) Biểu đồ biến dạng :
41
Ứng śt :
Hình 3.35 : Kết quả mơ phỏng ứng suất của đường hàn 1-3-2-4 Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 485,54 (MPa) Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,466 (MPa)
Kết luận : Ta thấy ở cùng một thông số đầu vào nhưng khi hàn ở hai điều kiện
khác nhau thì sự phân bố nhiệt độ cũng có sự chênh lệch khá thấp khoảng 20oC, dựa vào kết quả mô phỏng trên ta thấy được khi hàn theo thứ tự các đường 1-2-3-4 thì cho kết quả biến dạng thấp hơn khi hàn theo thứ tự 1-3-2-4 do ở đường hàn 1-2-3-4 có phân bố nhiệt độ thấp hơn. Ứng suất dư của trường hợp hàn 1-2-3-4 thì nhỏ hơn gần 50 MPa.
3.2.2. Trường hợp 2 : Hàn 1 lần 2 đường
Hàn 2 đường 1 - 2 rồi tiếp đến 3 – 4 :
Nhiệt độ :
Hình 3.36 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-2 rồi hàn đường 3-4 Nhiệt độ : Max = 2058,7oC ; Min = 22,001oC Nhiệt độ : Max = 2058,7oC ; Min = 22,001oC
42
Hình 3.37 : Kết quả mơ phỏng biến dạng của đường hàn 1-2 rồi hàn đường 3-4 Biến dạng : Max = 0,415 mm ; Min = 0,078 mm
Biến dạng của hộp là: 0,415 - 0,078 = 0,337 (mm) Biểu đồ biến dạng :
Hình 3.38 : Biểu đồ mơ phỏng biến dạng của đường hàn 1-2 rồi hàn đường 3-4
Ứng śt :
Hình 3.39 : Kết quả mơ phỏng ứng suất của đường hàn 1-2 rồi hàn đường 3-4 Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 597,69 (MPa)
43
Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,4366 (MPa)
Hàn 2 đường (1 – 4) rồi hàn 2 đường (2 – 3) :
Nhiệt độ :
Hình 3.40 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1- 4 rồi hàn đường 2-3 Nhiệt độ : Max = 2054,3oC Min = 20,985oC Nhiệt độ : Max = 2054,3oC Min = 20,985oC
Kết quả biến dạng :
Hình 3.41 : Kết quả mô phỏng biến dạng của đường hàn 1- 4 rồi hàn đường 2-3 Biến dạng : Max = 0,391mm Min = 0,101 mm
Biến dạng của hộp là: 0,391 - 0,101 = 0,29 (mm)
44
Hình 3.42 : Biểu đồ mơ phỏng biến dạng của đường hàn 1- 4 rồi hàn đường 2-3
Ứng suất :
Hình 3.43 : Kết quả mô phỏng ứng suất của đường hàn 1- 4 rồi hàn đường 2-3 Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 603,2 (MPa)
Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,7292 (MPa)
45 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0 50 100 150 200 250 300 350 Simulation(mm) Nhiệt độ :
Hình 3.44 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-3 rồi hàn đường 2-4
Nhiệt độ : Max = 2050,7oC ; Min = 21,284oC
Kết quả biến dạng :
Hình 3.45 : Kết quả mơ phỏng biến dạng của đường hàn 1-3 rồi hàn đường 2-4 Biến dạng : Max = 0,436 mm , Min = 0,069 mm
Biến dạng của hộp là: 0,436 - 0,069 = 0,367 (mm)
Biểu đồ biến dạng :
46
Ứng suất :
Hình 3.47 : Kết quả mơ phỏng ứng śt của đường hàn 1-3 rồi hàn đường 2-4 Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 483,04 (MPa)
Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 2,1087 (MPa)
Kết luận :Ta thấy ở cùng một thông số đầu vào nhưng khi hàn ở 3 điều kiện
khác nhau thì sự phân bố nhiệt độ cũng có sự chênh lệch rất thấp khoảng 3oC
, dựa vào kết quả mô phỏng trên ta thấy được khi hàn theo thứ tự các đường 1-4 ,2-3 thì cho kết quả biến dạng thấp nhất trong 3 trường hợp là 0,29 mm.
3.2.3. Trường hợp 3 : Hàn 1 lần 3 đường và 1 đường
Hàn 3 đường 1-2-3 rồi tiếp đến hàn đường 4 còn lại:
Nhiệt độ :
Hình 3.48 : Kết quả phân bố nhiệt độ đường hàn 1-2-3 rồi tiếp đến hàn đường 4 còn lại
47 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 50 100 150 200 250 300 350 SIMULATION(MM) Simulation(mm)
Nhiệt độ : Max = 2064,1oC Min = 23,629oC
Kết quả biến dạng :
Hình 3.49 Kết quả mơ phỏng biến dạng của đường hàn 1-2-3 rồi tiếp đến hàn đường 4 còn lại
Biến dạng : Max = 0,694 mm ; Min = 0,06 mm
Biến dạng của hộp là: 0,694 – 0,06 = 0,634 (mm) Biểu đồ biến dạng :
Hình 3.50 : Biểu đồ mơ phỏng biến dạng của đường hàn 1-2-3 rồi tiếp đến hàn
đường 4 còn lại
Ứng suất :
Hình 3.51 : Kết quả mơ phỏng ứng suất của đường hàn1-2-3 rồi tiếp đến hàn đường 4 còn lại
48
Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 2686 (MPa) Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 2,6303 (MPa)
Hàn 1 đường 1 rồi hàn 3 đường (2 - 3 - 4 ) :
Nhiệt độ :
Hình 3.52 : Kết quả phân bố nhiệt độ hàn đường 1 rồi hàn đường 2 3 4 còn lại Nhiệt độ : Max = 2054,3oC ; Min = 20,985oC
Kết quả biến dạng :
Hình 3.53 : Kết quả mơ phỏng biến dạng của hàn đường 1 rồi hàn đường 2 3 4 còn lại
Biến dạng : Max = 0,421mm ; Min = 0,08 mm
Biến dạng của hộp là: 0,421 - 0,08 = 0,341(mm)
49
Hình 3.54 : Biểu đồ mô phỏng biến dạng của hàn đường 1 rồi hàn đường 2 3 4 còn lại
Ứng suất :
Hình 3.55 : Kết quả mơ phỏng ứng suất của hàn đường 1 rồi hàn đường 2 3 4 còn lại
Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ là : 670,01 (MPa) Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,1993(MPa)
Kết luận : Ta thấy ở cùng một thông số đầu vào nhưng khi hàn ở hai điều
kiện khác nhau thì sự phân bố nhiệt độ cũng có sự chênh lệch khá thấp khoảng 15oC
dựa vào kết quả mô phỏng trên ta thấy được khi hàn theo thứ tự các đường 1 xong rồi hàn các đường 2-3-4 cịn lại thì cho kết quả biến dạng thấp hơn khi hàn theo thứ tự 1-2-3 xong rồi hàn đường 4, do ở đường hàn 1, 2-3-4 có phân bố nhiệt độ thấp hơn. Ứng suất dư của trường hợp hàn 1, 2-3-4 thì nhỏ hơn rất nhiều 2000 MPa
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0 100 200 300 400 Simulation(mm)
50
3.2.4. Trường hợp 4 : Hàn 1 lần 4 đường
Nhiệt độ :
Hình 3.56 : Kết quả phân bố nhiệt độ hàn 1 lần 4 đường Nhiệt độ : Max = 2054,3oC ; Min = 20,85oC Nhiệt độ : Max = 2054,3oC ; Min = 20,85oC
Kết quả biến dạng :
Hình 3.57 : Kết quả mô phỏng biến dạng của hàn 1 lần 4 đường Biến dạng : Max = 0,383 mm , Min = 0,103 mm Biến dạng : Max = 0,383 mm , Min = 0,103 mm
Biến dạng của hộp là: 0,383 – 0,103 = 0,28 (mm) Biểu đồ biến dạng :
Hình 3.58 : Biểu đồ mơ phỏng biến dạng của hàn 1 lần 4 đường
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0 50 100 150 200 250 300 350 Simulation(mm)
51
Ứng suất :
Hình 3.59 : Kết quả mô phỏng ứng suất của hàn 1 lần 4 đường
Ứng suất cao nhất ở đường hàn phần có màu đỏ, thường nằm giữa đường hàn là : 633,15 (MPa)
Ứng suất thấp nhất ở vùng có màu xanh dương là : 1,2662 (MPa)
Kết luận : Ta thấy ở cùng một thông số đầu vào nhưng khi hàn cùng lúc 4
đường hàn thì phân bố nhiệt độ khá đều, nên biến dạng thấp. Ứng suất dư cũng gần bằng các trường hợp còn lại.
52 Trường Kết quả Hợp Nhiệt độ ( o C) Biến dạng (mm) Ứng suất (MPa) Hàn 1 đường : thứ tự hàn 1- 2-3-4 Max = 1969,8oC Min = 27,56oC 0,414 Max = 537, 48 Min = 1,46 Hàn 1 đường : thứ tự hàn 1- 3-2-4 Max = 1985,6oC Min = 39,162oC 0,436 Max = 485,54 Min = 1,466 Hàn một lần 2 đường : thứ tự 1-2 rồi hàn tiếp 3-4 Max = 2053,1oC Min = 22,001oC 0,337 Max = 597,69 Min = 1,4366 Hàn 1 lần 2 đường : thứ tự 1-4 rồi hàn tiếp 2-3 Max = 2054,3oC Min = 20,985oC 0,29 Max = 602,3 Min = 1,7292 Hàn 1 lần 2 đường : thứ tự 1- 3 rồi hàn tiếp 2 - 4 Max = 2050,7oC Min = 21,284oC 0,367 Max = 483,04 Min = 2,1087 Hàn 1 lần 3 đường: Thứ tự hàn 1-2-3 rồi hàn đường 4 còn lại. Max = 2064,1oC Min = 23,629oC 0,634 Max = 2686 Min = 2,6303 Hàn 1 lần 3 đường: thứ tự hàn : hàn đường 1 trước sau đó hàn 3 đường cịn lại Max = 2054,3oC Min = 20,985oC 0,341 Max = 670,01 Min = 1,1993 Hàn cùng lúc 4 đường Max = 2054,3o C Min = 20,85oC 0,28 Max = 633,15 Min = 1,2662 Bảng 3.1 : Bảng thống kê số liệu mô phỏng
3.3. Kết luận
Qua các kết quả mơ phỏng của các trường hợp nói trên ta nhận thấy rằng khi hàn cùng 1 lúc 4 đường thì cho nhiệt độ và ứng suất khá cao nhưng lại cho kết quả biến dạng khi hàn là 0, 28 (mm) là thấp nhất trong các trường hợp còn lại.
Để tối ưu cũng như tiết kiệm thời gian mà đem lại năng suất cao nhất ta chọn phương án hàn 4 đường cùng lúc làm phương án hàn duy nhất.
53
CHƯƠNG 4
QUY TRÌNH HÀN SẢN PHẨM VÀ ĐO KẾT QỦA THỰC NGHIỆM
4.1. Quy trình hàn sản phẩm dạng hộp
Sau khi mô phỏng xong ta chọn 3 trường hợp ( hàn cùng lúc 4 đường, hàn lần lượt từng đường, hàn mỗi lần 2 đường ) để hàn thực tế và lấy kết quả thực tế để so sánh với kết quả mô phỏng và chọn ra trường hợp có biến dạng thấp nhất để gia cơng sản phẩm.
Bước 1.
- Chuẩn bị phơi hàn
- Gá đặt và hàn đính thành hộp : 300x170x100 2 mm
Hình 4.1 : Q trình gá và hàn đính
Bước 2 : Gá đặt chi tiết hộp lên đồ gá hàn.
54
Bước 3 : Tiến hành hàn sản phẩm.
Hình 4.3 : Quá trình trên thiết bị hàn bán tự động.
4.2. Chọn các trường hợp trong quá trình hàn. 4.2.1. Trường hợp 1: Hàn 1 đường hàn (máy 1) 4.2.1. Trường hợp 1: Hàn 1 đường hàn (máy 1)
55
4.2.2. Trường hợp 2: Hàn cùng lúc 2 đường hàn (máy 1 & máy 4)
Hình 4.5 : Quá trình đường hàn máy 1, máy 4
Trường hợp 3 : Hàn cùng lúc 4 đường hàn (máy 1, máy 2, máy 3, máy 4)
Hình 4.6 : Quá trình hàn máy 1, máy 2, máy 3, máy 4.
56
4.2.3. Tiến hành kiểm tra và đo kết quả trước khi hàn và sau khi hàn
4.2.3.1. Quá trình kiểm tra sản phẩm trước khi hàn
Hình 4.8 : Đo hộp chưa hàn 4.2.3.2. Quá trình kiểm tra sản phẩm sau khi hàn 4.2.3.2. Quá trình kiểm tra sản phẩm sau khi hàn
Bước 1 : Tại vị trí 5 đường kẻ ban đầu của 3 hộp sản phẩm ta tiến