Yờu cầu mụ phỏng phải mụ tả giống với quỏ trỡnh hàn sẽ diễn ra trong thực tế, vỡ vậy trong mụ hỡnh cần phải sử dụng điều kiện biờn truyền nhiệt nhƣ mụ tả trờn Hỡnh 5. 5 dƣới đõy. Biờn chớnh là lớp “vỏ” của mụ hỡnh nghiờn cứu – nơi sẽ xảy ra quỏ trỡnh truyền nhiệt từ mụ hỡnh ra mụi trƣờng bờn ngoài bằng đối lƣu và bức xạ. Lƣu rằng tại cỏc vị trớ kẹp chặt sẽ xảy ra quỏ trỡnh truyền nhiệt từ vật rắn sang vật rắn, do vậy cần phải khai bỏo hệ số truyền nhiệt này thay cho hệ số đối lƣu và bức xạ.
Hỡnh 5. 5 Điều kiện biờn trao đổi nhiệt với mụi trường xung quanh
Đối với bài toỏn đa trƣờng nhiệt – kết cấu – luyện kim, để phõn tớch đầy đủ cỏc ứng xử của liờn kết hàn về mặt cơ học, chỳng ta cũng cần phải sử dụng đến điều kiện biờn gỏ kẹp khi hàn. Vị trớ gỏ kẹp cũng nhƣ kiểu gỏ kẹp cần phải đƣợc mụ tả đỳng nhƣ quỏ trỡnh thực nghiệm.
Áp dụng cỏc kết quả nghiờn cứu ở phần 2, phần 3 để mụ tả bài toỏn giống với thực tế của liờn kết hàn tổng đoạn vỏ tàu, ta sử dụng giải phỏp kẹp chặt (ngàm) tại cỏc mộp của liờn kết hàn nhƣ thể hiện trờn Hỡnh 5. 6, nghĩa là tại cỏc mộp của liờn kết hàn đƣợc khống chế chuyển vị theo cả 3 phƣơng X, Y, Z.
Hỡnh 5. 6 Mụ hỡnh ngàm chặt hai đầu liờn kết hàn tổng đoạn
“Điều kiện đầu“ của bài toỏn mụ phỏng số chớnh là nhiệt độ của chi tiết trƣớc khi hàn và ứng suất cú sẵn trong nú. Để đơn giản, ta giả thiết cỏc chi tiết hàn khụng cú ứng suất trƣớc khi hàn đƣờng hàn đỏy. Nhiệt độ ban đầu đối với đƣờng hàn đỏy bằng nhiệt độ của mụi trƣờng (25o
C), nhiệt độ ban đầu đối với đƣờng hàn phủ chớnh là trƣờng nhiệt độ do đƣờng hàn đỏy gõy ra. Do đặc thự mối hàn tổng đoạn vỏ tàu thƣờng rất dài, vỡ thế mà khi bắt đầu tiến hành đƣờng hàn phủ thỡ nhiệt độ tại chỗ hàn đó nguội đến nhiệt độ mụi trƣờng. Do đú cần phải xõy dựng chƣơng trỡnh mỏy tớnh để tớnh toỏn cả quỏ trỡnh nguội đến nhiệt
80 độ của mụi trƣờng. Ứng suất ban đầu đối với đƣờng hàn phủ chớnh là trƣờng ứng suất do đƣờng hàn đỏy gõy ra.
Cỏc tài liệu [58, 59]đó chứng minh rằng mỗi dạng nguồn nhiệt hàn chỉ phự hợp với một loại quỏ trỡnh hàn nhất định. Theo đú, khi mụ phỏng quỏ trỡnh hàn Laser (LBW) hay hàn bằng chựm tia điện tử (EBW) thỡ dạng nguồn nhiệt phự hợp là nguồn nhiệt hỡnh nún (3D Conical Gaussian), cũn đối với quỏ trỡnh hàn hồ quang (MMA, MIG/MAG hay FCAW) với nguồn nhiệt di động thỡ mụ hỡnh nguồn nhiệt thớch hợp là dạng Ellipsoid kộp (Double Ellipsoid). Riờng đối với quỏ trỡnh hàn đắp hay xử lý nhiệt bề mặt thỡ sẽ sử dụng nguồn nhiệt dạng phõn bố Gauss (2D Gaussian). Kế thừa kết quả nghiờn cứu trong cỏc tài liệu [58, 59], tỏc giả chọn dạng nguồn nhiệt hàn để tiến hành mụ phỏng quỏ trỡnh hàn FCAW là dạng Ellipsoid kộp.
Tỏc giả Goldak đó đƣa ra một dạng rỳt gọn và tƣơng đƣơng của mụ hỡnh nguồn nhiệt (Hỡnh 5.7) nhằm cung cấp số liệu đầu vào cho phần mềm Sysweld thực thi. Trong quỏ trỡnh hàn, nguồn nhiệt trờn Hỡnh 5. 7 sẽ di chuyển dọc theo quỹ đạo đƣờng hàn đó xõy dựng và khai bỏo với một vận tốc đều bằng với vận tốc hàn trong thực tế.
Hỡnh 5. 7 Mụ hỡnh nguồn nhiệt rỳt gọn hàn MMA/TIG/GMAW/FCAW/SAW theo Goldak [58]
Trong đú P = .Uh.Ih là cụng suất nhiệt hiệu dụng của nguồn nhiệt hàn, Uh là điện ỏp hàn, Ih là cƣờng độ dũng điện hàn và là hiệu suất của quỏ trỡnh hàn FCAW ( = 75
90%) [18]. Cỏc thụng số Qf, Qr, af, ar, b và c của nguồn nhiệt hàn đƣợc xỏc định từ thực nghiệm [58, 59] và sẽ đƣợc đƣa vào mụ hỡnh PTHH để tớnh toỏn Bảng 5- 1 và Bảng 5- 2.
Để đảm bảo quỏ trỡnh mụ phỏng số phản ỏnh đỳng với thực tế, Sysweld yờu cầu phải sử dụng hàm nguồn nhiệt phự hợp với thực tế. Nghĩa là phải xỏc định đƣợc 4 thụng số af, ar, b, c của hàm nguồn nhiệt rồi sau đú khai bỏo cho phần mềm sử dụng trong giai đoạn tớnh toỏn trờn mụ hỡnh mụ phỏng. Trƣớc khi tớnh toỏn, Sysweld yờu cầu phải sử dụng một cụng cụ cú tờn “Heat source fitting tool” để điều chỉnh nguồn nhiệt nhằm tỡm ra bộ thụng số af, ar, b, c phự hợp. Cỏch làm nhƣ sau:
Bƣớc 1: Tiến hành hàn thử trờn mẫu thực với cỏc thụng số chế độ hàn đó xỏc định đƣợc từ chƣơng 3, sau đú đo đạc cỏc kớch thƣớc thực của vũng hàn. Từ đõy sẽ ƣớc lƣợng sơ bộ cỏc thụng số af, ar, b, c của hàm nguồn nhiệt.
Bƣớc 2: Đƣa cỏc giỏ trị sơ bộ của af, ar, b, c vào trong cụng cụ “Heat source fitting tool” của phần mềm để tớnh toỏn kớch thƣớc vũng hàn, rồi so sỏnh cỏc giỏ trị tớnh toỏn với kớch thƣớc thực đo đƣợc để xỏc nhận (validation) tớnh tƣơng tớch của mụ hỡnh sử dụng. Nếu nhƣ kớch thƣớc tớnh toỏn sai lệch dƣới 5% [59] so với kớch thƣớc thực thỡ cỏc giỏ trị af, ar, b, c đú là đạt. Trong trƣờng hợp sai lệch vƣợt quỏ 5% thỡ phải điều chỉnh af, ar, b, c và tớnh lại cho đến khi đạt thỡ dừng lại. Cỏc giỏ trị trong cỏc Bảng 5- 1 và Bảng 5- 2 là kết quả sau nhiều lần điều chỉnh và đạt yờu cầu theo khuyến cỏo của Sysweld [59].
81
Bảng 5- 1 Giỏ trị thực nghiệm của nguồn nhiệt đường hàn đỏy
Thụng số Giỏ trị Thụng số Giỏ trị Qf 21,46 W Qr 32,19 W af 5 ar 3 b 5 c 3 Ih 125 A Uh 22 V Vh 25 Cm/phỳt 80% Cụng suất 2200 W
Bảng 5- 2 Giỏ trị thực nghiệm của nguồn nhiệt hàn cỏc lớp điền đầy
Thụng số Giỏ trị Thụng số Giỏ trị Qf 21,46 W Qr 32,19 W af 7 ar 4 b 7 c 4 Ih 140 A Uh 23 V Vh 27 Cm/phỳt 80% Cụng suất 2576 W
Ngoài mụ hỡnh nguồn nhiệt hàn nờu trờn, khi tớnh toỏn mụ phỏng cũn cần phải sử dụng một bộ thụng số đầy đủ về cơ – nhiệt – kim loại học của vật liệu nghiờn cứu, với lƣu ý rằng, cỏc thuộc tớnh của vật liệu thay đổi liờn tục từ trạng thỏi nhiệt độ thƣờng (25oC) đến trạng thỏi núng chảy. Nghĩa là vật liệu cú tớnh chất phi tuyến phức tạp (Hỡnh 5. 8) chứ khụng phải là tuyến tớnh hay hằng số.
Trong phần mềm Sysweld ngƣời ta quy ƣớc ký hiệu của cỏc tổ chức kim loại nhƣ mụ tả trong Bảng 5- 3 dƣới đõy:
Bảng 5- 3 Ký hiệu quy ước của cỏc tổ chức kim loại khi hàn [58]
Pha Vật liệu thộp
1 Tổ chức ban đầu (Ferrite/Pearlite)
2 Pha giả (dựng để mụ tả vật liệu hàn) 3 Tổ chức Martensite
4 Tổ chức Bainite
5 Tổ chức sau khi ram (Martensite ram, Bainite ram) 6 Tổ chức Austenite
Trong quỏ trỡnh hàn, vật liệu sẽ thay đổi trạng thỏi liờn tục từ nhiệt độ mụi trƣờng đến nhiệt độ núng chảy. Cỏc tớnh chất của vật liệu phụ thuộc vào tổ chức cụ thể của chỳng, đồng thời là hàm số của nhiệt độ. Hỡnh 5. 8 dƣới đõy là cỏc đồ thị mụ tả biến đổi trạng thỏi cơ l của thộp A36 [60].
82
a) Giản đồ biến đổi pha CCT b) Hệ số dẫn nhiệt K
c) Khối lượng riờng d) Nhiệt dung riờng C
e) Enthalpy Eth f) Mụ đun đàn hồi E
g) Hệ số biến dạng nhiệt h) Giới hạn chảy Y Hỡnh 5. 8 Cỏc tớnh chất cơ – lý – kim loại học của thộp A36 [60]
83
5.1.4. Phõn bố trƣờng nhiệt độ và chu trỡnh nhiệt trong liờn kết tổng đoạn
Kết quả tớnh toỏn mụ phỏng trƣờng nhiệt độ phõn bố trong tiết diện ngang của liờn kết hàn giỏp mối một phớa nối tổng đoạn vỏ tàu khi hàn đƣờng hàn đỏy với bộ cỏc thụng số chế độ hàn trong Bảng 4- 1 và Bảng 4- 2 đƣợc thể hiện trờn Hỡnh 5. 9. Ở đõy tỏc giả điều chỉnh và sử dụng thang đo nhiệt độ cú điểm tới hạn là 1500oC tƣơng đƣơng với nhiệt độ núng chảy của thộp A36 để phõn biệt rừ vựng núng chảy (vũng hàn).
Hỡnh 5. 9 Trường nhiệt độ tức thời khi hàn đường hàn đỏy
So sỏnh kết quả tớnh toỏn mụ phỏng số trờn Hỡnh 5. 9 phớa bờn phải với kết quả thực nghiệm (phớa bờn trỏi) cho thấy rằng kết quả mụ phỏng vũng kim loại núng chảy phản ỏnh giống với thực nghiệm. Nhƣ vậy cỏc thụng số chế độ hàn đó sử dụng trong mụ phỏng là hợp lý, hay núi cỏch khỏc lời giải của phƣơng phỏp mụ phỏng là phự hợp với thực tế và phƣơng phỏp tớnh toỏn mụ phỏng đảm bảo độ tin cậy.
Tƣơng tự nhƣ vậy, kết quả tớnh toỏn mụ phỏng trƣờng nhiệt độ phõn bố trong tiết diện ngang của liờn kết hàn khi hàn lớp phủ với chế độ hàn trong Bảng 4- 2 đƣợc thể hiện trờn Hỡnh 5. 10. So sỏnh kết quả mụ phỏng trờn Hỡnh 5. 10a với kết quả thực nghiệm trờn Hỡnh 5. 10b cũng cho thấy rằng bài toỏn mụ phỏng đƣờng hàn phủ cũng phản ỏnh đỳng với thực tế - nghĩa là hoàn toàn cú thể sử dụng cỏc kết quả mụ phỏng để mụ tả cỏc hiện tƣợng sẽ diễn ra trong thực tế.
a) Kết quả mụ phỏng số
b) Kết quả thực nghiệm
Hỡnh 5. 10 Trường nhiệt độ tức thời khi hàn đường hàn phủ
Trờn cơ sở phõn tớch cỏc kết quả mụ phỏng ở trờn, cú thể kết luận rằng cỏc thụng số chế độ hàn đó sử dụng là phự hợp, bảo đảm mối hàn ngấu hoàn toàn ở cả phớa chõn và hai bờn mộp liờn kết hàn. Liờn kết khụng bị chỏy thủng và đạt đƣợc hỡnh dỏng phự hợp.
84 Trờn Hỡnh 5. 11 mụ tả kết quả tớnh toỏn mụ phỏng trƣờng nhiệt độ phõn bố tức thời trong liờn kết hàn khi hàn đƣờng hàn đỏy. Kết quả này cũng thể hiện rừ ràng rằng với chế độ hàn đó chọn, đƣờng hàn đỏy bảo đảm ngấu đều hai bờn mộp hàn nờn bảo đảm đƣợc hỡnh dỏng và kớch thƣớc mối hàn yờu cầu.
Hỡnh 5. 11 Trường nhiệt độ tức thời phõn bố trờn liờn kết hàn khi hàn đường hàn đỏy
Đặc thự của liờn kết hàn tổng đoạn vỏ tàu thủy là đƣờng hàn dài, vỡ vậy thụng thƣờng trƣớc khi hàn đƣờng hàn phủ thỡ nhiệt độ trong liờn kết hàn, tại vựng hàn đó giảm xuống đến nhiệt độ của mụi trƣờng. Vỡ thế mà để bài toỏn mụ phỏng diễn tả đỳng với thực tế thỡ sau khi hàn đƣờng hàn đỏy cần phải tiếp tục tớnh toỏn cho đến khi liờn kết hàn nguội đến nhiệt độ của mụi trƣờng rồi mới tiếp tục cấp nhiệt cho mụ hỡnh để tớnh toỏn tiếp đƣờng hàn phủ. Kết quả tớnh toỏn mụ phỏng trƣờng nhiệt độ phõn bố tức thời trong liờn kết hàn khi hàn đƣờng hàn phủ đƣợc thể hiện trờn Hỡnh 5. 12. Cũng dựa vào dải phõn bố màu sắc của cỏc đƣờng đẳng nhiệt trong liờn kết hàn, chỳng ta thấy rằng đƣờng hàn phủ cũng bảo đảm ngấu đều hai bờn mộp liờn kết hàn nờn hỡnh dỏng và kớch thƣớc của mối hàn đạt yờu cầu đề ra. Nghĩa là chế độ hàn đó chọn và kỹ thuật tớnh toỏn mụ phỏng đó sử dụng là phự hợp với liờn kết hàn này, nghĩa là mối hàn sẽ khụng cú nguy cơ bị chỏy thủng, chỏy cạnh, hoặc khụng ngấu.
Hỡnh 5. 12 Trường nhiệt độ tức thời phõn bố trờn liờn kết hàn khi hàn lớp phủ
Ngoài khả năng hiển thị kết quả ở phớa ngoài nhƣ cỏc Hỡnh 5. 11 và Hỡnh 5. 12 hay trờn một tiết diện ngang nhƣ Hỡnh 5. 9a, Sysweld cũn cú thể hiển thị đồng thời cỏc kết quả trờn nhiều lỏt cắt ngang khỏc nhau nhƣ Hỡnh 5. 10a. Điều này rất cú ớch cho việc quan sỏt, nhận xột, so sỏnh và đỏnh giỏ kết quả nghiờn cứu.
85 Cỏc kết quả tớnh toỏn thể hiện trong cỏc Hỡnh 5. 9 đến Hỡnh 5. 12 ở trờn chủ yếu cú tớnh chất định tớnh, chỉ giỳp đỏnh giỏ sơ bộ về quỏ trỡnh. Để biết chớnh xỏc chu trỡnh nhiệt hàn tại những vị trớ quan trọng hay vị trớ bất kỳ, thụng qua đú cú thể thấy rừ đƣợc quỏ trỡnh kết tinh và chuyển biến pha của kim loại trong liờn kết hàn, xuất hiện cỏc ứng suất nhiệt hoặc cỏc loại khuyết tật hàn khỏc trƣớc khi chế tạo thật. Chỳng ta cần phải biết đƣợc chớnh xỏc sự biến thiờn của nhiệt độ theo thời gian (chu trỡnh nhiệt hàn) tại những vị trớ quan trọng cần khảo sỏt.
Hỡnh 5. 13 Chu trỡnh nhiệt độ tại nỳt 8636
Kết quả tớnh toỏn mụ phỏng chu trỡnh nhiệt hàn tại nỳt 8636 thuộc mối hàn và nằm sỏt vựng HAZ của đƣờng hàn đỏy đƣợc thể hiện trong Hỡnh 5. 13 dƣới đõy. Kết quả tớnh toỏn cho thấy rằng, tại nỳt 8636 thuộc vựng mối hàn và nằm sỏt với vựng HAZ của đƣờng hàn đỏy, cú chu trỡnh nhiệt thay đổi theo 2 chu kỳ do hai đƣờng hàn gõy ra. Khi hàn đƣờng hàn đỏy, do nỳt 8636 nằm gần sỏt nguồn nhiệt nờn nhiệt độ tăng đột biến và đạt giỏ trị đỉnh khoảng 1550oC. Sau khi nguồn nhiệt di chuyển qua, nhiệt độ tại vị trớ này sẽ giảm dần theo sƣờn dốc bờn phải của chu kỳ 1. Khi hàn đƣờng hàn phủ, nhiệt độ tại vị trớ này lại đƣợc tăng lờn theo sƣờn dốc bờn trỏi của chu kỳ 2. Tuy nhiờn do vị trớ này nằm sõu phớa dƣới (cỏch xa tõm nguồn nhiệt) nờn nhiệt độ đỉnh của chu kỳ 2 chỉ đạt khoảng 1170oC – thấp hơn nhiệt độ núng chảy của thộp A36, hay núi cỏch khỏc khi hàn đƣờng hàn phủ thỡ nỳt 8636 khụng bị chảy lại mà chỉ bị ảnh hƣởng nhiệt lớn. Sau khi nguồn nhiệt di chuyển qua, nhiệt độ tại vị trớ này sẽ giảm dần theo sƣờn dốc bờn phải của chu kỳ 2.
Kết quả tớnh toỏn mụ phỏng chu trỡnh nhiệt hàn tại nỳt 7727 thuộc mối hàn và nằm sỏt vựng HAZ giữa 2 lớp hàn đƣợc thể hiện trong Hỡnh 5. 14. Kết quả tớnh toỏn ở trờn cho thấy rằng, tại nỳt 7727, chu trỡnh nhiệt cũng thay đổi theo 2 chu kỳ do hai đƣờng hàn gõy ra. Khi hàn đƣờng hàn đỏy, do nỳt 7727 nằm gần sỏt nguồn nhiệt nờn nhiệt độ tăng đột biến và đạt giỏ trị đỉnh khoảng 1620o
C. Sau khi nguồn nhiệt di chuyển qua, nhiệt độ tại vị trớ này sẽ giảm dần theo sƣờn dốc bờn phải của chu kỳ 1. Khi hàn đƣờng hàn phủ, nhiệt độ tại vị trớ này lại tăng lờn theo sƣờn dốc bờn trỏi của chu kỳ 2. Do vị trớ này nằm ở phớa trờn (gần tõm nguồn nhiệt) nờn nhiệt độ đỉnh của chu kỳ 2 đạt đƣợc khoảng 1650oC – cao hơn nhiệt độ núng chảy của thộp A36, nghĩa là vị trớ này bị núng chảy 2 lần. Sau khi nguồn nhiệt di chuyển qua, nhiệt tại vị trớ này sẽ giảm dần theo sƣờn dốc bờn phải của chu kỳ 2.
86
Hỡnh 5. 14 Chu trỡnh nhiệt độ tại nỳt 7727
Kết quả tớnh toỏn mụ phỏng chu trỡnh nhiệt hàn tại nỳt 7323 thuộc mối hàn và nằm sỏt vựng HAZ của đƣờng hàn phủ đƣợc thể hiện trong Hỡnh 5. 15. Kết quả tớnh toỏn cho thấy rằng, tại nỳt 7323, chu trỡnh nhiệt cũng thay đổi theo 2 chu kỳ do hai đƣờng hàn gõy ra. Khi hàn đƣờng hàn đỏy, do nỳt 7323 nằm xa nguồn nhiệt nờn nhiệt độ chỉ tăng đến giỏ trị đỉnh khoảng 1100o
C. Sau khi nguồn nhiệt di chuyển qua, nhiệt độ tại vị trớ này sẽ giảm dần theo sƣờn dốc bờn phải của chu kỳ 1. Khi hàn đƣờng hàn phủ, nhiệt độ tại vị trớ này lại tăng lờn theo sƣờn dốc bờn trỏi của chu kỳ 2. Do vị trớ này nằm ở gần tõm nguồn nhiệt nờn nhiệt độ đỉnh của chu kỳ 2 đạt đƣợc khoảng 2220oC – cao hơn nhiệt độ núng chảy của thộp A36, nghĩa là vị trớ này bị núng chảy ở chu kỳ nhiệt 2. Sau khi nguồn nhiệt di chuyển qua, nhiệt tại vị trớ này sẽ giảm dần theo sƣờn dốc bờn phải của chu kỳ 2.
87
5.1.5. Biến đổi tổ chức kim loại trong liờn kết hàn tổng đoạn