Mô phỏng hình dạng của vũng hàn và sự phân nhiệt độ khi hàn hồ quang

Các phương pháp hàn hồ quang nóng chảy Quá trrình hàn được sử dụng phổ biến nhất là: hàn hồ quang que hàn thuốc bọc SMAW, hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

- Nguyễn Hồng Thanh

Mô phỏng hình dạng của vũng hàn

Và sự phân nhiệt độ khi hàn hồ quang

Chuyên ngành: Hàn và công nghệ kim loại

luận văn thạc sĩ khoa học

người hướng dẫn khoa học

TS: Nguyễn Tiến Dương

Hà Nội - Năm 2009

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

LỜI CẢM ƠN 6

MỞ ĐẦU 7

1 Tổng quan 7

2 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài 7

3 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài 8

4 Thuật ngữ sử dụng trong luận văn 9

5 Các chữ viết tắt: 11

Chương 1 12

TỔNG QUAN VỀ HÀN NÓNG CHẢY 12

1.1 Tổng quan về hàn 12

1.2 Các phương pháp hàn hồ quang nóng chảy 12

1.3 Các loại mối ghép hàn 16

Chương 2 19

CÔNG NGHỆ HÀN HỒ QUANG 19

TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ GMAW 19

2.1 Nguyên lý và đặc điểm của quá trình hàn 19

2.2 Chế độ hàn - GMAW 21

2.3 Thiết bị và vật liệu hàn 23

2.3.2 Vật liệu hàn GMAW, [1] 27

2.4 Vật liệu cơ bản 34

Chương 3 36

TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG HÀN HỒ QUANG 36

3.1 Tổng quan 36

3.2 Hệ số dẫn nhiệt 36

3.3 Sự phân bố nhiệt độ ở trạng thái giả ổn định 38

Chương 4 57

ỨNG DỤNG 57

4.1 Giới thiệu chung 57

4.2 Tính chất của vật liệu 58

4.4 Kết quả tính toán 67

4.5 Thực nghiệm 1 (S=5 mm) 75

4.6 Thực nghiệm 2 (S=10 mm) 79

4.7 Phân tích, so sánh kết quả thực nghiệm và tính toán 81

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 84

1 Kết luận 84

2 Kiến nghị: 85

TÓM TẮT LUẬN VĂN 86

ABSTRACT 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC 91

1 Nội dung xây dưng chương trình tính (Lập trình MatLab) 91

2 Kết quả tính toán tấm hàn S=5 97

3 Kết quả tính toán tấm hàn S=10 vát mép chữ V, hàn 3 lớp 98

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Mối hàn giáp mối 16

Hình 1 2 Liên kết hàn góc 17

Hình 1 3 Liên kết hàn chồng 17

Hình 1 4 Liên kết hàn chữ T 17

Hình 1 5 Tổng chiều dày truyền nhiệt 18

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý hàn MAG 19

Hình 2 2 Thiết bị hàn MAG, Robot AX-MV6 24

Hình 2 3 Máy hàn Inverter DM 350, [10] 26

Hình 2 4 Dây hàn (NA-70S) ER 70S-G 32

Hình 2 5 Nguồn nhiệt trong hàn GMAW 36

Hình 2 6 Tương quan giữa vị trí và nhiệt độ, [2] 38

Hình 2 8 Mô hình nguồn nhiệt di động 41

Hình 3 1 Ba trạng thái cơ bản trong hàn hồ quang 39

Hình 3 2 Nguồn nhiệt điểm di động trong tấm bán vô hạn, Grong 42

Hình 3 3 Nguồn nhiệt 3D trong tấm dày, Rosenthal 43

Hình 3 4 Đường bao đẳng nhiệt 47

Hình 3 5 Nguồn nhiệt đường di chuyển trong tấm mỏng, [2] 51

Hình 3 6 Sự phân bố nhiệt hàn trong tấm mỏng, [12] 53

Hình 4 1 Trình tự tính toán 57

Hình 4 2 Lưu đồ tính toán 60

Hình 4 3 Chọn vật liệu khảo sát 64

Hình 4 4 Chọn phương pháp hàn 65

Hình 4 5 Chọn chiều dày tấm hàn 66

Hình 4 6 Nhập các thông số tính toán 68

Hình 4 7 Đường bao đẳng nhiệt ứng với nhiệt độ tại thời điểm khảo sát 70

Hình 4 8 Giao diện tính toán tấm mỏng chiều dày S=5 mm 72

Hình 4 9 Hình chiếu bằng vũng hàn 74

Hình 4 10 Hàn thực nghiệm 76

Hình 4 11 Mối hàn 1 lớp, S=5mm 78

Hình 4 12 Vùng ảnh hưởng nhiệt 78

Hình 4 13 Mối hàn 3 lớp, S=10 mm 81

Hình 4 14 Hình chiếu bằng vũng hàn, S=5mm 82

Hình 4 15 Hình chiếu bằng vũng hàn, S=10 83

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1Chế độ hàn tự động GMAW không vát mép 22

Bảng 2 2 Chế độ hàn tự động GMAW, vát mép 1 phía và 2 phía 23

Bảng 2 3 Bảng thông số kỹ thuật của Robot hàn AX-MV6, [8] 25

Bảng 2 4 Bảng thông máy hàn DM 350, [10] 27

Bảng 2 5 Khí và hỗn hợp khí bảo vệ dùng trong hàn GMAW 28

Bảng 2 6 Khí bảo vệ dùng trong hàn GMAW, chuyển dịch dạng phun 29

Bảng 2 7 Khí bảo vệ dùng trong hàn GMAW, chuyển dịch ngắn mạch 30

Bảng 2 8 Ký hiệu thép CT38 34

Bảng 2 9 Thành phần hóa học của thép CT38 34

Bảng 2 10 Cơ tính của thép CT38 34

Bảng 3 6 Thành phần hóa học của một số loại dây hàn GMAW, [1] 33

Bảng 3 10 Tính chất lý hóa của một số kim loại và hợp kim, [2] 58

Bảng 3 11 Một số tính chất chất cơ bản của các phương pháp hàn 59

LỜI CẢM ƠN Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS Nguyễn Tiến Dương đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu trong quá trình nghiên cứu và làm luận văn Tiến sĩ đã giành nhiều thời gian, công sức giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn tới các Thầy giáo trong Bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại – Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các Thầy

cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Hàn – Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định cùng bạn bè và đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn cũng như toàn bộ khóa học

Học viên

Nguyễn Hồng Thanh

Sự thay đổi nhiệt độ ở từng vị trí của vật thể phụ thuộc vào chính tốc độ nguội tại vị trí đó Do vậy việc mô phỏng hình dáng kích thước đường bao nhiệt độ tại thời điểm nhiệt độ khảo sát là hết sức cần thiết và mang ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu trường nhiệt trong hàn

Tác giả hy vọng thông qua việc mô phỏng hình dáng kích thước đường bao đẳng nhiệt giúp cho sinh viên ngành Công nghệ Hàn hiểu rõ hơn về chu trình nhiệt cũng như ảnh hưởng của các thông số tới hình dáng kích thước của bể hàn

2 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài

2.1 Mục đích

Đề tài này tác giả nghiên cứu các vấn đề sau:

- Mô phỏng và tính toán được hình dạng và kích thước của vũng hàn với các chế độ hàn khác nhau

- Xác định được các đường đẳng nhiệt

- Tính toán được thể tích vũng hàn, tiết diện ngang của đường hàn, chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt

- Tính toán được thời gian nguội và tốc độ nguội khi hàn

2.2 Đối tượng nghiên cứu

3 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

- Việc nghiên cứu những vấn đề liên quan đến hàn, như ứng suất dư, biến dạng hàn và mô hình cấu trúc tế vi yêu cầu các thông tin chi tiết về lịch sử nhiệt của các phần tử và kết cấu hàn

- Dòng nhiệt trong quá trình hàn là trạng thái rất phức tạp Điểm đặc biệt của các quá trình hàn là chu trình nung nóng và làm nguội xảy ra rất nhanh kết quả là gradient nhiệt độ rất dốc giữa các vùng được hàn và vùng kim loại cơ bản xung quanh

- Thông qua việc xác định và tính toán hình dạng, kích thước vũng hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt từ đó xác định được chiều rộng vùng ứng suất tác động và tính được biến dạng (co dọc, co ngang, biến dạng góc, …) của liên kết hàn Trên cơ sở đó sẽ đề ra được biện pháp công nghệ hợp lý để nâng cao độ bền

và khả năng làm việc của liên kết hàn

4 Thuật ngữ sử dụng trong luận văn

K0(u) Hàm Bassel loại 2 bậc 0

K1(u) Hàm Bassel loại 2 bậc 1

Λ (Wedge) diện tích vũng hàn không thứ nguyên

n3 tham số vận hành không thứ nguyên

2 2

2

z y

x

R= + + khoảng cách từ điểm khảo sát tới tâm nguồn nhiệt – 3D

σ3 bán kính véc tơ không thứ nguyên

T nhiệt độ tại thời điểm khảo sát

Tc nhiệt độ nóng chảy của vật liệu

V thể tích vũng hàn thứ nguyên

ξ (xi) tọa độ không thứ nguyên theo phương x

ξm tọa độ không thứ nguyên lớn nhất theo phương x

Ψ (psi) tọa độ không thứ nguyên theo phương y

ζ (zeta) tọa độ không thứ nguyên theo phương z

Δt8/5 (DeltaT) thời gian nguội

5 Các chữ viết tắt:

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HÀN NÓNG CHẢY

1.1 Tổng quan về hàn

Hàn là công nghệ dùng để nối hai hay nhiều phần tử (chủ yếu là kim loại) thành một liên kết liền khối (không thể tháo rời) Việc kết nối này được thực hiện hoặc bằng nguồn nhiệt hoặc bằng áp lực hoặc bằng cả hai điều kiện trên Trong trường hợp sử dụng nguồn nhiệt, kim loại chỗ cần hàn được nung đến trạng thái nóng chảy, sau khi kết tinh sẽ hình thành mối hàn Tham gia vào quá trình hàn có thể có hoặc không có kim loại bồi

Ngày nay người ta thường sử dụng nguồn nhiệt hồ quang để hàn

Hồ quang hàn là một loại nguồn nhiệt được sử dụng rộng rãi trong hàn để nối các chi tiết lại với nhau như là trong ngành công nghiệp đóng tàu thủy, cầu,

và các kết cấu xây dựng đặc biệt trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô và trong các lò phản ứng hạt nhân Và một số ngành công nghiệp mới

Yêu cầu nguồn điện hàn là dòng một chiều hoặc dòng xoay chiều đảm bảo cung cấp dòng điện hàn đủ lớn để làm nóng chảy kim loại cơ bản và vật liệu hàn

Quá trình hàn hồ quang liên quan đến nguồn nhiệt lớn và điều này làm sinh ra ứng suất và biến dạng hàn Nó có khuynh hướng làm giảm khả năng làm việc của kết cấu tăng các vết nứt tế vi, …và các loại hỏng hóc khác

1.2 Các phương pháp hàn hồ quang nóng chảy

Quá trrình hàn được sử dụng phổ biến nhất là: hàn hồ quang que hàn thuốc bọc (SMAW), hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GTAW), hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo

vệ (GMAW), hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW),…

1.2.1 Hàn hồ quang tay (SMAW)

Hàn hồ quang tay với que hàn thuốc bọc (SMAW), thường được gọi là phương pháp hàn bằng que hàn, là một phương pháp cổ điển nhất của các nhóm hàn hồ quang hiện nay Tuy nhiên nó lại được ứng dụng rộng rãi nhất Đây là quá trình hàn được thực hiện bằng tay, trong đó nhiệt lượng cho quá trình hàn tạo ra nhờ cột hồ quang hình thành giữa vật hàn và que hàn (điện cực tự hao), có vỏ bọc là lớp trợ dung (thuốc hàn) Phương pháp hàn hồ quang SMAW được sử dụng rộng rãi do tính đa dạng của nó và thiết bị tương đối đơn giản, dễ di chuyển và rẻ hơn so với các thiết bị hàn hồ quang khác

1.2.2 Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GTAW)

Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ, điện cực wonfram được sử dụng thay thế điện cực nóng chảy trong hàn hồ quang que hàn thuốc bọc Khí bảo vệ là các loại khí trơ như: argon, helium hoặc H2

được sử dụng để bảo vệ kim loại không bị oxy hóa Nguồn nhiệt của hồ quang hình thành giữa điện cực và vũng hàn Nguồn nhiệt được tạo ra do sự hình thành hồ quang giữa điện cực và KLCB làm nóng chảy mép hàn Dây kim loại phụ được đưa vào vùng hồ quang hoặc bể hàn Qúa trình hàn hồ quang với điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ có thể hàn được hầu hết các kim loại và cho mối hàn có chất lượng tốt Tuy nhiên tốc độ hàn chậm hơn các quy trình hàn khác

1.2.3 H àn hồ quang với điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW)

Đây là loại quá trình hàn có độ tin cậy cao khi sử dụng điện cực nóng chảy dưới dạng dây hàn trong môi trường khí trơ trên cơ sở khí argon Ra đời trong thập kỷ 50, quá trình này được biết đến với tên gọi ban đầu là quá trình hàn MIG và cho đến nay vẫn là một trong những quá trình hàn được sử dụng rộng

rãi vì có một loạt những ưu điểm nổi bật Ta có thể sử dụng phương pháp hàn này ở chế độ hàn tự động hoặc bán tự động đối với nhiều loại vật liệu, chiều dày và vị trí hàn Đây là loại quá trình hàn có năng suất đắp cao ở hai chế độ hàn tự động và bán tự động

Một trong những ứng dụng ban đầu của phương pháp hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ là hàn nhôm trong môi trường khí argon Đối với thép, khí bảo vệ được sử dụng rộng rãi là CO2 và hỗn hợp khí Ar/CO2 Thành phần khí bảo vệ có ảnh hưởng đáng kể đến đặc trưng của quá trình hàn, hình dạng mối hàn, mức độ bắn tóe và cơ tính của kim loại mối hàn (đặc biệt là độ dai va đập) Khí bảo vệ CO2 thường được sử dụng cho hàn kết cấu thông dụng từ thép cac bon thấp đôi khi đòi hỏi cao về hình dạng bề mặt mối hàn, phạm vi biến thiên tương đối rộng chế độ hàn và độ dai va đập Mặc

dù có giá thành cao, các hỗn hợp khí Ar/CO2 hoặc Ar/CO2/O2 cho phép cải thiện đáng kể hình dạng bề ngoài mối hàn

Ưu điểm chính của hàn điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ là:

- có thể hàn ở cả hai chế độ: tự động và bán tự động

- mức độ linh hoạt cao đối với các loại vật liệu khác nhau và vị trí hàn khác nhau

- năng suất đắp cao (có thể dùng dây lõi bột)

- mật độ dòng hàn cao bảo đảm vùng ảnh hưởng hẹp;

- chế độ hàn xung cho phép kiểm soát tốt hơn quá trình hàn so với hàn không có xung

Nhược điểm của quá trình này là:

- dễ hình thành khuyết tật, bắn tóe và rỗ khí

- giá thành thiết bị hàn cao hơn so với phương pháp hàn hồ quang tay Bên cạnh đó nếu yêu cầu tối ưu hóa các thông số hàn để kiểm soát quá trình hàn tốt hơn thì giá thành thiết bị sẽ tăng rất cao

- sử dụng dây hàn lõi bột tự bảo vệ sẽ ít nhiều gây ảnh hưởng tới sức khỏe của người thợ Do vậy phải yêu cầu có sự thông thoáng và điều kiện thông gió tốt (đặc biệt trong vùng không gian làm việc chật hẹp)

- chi phí sử dụng sẽ rất cao nếu sử dụng khí bảo vệ trên cơ sở argon so với khí CO2

- khí bảo vệ (CO2) không cho phép đạt tới trạng thái dịch chuyển tia dọc trục, chất lượng bề mặt mối hàn kém hơn, hồ quang kém ổn định và mức độ bắn tóe cao hơn

1.2.4 Hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW)

Hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW) tương tự như hàn hồ quang với điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ Thay vì dùng khí bảo vệ vùng hồ quang và đầu điện cực người ta sử dụng thuốc hàn dưới dạng hạt Quá trình hàn này năng suất rất cao nhưng chỉ sử dụng để hàn thép Hàn hồ quang dưới lớp thuốc thường thực hiện với cường độ dòng điện khoảng 400-1000A Hiệu suất nhiệt cao nhờ vào sự cách nhiệt tốt của lớp thuốc bảo vệ

Kết luận: Dựa vào ưu nhược điểm của các quá trình hàn đã nói ở trên tác giả tác thấy phương pháp hàn điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ - GMAW có nhiều ưu điểm nổi bật hơn so với các phương pháp hàn khác như:

- hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ cho phép hàn được tấm hàn có chiều dày khác nhau thông qua các loại chế độ dịch chuyển kim loại điện cực vào vũng hàn: dịch chuyển tia dọc trục, dịch

chuyển giọt lớn, ; ngoài ra chế độ hàn xung cho phép giảm cường độ dòng điện hàn dẫn đến giảm biến dạng và chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt

- thiết bị và vật liệu hàn không khó mua, có thể áp dụng để hàn nhiều loại vật liệu khác nhau (thép các bon, thép hợp kim, );

- có thể điều chỉnh được thành phần hóa học của mối hàn thông qua thay đổi thành phần hóa học của dây hàn và khí bảo vệ

- hiệu suất hồ quang có thể đạt tới 85%,

- và hàn được ở mọi vị trí hàn trong không gian, không sợ bị khuyết tật

rỗ xỉ So với các phương pháp hàn có sử dụng thuốc hàn thì phương pháp hàn này không phải làm sạch xỉ hàn sau mỗi lớp hàn và bề mặt mối hàn Đây cũng chính là phương pháp hàn ngày nay được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng tàu và chế tạo kết cấu hàn

1.3 Các loại mối ghép hàn

Có rất nhiều kiểu mối ghép hàn, như là liên kết hàn giáp mối, hàn góc, thường bao gồm từ hai hoặc nhiều chi tiết ghép với nhau tạo thành Các chi tiết để tạo thành mối ghép có thể là thép cán nóng, thép tấm, ống, rèn, cán, Tuy nhiên có một số kiểu mối ghép được sử dụng rộng rãi như sau:

1.3.1 Liên kết hàn giáp mối

Liên kết hàn giáp mối là liên kết giữa hai hay nhiều chi tiết nằm trên cùng một mặt phẳng

Hình 1 1 Mối hàn giáp mối

Như chúng ta biết khả năng truyền nhiệt trong vật hàn phụ thuộc vào kiểu liên kết hàn Theo lý thuyết truyền nhiệt ta có tổng chiều dày truyền nhiệt trong các mối ghép hàn được tính như trong hình 1 5

Hình 1 5 Tổng chiều dày truyền nhiệt

Kết luận: Việc nghiên cứu tính toán trường nhiệt độ trong hàn các kiểu liên kết hàn khác nhau là tương đối phức tạp và gặp nhiều khó khăn vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có kiểu liên kết hàn, tính chất lý nhiệt của các loại vật liệu Chính vì thế trong luận văn này tác giả chỉ nghiên cứu trường hợp mối ghép hàn giáp mối, các trường hợp khác tác giả sẽ nghiên cứu sau

Chương 2 CÔNG NGHỆ HÀN HỒ QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ GMAW

2.1 Nguy ên lý và đặc điểm của quá trình hàn

Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy hồ quang giữa đầu điện cực và vật hàn liên tục nung chảy mép hàn và điện cực Dây hàn được cấp vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây với tốc độ bằng tốc độ nóng chảy của điện cực (dây hàn)

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý hàn MAG

Phần điện cực nung chảy chuyển dịch vào vũng hàn theo các cơ chế sau:

- Dịch chuyển ngắn mạch – Đây là dạng dịch chuyển liên quan đến trị số điện

áp hàn, dòng điện hàn thấp (khoảng dưới 200A) và năng suất đắp thấp Các giọt kim loại nóng chảy hình thành tại đầu điện cực liên tục có tiếp xúc đoản mạch với vũng hàn và dịch chuyển hình thành dưới ảnh hưởng của sức căng

bề mặt và lực điện từ Đây là dạng dịch chuyển tương đối ổn định khi có các thông số hàn tối ưu

- Dịch chuyển giọt lớn – Khi tăng năng suất đắp thông qua tăng mật độ dòng điện hàn (thường trong khoảng 200 – 250A) và khi tăng tốc độ cấp dây, dịch chuyển của kim loại nóng chảy vào vũng hàn sẽ có dạng dịch chuyển giọt lớn Lúc đó đầu điện cực không còn tiếp xúc đoản mạch với vũng hàn Các giọt kim loại có kích thước lớn dịch chuyển không đồng đều theo thời gian vào vũng hàn dưới tác dụng của trọng lực và lực điện từ Ở dải cường độ dòng điện nói trên, dịch chuyển này mang đặc tính xung tia (với khoảng tần số 50Hz) và được kiểm soát bằng dạng sóng của dòng điện hàn Do đó có thể giảm thiểu được bắn tóe và cải thiện chất lượng bề mặt mối hàn Mặc dù mức

độ bắn tóe giảm trong trường hợp này, nhưng nó dễ bị chịu ảnh hưởng của các thay đổi trong gá lắp kết cấu hàn (như độ chính xác) và các thông số của chế độ hàn xung Dạng dịch chuyển này cần một loạt các thông số bổ sung, do

đó cần được tối ưu hóa để có được chiều dài hồ quang ổn định

- Dịch chuyển tia dọc trục: Nếu tăng cường độ dòng điện hàn lên trên khoảng

từ 220 – 250A kim loại điện cực sẽ dịch chuyển vào vũng hàn dưới dạng tia dọc trục, lúc này các giọt kim loại có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với đường kính điện cực, chúng được phun qua hồ quang từ đầu điện cực vào vũng hàn với vận tốc lớn Để có được dạng dịch chuyển này, dòng điện hàn cần phải đạt trên 250A và khí sử dụng là hỗn hợp Ar/CO2 Với dạng dịch chuyển này cho ta phạm vi sử dụng dòng điện hẹp, chính vì vậy cần phải đảm bảo độ ổn định của hồ quang Sự dịch chuyển ổn định của kim loại cho phép đạt được mối hàn có hình dạng đều khi cường độ dòng hàn cao (năng lượng đường cao) tạo nên mối hàn có bề rộng lớn Do tính chảy loãng cao của vũng hàn nên chỉ áp dụng dạng dịch chuyển này ở các tư thế hàn bằng và hàn ngang

- Dịch chuyển hồ quang xoắn: Dạng dịch chuyển này xuất hiện khi cường độ dòng điện hàn cao hơn 500A Trong điều kiện này sự mất ổn định xoắn của

phần đầu điện cực bị vát ở trạng thái lỏng được hình thành và duy trì bởi từ trường dọc Đồng thời các giọt kim loại có kích thước rất nhỏ được phun từ đầu điện cực vào vũng hàn Đặc điểm chính của dạng dịch chuyển này là cho năng suất đắp cao Mức độ bắn tóe cao hơn các dạng dịch chuyển khác và bề mặt mối hàn không đồng đều Do đó dạng dịch chuyển này ít được ứng dụng trong thực tế do những đòi hỏi rất cao về tối ưu các thông số hàn và kỹ thuật hàn Vì khi sử dụng dòng hàn cao đòi hỏi thiết bị phải đảm bảo độ ổn định về điện áp Nếu không sẽ bị hạn chế bởi các khuyết tật, hàn không ngấu mép, bắn tóe và rỗ khí

2 2 Chế độ hàn - GMAW

Để đảm bảo đạt được mối hàn có chất lượng cần thiết, ta phải chọn đúng các thông số hàn và điều kiện hàn Với đề tài luận văn: “Mô phỏng hình dạng của vũng hàn và sự phân bố nhiệt độ khi hàn hồ quang” tác giả chỉ giới thiệu một vài yếu tố tiêu biểu có ảnh hưởng trực tiếp đến hình dạng của mối hàn Đó là: cường độ dòng điện hàn, điện áp hàn và vận tốc hàn

2.2.1 Dòng điện hàn

Dòng điện hàn có ảnh hưởng rất lớn tới hình dạng mối hàn Dòng điện tăng dẫn đến tăng mật độ dòng điện, kích thước vũng hàn, hệ số chảy, Do vậy trong quá trình hàn ta phải điều chỉnh dòng hàn cho phù hợp với chiều dày tấm hàn

2.2.2 Điện áp hàn

Điện áp hồ quang thay đổi theo chiều dài cột hồ quang Điện áp ảnh hưởng trực tiếp đến chiều rộng mối hàn khi cường độ dòng hàn không thay đổi sẽ giảm chiều sâu ngấu

Trong thực tế, khi chọn giá trị điện áp cần chọn theo chỉ dẫn của nhà chế tạo thiết bị Sau đó điều chỉnh thêm cho phù hợp với giá trị yêu cầu Khi hàn trong môi trường CO2 có thể coi:

Đây là đại lượng quan trọng thứ ba có ảnh hưởng tới hình dạng của bể hàn Vì

nó làm thay đổi năng lượng đường và thường để tăng năng suất hàn Việc chọn đúng tốc độ hàn phụ thuộc vào tốc độ nung nóng và làm nguội mối hàn cũng như hình dạng của mối hàn

Trong luận văn này tác giả giới thiệu chế độ hàn thép các bon thấp theo catologe của máy hàn Digital Inverter DM 350, hàn tự động giáp mối với chiều dày trong khoảng từ 1,2 mm đến 25 mm

Bảng 2 1Chế độ hàn tự động GMAW không vát mép

Bảng 2 2 Chế độ hàn tự động GMAW, vát mép 1 phía và 2 phía

hệ thống Robot hàn AX-MV6 sẵn có tại cơ sở (Bộ môn Hàn - Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Nam Định)

Hình 2 2 Thiết bị hàn MAG, Robot AX-MV6

Ưu điểm của hệ thống hàn này là:

- Kiểm soát được chế độ hàn (U, I);

- Kiểm soát được vận tốc hàn;

- Kiểm soát được chiều dài hồ quang;

- Tự động hóa quá trình hàn

Bảng 2 3 Bảng thông số kỹ thuật của Robot hàn AX-MV6, [8]

2 Máy hàn DM 350

Máy hàn DM 350 là loại máy hàn Inverter điều khiển theo chương trình số, được tích hợp hệ thống đồng bộ hóa dữ liệu với Robot hàn AX-MV6

Hình 2 3 Máy hàn Inverter DM 350, [10]

Ưu điểm của loại máy hàn này:

- có thể ghi lại được chương trình hàn với chế độ hàn tốt nhất đã chọn;

- có thể gọi lại chương trình hàn tốt nhất đó;

- khả năng gây và ổn định hồ quang tốt;

- tự động ổn định độ ngấu;

- tốc độ cấp dây ổn định và tự động điều chỉnh theo dòng hàn đã chọn;

- đồng bộ hóa dữ liệu với Robot hàn AX-MV6;

- tùy thuộc vào vật liệu hàn mà ta có thể thay đổi chương trình hàn cho phù hợp để đảm bảo chất lượng hàn cao nhất

Bảng 2 5 Khí và hỗn hợp khí bảo vệ dùng trong hàn GMAW

Khí bảo vệ Tác động hoá học Phạm vi ứng dụng

Argon Khí trơ Gần như tất cả kim loại trừ thép

Helium Khí trơ Nhôm, mangan, và hợp kim đồng vì có nhiệt lượng lớn và mức độ rỗ khí nhỏ

Ar + 20-80% He Khí trơ Nhôm, mangan, và hợp kim đồng vì có nhiệt lượng lớn và mức độ rỗ khí nhỏ (ảnh hưởng của hồ quang tốt hơn

độ nhỏ Thép trắng và thép hợp kim, một vài tính khử đối với hợp kim đồng

Ar + 3-5% O2 Oxy hóa Thép carbon và một vài loại thép hợp kim thấp

CO2 Oxy hóa Thép carbon và một vài loại thép hợp kim thấp

Ar + 20-50% CO2 Oxy hóa Các loại thép có tính chất khác nhau, chủ yếu là kiểu

Bảng 2 6 Khí bảo vệ dùng trong hàn GMAW, chuyển dịch dạng phun

Cải thiện sự ổn định của hồ quang; kết quả dễ cháy hơn

và kiểm soát tốt bể hàn, sự liên kết tốt và mối hàn gọn, giảm thiểu cháy chân, cho phép hàn ở tốc độ cao hơn Argon nguyên chất

Thép hợp kim thấp Argon

+ 2 % O2 Giảm thiểu cháy chân, tạo tính bền tốt

Thép không gỉ

Argon + 1 % O2

Cải thiện sự ổn định của hồ quang, kết quả dễ cháy hơn

và kiểm soát tốt bể hàn, sự liên kết tốt và mối hàn gọn, giảm thiểu cháy chân trên thép không gỉ cao

Argon + 2 % O2

Tạo sự ổn định hồ quang tốt hơn, độ liên kết, và tốc độ hàn lớn hơn với hỗn hợp 1% O 2 đối với các loại vật liệu pha thép không gỉ.

Titanium Argon

Hồ quang ổn định tốt, tạp chất trong mối hàn là nhỏ nhất, yêu cầu có sự hỗ trợ của khí trơ ngăn ngừa gió làm ảnh hưởng ở phía sau của khu vực mối hàn

Bảng 2 7 Khí bảo vệ dùng trong hàn GMAW, chuyển dịch ngắn mạch

Thép carbon

75% Argon + 25 % CO 2

Chiều dày nhỏ hơn 3.2mm, tốc độ hàn cao không có sự điền đầy, sự biến dạng và bắn toé là tối thiểu

75% Argon + 25 % CO 2

Chiều dày lớn hơn 3.2mm, ít bắn toé, làm sạch biên dạng mối hàn, điều khiển vũng hàn tốt ở vị trí đứng và khỏi đầu

CO 2 Độ ngấu sâu, tốc độ hàn nhanh

Tính hàn tốt, hồ quang ổn định cao, ……., và biên dạng mối hàn, ít bị bắn toé

Argon thoả mãn phần lớn các kim loại, Argon – helium được ưu tiên hơn trên phần lớn các loại vật liệu ( lớn hơn 3.2mm)

2.3.2 Dây hàn, [13]

1) Yêu cầu chung:

Trong công nghệ sản xuất dây hàn, kim loại đắp phải thoả mãn cho việc kết tinh mối hàn cùng với những mục tiêu cơ bản sau:

- Kim loại đắp tương xứng nhau về cơ tính và lý tính với kim loại cơ bản

- Tạo ra mối hàn có độ liên kết liền, không có khuyết tật

Mục tiêu thứ nhất: Ngay cả kim loại đắp có thành phần nguyên tố đồng nhất với kim loại nền thì mối hàn cũng có đặc tính luyện kim riêng biệt Do vậy,

mục tiêu là chọn các thành phần hợp kim của kim loại đắp sao cho chúng có

cơ tính bằng hoặc tốt hơn kim loại hàn

Mục tiêu thứ hai: đạt được, thông thường, thông qua dùng điện cực kim loại điền đầy được sản xuất đưa thêm vào các thành phần để không tạo ra khuyết tật

2) Giới thiệu dây hàn của Công ty CP công nghiệp vật liệu hàn Nam Triệu

Dây hàn NA-70S

Ứng dụng: Dây hàn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như đóng tàu, kết cấu thép, hàn ống, chủ yếu dùng hàn cho thép cường độ cao, thép đúc, nồi hơi, bồn áp lực, chế t ạo máy và hàn cho các loại vật liệu cơ bản tương đương

- Tính hàn:

Dây hàn tương đối dễ hàn, tính hàn thích hợp với mọi ví trí với độ lắng kim loại và độ ngẫu cao, hồ quang mạnh, cháy êm và ổn định, không bị cháy chân khi hàn, bề mặt mối hàn đẹp

Bảng 3 1 Thành phần hóa học của một số loại dây hàn GMAW, [1]

Dòng điện và phân cực

2.4 V ật liệu cơ bản

Vật liệu mà tác giả nghiên cứu trong luận văn này là thép các bon thấp (thép CT38) có nhiệt độ nóng chảy khoảng Tc = 1520oC và có khả năng truyễn dẫn nhiệt tốt

Thép CT38 thuộc loại nhóm thép các bon kết cấu chất lượng thường Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông Nhóm thép thông dụng này hiện chiếm tới 80% khối lượng thép dùng trong thực tế, thường được cung cấp ở dạng qua cán nóng (tấm, thanh, dây, ống, thép hình: chữ U, I, thép góc, )

Bảng 2 8 Ký hiệu thép CT38 Viêt Nam

(TCVN1765-75)

Liên Xô (GOCT 380-71)

Liên Bang Nga (GOCT27772-88)

Giới hạn chảy Giới hạn bền Độ giãn dài TCVN 1651-85 ≥ 235 (MPa) 373÷480 (MPa) ≥ 25 (mm)

Tính hàn của thép CT38

- Xác định hàm lượng Cacbon tương đương CE

3408 , 0 24

3 , 0 6

65 , 0 22 , 0 4

15 5 40 24

Chương 3 TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG HÀN HỒ QUANG

3.2 Hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt được xác định theo công thức (2.1), dòng năng lượng từ vùng nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp hơn, gradient nhiệt độ ∇T:

Hình 2 5 Nguồn nhiệt trong hàn GMAW

Trong đó k là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu và ∇ = 

x, , Dấu trừ để thể hiện Q” mang dấu dương Bởi vì nguồn nhiệt luôn được truyền theo hướng giảm nhiệt độ giống trạng thái trên Nguồn năng lượng yêu cầu phải thay đổi

nhiệt độ của vật liệu và được xác định bởi các thông số của nguồn nhiệt như

là nhiệt dung riêng c (hoặc gia số Enthalpy, H) Theo đó dòng nhiệt và sự phân bố nhiệt độ sẽ là Q’” (W/m3), sự bảo toàn năng lượng được xác định theo công thức (2.2)

0

"

' )

⋅ với t là thời gian và ρ là khối lượng riêng của vật liệu

Để có lời giải của công thức trên thì điều kiện biên và điều kiện ban đầu phải cho trước Điều kiện biên hoặc là độc lập (nhiệt độ cho trước) hoặc là tự nhiên (dòng nhiệt cho trước) và thời gian

Điều kiện biên đối với hệ số truyền nhiệt được chia ra làm sự bức xạ nhiệt độ

và sự trao đổi nhiệt (đối lưu) Nhiệt độ của vật hàn được tính theo độ C (Celsius), sự bức xạ nhiệt xung quanh nhiệt độ T0 theo định luật Stefan-Boltzman :

Q”rad = σε(T4 – T4 )

= σε(T2 – T2 )(T+T0)(T-T0) = hrad(T-T0) (2 6)

Trong đó ε là độ phát xạ, σ là hằng số Stefan-Boltzmann và hrad là nhiệt độ phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt do bức xạ

Nhiệt độ tại điểm khảo sát là T, bao quanh là chất lỏng hoặc khí tại nhiệt độ

T0, sự đối lưu nhiệt tồn tại giữa các lớp nhiệt (lớp hàn) với hệ số truyền nhiệt

a, vì thế sự thay đổi nhiệt độ giữa các biên nóng chảy gây ra một dòng chảy, Q”con, được xác định

Dòng chảy được xác định theo công thức

3

3 Pr Re

Trong đó Pr là hệ số Prandtl và Re là hệ số Reynolds, a hệ số truyền nhiệt, k

là hệ số dẫn nhiệt (W/mK) với m là chiều dày lớp biên Độ dẫn nhiệt trong không khí thường trong khoảng (2 ÷ 10)

mK

W

Việc phân tích FEM với các điều kiện biên được ứng dụng để xác định giá trị của hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ ở các vùng lân cận

Hình 2 6 Tương quan giữa vị trí và nhiệt độ, [2]

3 3 Sự phân bố nhiệt độ ở trạng thái giả ổn định

Với các điều kiện cho trước việc đi tìm nghiệm cho bài toán dòng nhiệt là tương đối khó, vì nó phụ thuộc vào tính chất nhiệt độ của kim loại cơ bản Phần lớn kim loại và hợp kim đều có các giả thiết không thực, vì cả hai hệ số dẫn nhiệt k, hệ số truyền nhiệt a =