zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Cơ khí - Chế tạo máy

Dự đoán ứng suất và biến dạng khi hàn thép không gỉ bằng phần mềm sysweld

Chia sẻ: Bobietbay | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Báo xấu

19
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo này, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng ứng suất dư và biến dạng khi hàn giáp mối hai tấm thép không gỉ 316L, có chiều dày 10mm bằng phương pháp hàn Plasma với các nguồn nhiệt lần lượt là: 1000J/mm và 1200J/mm, 1400J/mm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Dự đoán ứng suất và biến dạng khi hàn thép không gỉ bằng phần mềm sysweld

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 DỰ ĐOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN THÉP KHÔNG GỈ BẰNG PHẦN MỀM SYSWELD PREDICTION OF RESIDUAL STRESS AND DEFORMATION WHEN WELDING THE DUPLEX STAINLESS STEEL BY SYSWELD SOFTWARE NGUYỄN HỒNG THANH*, HOÀNG TRỌNG ÁNH Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định *Email liên hệ: thanh.we@gmail.com Tóm tắt 1. Mở đầu Thép không gỉ 316L là loại vật liệu có khả năng Thép 316L [1] là loại vật liệu có thể làm việc trong chống ăn mòn tốt khi được tiếp xúc với nhiều loại môi trường chịu ăn mòn hóa học, có độ bền cao và hóa chất khác nhau, có độ bền tương đối cao và thường được sử dụng để làm thùng, bồn bể chứa hóa thường được sử dụng để làm thùng, bồn bể chứa chất, các loại dụng cụ, thiết bị y tế,.. hóa chất,... Như chúng ta biết, vật hàn được nung Như đã biết, sự co ngót không đồng đều hình thành nóng bởi nguồn nhiệt của hồ quang hàn và các khi kim loại vật hàn bị nung nóng cục bộ bởi nguồn điều kiện gá kẹp,... dẫn đến sự xuất hiện ứng suất nhiệt hàn. Kim loại mối hàn (KLMH) thường bị nung tới nhiệt độ cao nhất và khi nguội có xu hướng co dư trong bộ phận hoặc toàn kết cấu hàn. Chính vì nhiều hơn kim loại vùng ảnh huởng nhiệt (VAHN) và vậy, việc kiểm soát ứng suất dư và biến dạng hàn kim loại cơ bản liền kề. Sự co ngót của KLMH bị hạn là vấn đề đang được rất nhiều nhà khoa học trong chế bởi các vùng kim loại liền kề có nhiệt độ thấp hơn. và ngoài nước quan tâm. Bài báo này, sử dụng Vì vậy, KLMH sẽ chịu ứng suất kéo theo chiều dọc phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng ứng đường hàn ngay khi nhiệt độ hạ xuống đủ thấp để cho suất dư và biến dạng khi hàn giáp mối hai tấm giới hạn chảy của nó bắt đầu phục hồi. Ứng suất kéo thép không gỉ 316L, có chiều dày 10mm bằng này tiếp tục tăng trong khi nhiệt độ giảm dần tới nhiệt phương pháp hàn Plasma với các nguồn nhiệt lần độ môi trường. Điều này có thể tạo ra biến dạng dẻo lượt là: 1000J/mm và 1200J/mm, 1400J/mm. nếu như ứng suất nhiệt kéo hình thành có trị số lớn Từ khóa: Hàn Plasma, thép không gỉ duplex, hơn giới hạn chảy của vật liệu [1]. phương pháp phần tử hữu hạn, năng lượng đường. Thêm vào đó, phương pháp hàn cũng ảnh hưởng Abstract tới quá trình hình thành và phân bố ứng suất và biến Stainless steel 316L is a material that has dạng hàn. Chính vì vậy, kiểm soát ứng suất dư và biến demonstrated excellent corrosion resistance when dạng hàn là vấn đề đang được rất nhiều nhà khoa học exposed to a variety of chemicals, has relatively trong và ngoài nước quan tâm. Hàn hồ quang Plasma high durability, and is often used to make (PAW) có thể được sử dụng cho mọi kim loại và hợp chemical tanks and tanks,... As we know, kim thường được hàn bằng quá trình TIG, phương weldment is heated by heat source of arc pháp này có tính linh hoạt cao hơn, chất lượng ổn định và cao hơn, tiết kiệm năng lượng và chi phí. Đây là welding, and clamp conditions,... leading to the quy trình được sử dụng nhiều trong đóng tàu, kỹ thuật occurrence of residual stress in the part or whole hạt nhân, điện tử, không gian và nhiều lĩnh vực công welded structure. Therefore, the control of nghiệp khác. Hàn hồ quang Plasma có thể cơ khí hóa residual stress and deformation is a problem that cho năng suất, chất lượng cao, cho phép ứng dụng many domestic and foreign scientists are trong nhiều lĩnh vực. interested. This paper, using the finite element Bài báo này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn method to simulate the residual stress and để phân tích, dự đoán sự phân bố trường nhiệt độ, ứng deformation when welding two plates of 316L suất và biến dạng dư hàn trong liên kết hàn giáp mối hai stainless steel with 10mm of thickness by Plasma tấm thép không gỉ 316L bằng phương pháp hàn Plasma. welding process with heat input respective: 2. Kỹ thuật mô phỏng 1000J/mm and 1200J/mm, 1400J/mm. Keywords: Plasma arc welding, duplex stainless 2.1. Mô hình nguồn nhiệt hàn Plasma steel, finite element method, heat input. Nguồn nhiệt hồ quang làm nóng chảy vật hàn và dây hàn được tính theo công thức P=h.Uh.Ih (W), 412 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021)
HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 trong đó: Uh - là điện áp hồ quang (V); Ih - là cường Trong đó: Q là năng lượng đường (J/mm), qs là độ dòng điện hàn (A) và h là hiệu suất hồ quang hàn. nhiệt lượng thất thoát, T là nhiệt độ nóng chảy của vật Goldak và cộng sự [3, 4, 5] đã đưa ra mô hình nguồn liệu, T0 là nhiệt độ môi trường, t là thời gian (s), k là nhiệt có mật độ phân bố ellipsoid kép được xác định hệ số dẫn nhiệt (W/mm. oC), r là khối lượng riêng, C khi kết hợp hai khối bán ellipsoid khác nhau để tạo là nhiệt dung riêng (J/g oC), h là hệ số nhiệt đối lưu, β thành một nguồn nhiệt (Hình 1). là hằng số Stefan-Boltzman, [4] và Î là hệ số phát xạ. Liên quan đến trạng thái giả ổn định, công thức 3 được viết lại như sau: d 2T d 2T d 2T dQ dT (5) k +k +k - v 2 = -v h rC dx 2 dy 2 dz 2 dx dt 2.3. Mô hình biến dạng Ứng suất nhiệt hình thành trong vật hàn được xác định trên cơ sở các ứng suất thành phần theo 3 chiều (x, y, z) như công thức (6). Hình 1. Mô hình nguồn nhiệt hàn Plasma 1 sv = s1 - s 2 + s 2 -s3 + s 3 - s1 (6) 2 2 2 2 Mật độ nguồn nhiệt bên trong khối bán ellipsoid phía trước nguồn nhiệt được biểu diễn bởi phương trình (1). æ x2 y 2 z 2 ö (1) QR ( x, y, z ) = Q f expç - 2 - 2 - 2 ÷ ç af b c ÷ø è Mật độ nguồn nhiệt bên trong khối bán ellipsoid phía sau nguồn nhiệt được biểu diễn bởi phương trình 2. æ x2 y2 z2 ö (2) Q R ( x, y, z ) = Q r . exp ç - 2 - 2 - 2 ÷ ç a c ÷ø è r b Trong đó: af, ar, b và c là các thông số hình học của nguồn nhiệt, Hình 1; QR là hàm mật độ nguồn nhiệt [4, 5]. Hình 2. Trình tự thực hiện mô phỏng Hình 2 là trình tự thực hiện mô phỏng quá trình hàn Plasma. Dựa trên quy trình hàn được xây dựng Biến dạng đàn hồi tổng (e) tuân theo định luật theo chuẩn AWS. Vật hàn được chia lưới phần tử và Hook [3, 7] gồm: Biến dạng đàn hồi (ee), biến dạng mô phỏng số bằng phần mềm Sysweld [6]. dẻo (ep) và biến dạng nhiệt (eth) được xác định theo công thức (7). Bảng 1. Thông số nguồn nhiệt hàn mô phỏng e = ee + ep + eth (7) Thông số Giá trị 2.4. Các thông số của vật liệu af 6mm Thành phần hóa học và cơ tính của thép 316L được ar 10mm cho trong Bảng 2 và 3. Trong nghiên cứu này vật liệu b 6,5mm được coi có tính liên tục và đẳng hướng. c 4mm Bảng 2. Thành phần hoá học của thép 316L 2.2. Mô hình truyền nhiệt Thành phần hoá học, % Trong công thức 3 là mô hình truyền nhiệt theo 3 chiều (3D) ở trạng thái giả ổn định. Công thức 4 mô C Si Mg P S Cr Ni Mo tả sự mất nhiệt do trao đổi và bức xạ nhiệt ra môi trường xung quanh [3]. 0,03 0,75 2,0 0,04 0,03 16÷18 10÷14 2,0 d 2T d 2T d 2T dQ dT (3) k 2 + k 2 + k 2 + k 2 = rCk dx dy dz dx dt (4) SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 413
HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng 3. Tính chất vật lý của thép 316L Đặc tính Giá trị Mô đun đàn hồi (GPa) 193 Giới hạn chảy (MPa) 290 Giới hạn bền (MPa) 627 Nhiệt độ nóng chảy (oC) 1399 Nhiệt độ đông đặc ( C) o 1350 Hình 5. Vị trí gá kẹp khi mô phỏng 2.5. Thiết kế và chia lưới vật hàn Mối ghép hàn được thiết kế bằng phần mềm VisualMesh [6], dựa theo tiêu chuẩn AWS [8], xem Hình 3. Sau đó vật hàn được chia lưới với 44558 phần tử (element) và 35352 nút (node). Hình 6. Quỹ đạo đường hàn và đường dẫn 2.7. Thông số mô phỏng Bảng 4. Thông số hàn mô phỏng Trường Năng lượng Vận tốc hàn hợp hàn đường (J/mm) (mm/s) 1 1000 5 Hình 3. Liên kết hàn giáp mối 2 1200 5 3 1400 5 Để kết quả mô phỏng được chính xác vùng mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ được chia lưới mịn Chế độ mô phỏng bằng phương pháp hàn Plasma hơn, các vùng còn lại ít chịu tác động bởi nhiệt độ cao được mô tả trong Bảng 4. sẽ được chia lưới thưa hơn, Hình 4. 3. Kết quả và luận bàn Sau khi chia lưới xong, lưu file dưới định dạng *.*vdb và chuyển sang modul Visualweld để mô phỏng quá trình hàn Plasma. Giải bài toán ta thu được kết quả sau: 3.1. Trường nhiệt độ Hình 4. Mô hình hoá liên kết hàn 2.6. Điều kiện gá kẹp Liên kết hàn được kẹp chặt theo 3 chiều x, y, z một tấm, trong tất cả các trường hợp, xem Hình 5. Hình 6, minh họa mô hình nguồn nhiệt Plasma, Hình 7. Hình dạng bể hàn đường hàn, đường dẫn; điểm bắt đầu và kết thúc đường hàn và đường dẫn. Hình 7, thể hiện hình dạng kích thước bể hàn khi 414 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021)
HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 mô phỏng với nguồn nhiệt 1200J/mm. Nhiệt độ tại nút Nhận thấy rằng, khi hàn Plasma với nguồn năng lượng 8376 (tâm vũng hàn) khoảng 2578 oC và nhiệt độ phía thấp biến dạng ở mép ngoài cùng của tấm hàn cao hơn trước nguồn nhiệt hàn là 20oC tại nút 525. 2 trường hợp còn lại. Ngược lại, tại vùng mối hàn và vùng HAZ lại nhỏ nhất. Hình 8. Hình dạng bể hàn Hình 8 thể hiện hình dạng bể hàn với 3 nguồn nhiệt lần lượt là 1000J/mm, 1200J/mm và 1400J/mm. Nhận thấy rằng, với năng lượng nguồn nhiệt hợp lý 1000J/mm là vừa đủ để ngấu suốt chiều dày tấm hàn. Còn các nguồn nhiệt khác cho kích thước bể hàn và chiều sâu ngấu lớn hơn. Hình 9 mô tả trường nhiệt độ tại nút 2889 thuộc mối hàn và nút 514 thuộc vùng HAZ cách chân mối hàn 2mm. Nhận thấy rằng, nhiệt độ tại nút 514 đạt đến nhiệt độ của trạng thái biến dạng dẻo. Hình 11. Phân bố ứng suất Von mises Hình 9. Nhiệt độ tại nút 2889 và nút 514 3.3. Ứng suất 3.3.1. Ứng suất Von mises Sự phân bố ứng suất dư Von mises của 3 trường hợp được mô tả trên Hình 11. Ta nhận thấy rằng, với nguồn năng lượng là 1000J/mm ứng suất dư là lớn nhất. Tuy nhiên, chỉ tập trung tại phía dưới mối hàn, Hình 11.a. Trường hợp 3, ứng suất nhỏ nhất (261,5MPa), Hình 11.c nhưng lại phân bố suốt chiều dày tấm hàn và cũng tương tự như trường hợp thứ 2, Hình 11.b với nguồn năng lượng đường là 1200J/mm. Hình 10. Biến dạng hàn 3.3.2. Ứng suất pháp theo phương Y Dựa vào phổ màu, Hình 12 cho ta biết được sự 3.2. Biến dạng phân bố ứng suất dư pháp tuyến theo phương Y (dọc Hình 10 mô tả biến dạng của cả 3 trường hợp hàn trục đường hàn) của 3 trường hợp hàn. Nhận thấy rằng, với các nguồn năng lượng đường như đã nói ở trên. sự phân bố ứng suất dư kéo của trường hợp 1 đạt SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 415
HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 358,6MPa, lớn hơn so với trường hợp 2 là 61MPa và giáp mối hai tấm thép không gỉ 316L. Thông qua phần trường hợp 3 là 78,8MPa. Tuy nhiên, ứng suất dư nén mềm mô phỏng, ta có thể quan sát được sự phân bố của cả 3 trường hợp chênh lệch nhau không đáng kể, ứng suất dư kéo (nén) trong kết cấu hàn. Từ đó, có thể giá trị đạt được khoảng » 160Mpa. bố trí các đường hàn cho phù hợp nhằm giảm ứng suất và biến dạng hàn. Với các kết quả nghiên cứu của mình, tác giả hy vọng sẽ áp dụng vào thực tế sản xuất nhằm giảm bớt những tác động đến môi trường, sức khỏe người lao động và tiết kiệm chi phí sản xuất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Văn Địch, Sổ tay thép thế giới, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội. 2004. [2] Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn nóng chảy, Tập 1&2, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội. 2007. [3] Nguyễn Tiến Dương, Mô phỏng quá trình truyền nhiệt khi hàn, Hà Nội. 2008. [4] Zienkiewicz, O. C, The Finite Element Method, McGraw-Hill Company, London. 1977. [5] J. Goldak, M. Bibby, J. Moore and B. Patel, (1996s), Computer Modling of Heat Flow in Welds. [6] ESI Group, 99 Rue Des, Solets Silic 112 94513 Rungis Cedex FRANCE. [7] T. R Gruney, (1979), Fatigue of Welded Structures, Cambridge University Press. [8] AWS D1.1 2010, Structural Welding Code - Steel, An American National Standard. Ngày nhận bài: 09/7/2021 Ngày nhận bản sửa: 08/8/2021 Ngày duyệt đăng: 15/8/2021 Hình 12. Ứng suất pháp theo phương Y 4. Kết luận Dựa vào phần mềm Sysweld tác giả đã mô phỏng được hình dạng kích thước bể hàn, trường nhiệt độ, ứng suất dư và biến dạng khi hàn Plasma hai tấm thép không gỉ 316L. Nhận thấy rằng, sự phân bố ứng suất dư phụ thuộc rất nhiều vào công suất nguồn nhiệt, mặc dù năng lượng nguồn nhiệt thấp ứng suất dư cao như trường hợp 1 (Hình 11.a) nhưng ứng suất dư chỉ tập trung ở phần mặt dưới của mối hàn. Điều này rất dễ dàng cho việc áp dụng phương pháp rung khử ứng suất dư. Với 2 trường hợp còn lại, ứng suất dư ngoài việc phân bố như trường hợp 1, lại phân bố theo chiều dày tấm hàn dẫn đến việc khử ứng suất là tương đối phức tạp, mất nhiều thời gian, tốn kém về kinh tế. Bài báo này, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng ứng suất dư và biến dạng khi hàn 416 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021)
THỂ LỆ VIẾT BÀI GỬI ĐĂNG TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 1. Tạp chí “Khoa học Công nghệ Hàng hải” đăng các thông tin, phổ biến các định hướng nghiên cứu khoa học và đào tạo của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, công bố và phổ biến kết quả các công trình nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ thuộc các chuyên ngành đào tạo của Nhà trường, phục vụ các lĩnh vực thuộc ngành Hàng hải mà các thông tin này chưa đăng trên bất kỳ một ấn phẩm nào. 2. Quy định về hình thức trình bày một bài báo gửi đăng trên Tạp chí: Bài gửi đăng trên Tạp chí được đánh máy vi tính theo font Unicode (Times New Roman), cỡ chữ 10pt trên khổ giấy A4 (Lề trái: 2,8 cm; Phải: 2,5cm; Trên: 3,0cm; Dưới: 2,5cm - được chia làm 02 cột) gồm 01 bản in dài không quá 05 trang và kèm theo file bản thảo được gửi về Ban biên tập Tạp chí qua địa chỉ Email: jmst@vimaru.edu.vn. Quy cách trình bày được đăng trên Website http://www.khcn.vimaru.edu.vn/. + Tên bài báo viết bằng tiếng Việt và tiếng Anh (Times New Roman in hoa, đậm cỡ chữ 12pt); + Họ và tên tác giả (Times New Roman in hoa, đậm cỡ chữ 10pt); + Tên đơn vị (Times New Roman thường, nghiêng cỡ chữ 10pt); + Bài báo cần có đầy đủ tóm tắt, từ khóa, tóm tắt nội dung bài báo bằng tiếng Việt và tiếng Anh tối thiểu 100 từ, tối đa 300 từ phải nêu được nội dung chính, đóng góp mới của công trình (Times New Roman thường, nghiêng cỡ chữ 10pt); + Nội dung bài báo cần có hành văn rõ ràng, súc tích, cách dùng thuật ngữ khoa học và đơn vị đo lường hợp pháp do Nhà nước ban hành hoặc đã dùng thống nhất trong chuyên môn hẹp và cần phải được phân rõ phần, mục, tiểu mục có đánh số thứ tự; + Công thức được viết theo Equation Editor, viết rõ theo kí hiệu thông dụng và đánh số thứ tự công thức về phía bên phải. Hình và ảnh minh họa là hình đen trắng, rõ nét và cần được chú thích đầy đủ (font in thường, đậm, nghiêng cỡ chữ 9pt); + Danh mục tài liệu tham khảo được đặt ngay sau phần kết luận của bài báo được ghi theo trình tự: thứ tự tài liệu trong [ ]; Với tài liệu tham khảo là sách thì tên tác giả chữ thường, tên sách chữ nghiêng, nhà xuất bản, năm xuất bản; Với tài liệu tham khảo là Tạp chí thì tên tác giả chữ thường, tên bài chữ nghiêng, tên tạp chí, số tạp chí, năm xuất bản. + Bản thảo bài báo không đánh số trang. 3. Bài gửi đăng cần được viết cẩn thận, đúng văn phạm (đặc biệt là tiếng Anh), đánh máy rõ ràng và có ý kiến cho phép công bố của đơn vị chủ quản trực tiếp. Bài báo gửi đăng sẽ được ít nhất 02 phản biện của bài báo đọc, góp ý sửa chữa và cho ý kiến có thể công bố trên Tạp chí “Khoa học Công nghệ Hàng hải”. 4. Tạp chí “Khoa học Công nghệ Hàng hải” chỉ đăng các bài đáp ứng các yêu cầu trên. Bài không đăng không trả lại bản thảo cho người gửi. 5. Tác giả có bài được đăng trên Tạp chí “Khoa học Công nghệ Hàng hải” được biếu 01 cuốn Tạp chí đăng bài đó và được hưởng mọi quyền lợi theo quy định. Thư góp ý kiến và bài gửi đăng xin gửi theo địa chỉ: Tòa soạn Tạp chí “Khoa học Công nghệ Hàng hải” Phòng KH-CN, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 484 Lạch Tray - Lê Chân - Hải Phòng Tel: 0225 3829111; Email: jmst@vimaru.edu.vn Ghi chú: Theo Quyết định số 18/QĐ-HĐGSNN, ký ngày 30/6/2020 của Hội đồng Giáo sư Nhà nước có quy định những bài báo đăng trên Tạp chí "Khoa học Công nghệ Hàng hải" của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, được tính từ 0 đến 0,75 điểm công trình khoa học quy đổi khi xét công nhận các chức danh GS, PGS. In 300 cuốn tại Xưởng In Nhà xuất bản Hàng hải, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam In xong và nộp lưu chiểu tháng 10 năm 2021

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.