Ứng dụng phần mềm Ansys dự đoán nhiệt độ, biến dạng và ứng suất khi hàn liên kết giáp mối

ISSN 2354-0575
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS DỰ ĐOÁN NHIỆT ĐỘ, BIẾN DẠNG
VÀ ỨNG SUẤT KHI HÀN LIÊN KẾT GIÁP MỐI
Thân Văn Thế1, Trần Ngọc Thành2, Ngô Thị Thảo2
1 Trường Đại học Feng Chia
2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
Ngày toà soạn nhận được bài báo: 17/07/2017
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 10/08/2017
Ngày bài báo được duyệt đăng: 20/08/2017
Tóm tắt:
Bài báo trình bày ứng dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng nhiệt độ, biến dạng và ứng suất khi hàn
liên kết giáp mối. Liên kết hàn giáp mối tấm và giáp mối ốngbằng phương pháp hàn hồ quang điện cực
nóng chảy trong mơi trường khí bảo vệ (GMAW) và hàn hồ quang điện cực khơng nóng chảy trong mơi
trường khí trơ bảo vệ (GTAW) sẽ được trình bày trong nghiên cứu này. Việc tính tốn nguồn nhiệt hàn là
tương đối khó trong các phương pháp hàn nóng chảy; tuy nhiên nó đã được đưa ra đầy đủ và chi tiết trong
bài báo này. Sau đó ANSYS được dùng để xây dựng mơ hình liên kết hàn cũng như mơ phỏng q trình hàn
GMAW và GTAW. Kết quả thu được bao gồm nhiệt độ phân bố trên liên kết hàn, biến dạng cũng như ứng
suất sau khi hàn. Các kết quả nhận được khi dùng các chế độ hàn khác nhau được so sánh để đánh giá ảnh
hưởng của các thông số chế độ hàn đến nhiệt độ, biến dạng và ứng suất. Kết quả của nghiên cứu này là cơ
sở quan trọng cho việc tìm và lựa chọn ra chế độ hàn hợp lý, giảm sai hỏng trong quá trình hàn cũng như
hạn chế số lần hàn thực nghiệm, từ đó giảm được chi phí hàn.
Từ khóa: GMAW; GTAW; ANSYS; Liên kết hàn giáp mối; Trường nhiệt độ.
1. Giới thiệu
Hàn nóng chảy trong mơi trường khí bảo
vệ được sử dụng khá rộng rãi trong thực tế bởi
những ưu điểm của chúng. Các quá trình hàn hồ
quang trong mơi trường khí bảo vệ rất đa dạng và
có thể phân loại theo loại khí bảo vệ, đặc trưng bảo
vệ của khí, loại điện cực…[1]. Mức độ tập trung
cao của nguồn nhiệt hàn đảm bảo vùng ảnh hưởng
nhiệt hẹp, khả năng biến dạng thấp, năng suất hàn

cao, hiệu quả bảo vệ tốt, không cần sử dụng thuốc
hàn hoặc vỏ bọc que hàn, dễ cơ khí hóa tự động
hóa là những ưu điểm nổi trội của các phương pháp
hàn này. Gần đây rất nhiều nghiên cứu về các quá
trình hàn này được công bố. Dongqing Yang và
các cộng sự đã báo cáo về sự phân tích nhiệt khi
hàn một và nhiều lớp bằng phương pháp GMAW
(Gas Metal Arc Welding) sử dụng thiết bị đo nhiệt
hồng ngoại [2]. Nguồn nhiệt khi hàn GTAW (Gas
Tungsten Arc Welding) đã được mô phỏng thành
công bởi Francois Pichot và các cộng sự [3], sau
đó nhóm tác giả đã tiến hành thực nghiệm để kiểm
nghiệm kết quả này. Bài toán nghịch và phương
pháp enthalpy đã được E.S. Magalhães và các cộng
sự sử dụng để tính tốn tỷ lệ truyền nhiệt trên tấm
nhôm 6065-T5 khi hàn bằng phương pháp GTAW
thông qua việc quan sát trường nhiệt độ lan truyền
sau khi hàn [4]. Tính tốn nguồn nhiệt trong hàn
nóng chảy khá phức tạp bởi nó chịu ảnh hưởng của
nhiều yếu tố. Arshad AlamSYED [5] tiến hành mô

Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017

phỏng quá trình hàn GMAW sử dụng nguồn nhiệt
thể tích. Trong báo cáo này, phương pháp giải tích
tính tốn nguồn nhiệt thể tích kép được áp dụng cho
liên kết hàn giáp mối.
Thực tế mô phỏng số đã được ứng dụng
khá nhiều trong các cơng nghệ hàn, mục đích để
tìm ra chế độ hàn tối ưu, là cơ sở để chọn chế độ

hàn thực nghiệm, từ đó giảm được số lần làm thực
nghiệm, giảm giá thành. Một trong những công cụ
để mô phỏng quá trình hàn là phần mềm ANSYS.
Hiện nayANSYS được ứng dụng rộng rãi trong các
ngành công nghiệp. ANSYS được sử dụng cho việc
tối ưu hóa các thơng số hàn để tăng tuổi thọ của kết
cấu [6], mô phỏng ứng suất và biến dạng cũng như
sự phân bố của nó khi hàn tấm dày [7].
Tuy nhiên, việc ứng dụng ANSYS
WORKBENCH trong mơ phỏng q trình hàn đặc
biệt là hàn nóng chảy rất hạn chế, hầu như chưa có
nghiên cứu nào được cơng bố. Trong bài báo này
nhóm tác giả đã tính tốn được nguồn nhiệt và ứng
dụng thành cơng ANSYS WORKBENCH để xây
dựng mơ hình cũng như mơ phỏng trường nhiệt độ,
từ đó xuất ra kết quả ứng suất và biến dạng sau khi
hàn cho liên kết giáp mối bằng hai phương pháp
hàn nóng chảy GMAW và GTAW. Từ kết quả này
phần nào đánh giá được chất lượng của liên kết hàn
và là cơ sở quan trọng để lựa chọn chế độ hàn thực
nghiệm tiết kiệm được số lần hàn thử, do đó giảm
được chi phí hàn.

Journal of Science and Technology

9


ISSN 2354-0575
2. Tính tốn nguồn nhiệt hàn

Sự phân tích truyền nhiệt biến thiên ba chiều
được thực hiện để mô phỏng q trình hàn hồ quang
trong mơi trường khí bảo vệ với phương trình truyền
nhiệt như sau [5]:
2 b 2T l 2 d 2T n 2 b 2T l o
2T
2x k 2x + 2y k 2y + 2z k 2z + Q = tC P 2t
(1)
Trong đó ρ, k và CP tương ứng với mật độ,
độ dẫn nhiệt và nhiệt dung của vật liệu phôi; t và
T là biến thời gian và nhiệt độ tương ứng. Trong
phương trình (1), thành phần Q̇ ghi nhận nhiệt hồ
quang đầu vào theo nguồn nhiệt thể tích. Các điều
kiện biên tổng qt có thể được trình bày dưới dạng:
2T
kn 2x - q + h _T - T0 i + vf _T 4 - T 04 i = 0
(2)
Trong đó n, kn , h, ε, σ và T0 theo thứ tự thể
hiện hướng vng góc với bề mặt, độ dẫn nhiệt,
hệ số truyền nhiệt, hệ số bức xạ, hằng số StefanBoltzmann và nhiệt độ môi trường. Thành phần đầu
tiên trong phương trình (2) chỉ ra gradient nhiệt độ
pháp tuyến đến các biên; thành phần thứ hai q mơ tả
nguồn nhiệt đặt vào và thường được tính như nguồn
nhiệt hồ quang. Trong nghiên cứu này, năng lượng
nhiệt hồ quang được áp dụng như là một nguồn
nhiệt thể tích (Q̇ ) (phương trình (3)) thay cho nguồn
nhiệt bề mặt (q). Thành phần thứ ba và thứ tư trong
phương trình (2) thể hiện sự thất thốt nhiệt do q
trình đối lưu và bức xạ nhiệt.
Hình 1 trình bày một cách giản thể miền tính

tốn xét đến trong nghiên cứu hiện tại. Một phân
tích đối xứng được tiến hành với mặt phẳng đối
xứng dọc theo rãnh đường hàn. Trong Hình 1, E1,
E2 và E3 miêu tả vật liệu đã được kết tinh, đang
được kết tinh và sẽ được kết tinh.

Hình 1. Sơ đồ biểu diễn nguồn nhiệt thể tích kép [5]
Hình 2 cho thấy hai nguồn nhiệt bán elip
được xem xét trong nghiên cứu này với một bán
elip nhỏ hơn ở phía trước của vị trí tâm hồ quang và
một nửa khối elip lớn hơn ở phía sau được xem xét
để tính tốn cho năng lượng nhiệt hồ quang trong
bể hàn.

10

Hình 2. Sơ đồ trình bày 2 nguồn nhiệt bán elip
Các bán trục chính, trục nhỏ và độ sâu của
phía trước và phía sau bán elip được mơ tả là (a1,
b, c) và ( a2, b, c). Sự phân bố mật độ năng lượng ở
phía trước và các nguồn nhiệt sau có thể được viết
như:
2
6 3 fi Ph
3x2 3y
3z2
(3)
Qo =
exp f - 2 - 2 - 2 p
r r ai bc

ai
b
c
Trong đó i đề cập đến số thứ tự 1 và 2 tương
ứng với phía trước Q̇ 1 và phía sau Q̇ 2 của nguồn
nhiệt tổng Q̇ ; η là hiệu suất của q trình nung
nóng; P = αUI là cơng suất hồ quang, α là hữu ích
của hồ quang, I và U tương ứng là dòng và điện áp
hồ quang. Các giá trị của α và η tương ứng là 0.75
và 0.80, giá trị f1 và f2 tương ứng là 0.6 và 1.4 [5].
Giả sử nguồn nhiệt có hình cầu, thể tích hình
học của nó được cho là:
(4)
X = 2/3ra3
Trong đó a là bán kính của hình cầu. Thể tích
hình học đại diện cho nguồn nhiệt hồ quang được
coi là bằng khối lượng của phơi đã nóng chảy cộng
với khối lượng của điện cực nóng chảy trong rãnh
V. Hình 3 thể hiện hình ảnh thiết kế sơ bộ của liên
kết hàn.

Hình 3. Hình ảnh thiết kế sơ bộ liên kết hàn ban đầu
Do vậy:
Ph m ts
2 3=
1
+ 3 ra
2
t 8CP _TL - T0 i + LB

(5)
L là ẩn nhiệt hiệu dụng; TL ,T0 là nhiệt độ
nóng chảy và nhiệt độ mơi trường; d và θ là chiều

Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017

Journal of Science and Technology


ISSN 2354-0575
sâu và ½ góc rãnh dọc của rãnh V (Hình 3); ηm là
hiệu suất nóng chảy và v là tốc độ hàn.
Việc truyền năng lượng do các giọt mối hàn
siêu nóng ở trên nhiệt độ lỏng được bỏ qua trong
phương trình (5). Hiệu suất nóng chảy (ηm) được
coi là 0.50. Đáng chú ý là phương trình (5) cho phép
xác định rõ bán kính a của nguồn nhiệt bán cầu, có
thể được chia ở phía trước a1 = f1a và phía sau bán
elip a2 = f2a đang xét như được chỉ ra trong Hình 2.
Độ sâu c của cả hai nguồn nhiệt bán ellip phía trước
2
2
và phía sau được ước tính là: c = a - _a - a1 i .
Bán ellip b của cả hai nguồn nhiệt bán ellip phía
trước và phía sau cũng sẽ tương tự như sau: b =
(2a3)/[(a1+a2)c]. Việc xác định “a” thực sự phụ
thuộc vào bước thời gian đã chọn cho một tốc độ
hàn nhất định và do đó, lần lượt sẽ ảnh hưởng đến
mật độ năng lượng ước tính theo cơng thức (3).

3. Q trình mơ phỏng số
Trong bài báo này, ANSYS (viết tắt của cụm
từ tiếng Anh là ANalysis SYStem) được sử dụng để
mơ phỏng q trình truyền nhiệt trong hàn. Trình tự
mơ phỏng một bài tốn truyền nhiệt trong q trình
hàn được thể hiện theo sơ đồ khối như Hình 4.

Hình 4. Sơ đồ trình tự giải bài tốn nhiệt trong hàn
bằng ANSYS
4. Kết quả và thảo luận
Bài báo này sẽ nghiên cứu với hai loại vật
liệu tương ứng với hai quá trình hàn khác nhau. Thứ
nhất, thép cacbon chất lượng thường CT38 (theo
tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765-75) được dùng
cho phương pháp hàn GMAW; và thép hợp kim

Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017

HA188 cho phương pháp hàn GTAW.
4.1. Hàn giáp mối tấm thép cacbon thấp bằng
phương pháp GMAW
Chọn kích thước (200x100x6) mm, dạng
liên kết hàn như Hình 3, chế độ hàn như Bảng 1.
Bảng 1. Thơng số chế độ hàn [5]
STT

1

Cường độ
dòng điện

hàn (A)
290

Điện áp
hàn
(V)
29.50

Tốc độ
hàn
(mm/s)

Tốc độ
ra dây
(m/min)

8.5

24.64

11.6
8.3

2

252

3
4
5

310
310
315

30.33
30.33
30.25

11.6
10
8.3

9.5
8.5
9.5

7.5

Trong nghiên cứu này, q trình mơ phỏng
trường nhiệt độ cũng như ứng suất và biến dạng sau
khi hàn phải kể đến hiện tượng mất nhiệt do đối
lưu và bức xạ nhiệt. Hệ số đối lưu và hệ số bức xạ
được chọn tương ứng là α = 10.10-6(W/mm2 °C) và
β = 0,3 [8].
Chế độ hàn 1: Ih = 310 A ; Uh = 30.33 V; vh =
10mm/s (Bảng 1)
Áp dụng các cơng thức tính tốn được nguồn
nhiệt như sau:
P = αUhIh = 0.75x30.33x310 = 7051.72 (J/s)

a1 = f1a = 0.6x10 = 6 (mm); a2 = f2a = 1.4x10
= 14 (mm);
2
c1 = a2 - _a - a1 i = 9.16 (mm)
2
c2 = a2 - _a - a2 i = 9.16 (mm)
c = c1 = c2 ; b = (2a3)/[(a1 + a2)c] = (2.103)/
[(6+14)9.16] = 10.91 (mm)
Các giá trị X, Y, Z là kích thước mỗi phần
tử mối hàn ta đã chia theo các phương tương ứng
XYZ như được thể hiện trên Hình 1: x = 3.21 mm,
y = 10 mm, z = 6 mm. Giá trị nhiệt lượng Q̇ được
xác định theo phương pháp tiếp cận thể tích, giá
trị Q̇ được cung cấp 2 lần (Q̇ 1 và Q̇ 2) trên phần thể
tích bể hàn được thể hiện trên Hình 2. Với các giá
trị f1 và f2 bằng 0.6 và 1.4 nên tỉ lệ 2 phần thể tích
trước và sau nguồn nhiệt là 3÷7. Để đơn giản hóa
q trình ta giả sử phần thể tích mà nhiệt lượng cần
cung cấp vào bằng đúng phần thể tích kim loại điền
đầy rãnh vát V (Hình 3) và được chia theo tỉ lệ 3 ÷ 7.
Với chiều dài cả đường hàn là 200 mm, tốc độ hàn
10mm/s nên được chia thành 20 solid mỗi solid 10
mm nên giá trị thể tích phần trước nguồn nhiệt (V1),
sau nguồn nhiệt (V2)
1
V1 = 2 Sx(Sxtag15°x2)x10x0.3 = 28.93 mm3
1
V2 = 2 Sx(Sxtag15°x2)x10x0.7 = 67.52 mm3

Journal of Science and Technology

11


ISSN 2354-0575
Nguồn nhiệt được xác định theo cách tiếp
cận thể tích:
Qo = Qo 1 + Qo 2 =

2
6 3 f1 Ph
3x2 3y
3z2
exp f - 2 - 2 - 2 p V1 +
r r a1 bc
a1
b
c

+

=

+

2
2
2
6 3 f2 Ph
3y

3x
3z
exp f - 2 - 2 - 2 p V2
r r a2 bc
a2
b
c

6 3 .0, 6.7056, 23.0, 8
r r .6.10, 91.9, 16
6 3 .1, 4.7056, 23.0, 8
r r .14.10, 91.9, 16

exp e exp e -

3.3, 21
6

3.3, 21
14

2

2

2

-

3.6

2 o 28, 93
9, 16

-

3.6
2 o 67, 52
9, 16

2

-

3.10
2
10, 91

-

3.10
2
10, 91

2

2

2

2

Qo = 16.35 W/mm3
Hình 5 thể hiện nhiệt độ phân bố trên liên kết
hàn. Quan sát trên hình ta thấy nhiệt độ cao nhất đạt
giá trị Tmax = 1899.2°C nằm ở tâm của bể hàn, càng
xa tâm bể hàn nhiệt độ càng giảm. Ta cũng có thể
quan sát được rõ ràng trường nhiệt độ, các đường
đẳng nhiệt phân bố.

Hình 5. Nhiệt độ của liên kết hàn ở chế độ hàn 1

Hình 7. Ứng suất trong liên kết hàn
Hình 7 mơ tả ứng suất với chế độ hàn 1. Giá
trị ứng suất tổng lớn nhất 178.93 MPa. Ta thấy ứng
suất khá nhỏ, nguyên nhân do mối hàn được hàn tự
do không gá kẹp nên biến dạng sẽ lớn và ứng suất
sẽ nhỏ.
Xét chế độ hàn 2 và 3 khi giảm dòng hàn,
chế độ hàn 4 và 5 khi giảm điện áp ta có bảng so
sánh kết quả khi hàn với các chế độ khác nhau.
Bảng 2 và 3 thể hiện sự so sánh các đại lượng nhiệt
cũng như ứng suất và biến dạng khi hàn ở các chế
độ khác nhau, từ đó có nhận xét về ảnh hưởng của
cường độ dòng điện và điện áp hàn đến đến các đại
lượng này. Khi ta giảm cường độ dòng điện và điện
áp hàn thì tất cả các thơng số về nhiệt độ, tổng lưu
lượng nhiệt, ứng suất, biến dạng đều giảm xuống.
Nguyên nhân dẫn đến sự giảm của các thông số đó
là do năng lượng nguồn nhiệt được cung cấp giảm.
Bảng 2. So sánh kết quả giữa các chế độ hàn khi

giảm dịng điện
Các Thơng Số Chính

Hình 6. Biến dạng của liên kết hàn
Hình 6 thể hiện biến dạng của liên kết hàn
với chế độ hàn 1. Giá trị biến dạng lớn nhất là
13.534m. Giá trị biến dạng trong trường hợp này
khá lớn do mối hàn giáp mối vát mép chữ V, được
hàn tự do không gá kẹp nên sau khi hàn sẽ xảy ra
biến dạng cong vênh lớn.

12

Năng lượng nguồn
nhiệt cung cấp
(W/mm3)
Nhiệt độ lớn nhất
(oC)
Tổng lưu lượng
nhiệt (W/mm2)
Biến dạng tự do
(mm)
Ứng suất tổng (MPa)

Chế độ Chế độ Chế độ
hàn 1
hàn 2
hàn 3
Ih = 310 Ih = 300 Ih = 290
(A)

(A)
(A)
16,35
15,82
15,29

1899,2

1834,3

1774,8

29,543

28,52

27,582

13,534

12,422

12,006

178,93

172,76

167,01

Chế độ hàn 6: Ih = 320 A ; Uh = 30,33 V ; vh
= 9,5 mm/s, khi giảm vận tốc hàn tất cả các thông
số về nhiệt độ, tổng lưu lượng nhiệt, ứng suất, biến
dạng đều tăng lên. Kết quả được thể hiện thông qua
Bảng 4. Nguyên nhân là khi giảm vận tốc thì năng
lượng nguồn nhiệt được cung cấp tăng.

Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017

Journal of Science and Technology


ISSN 2354-0575
Bảng 3. So sánh kết quả giữa các chế độ hàn khi
giảm điện áp
Các Thơng Số
Chính

Năng lượng
nguồn nhiệt cung
cấp (W/mm3)

Chế độ
Chế độ Chế độ
hàn 1
hàn 2
hàn 3
U = 30,33 U = 29,5 U = 29
(V)
(V)

(V)
16,35
15,9
15,63

Nhiệt độ lớn nhất
(oC)

1899,2

1843,2

1813,6

Tổng lưu lượng
nhiệt (W/mm2)

29,543

28,661

28,184

Biến dạng tự do
(mm)

13,534

12,485

12,273

Ứng suất tổng
(MPa)

178,93

173,63

170,6

Bảng 4. So sánh kết quả giữa các chế độ hàn khi giảm vận tốc hàn (Chế độ hàn 1 và 6)
Các Thơng Số
Chính
Chế độ hàn 1
v = 10 (mm/s)
Chế độ hàn 6
v = 9,5 (mm/s)

Năng lượng nguồn nhiệt Nhiệt độ lớn Tổng lưu lượng Biến dạng tự Ứng suất
cung cấp (W/mm3)
nhất (°C ) nhiệt (W/mm2)
do (mm)
tổng (MPa)
16,35

1899,2

29,543

13,534

178,93

16,66

1928,2

29,979

13,168

181,87

Bảng 5. Thông số nhiệt tương ứng với các chế độ hàn
Các thông số

Chế độ Chế độ Chế độ
hàn 1
hàn 2
hàn 3
Chiếu dày phơi (mm)
5
3
1.1
Đường kính phơi
60
60
60
(mm)

Cường độ dịng điện
60
60
50
(A)
Chiều dài hồ quang
1.5
1.5
1.5
(mm)
Tốc độ hàn (mm/ph)
100
150
250
Bán kính nguồn
1.42
1.42
1.2
nhiệt tác dụng (mm)
Công suất hàn (W)
314
314
205
Lưu lượng nhiệt
49.5
49.5
45.3
(W/mm2)
4.2. Hàn giáp mối ống thép hợp kim bằng phương
pháp GTAW

Trong quá trình hàn GTAW, nhiệt từ mỏ hàn
lan truyền tới các bề mặt vật hàn. Vì vậy nguồn nhiệt
trong quá trình mô phỏng là đồng nhất. Nguồn nhiệt
trong mô phỏng được tính theo cơng thức sau [3]
P
(6)
Q=
r.R2
w
); P là
Trong đó Q là nguồn nhiệt hàn (
mm2
công suất hàn (w); R là bán kính vùng nguồn nhiệt
tác dụng (mm). Tương ứng với các chế độ hàn 1,
2, 3 ta có thể tính tốn được thơng lượng nhiệt cho
từng chế độ, được thể hiện trong Bảng 5.
Trong q trình mơ phỏng hệ số đối lưu và
hệ số bức xạ được chọn tương ứng là α = 15.10-6 (W/
mm2 °c) và β = 0,3 [3].

Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017

Hình 8. Nhiệt độ của vật ở chế độ hàn 1
Trong Hình 8 nhiệt độ lớn nhất ta có thể thấy
là Tmax = 1536.2 oC. Điểm có nhiệt độ lớn nhất nằm
tại tâm của vũng hàn, càng xa tâm vũng hàn nhiệt
độ càng giảm. Nhiệt độ nhỏ nhất ta thấy được đó là
Tmin = 91.905 oC. Ta xét hai trường hợp: khơng gá
kẹp và gá kẹp phơi trong q trình hàn. Hình 9 và
10 thể hiện biến dạng và ứng suất trong trường hợp

không gá kẹp phôi. Biến dạng tự do với giá trị lớn
nhất đạt 1.4893mm tại hai đầu ống như Hình 9.

Hình 9. Biến dạng của liên kết hàn ống

Journal of Science and Technology

13


ISSN 2354-0575
do khi khơng có gá kẹp nhỏ do q trình giãn nở của
vật hàn khơng bị cản trở. Với trường hợp có gá kẹp
thì ngược lại bởi gá kẹp đã khống chế được phần
nào sự giãn nở của ống.
Bảng 6. Kết quả so sánh của 2 chế độ hàn
Các
thơng
số

Hình 10. Ứng suất của liên kết hàn ống
Kết quả của ứng suất được quan sát trên Hình
10. Giá trị của ứng suất trong trường hợp phôi hàn
tự do này khá nhỏ với giá trị lớn nhất 148.01MPa
tập trung ở cuối đường hàn.
Biến dạng và ứng suất trong trường hợp gá
kẹp cố định một đầu ống trong quá trình hàn được
chỉ ra trên Hình 11 và 12. Trong trường hợp này giá
trị biến dạng nhỏ hơn so với trường hợp không gá
kẹp, biến dạng lớn nhất đạt giá trị 0.1466mm xảy ra

chủ yếu ở phần ống không gá kẹp. Trong khi đó ứng
suất sinh ra lớn hơn một chút so với trường hợp ống
để tự do, ứng suất lớn nhất xuất hiện tại cuối đường
hàn và vị trị chân gá đạt giá trị 148.97MPa. Sự so
sánh này được thể hiện rõ ràng hơn trong Bảng 6.

Hình 11. Biến dạng của liên kết hàn ống khi kẹp cố
định một đầu

Khơng gá kẹp
Có gá kẹp
Biến
Ứng
Biến
Ứng
dạng tự
suất dạng tự suất
do max
tổng do max tổng
(mm)
(MPa) (mm) (MPa)
Chế độ 1536.2 148.01 1.4893 148.97 0.14663
hàn 1
Chế độ 1431.9 138.71 4.8875 139.77 0.078
hàn 2

Hình 13 thể hiện trường nhiệt độ, biến dạng
cũng như ứng suất khi sử dụng chế độ hàn 3. Quan
sát Hình 13a ta thấy khi hàn với tốc độ cao trên
phơi mỏng thì nhiệt độ thu được đạt giá trị lớn nhất

là Tmax = 2429.9 oC và đạt giá trị nhỏ nhất là Tmin =
48.6 oC sự chênh lệnh nhiệt độ giữa điểm cao nhất
và điểm thấp nhất rất lớn nguyên nhân là do vận
tốc hàn lớn dẫn đến tốc độ nguội nhanh. Hình 13b
là hình ảnh biến dạng tự do của vật thể khi hàn với
chiều dày nhỏ là khá lớn. Tốc độ nguội lớn do tốc
độ hàn nhanh lên xảy ra biến dạng nhiều, biến dạng
đạt giá trị lớn nhất tại hai đầu ống là 5.1243mm.
Quan sát Hình 13c ta thấy ứng suất gây lên trên vật
hàn không cao. Giá trị lớn nhất đạt được là 123.18
(MPa) tập trung chủ yếu ở cuối đường hàn. Thơng
qua kết quả này ta có thể thấy nhiệt độ sinh ra trong
quá trình hàn và độ chênh lệch nhiệt độ là khá lớn.
Vì vậy biến dạng tự do của vật thể là lớn, tuy nhiên
ứng suất tác động lại nhỏ. Biện pháp đưa ra để khắc
phục sự biến dạng trong quá trình hàn là sử dụng gá
kẹp cố định phơi.

Hình 12. Ứng suất của liên kết hàn ống khi kẹp
một đầu
Bảng 6 thể hiện sự so sánh về nhiệt độ, biến
dạng và ứng suất của chế độ hàn 1 và chế độ hàn
2. Hai chế độ hàn này được thực hiện đánh giá ảnh
hưởng của tốc độ hàn đến nhiệt độ, ứng suất, biến
dạng khi có gá kẹp và khi khơng có gá kẹp trong
q trình hàn GTAW. Từ đó ta thấy được với tốc
độ hàn càng chậm nhiệt lượng trong quá trình hàn
càng lớn,nhiệt sinh ra lớn và ngược lại. Khơng chỉ
có nhiệt độ cao mà khi hàn với tốc độ thấp thì ứng
suất tổng trên mối hàn cũng tăng theo. Biến dạng tự

14

Nhiệt
độ
max
(oC)

Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017

a) Nhiệt độ phân bố

b) Biến dạng tổng

Journal of Science and Technology


ISSN 2354-0575

c) Ứng suất tổng
Hình 13. Kết quả của liên kết hàn ống với chế độ
hàn 3
5. Kết luận
Phần mềm ANSYS được ứng dụng để mô
phỏng nhiệt độ khi hàn liên kết giáp mối tấm và giáp
mối ống bằng phương pháp hàn GMAW và GTAW.
Từ đó xuất ra được biến dạng và ứng suất tương
ứng cho từng trường hợp. Tiến hành mô phỏng với
các chế độ hàn khác nhau để đánh giá ảnh hưởng

của các thông số chế độ hàn như cường độ dòng
điện hàn, điện áp hàn, tốc độ hàn đến nhiệt độ, biến
dạng và ứng suất phân bố trên liên kết. Kết quả chỉ
ra rằng khi thay đổi các thông số chế độ hàn sẽ dẫn
đến thay đổi lưu lượng nhiệt truyền vào vũng hàn,
do đó ảnh hưởng nhiều đến nhiệt độ, biến dạng và
ứng suất trong liên kết hàn. Bài báo cũng xem xét
trường hợp gá kẹp và khơng gá kẹp phơi trong q
trình hàn. So sánh hai trường hợp này ta thấy khi
phôi hàn để tự do thì biến dạng sau khi hàn khá lớn,
ứng suất sinh ra nhỏ và ngược lại. Kết quả của bài
báo là cơ sở để tìm và lựa chọn ra được chế độ hàn
hợp lý, giảm bớt được số lần thực nghiệm hàn, từ đó
giảm được chi phí hàn.
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi trường ĐH
Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên trong đề tài cấp bộ
năm 2017 mã số B2017-SKH- 02.

Tài liệu tham khảo
[1]. Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn điện nóng chảy, tập 1, NXB KH&KT, 2004.
[2]. Dongqing Yang, Gang Wang, Guangjun Zhang, Thermal Analysis for Single-pass Multilayer GMAW based Additive Manufacturing using Infrared Thermography, Journal of Materials
Processing Technology, Vol. 244, 2017, pp 215–224.
[3]. Francois Pichot, Michel Danisa, Eric Lacoste, Yann Danis, Numerical Definition of an Equivalent
GTAW Heat Source, Journal of Materials Processing Technology, Vol 213, 2013, pp 1241–1248.
[4]. E.S. Magalhães, et al. The Use of non-linear Inverse Problem and Enthalpy Method in GTAW
Process of Aluminum, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 66, 2015, pp
114-121.
[5]. Arshad Alam SYED, Andreas PITTNER, Michael RETHMEIER, Amitava DE, Modeling of
Gas Metal Arc Welding Process Using an Analytically Determined Volumetric Heat Source, ISIJ

International, Vol. 53, 2013, pp. 698–703.
[6]. Anuj Mehta, Khushal Diddee, Riyaz Mustufa, Ojus Jain, Experimental Study to Increase the Life
of Welding Nozzle, Vol. 13,2016, pp 05-09.
[7]. Chand R.R, Kim I.S, Lee J.H, Jung S.M. and Lee J.P, Numerical Studies on Residual Stress and
Strain Distribution in Thick-welded Plate, Vol 5, 2012, pp 65-71.
[8]. Ismail, M.I.S, Afieq, W.M, Advances in Production Engineering & Management, Thermal
Analysis on a Weld Joint of Aluminium Alloy in Gas Metal Arc Welding, Vol. 11,2016, pp 29–37.
APPLYING ANSYS SOFWARE FOR PREDICTING TEMPERATURE DISTRIBUTION,
DEFORMATION AND STRESS IN WELDED BUTT JOINTS
Abstract:
Article presents an application of ANSYS software for predicting temperature distribution,
deformation and stress in welded butt joints. Both Gas Metal Arc Welding (GMAW) and Gas Tungsten Arc
Welding (GTAW) are used for butt jointswelded plates and pipes, respectively. Heat source which is very
difficult to calculate in fusion welding processes is determined in current work. Hence, the ANSYS is applied
to create the model of welded joints and simulate the GMAW and GTAW. Results show the temperature
distribution, the deformation and the stress after welding. These results that were obtained from using diffirent
welding conditions were compared together to evaluate effect of welding parameters to the temperature,
the deformation and the stress. They are important platform for finding an appropriate welding condition
decreased welding defects as well as experimental times, leading to reduce the cost of welding.
Keywords: GMAW; GTAW; ANSYS; Butt joint; Temperature field.

Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017

Journal of Science and Technology

15