MÔ PHỎNG BIẾN DẠNG của ỐNG TRONG QUI TRÌNH hàn hồ QUANG

M CL C
M C L C ............................................................................................................... viii
DANH M C HÌNH ................................................................................................... xi
DANH M C B NG ............................................................................................... xiii
CH

NG 1: T NG QUAN ....................................................................................... 1

1.1 T ng quan v lƿnh v c nghiên c u, các k t qu nghiên c u trong và ngoài
n

c ......................................................................................................................... 1
1.1.1 T ng quan v lƿnh v c hàn h quang đi n: ................................................. 1
1.1.2 Tình hình nghiên c u trong n

c: ............................................................... 2

1.1.3 Tình hình nghiên c u ngoƠi n

c: .............................................................. 3

1.2 M c tiêu c a đ tài ............................................................................................. 4
1.3 Nhi m v c a đ tƠi, ph

ng pháp nghiên c u và gi i h n c a đ tài .............. 5

1.3.1 Nhi m v c a đ tài: .................................................................................... 5
1.3.2 Ph

ng pháp nghiên c u: ............................................................................ 5

1.3.3 Gi i h n c a đ tài:...................................................................................... 5
1.4 Giá tr th c ti n c a đ tài .................................................................................. 5
CH

NG 2: C S LÝ THUY T ........................................................................... 7

2.1. Hàn h quang nóng ch y trong môi tr

ng có khí b o v ............................... 7

2.2. Phân lo i hàn h quang nóng ch y trong môi tr

ng có khí b o v ................ 7

2.2.1 Hàn h quang bằng đi n c c nóng ch y trong môi tr

ng có khí b o v

(GMAW: Gas Metal Arc Welding): ..................................................................... 7
2.2.2 Hàn h quang bằng đi n c c không nóng ch y trong môi tr

ng khí tr

(GTAW: Gas Tungsten Arc Welding): .............................................................. 11
2.3. Mô hình toán h c c a bài toán:....................................................................... 14
2.4. S hình thành m i hàn .................................................................................... 20
2.4.1. Khái ni m v m i hàn. ............................................................................. 20
2.4.2. S t o thành bể hàn .................................................................................. 21
2.4.3. S d ch chuyển c a kim lo i l ng t đi n c c vào bể hàn: ...................... 22
2.5. Các thông s công ngh hàn: .......................................................................... 23

viii


2.6.

ng suất và bi n d ng trong quá trình hàn:.................................................... 25

2.6.1. Hi n t

ng v t lý x y ra trong quá trình hàn ........................................... 25

2.6.2. C ch hình thành ng suất và bi n d ng trong m i hàn: ........................ 25
2.6.3. Phân lo i ng suất và bi n d ng hàn: ....................................................... 27
2.7. nh h
CH

ng c a nhi t đ đ n quá trình hàn:.................................................... 29

NG 3: MỌ PH NG BI N D NG

NG TRONG QUI TRÌNH HÀN H

QUANG .................................................................................................................... 32
3.1. TR

NG H P HÀN GIÁP MÍ..................................................................... 32

3.1.1 Mô hình hình h c, thông s hàn và kim lo i hàn c a bài toán:................ 32
3.1.2 K t qu mô ph ng bi n d ng, ng suất và nhi t đ : ................................ 33

3.1.3 Nh n xét .................................................................................................... 35
3.2 TR

NG H P HÀN VUÔNG GÓC S

D NG CO HÀN ......................... 37

3.2.1 Mô hình hình h c, thông s hàn, và kim lo i hàn c a bài toán:............... 37
3.2.2 K t qu mô ph ng bi n d ng, ng suất và nhi t đ : ................................ 38
3.2.3 Nh n xét .................................................................................................... 40
3.3 TR

NG H P HÀN CH

T ........................................................................ 41

3.3.1 Mô hình hình h c, thông s hàn, và kim lo i hàn c a bài toán:............... 41
3.3.2 K t qu mô ph ng bi n d ng, ng suất và nhi t đ : ................................ 42
3.2.3 Nh n xét .................................................................................................... 44
CH

NG 4: TH C NGHI M VÀ SO SÁNH ....................................................... 46

4.1 V t li u m u: ................................................................................................... 46
4.2 Thi t b , v t li u hàn và d ng c đo kiểm ...................................................... 46
4.3 D ng c đo kiểm ............................................................................................. 47
4.4 xác đ nh các y u t

nh h

ng đ n đ bi n d ng và hàn m u ....................... 48

4.5 K t qu và so sánh: ......................................................................................... 49
4.5.1 Biểu đ so sánh bi n d ng gi a k t qu th c nghi m và k t qu mô ph ng
tr

ng h p hàn giáp mí: ..................................................................................... 49

4.5.2 Nh n xét: ................................................................................................... 54
4.5.3 K t lu n: .................................................................................................... 54

ix


4.5.4 Biểu đ so sánh bi n d ng gi a k t qu th c nghi m và k t qu mô ph ng
tr

ng h p hàn vuông góc s d ng co hàn ........................................................ 56

4.4.5 Nh n xét: .................................................................................................. 61
4.5.6 K t lu n: ................................................................................................... 61
4.5.7 Biểu đ so sánh bi n d ng gi a k t qu th c nghi m và k t qu mô ph ng
tr

ng h p hàn ch T ......................................................................................... 63

4.6.8 Nh n xét: ................................................................................................... 68
4.6.9 K t lu n: .................................................................................................... 68
CH

NG 5: K T LU N VẨ Đ NGH ................................................................ 70

5.1 K t lu n: ........................................................................................................... 70
5.2 Đ ngh :............................................................................................................ 70
5.3 H

ng phát triển đ tài: ................................................................................... 70

TÀI LI U THAM KH O ......................................................................................... 71

x


DANH M C HÌNH
Hình 2.1: S đ hàn h quang nóng ch y trong môi tr

ng có khí b o v ............... 9

Hình 2.2: s đ thi t b hàn h quang đi n c c nóng ch y ....................................... 10
Hình 2.3: S đ nguyên lý hàn h quang đi n c c không nóng ch y....................... 11
Hình 2.4 : Thi t b hàn h quang đi n c c không nóng ch y trong môi tr

ng khí

tr .............................................................................................................................. 13
Hình2.5: Cấu t o m hàn TIG ................................................................................... 13
Hình 2.6: T

ng tác gi a các y u t v t lý trong quá trình hàn ............................... 15

Hình 2. 1 Mô hình ngu n nhi t ............................................................................... 19
Hình 2.7: cấu t o m i hàn ......................................................................................... 20
Hình 2.8: Bể hàn ....................................................................................................... 21
Hình 2.9: Tác d ng c a l c t tr

ng lên đi n c c .................................................. 23

Hình 2.10: a) H quang dài; b) H quang trung bình; c) H quang ngắn ................ 24
Hình 2.11: S giãn n vì nhi t c a kim lo i khi b c đ nh m t đ u ........................ 26
Hình 2.12: S giãn n vì nhi t c a kim lo i khi b c đ nh hai đ u ......................... 26
Hình 2.13: Bi n d ng ngang c a m i hàn; a) Bi n d ng m i hàn giáp mí; b) Bi n
d ng m i hàn ch T ................................................................................................... 29
Hình 2.14: Bi n d ng m i hàn ch T ........................................................................ 29
Hình 2.15: Tính chất c a kim lo i thay đ i do nhi t đ ............................................ 31
Hình 3.1: Mô hình hình h c c a bài toán .................................................................. 32
Hình 3.2: Que hàn ph .............................................................................................. 33
Hình 3.3: T a đ và v trí đo bi n d ng c a lien k t hàn .......................................... 33
Hình 3.4: Biểu đ k t qu mô ph ng ........................................................................ 36
Hình 3.5: Mô hình hình h c bài toán ........................................................................ 37
Hình 3.6: Que hàn ph .............................................................................................. 38
Hình 3.7: T a đ và v trí đo bi n d ng c a liên k t hàn .......................................... 38
Hình 3.8: Biểu đ k t qu mô ph ng ........................................................................ 40
Hình 3.9: Mô hình hình h c c a bài toán .................................................................. 41

xi


Hình 3.10: Que hàn ph ............................................................................................ 42
Hình 3.11: T a đ và v trí đo bi n d ng c a liên k t hàn ........................................ 42
Hình 3.12: Biểu đ k t qu mô ph ng ...................................................................... 44

Hình 4.0: Máy cắt dây và phôi sau khi cắt ................................................................ 46
Hình 4.1: Máy hàn HYO SUNG PRT500................................................................. 47
Hình 4.2 : Que hàn ph Yawata ................................................................................ 47
Hình 4.3: Thi t b đo k t h p máy ti n ..................................................................... 48
Hình 4.4: Thi t b đo k t h p máy phay ................................................................... 48
Hình 4.5: M u sau khi hàn ........................................................................................ 49
Hình 4.6: Biểu đ bi n d ng c a m u dày 2.5 mm ................................................... 50
Hình 4.7: Biểu đ bi n d ng c a m u dày 3.2 mm ................................................... 51
Hình 4.8: Biểu đ bi n d ng c a m u dày 4 mm ...................................................... 52
Hình 4.9: Biểu đ bi n d ng c a m u dày 5.2 mm ................................................... 53
Hình 4.10: Biểu đ t ng h p k t qu bi n d ng c a thí nghi m 4 lo i chi u dày .... 54
Hình 4.11: Biểu đ bi n d ng c a m u dày 2.5 mm ................................................. 56
Hình 4.12: Biểu đ bi n d ng c a m u dày 3.2 mm ................................................. 57
Hình 4.13: Biểu đ bi n d ng c a m u dày 4 mm .................................................... 58
Hình 4.14: Biểu đ bi n d ng c a m u dày 5.2 mm ................................................. 59
Hình 4.15: Biểu đ t ng h p k t qu bi n d ng c a thí nghi m 4 lo i chi u dày .... 60
Hình 4.16: Biểu đ bi n d ng c a m u dày 2.5 mm ................................................. 63
Hình 4.17: Biểu đ bi n d ng c a m u dày 3.2 mm ................................................. 64
Hình 4.18: Biểu đ bi n d ng c a m u dày 4 mm .................................................... 65
Hình 4.19: Biểu đ bi n d ng c a m u dày 5.2 mm ................................................. 66
Hình 4.20: Biểu đ t ng h p k t qu bi n d ng thí nghi m 4 lo i chi u dày........... 67

xii


DANH M C B NG
B ng2.1 : Thành ph n hóa h c c a m t s lo i đi n c c Wolfram theo tiêu chu n
AWS A5.12 - 80 ........................................................................................................ 12
B ng 2.1: C tính thép thay đ i do nhi t thay đ i .................................................... 30
B ng 3.1: K t qu mô ph ng nhi t đ , bi n d ng và ng suất ................................. 35

b ng 3.1.1: B ng s li u k t qu mô ph ng bi n d ng c a 4 lo i ............................. 35
B ng 3.2: K t qu mô ph ng nhi t đ , bi n d ng và ng suất ................................. 39
b ng 3.2.1: B ng s li u k t qu mô ph ng bi n d ng c a 4 lo i ............................. 40
B ng 3.3: K t qu mô ph ng nhi t đ , bi n d ng và ng suất ................................. 43
b ng 3.3.1: B ng s li u k t qu mô ph ng bi n d ng c a 4 lo i ............................. 44
B ng 4.1 b ng s li u k t qu bi n d ng c a mô ph ng và thí nghi m .................... 49
B ng 4.2 b ng s li u k t qu bi n d ng c a mô ph ng và thí nghi m .................... 50
B ng 4.3 b ng s li u k t qu bi n d ng c a mô ph ng và thí nghi m .................... 51
B ng 4.4 b ng s li u k t qu bi n d ng c a mô ph ng và thí nghi m .................... 52
B ng 4.5 b ng s li u k t qu bi n d ng c a thí nghi m 4 lo i chi u dày ............... 53
B ng 4.6 b ng s li u k t qu bi n d ng c a mô ph ng và thí nghi m .................... 56
B ng 4.7 b ng s li u k t qu bi n d ng c a mô ph ng và thí nghi m .................... 57
B ng 4.8 b ng s li u k t qu bi n d ng c a mô ph ng và thí nghi m .................... 58
B ng 4.9 b ng s li u k t qu bi n d ng c a mô ph ng và thí nghi m .................... 59
B ng 4.10 b ng s li u k t qu bi n d ng c a thí nghi m 4 lo i chi u dày ............. 60
B ng 4.11 b ng s li u k t qu bi n d ng c a mô ph ng và thí nghi m: ................. 63
B ng 4.12 b ng s li u k t qu bi n d ng c a mô ph ng và thí nghi m: ................. 64
B ng 4.13 b ng s li u k t qu bi n d ng c a mô ph ng và thí nghi m .................. 65
B ng 4.14 b ng s li u k t qu bi n d ng c a mô ph ng và thí nghi m .................. 66
B ng 4.15 b ng s li u k t qu bi n d ng c a thí nghi m 4 lo i chi u dày ............. 67

xiii


CH

NGă1:ăT NG QUAN

1.1 T ngăquanăv lƿnhăv cănghiênăc u,ăcácăk tăqu nghiênăc uătrongăvƠăngoƠiă
n

c
1.1.1 T ngăquanăv ălƿnhăv căhƠnăh ăquangăđi n:
Hàn h quang đi n trong môi tr

Welding) là công ngh hƠn đ

ng có khí b o v (GSAW: Gas Shielded Arc

c s dung rất r ng rãi hi n nay . Trong n n công

nghi p hi n đ i hàn h quang bằng đi n trong môi tr

ng có khí b o v chi m m t

v trí rất quan tr ng. Nó không nh ng có thể hàn các lo i thép k t cấu thông th

ng

mà còn có thể hàn các lo i thép h p kim cao, kim lo i màu và h p kim c a chúng.
NgoƠi ra ph

ng pháp hƠn nƠy không nh ng có thể thao tác bằng tay mà còn có

thể t đ ng hóa, t o m i hàn có chất l

ng cao đ i v i h u h t các kim lo i và h p

kim.
Trong nh ng năm g n đơy k thu t HƠn đƣ có nh ng b

đáp ng đ

c phát triển m nh m ,

c các yêu c u ngày cao v công ngh và v t li u. Nhi u ph

Hàn m i đƣ xuất hi n, các công ngh m i đƣ đ

ng pháp

c áp d ng r ng rãi trong k thu t

Hàn, t ch ch y u s d ng công ngh hàn h quang tay, đ n nay có kho ng 130
ph

ng pháp hƠn khác nhau đ

c s d ng r ng rãi. Có thể chia công ngh hàn

thành 2 nhóm nh sau:

1


1.1.2 Tìnhăhìnhănghiênăc uătrongăn
1.2.1

c:

Đ tƠi “ Nghiên c u m t s thông s c b n nh h

ng t i quá

trình hình thành m i hàn và quá trình luy n kim trong hƠn MIG, MAG ” - Tr
ĐH S Ph m K Thu t TP HCM. Đ tƠi đ
Ph m Văn Đi u th c hi n d

is h

ng

c nghiên c u vƠo năm 2004 do Th.s

ng d n c a TS. HoƠng Văn Chơu.

 N i dung c a đ tài là xem xét nh h
đ n vi c t o dáng m i hàn và nh h

ng c a các thông s công ngh

ng t i quá trình hàn. D a trên các c s lý

thuy t và các k t qu thí nghi m để đánh giá khi các thông s hƠn thay đ i thì thành
ph n ph n trăm các nguyên t t ch c kim lo i m i hƠn thay đ i th nào, d n đ n
c tính c a chúng b tác đ ng ra sao. T đó tác gi đ a ra k t lu n v vi c l a chon
các thông s c b n c a công ngh hàn MIG, MAG m t cách t i u, để đ m b o
chất l

ng m i hàn t t nhất áp d ng trong s n xuất.
1.2.2

Đ tƠi “ Nghiên c u xác đ nh ng suất d cho m i hàn ng

ch u áp l c bằng nhi u x X- Quang” - Tr

ng ĐH S Ph m K Thu t. Đ tƠi đ

nghiên c u vƠo năm 2011 do Th.s Nguy n Văn T
c a TS. Lê Chí C

ng th c hi n d

is h

c

ng d n

ng.

 N i dung nghiên c u đ tài là nghiên c u lý thuy t không phá h y (X
ậ quang), áp d ng vào vi c xác đ nh các
theo ph

ng suất d các m i hàn ng giáp m i hàn

ng pháp lót TIG ph đi n và ti n hƠnh đo đ c th c nghi m để xác đ nh

ng suất d trên m u hàn ng, kh o sát so sánh hàm hấp th c a mặt m i hàn ng
so v i mặt phẳng mà thi t b hi n đang áp d ng. Thi n th c nghi m d

m u vƠ đo nhi u x , x lý k t qu đ t đ

c và ti n hành tính toán ng suất d .

 K t qu mà lu n văn đƣ đ t đ
đ ng lý thuy t t

i d ng ch n

c lƠ trình bƠy 1 cách đ y đ và cô

ng đ i m i v xác đ nh ng suất d cho v t li u hàn, k t cấu hàn.

Quá trình th c nghi m đƣ xác đ nh đ

c ng suất d c a m i hàn ng ch u áp l c

v t li u A106 ậ GrB (theo ASTM) kích th

c m u O.D = 114mm và dày t = 8.56

mm ti n hành hàn theo qui trình LiLAMA 2 ậ 08, áp d ng tiêu chu n ASME ậ IX.
T đó ch ng minh đ
hƠn đang đ

c ph

ng pháp có thể áp d ng để kiểm tra cho các k t cấu

c s d ng t i các nhà máy nhi t đi n ph c v cho công tác s a ch a

2


b od

ng h th ng đ

ng ng ch u áp có ch a m i hƠn lƠ n i có thể b h h ng do

ng suất d t n t i.
Đ tƠi “ Kh o sát tình tr ng phân b

1.2.3

ng suất d trong m i hàn

ma sát h p kim nhôm 1060 dùng nhi u x X ậ quang” ậ Tr
Thu t. Đ tƠi đ
hi n d

is h

c nghiên c u vƠo năm 2011 do Th.s Nguy n Th Kim Uyên th c
ng d n c a TS. Lê Chí C

 N i dung đ tƠi lƠ dùng ph
kh o sát phân b
tr i c a ph

ng ĐH S Ph m K

ng.
ng pháp hƠn ma sát vƠ nhi u x tia X để

ng suất d trên h p kim nhôm. T đó cho thấy các u điểm v

t

ng pháp nƠy, lƠm c s để nghiên c u và ng d ng t i Vi t Nam. Máy

đo nhi u x là lo i máy c đ nh đặt t i Trung Tâm H t Nhân Tp. H Chí Minh, s
d ng ph

ng pháp đo Omega vƠ tính toán ng suất đ

c d a trên ph

ng pháp.

 K t qu th c nghi m cho thấy trên m i hàn ma sát h p kim nhôm
1060 ng suất thay đ i trong kho ng t -31 ÷ 0.99 MPa và trong gi i h n b n c a
v t li u. S thay đ i ng suất tr
vùng nh h

c và sau khi hàn là kho ng 31% và phân b trong

ng nhi t. T đó rút ra đ

h n so v i các ph

c nh ng u điểm mƠ hƠn ma sát v

ng pháp hƠn khác.

1.1.3 Tìnhăhìnhănghiênăc uăngoƠiăn
1.3.1

t tr i

c:

Simulation and experimental study on distortion of butt and T-

joints using WELD PLANNER Mohd Shahar Sulaiman, Yupiter HP Manurung,
Esa Haruman, Mohammad Ridzwan Abdul Rahim, Mohd Ridhwan Redza, Robert
Ngendang Ak. Lidam, Sunhaji Kiyai Abas, Ghalib Tham1 and Chan Yin Chau
(June 23, 2011)
 Đ tài này s d ng ph n m m weld planner để mô ph ng bi n d ng c a
v t hàn và so sánh k t qu v i th c nghi m trong c hai tr
kích th

c (150x50x4 ) mm, và m i hƠn góc có kích th
1.3.2

ng h p m i hàn giáp mí có

c (150x50x4 ) mm.

Multippurpose ANSYS FE procedure for welding processes

simulation Andrea Capriccioli, Paolo Frosi (2009)
 Đ tài này s d ng ph

ng pháp ph n t h u h n đa ch c năng c a ph n

m m ANSYS để mô ph ng nhi t đ và bi n d ng c trong hƠn TIG vƠ hƠn laser.

3


1.3.3

Modeling,

Simulation

and

Experimental

Studies

of

Distortions, Residual Stresses and Hydrogen Diffusion During Laser Welding of
As-Rolled Steels T. Böhme, C. Dornscheidt, T. Pretorius, J. Scharlack and F.
Spelleken (2012)
 Bài báo này ch y u xây d ng mô hình toán vƠ ph

ng pháp s để

gi i bài toán nhi t và mô ph ng quá trình hàn ghép mí trên tấm m ng có kích th
(75 X 50 X 1.8 ) mm đ ng th i phân tích s

nh h

c

ng c a nhi t đ đ n ng suất

không đi sơu vƠo đ bi n d ng .
K t Lu n: Ch a có nhi u công trình nghiên c u t p trung mô ph ng v bi n
d ng c a ng trong quá trình hàn s d ng ph

ng pháp hƠn h quang. Vì v y trong

công trình nghiên c u này s ti n hành mô ph ng s bi n d ng c a ng, ng suất d
t p trung trên ng do nhi t c a quá trình hàn h quang gây ra để t đó có thể d
báo tr

c các bi n d ng có h i trong quá trình hàn nhằm gi m thiểu chúng, góp

ph n ti t ki m đ

c chi phí khi hàn. Ngoài ra tác gi s th c hi n các thí nghi m

trên các v t hàn để so sánh v i quá trình mô ph ng, các v t hàn là các ng có kích
th

c chi u dài là 200 mm, đ

ng kính 60, 50; b dày là 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5

mm.
1.2 M cătiêuăc aăđ ătƠi
Trên c s phân tích các k t qu c a các đ tài nghiên c u đƣ nêu
thể thấy đ
h

c vấn đ mô ph ng bi n d ng hƠn đang đ

trên thì có

c quan tâm và có t m nh

ng l n. Vì v y đ tƠi : “ Mô ph ng bi n d ng c a ng trong qui trình hàn h

quang” đ

c th c hi n v i các m c đích sau:

 H tr quá trình thi t k qui trình hƠn đ t đ
 Có thể d báo tr

cđ

c k t qu t t h n.

c các bi n d ng không có l i, t đó đi u ch nh l i

qui trình hàn trong ph n thi t k để gi m thiểu các y u t gây h i, nh h

ng đ n

năng suất và giá tr kinh t .
 Thông qua quá trình th c hi n đ tƠi, các b
đ

c mô ph ng và thí nghi m s

c ti p t c s d ng cho các nghiên c u chuyên sâu v công ngh hàn.

4


1.3 Nhi m v ăc aăđ ătƠi,ăph

ngăphápănghiênăc u và gi iăh năc aăđ ătƠi

1.3.1 Nhi măv ăc aăđ ătƠi:
 Nghiên c u v công ngh hàn h quang đi n trong môi tr

ng có khí b o v .

 L p qui trình mô ph ng bi n d ng c a các liên k t hàn.
 Ti n hành mô ph ng quá trình hàn ng c a các m i hàn. T đó thu nh n
k t qu mô ph ng và ti n hành phân tích.
 Ti n hành làm thí nghi m v i các m u hàn, so sánh bi n d ng c a các m u
hàn v i k t qu mô ph ng và rút ra k t lu n.

1.3.2 Ph
Ph

ngăphápănghiênăc u:

ng pháp thu th p và t ng h p tài li u:
 Thu th p tƠi li u liên quan t i k thu t hƠn , các tiêu chu n liên quan

t i quá trình hƠn, t khơu chu n b m i ghép , v t li u li u hƠn, ch đ hƠn.
Ph

ng pháp phân tích, so sánh:
 D a trên các k t qu c a quá trình mô ph ng , k t qu c a các thí

nghi m để so sánh, rút ra các y u t
 So sánh s t

nh h

ng đ n k t qu .

ng thích gi a k t qu mô ph ng vƠ thí nghi m th c t v

s bi n d ng c a v t hƠn. T đó rút ra k t lu n mang tính thuy t ph c cao, có thể d
báo tr

cđ

c nh ng bi n d ng có h i, nh h

ng đ n năng suất hƠn trong th c t .

1.3.3 Gi iăh năc aăđ ătƠi:
 Ch nghiên c u trong lƿnh v c hƠn h quang.
 Ph n m m s d ng: s d ng ph n m m ANSYS Workbench 14.0 để
mô ph ng s bi n d ng c a ng trong quá trình hƠn h quang
 Liên k t hƠn: Nghiên c u liên k t hƠn giáp mí, hƠn ch T, hàn vuông
góc s d ng co hàn.
 Kích th

c c a v t hƠn: ng dƠi 20cm, đ

ng kính ngoƠi 60mm, b

dày 2mm, 3mm, 4mm, 5mm.
 V t li u c a v t hƠn: thép CT3
1.4 Giá tr ăth căti năc aăđ ătƠi
 K t qu c a đ tài có thể h tr quá trình thi t k qui trình hàn hi u

5


qu h n thông qua vi c d đoán tr

c bi n d ng, ng suất d c a k t cấu hàn, nhằm

làm gi m các y u t gây h i trong quá trình hàn, và gi m chi phí kinh t .
 Có thể dùng làm tài li u tham kh o cho các sinh viên ngƠnh c khí,
đặc bi t trong chuyên ngƠnh hƠnầ

6


CH

NGă2:ăC ăS

2.1. HƠnăh ăquangănóngăch yătrongămôiătr


LÝ THUY T
ngăcóăkhíăb oăv

Kháiăni m
Hàn h quang trong môi tr

ng có khí b o v còn g i là GSAW (Gas

Shielded Arc Welding) xuất hi n do nhu c u v hàn kim lo i màu (nhôm, magiê và
h p kim c a chúng) trong ngành ch t o máy bay và ngành hóa chất t th p k 40.
Công ngh hƠn nƠy đ

c chia ra làm hai lo i chính g m: hàn h quang bằng đi n

c c nóng ch y (GMAW: Gas Metal Arc Welding) và hàn h quang bằng đi n c
không nóng ch y (GTAW: Gas Tungsten Arc Welding).


Đặcăđi m chung c a các lo i hàn h quangătrongămôiătr

ng khí b o

v


M c đ t p trung cao c a ngu n nhi t hƠn đ m b o chi u r ng nh

c a vùng nh h


ng nhi t, và kh năng bi n d ng thấp.

Năng suất hàn cao, hi u qu b o v kim lo i nóng ch y cao (đặc bi t

khi s d ng khí tr ).


Không c n s d ng thu c hàn hoặc v b c nh c a que hàn.



Kh năng c gi hóa và t đ ng hóa cao.



Có thể đ t đ

c m i hàn có cùng tính chất hóa lý, luy n kim nh kim

lo i c b n.



Không c n ph i làm s ch m i hàn sau khi hàn ( không có kim lo i bắn

tóe, x hàn).


Có thể hàn h u h t kim lo i thông d ng trong công nghi p. Còn có thể

dùng để hàn kim lo i không đ ng nhất, vƠ hƠn đắp.
2.2. Phơnălo i hƠnăh ăquangănóngăch yătrongămôiătr

ngăcóăkhíăb oăv

2.2.1 Hàn h quang bằngăđi n c c nóng ch yătrongămôiătr
b o v (GMAW: Gas Metal Arc Welding):
 Các Nguyên lý v n hành:

7

ng có khí


Ph

ng pháp hƠn h quang đi n c c nóng ch y trong khí b o v là

quá trình hàn có s cấp dây t đ ng lƠ đi n c c nóng ch y v i v n t c không đ i
(Ve =Const) vào bể hàn.
+ Theo ph

ng pháp c khí hóa quá trình hƠn g m: Bán t đ ng; t

đ ng và robot hàn.
+ Theo ph

ng th c dòng khí b o v g m: MIG & MAG

Quá trình liên k t m i hƠn đ
Sau khi ng

c b o v bằng m t dòng khí cấp ngoài.

i th v n hƠnh đặt nh ng thông s ban đ u, thi t b s t đ ng đi u

ch nh t c đ c a h quang đi n. Do đó, nh ng đi u khiển bằng tay c a ng
v n hành trong quá trình hàn bán t đ ng ch là t c đ di chuyển, h

i th

ng di chuyển

và v trí c a súng hƠn. Trong đi u ki n đƣ đặt đúng nh ng tham s ban đ u, chi u
dài c a h quang vƠ c

ng đ dòng đi n (t c đ cấp dây) s đ

c duy trì m t cách

t đ ng.

Súng hàn d n h

ng cho đi n c c nóng ch y, d n dòng đi n và khí

b o v t i v t hƠn, do đó cung cấp năng l

ng để t o nên và duy trì cho h quang

cháy, và làm nóng ch y đi n c c cũng nh lƠ đáp ng s b o v c n thi t ch ng l i
môi tr

ng không khí xung quanh. Có hai cách k t h p c a b ph n cấp dây và

ngu n đi n hƠn đ
th

c s d ng để đ t đ

c s đi u ch nh chi u dài h quang. Thông

ng nhất, s đi u ch nh này bao g m m t ngu n đi n có đi n th (đi n áp)

không đ i (có đặc điểm là cung cấp m t đ
ph n cấp đi n c c s đ

ng đặc tính Volt ậ Ampe d c) và b

c đi u ch nh theo đi n áp h quang.

V i s k t h p đi n áp không đ i t c đ cấp dơy không đ i, nh ng

thay đ i v v trí súng hàn s gây nên nh ng thay đ i v c

ng đ dòng đi n đáp

ng chính xác s thay đ i v chi u dài thò ra c a đi n c c (ph n đi n c c dài ra
kh i mi ng súng). Do đó, chi u dài c a h quang đ

c gi không đ i. Thí d , khi

ph n đi n c c thò ra tăng lên do m hƠn đ

c nung lên s làm gi m c

đi n

ng t a ra

ngu n đi n hàn, bằng cách nhi t l

nóng ch y gi m, chi u dài c a h quang s ngắn l i.

8

ng đ dòng

đi n c c s gi m và t c đ


 Đặcăđi m
Hàn h quang đi n c c nóng ch y trong môi tr

trình hàn nóng ch y trong đó ngu n nhi t hƠn đ

ng khí b o v là quá

c cung cấp b i h quang t o ra

gi a đi n c c nóng ch y (dây hàn) và v t hàn. H quang và kim lo i nóng ch y
đ

c b o v kh i tác d ng c a oxy vƠ nit trong môi tr

ng xung quanh b i m t

lo i khí hay h n h p khí. Khí b o v có thể lƠ khí tr (Ar; He hoặc h n h p Ar+He)
hoặc là các lo i khí ho t tính (CO2; CO2+O2; CO2+Arầ).

Hình 2.1: Sơ đồ hàn hồ quang nóng ch y trong môi trường có khí b o v [2]
Hàn h quang đi n c c nóng ch y trong môi tr
g i lƠ ph

ng khí tr (Ar; He)

ng pháp hƠn MIG (Metal Inert Gas). Vì giá thƠnh các lo i khí tr khá

cao nên không đ

c ng d ng r ng rãi.

Hàn h quang đi n c c nóng ch y trong môi tr
(CO2; CO2+O2ầ) còn g i lƠ ph

ng khí ho t tính

ng pháp hƠn MAG (Metal Active Gas). Ph

pháp này s d ng khí CO2 là lo i khí d ki m và rẻ ti n nên đ

c phát triển r ng rãi

và có m t s các u điểm nh : năng suất hàn cao; có thể ti n hành
không gian khác nhau; chất l

ng

m i v trí

ng hàn cao; s n ph m ít b cong vênh do có t c đ

hƠn cao; đi u ki n lao đ ng t t h n so v i hàn h quang tay vì trong quá trình hàn
không phát sinh khí đ cầ

9


 V t li u hàn:


Dây hàn: Khi hƠn trong môi tr

ng Khi trong môi tr

ng khí

b o v , s h p kim hóa kim lo i m i hƠn cũng nh các tính chất yêu c u c a m i
hƠn đ

c th c hi n ch y u thông qua dây hàn. Do v y nh ng đặc tính c a quá

trình công ngh hàn ph thu c rất nhi u vào tình tr ng và chất l
hƠn MAG, đ

ng dây hàn. Khi

ng kính dây hàn t 0,8 ÷ 2,4 mm.


Khí b o v : Khí Ar tinh khi t (g n bằng 100%) th

để hàn các v t li u thép. Khí He tinh khi t (g n bằng 100%) th
hàn các liên k t có kích th

ng đ

ng dùng
c dùng để

c l n, các v t li u có tính giãn n cao nh Al, Mg,

Cuầ Khí CO2 dùng để hàn ph i có đ s ch trên 99,5%, áp suất trong bình kho ng
50 ÷ 60 at.

 Thi t b hàn:
H th ng thi t b hàn h quang đi n c c nóng ch y dùng cho hàn h
quang nóng ch y trong môi tr

ng khí b o v g m: ngu n đi n hƠn, c cấu cấp dây

hàn t đ ng, m hƠn hay súng hƠn đi cùng các đ

ng ng d n khí, d n dây hàn và

cáp đi n, chai ch a khí b o v kèm theo b đ ng h , l u l
Ngu n đi n hƠn thông th

ng k và van khí.

ng là ngu n m t chi u DC. Ngu n đi n xoay chi u AC

không thích h p do h quang b tắt n a chu kỳ và s ch nh l u chu kỳ phân c c
ngu i làm cho h quang không n đ nh.

Hình 2.2: sơ đồ thiết bị hàn hồ quang đi n cực nóng ch y [5]

10


2.2.2 Hàn h quang bằngăđi n c c không nóng ch yătrongămôiătr

ng khí

tr (GTAW: Gas Tungsten Arc Welding):

 Đặcăđi m:
Hàn h quang đi n c c không nóng ch y trong môi tr

ng khí tr lƠ

quá trình hàn nóng ch y, trong đó ngu n nhi t cung cấp b i h quang đ
thành gi a đi n c c không nóng ch y vƠ vũng hƠn. Vùng h quang đ
bằng môi tr

ct o

cb ov

ng khí tr (Ar; He hoặc h n h p Ar+He) để ngăn c n nh ng tác đ ng

có h i c a oxy vƠ nit trong không khí. Đi n c c không nóng ch y th
Vonfram nên ph

ng dùng là

ng pháp nƠy còn g i là hàn TIG.

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang đi n cực không nóng ch y [2]
H quang trong hàn TIG có nhi t đ rất cao có thể đ t t i h n 6100
°C. Kim lo i m i hàn có thể t o thành ch t kim lo i c b n khi hàn nh ng chi ti t
m ng v i liên k t gấp mép, hoặc b sung t que hàn ph . Ph
s

u điểm nh : t o m i hàn có chất l

ng pháp nƠy có m t

ng cao đ i v i h u h t kim lo i và h p kim;

m i hàn không ph i làm s ch sau khi hàn, h quang vƠ vũng hƠn có thể quan sát
đ

c trong khi hàn, không có kim lo i bắn tóeầ
 V tăli uăhƠn
V t li u s d ng trong ph

ng pháp hƠn TIG bao g m: khí b o v

đi n c c Wolfram vƠ que hƠn ph


Khíă b oă v ă (Khíă tr ): Ar lƠ khí đ

11

c đi u ch t khí quyển


bằng ph
nƠy đ
d

ng pháp hóa l ng không khí vƠ tinh ch đ n đ tinh khi t 99,99%. Khí
c cung cấp trong các bình d

i áp suất cao hoặc

i -184 °C trong các thùng ch a l n. He có tr ng l

so v i Ar đ

c lấy t khí t nhiên, th

cao.Sau khi ra kh i ch p khí

ng riêng bằng kho ng 1/10

c ch a trong các bình d

m hƠn, Ar t o thƠnh l p b o v

hƠn. Do nhẹ h n, He có xu h

i áp suất

phía trên vùng

ng dơng lên t o thƠnh cu n xoáy xung quanh h

quang. Để b o v hi u qu , l u l


ng đ

d ng l ng v i nhi t đ

ng He ph i gấp 2 ÷ 3 l n so v i Ar.

Đi nă c că Wolfram: Wolfram đ

c dùng lƠm đi n c c do có

tính ch u nhi t cao (nhi t đ nóng ch y lƠ 3410°C), phát x đi n t t

ng đ i t t,

lƠm ion hóa h quang vƠ duy trì tính n đ nh h quang. Wolfram có tính ch ng oxy
hóa rất cao.
Tiêu chu n

W (min)

AWS
EWP
EWTh-1
EWTh-2
EWTh-3
EWZr

%
99,5
98,5
97,5
98,95
99,2

Th

Zr

%
0,8 ÷ 1,2
1,7 ÷ 2,2
0,35 ÷ 0,55
-

%
0,15 ÷ 0,40

T ng t p chất
(max) %
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5

B ng2.1 : Thành phần hóa học của một số lo i đi n cực Wolfram theo tiêu chuẩn
AWS A5.12 – 80 [2]
Các đi n c c Wolfram có them Thori (Th) có tính phát x đi n t , d n đi n vƠ
ch ng nhi m b n t t, m i h quang t t h n vƠ h quang n đ nh h n. Các đi n c c
Wolfram có thêm Zircon (Zr) có các tính chất trung gian gi a đi n c c W vƠ đi n
c c W-Th.


Queă hƠnă ph : có kích th

sau: chi u dƠi t 500 ÷ 1000 mm v i đ

c tiêu chu n theo ISO/R564 nh

ng kính 1,2; 1,6; 2; 2,4; 3,2 mm. Các lo i

que hƠn ph g m có: đ ng vƠ h p kim đ ng, thép không g Cr cao vƠ Cr- Ni, nhôm
vƠo h p kim nhôm, thép C thấp, thép h p kim thấpầ

12


 Thi tăb ăhƠn
Thi t b hƠn dùng cho hƠn TIG có các b ph n chính sau: ngu n đi n
hƠn, bao g m c h th ng đi u khiển khí b o v , n

c lƠm mát, dòng đi n vƠ đi n

áp hƠn; m hƠn; chai ch a khí tr vƠ van đi u khiển l u l

ng khí.

Hình2.4 : Thiết bị hàn hồ quang đi n cực không nóng ch y trong môi trường Ệhí trơ [9]


Mỏ hàn TIG: có ch c năng d n dòng đi n vƠ khí tr vƠo vùng

hƠn. Đi n c c Wolfram d n đi n đ

c gi chắc chắn trong m hƠn bằng đai gi v i

các vít lắp bên trong thơn m hƠn. Các đai nƠy có kích th
kính đi n c c. Khí đ

c phù h p v i đ

c cung cấp vƠo vùng hƠn qua ch p khí. Ch p khí có ren đ

lắp vƠo đ u m hƠn để h

ng vƠ phơn ph i dòng khí b o v . M hƠn có kích th

vƠ hình dáng khác nhau phù h p v i t ng công vi c c thể.

Hình2.5: Cấu t o mỏ hàn TIG [10]

13

ng
c
c


Nguồn điện hàn: cung cấp dòng hƠn m t chi u hoặc xoay



chi u, hoặc c hai. Tùy ng d ng, nó có thể lƠ bi n áp, ch nh l u, máy phát đi n

hƠn. Để tăng t c đ

n đ nh h quang, đi n áp không t i kho ng 70 ÷ 80V. Ngu n

đi n hƠn xoay chi u thích h p cho hƠn nhôm, Magiê vƠ h p kim c a chúng. Ngu n
m t chi u không gơy ra vấn đ l n W vƠo m i hƠn hay hi n t

ng t nắn dòng, tuy

nhiên c n l u Ủ khi s d ng nó lƠ vi c gơy ra h quang vƠ kh năng cho dòng hƠn lƠ
t i thiểu. H u h t máy m t chi u đ u s d ng ph

ng pháp n i thu n.

2.3. Môăhìnhătoánăh căc aăbài toán:
Ph



ngătrìnhăcơnăbằng nhi tăđ ng l c h c.

Tr ng thái nhi t đ ng l c h c c a m t điểm v t chất tùy ý
th i điểm t c a m t h th ng (v t thể) đ

v trí x t i

c mô t :

: t kh i.
)

(

: chuyển v

) năng l

(

ng kh i.

U đ i di n cho s di chuyển c a các điểm v n li u

,v it i

th i điểm t0
Năng l
năng l
(

ng bên trong đ

ng vƠ năng l
)

̇

c đ nh nghƿa lƠ s khác bi t gi a t ng s

ng c a s chuyển đ ng (d ch chuyển), c thể là

(

xác đ nh b i ph

Di n bi n th i gian vƠ không gian trong năm lƿnh v c trên đ

̇

ng trình cân bằng, đ ng l c vƠ năng l
(

)

)

c

ng.
(1)
(2)
(3)

Ghi chú : m i quan h gi a v v n t c và th i gian chính lƠ đ o hàm
c au
H n n a các đ i l

q, r đ i di n cho t ng c a các l c l

ng

tác d ng bên ngoài v t thể, các chuyển v

14

ng

ng suất căng Cauchy , dòng nhi t, và


các tùy ch nh năng l
trình (1-3) lƠ ph

ng (vd do nhi t n trong giai đo n chuyển ti p ). Ph

ng trình chuyển đ ng cho các đ i l

ng ch a bi t trong mi n

u, và e . Chúng là ph bi n vƠ đ c l p v i v t li u. Để gi i nh ng ph
các đ i l

ng
,

ng trình nƠy,

ng cấu thành này, dòng nhi t và ng suất căng, ph i đ

c thay th b i

gi không có nhi t đ T x y ra trong các ph

̃(

) H n n a, cho đ n bây

ph

Ph i đ

c gi i thi u, cho phép để

cấu trúc ph

ng trình

)

̃(

ng trình tr ng thái cân bằng nhi t.

thay th năng l
thƠnh đ

̃

ng bên trong e bằng nhi t đ T. N u tất c các ph

c bi t và bao g m các ph

y u là h ph

ng trình (1-3). Vì lý do này m t
ng trình cấu

ng trình cơn bằng đ i di n cho m t h kín, ch

ng trình phi vi phơn t ng ph n (PDE), mà có thể đ

c bằng ph

ng

pháp s .
M t quá trình nhi t đ ng l c h c đ

c đ nh nghƿa b i các gi i pháp

c a h th ng PDE, nghƿa lƠ, các ki n th c ρ, u, vƠ T cho tất c các v trí x và th i
gian t. Đặc bi t là các m i liên h gi a kh i l

ng, đ ng l

ng vƠ năng l

ng ậ

hoặc gi a cấu trúc v t li u, k t cấu c khí vƠ hƠnh vi nhi t - d n đ n các ký hi u c a

m t quá trình đa v t lý cho quá trình hàn.

Hình 2.6: Tương tác giữa các yếu tố vật lý trong quá trình hàn

15


C uătrúcăph


Ph
trình FE th

ngătrìnhăchoăquáătrìnhămôăph ng.

ng trình cấu thƠnh điển hình, đ

ng m i, đ nh lu t Fourier cho tr

c cung cấp b i các gói ch

ng

ng h p d n nhi t c a
(4)

Ph

ng trình tr ng thái nhi t :
(5)

Đ nh lu t Hoock cho chất rắn đẳng h

ng.

(6)
Đ

ng tuy n tính nhi t nh sau (Cho kích th
)

(

c m t chi u)

và
xác đ nh tính d n nhi t , năng l

H n n a v t li u ph thu c vào

nhi t, các hằng s c a LAME, và h s giãn n nhi t , Ph
d ng :
ng v i ph

̃

ng trình (6).

̂

ng

ng trình cấu thành có

Đ i v i v t li u có tính dẻo c a v t li u , t

ng

ng suất Vonmiss

Trong đó

√

√

(7)

G i Φ lƠ năng suất ch c năng , nó có thể quy t đ nh, cho dù ng suất
hi n t i có nh h

ng đ n năng suất hay không
(8)

Trong đó σv đặc tr ng cho gi i h n ch y
Gi i h n ch y σy tăng khi bi ng d ng dẻo tăng, đ
v t li u,

16

c g i lƠ đ c ng c a


G i đ c ng c a v t li u là k
đ c ng đẳng h

ng

̇

̇

Do đó ph
̇

do đó

̃

ng trình (8) có thể đ

cho

c s d ng để lấy

m t đi u ki n nhất quán, nó đóng vai trò quan tr ng trong vi c xác đ nh bi n d ng
dẻo.

̇

̇ có thể đ

̇

̇

(9)

c tính toán bằng đ nh lu t Hook k t h p v i
̇

̇

̇
̇

̇

̇

̇

(10)

: biểu th ma tr n đ c ng b c 4.
Còn l i m t đ i l

ng v n ch a bi t
̇

̇

Trình t các b

bằng vi c r i r c
̇

c tính toán nh sau :

ta có
(11)

Bi n d ng toàn ph n:
∑
S d ng đ nh lu t Hooke tính ng suất

b

cn
(12)

Xác đ nh gi i h n ch y σy

bằng nh ng đ i l

ng đƣ bi t, đặc tính v t
t đó σy s bằng v i

li u, ng suất bi n d ng,

N u ng suất t

ng đ

ng đ

c tính theo m c th 2, là bên ngoài c a

b mặt, sau đó bi n d ng s x y ra. Trong su t quá trình ch y dẻo s làm gi m ng
suất t

ng ng, nh lƠ bi n d ng nhi t c a ph

cùng. Do đó, σtr ph i đ

c chi u lên các đ

17

ng trình (8) đ

c đi u khiển cu i

ng ch y cong , đ

c th c hi n bằng


, t c là, bằng cách thay đ i các y u t dΛ trong đi u ki n n

cách đi u ch nh
đ nh c a ph

ng trình. (9) vƠ chèn ti p theo vƠo ph

ng trình. (11).

C p nh t bi n d ng dẻo vƠ đƠn h i

(13)
Tính toán ng suất hi n t i bằng cách
(14)
Ti p t c tính toán t b

c th (2) ậ(6) cho b

c n i suy th (n+1),

(n+2), ầ

Ph

Ph

ngătrìnhătruy n nhi t.

ng trình truy n nhi t có d ng
(15)

D ng y u c a ph

ng trình có d ng
(16)

Trong đó
tích vƠ th

ng đ

nhi t đ môi tr

đ i di n cho thông l

ng nhi t truy n qua b mặt thể

c thay th bằng

(α h s truy n nhi t,

ng ). Sau khi r i r c các đ i l

ng trên ta đ

c.
(17)

các thành ph n sau c a ma tr n vƠ vect (i, j = 1, ..., n):

∫

∫

18

́

́

(18)


∫

∫
t

Trong đó
y ut

(19)

ng tr ng cho vector bao g m c các

nhi t đ không rõ .


Mô hình ngu n nhi t

S d ng mô hình ngu n nhi t Goldak's double ellipsoid đơy lƠ mô
hình chính dùng để mô ph ng hàn GMA-welding

af

b

d
ar

Hình 2. 1 Mô hình nguồn nhi t [6]
√

√

(

√

√

)

(

)

(20)
(

)

(

)

(

)

(21)

V i:
(22)
(23)
(24)
Trong đó :

19