Ảnh hưởng của chiều dày ống đến biến dạng của liên kết hàn

Nội dung text: Ảnh hưởng của chiều dày ống đến biến dạng của liên kết hàn

1. ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀY ỐNG ĐẾN BIẾN DẠNG CỦA LIÊN KẾT HÀN Phạm Sơn Minh 1, Hồ Ngọc Sơn 1 1 Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM Tóm tắt Trong bài báo này, ảnh hưởng của chiều dày ống đến biến dạng của kết cấu hàn các chi tiết dạng ống sẽ được nghiên cứu. Các ống có đường kính 60 mm và chiều dài 200 mm sẽ được sử dụng trong quá trình mô phỏng và thí nghiệm. Phương pháp hàn TIG sẽ được sử dụng trong quá trình hàn đâu mí hai ống thép. Nghiên cứu này được thực hiện với 4 loại chiều dày khác nhau của ống: 2.5 mm; 3.2 mm; 4.0 mm; và 5.2 mm. Ngoài ra, nhằm kiểm tra độ chính xác của phương pháp mô phỏng, các trường hợp mô phỏng sẽ được tiến hành thí nghiệm. Các kết quả cho thấy các kết cấu có thành ống mỏng hơn sẽ có nhiệt độ và ứng suất dư cao hơn. Vì vậy, các ống có thành mỏng hơn sẽ bị biến dạng nhiều hơn. Sau khi so sánh kết quả biến dạng, các kết quả cho thấy phương pháp mô phỏng có thể dự đoán biến dạng của kết cấu hàn các chi tiết dạng ống khá tốt. Từ khóa: Hàn đâu mí, biến dạng kết cấu dạng ống, phân bố nhiệt, ứng suất dư. EFFECT OF PIPE THICKNESS ON THE STRUCTURE DEFORMATION OF WELDING PROCESS. Abstract: In this paper, the effect of pipe thickness on the welding deformation of pipe structure was studied. The pipe has the diameter of 60 mm, the length of 200 mm. The TIG welding method was achieved for the butt welding between two pipes. This research was studied with four types of pipe thickness as 2.5 mm; 3.2 mm; 4.0 mm; and 5.2 mm. In addition, for estimating the acurancy of simulation, the experiment of all cases had been done. Results show that the thinner pipe has the higher temperature and higher residual stress. So, this will let more deformation occurs with the thinner pipes. By comparing the result of simulation and experiment, it shows that the simulation could be used as a tool for predicting the deformation of welding process for the pipe structure. Keywords: Butt welding, pipe structure deformation, temperature distribution, residual stress. 1. Giới thiệu. Kết cấu hàn giữa các chi tiết dạng ống đang được sử dụng ngày càng nhiều trong các ngành công nghiệp nặng như: dầu khí, nhiệt điện, đóng tàu, Hiện tại, các qui trình hàn 1
2. các liên kết dạng ống thường tuân thủ theo các tiêu chuẩn của Mỹ như AWS, ASTM, API hoặc ASME. Thông thường, qui trình hàn các kết cầu thường gồm các bước như sau: Gá đặt chi tiết hàn, định vị hoặc hàn định vị các chi tiết với nhau, hàn các lớp lót, hàn liên kết các chi tiết, sau đó là các bước kiểm tra chất lượng liên kết hàn. Trong bước lập qui trình hàn hiện nay, các yêu cầu về chất lượng đường hàn như: độ bền, độ kín, vùng ảnh hưởng nhiệt thường được kiểm tra khá nghiêm ngặt và thường tuân theo các tiêu chuẩn nêu trên [1]. Tuy nhiên, với các kết cấu quan trọng, việc đảm bảo độ biến dạng của các chi tiết sau khi hàn vẫn chưa được quan tâm nhiều. Đặc biệt với các liên kết yêu cầu độ chính xác cao [2]. Hiện nay trong các qui trình hàn tại Việt Nam, cũng như trên thế giới, việc hạn chế biến dạng của kết cấu hàn đang ngày càng được quan tâm nhiều. Tuy nhiên, ứng với các kết cấu khác nhau, các biến dạng cũng như phân bố ứng suất và phân bố nhiệt sẽ hoàn toàn khác nhau. Vì vậy, để đảm bảo độ chính xác kích thước của các liên kết này, các qui trình hàn thường phải phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người lập qui trình [3]. Nhằm nâng cao khả năng dự đoán biến dạng của liên kết hàn, phương pháp mô phỏng số đã được đề cập trong nhiều nghiên cứu. Với nghiên cứu của J.B. Roelen [4] và P. Dong [5], liên kết hàn đâu mí của thép không gỉ đã được tiến hành mô phỏng và thí nghiệm. Kết quả cho thấy ứng suất dư là một trong những yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ biến dạng của kết cấu. Do đó, nghiên cứu này đề xuất cần kiểm tra ứng suất dư của kết cấu sau mỗi qui trình hàn nhằm tăng độ bền mỏi của kết cấu hàn.Từ những năm đầu 1990, nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng hương pháp mô phỏng số như một trong những phương án hiệu quả nhằm dự đoán ứng suất dư [6-9], cũng như biến dạng cảu các kết cấu hàn. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu được thực hiện với mô hình 2D. Trên cở sớ các kết quả nghiên cứu trước đây, cũng như nhu cầu dự đoán biến dạng và ứng suất dư của kết cấu hàn, bài báo này sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng số nhằm nghiên cứu biến dạng của liên hết hàn đâu mí hai ống thép có đường kính 60 mm, dài 200 mm với 4 loại chiều dày: 2.5 mm; 3.2 mm; 4.0 mm; và 5.2 mm. Ngoài ra, nhằm kiểm tra độ chính xác của phương pháp mô phỏng, các trường hợp hàn sẽ được tiến hành thí nghiệm, sau đó, độ biến dạng của kết cấu ống sẽ được đo lường và so sánh với các kết quả mô phỏng. 2. Phương pháp mô phỏng và thí nghiệm Trong quá trình mô phỏng, các ống thép carbon thấp AISI 1005 sẽ được sử dụng trong quá trình hàn. Các thành phần hóa học và cơ tính của thép được trình bày như Bảng 1 và 2. Hình 1 trình bày mô hình mô phỏng của liên kết hàn đâu mí hai ống. Tại thời điểm bắt đầu của quá trình mô phỏng, kết cấu sẽ được cài đặt ở nhiệt độ môi trường. Tương tự như các nghiên cứu khác trong lĩnh vực biến dạng hàn [6-8], vị trí kim loại điền vào mối hàn sẽ được sử dụng bằng các phần tử dạng “birth” và “death”. Để đảm bảo độ chính xác của quá trình mô phỏng, khi chia lưới, vị trí đường hàn sẽ được chia với các phần tử nhỏ, 2
3. mịn. Ngoài ra, để giảm thời gian mô phỏng, cũng như giảm dung lượng bộ nhớ máy tính, với các vị trí cách xa đường hàn, các phần tử lưới sẽ được điều chỉnh kích thước lớn hơ. Hình 2 trình bày mối liên hệ giữa vũng hàn, cấu trúc vật liệu và các phản ứng cơ học đến biến dạng cảu kết cấu hàn. Đường kính ngoài: 60 mm Bề dày: 2.5 mm, 3.2 mm, 4.0 mm, 5.2 mm. Chiều dài mỗi ống: 200 mm Que hàn phụ ER70S- G (AWS A5.18) Hình 1. Mô hình mô phỏng Nhiệt độ vũng hàn Cấu trúc, Phản ứng cơ thành phần, học của vật ứng xử của liệu vật liệu Hình 2. Tương tác giữa các yếu tố vật lý trong quá trình hàn. Nhằm quan sát biến dạng của kết cấu dạng ống trong quá trình hàn, hai ống kim loại có đường kính 60 mm và chiều dài 200 mm sẽ được tiến hành hàn đâu mí với phương pháp hàn TIG. Ngoài ra, trong quá trình thí nghiệm và mô phỏng, chiều dày của hai ống sẽ được thay đổi với các giá trị: 2.5 mm; 3.2 mm; 4.0 mm; và 5.2 mm. Để quan sát biến dạng của vật hàn trong và sau khi quá trình hàn kết thúc, toàn bộ mô hình được đặt trong hệ tọa độ như Hình 3. Theo phương pháp này, trục Z sẽ song song với chiều dài ống và trục Y sẽ song song với hướng kính của ống. Trong quá trình đo, gốc tọa độ sẽ được đặt tại vị trí đường hàn. sau khi quá trình hàn kết thúc, mô hình mô phỏng của liên kết hàn sẽ được cài đặt các thông số của quá trình giải nhiệt tự nhiên với thời gian giải nhiệt 600 s, nhiệt độ môi trường 25 oC. 3
4. Khi quá trình hàn bắt đầu đến khi quá trình nguội kết thúc, toàn bột kết cấu hàn sẽ bị biến dạng nhiệt liên tục [3 – 7]. Biến dạng này sẽ được thu nhận tại cuối quá trình nguội của liên kết bằng các công cụ đo lường mức biến dạng của vật hàn. Các kết quả này sẽ được tổng hợp và so sánh nhằm làm sáng tỏ ảnh hưởng của chiều dày ống đến độ co rút và biến dạng của vật hàn. Sau khi quá trình mô phỏng kết thúc, các phân bố về nhiệt độ, ứng suất và biến dạng sẽ được thu thập, ngoài ra, các giá trị này tại vị trí khảo sát cũng sẽ được ghi nhận và so sánh. Các thông số hàn trong mô phỏng và thực nghiệm được sử dụng cùng giá trị, và được trình bày như Bảng 3. Bảng 1. Thành phần hóa học của thép AISI 1005 Standard AISI 1005 % C 0.14 - 0.22 % Si 0.12 - 0.30 % Mn 0.40 - 0.65 Bảng 2 Cơ tính của thép AISI 1005 Material properties Values Young Modulus (Gpa) 210 ( at 20oC) Minimum yield strength ( Mpa) 355 Poisson’s ratio 0.33 Solidus temperature ( oC) 1404 o Liquidus temperature ( C) 1505 Bảng 3. Thông số hàn. Welding Unit Value parameters Current A 90 Voltage V 21.6 Welding speed mm/s 5.7 Đường biến dạng Vị trí hànY Z Hướng hàn 200 4
5. Hình 3. Tọa độ và vị trí đo biến dạng của liên kết hàn. 3. Kết quả và thảo luận Với phương pháp mô phỏng, phân bố nhiệt tại mặt cắt của kết cấu hàn được trình bày như Hình 4. Trong nghiên cứu này, vì cùng sử dụng một bộ thông số hàn như Bảng 3, do đó phân bố nhiệt độ tại mặt cắt kết cấu cho thấy có sự thay đổi rõ rệt về nhiệt độ. Nhìn chung, với ống có chiều dày nhỏ hơn, nhiệt độ tại cuối quá trình hàn sẽ cao hơn. Trong các mô phỏng này, với chiều dày 2.5 mm, nhiệt độ cao nhất tập trung tại vùng cuối của đường hàn với giá trị nhiệt độ 2866 oC. Trong khi đó, với chiều dày 5.2 mm, giá trị nhiệt độ cao nhất cũng tập trung tại vùng cuối của đường hàn, nhưng giá trị nhiệt độ chỉ ở mức 1642 oC. Sự chênh lệch nhiệt độ này cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến biến dạng khác nhau của kết cấu hàn ứng với các chiều dày khác nhau. Ngoài ra, phương pháp mô phỏng cũng cho thấy phân bố ứng suất của kết cấu hàn như Hình 5. Vớp phân bố này, ứng suất cao nhất sẽ tập trung tại vị trí bắt đầu và kết thúc của đường hàn. Ngoài ra, phương pháp số cũng cho thấy vùng lân cận đường hàn cũng tồn tại các giá trị ứng suất dư. Nhìn chung, với ống có chiều dày lớn hơn, ứng suất dư sẽ giảm đáng kể. Trong nghiên cứu này, ứng suất dư của kết cấu hàn tại vùng hàn (đường hàn và vùng lân cận đường hàn) thay đổi từ 0.85 Mpa đến 323.64 Mpa với chiều dày ống là 5.2 mm. Tuy nhiên, với chiều dày ống 2.5 mm, ứng suất dư có thể tăng đến 719.01 Mpa. Trong quá trình hàn, do ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ và ứng suất dư, các kết cấu hàn sẽ bị biến dạng. Trong bài báo này, thông qua quá trình mô phỏng, biến dạng tại mặt cắt của hai ống hàn đâu mí được trình bày như Hình 6. Kết quả này cho thấy biến dạng ứng với các chiều dày 2.5 mm, 3.2 mm, 4.0 mm và 5.2 mm lần lược là 3.53 mm, 3.42 mm, 2.40 mm, và 1.01 mm. Với phương pháp đo biến dạng như Hình 3, biến dạng lớn nhất tồn tại ở vị trí cuối của ống. Tương tự như kết quả về phân bố nhiệt và phân bố ứng suất dự, biến dạng của kết cấu hàn ứng với các chiều dày lớn hơn sẽ tốt hơn. Kết quả này có thể được giải thích bởi độ cứng vững của kết cấu và hiện tượng dãn nở và co rút nhiệt. Ứng với các trường hợp có chiều dày mõng hơn, độ cứng vững của kết cấu sẽ giảm đáng kể, do đó, hiện tượng cong vênh sẽ xảy ra rõ ràng hơn. Ngoài ra, do cùng được hàn với một bộ thông số, do đó, các ống có chiều dày thành nhỏ hơn sẽ có nhiệt độ cao hơn như Hình 4. Đây cũng là lý do gây nên hiện tượng biến dạng nhiệt lớn hơn khi so sánh với các trường hợp chiều dày ống khác. 5
6. 3000 2800 2500 2000 1500 1000 800 500 200 22 (0C) t = 2.5 mm t = 3.2 mm t = 4.0 mm t = 5.2 mm Min:220C Min: 220C Min: 220C Min: 220C 0 Max: 17690C Max: 16750C Max: 16420C Max: 2866 C Hình 4. Phân bố nhiệt tại cuối quá trình hàn. t = 2.5 mm t = 3.2 mm Min: 1.60 MPa Min: 1.52 MPa Max: 719.01 MPa Max: 1051.90 MPa MPa MPa 10 0.0 10 50 100 300 500 700 800 900 1060 0.0 10 50 300 500 700 800 900 1060 0 t = 5.2 mm t = 4.0 mm Min: 0.85 MPa Min: 1.60 MPa Max: 323.64 MPa Max: 719.01 MPa MPa MPa 0.0 10 50 100 300 500 700 800 900 1060 0.0 10 50 100 300 500 700 800 900 1060 Hình 5. Phân bố ứng suất của vật hàn tại cuối quá trình hàn 6
7. 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.25 0.0 t = 2.5 mm t = 3.2 mm t = 4.0 mm t = 5.2 mm (mm) Min: 1.08 mm Min: 0.61 mm Min: 1.12 mm Min: 0.69 mm Scale: 50 Max: 3.53 mm Max: 3.42 mm Max: 2.40 mm Max: 1.01 mm Hình 6. Biến dạng của ống Phương pháp hàn: TIG Phương pháp hàn: TIG Hàn đâu mí Hàn đâu mí Đường kính ống: 60 mm Đường kính ống: 60 mm Chiều dày: 2.5 mm Chiều dày: 3.2 mm Vật liệu: Thép CT3 Vật liệu: Thép CT3 ) ) mm mm ( ( Biến dạng Biến dạng Biến Thí nghiệm Thí nghiệm Mô phỏng Mô phỏng Vị trí (mm) Vị trí (mm) Phương pháp hàn: TIG Phương pháp hàn: TIG Hàn đâu mí Hàn đâu mí Đường kính ống: 60 mm Đường kính ống: 60 mm Chiều dày: 4.0 mm Chiều dày: 5.2 mm Vật liệu: Thép CT3 Vật liệu: Thép CT3 ) ) mm ( mm ( Biến dạng Biến Biến dạng Biến Thí nghiệm Thí nghiệm Mô phỏng Mô phỏng Vị trí (mm) Vị trí (mm) Hình 7. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm 7
8. Nhằm kiểm tra độ chính xác của các kết quả mô phỏng, qui trình hàn ống được tiến hành với kích thước ống và các thông số hàn như quá trình mô phỏng. Mỗi loại chiều dày được hàn 10 lần, sau đó, độ biến dạng sẽ được đo tại vị trí khảo sát như Hình 3 và giá trị trung bình giữa 10 lần đo này sẽ được sử dụng để so sánh với kết quả mô phỏng. Các kết quả so sánh giữa thí nghiệm và mô phỏng được trình bày như Hình 7. Các so sánh này cho thấy kết quả mô phỏng và kết quả thí nghiệm khá phù hợp nhau. 4. Kết luận Trong nghiên cứu này, phương pháp hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (TIG) được ứng dụng cho quá trình hàn đâu mí giữa hai chi tiết dạng ống. Bốn chiều dày khác nhau của ống được tiến hành mô phỏng và thực nghiệm. Dựa vào các kết quả nghiên cứu, các kết luận sau được rút ra: - Với các chiều dày mỏng hơn, biến dạng và ứng suất sẽ lớn hơn các trường hợp có thành dày hơn. - Với cả 4 giá trị chiều dày, phân bố nhiệt độ đều tập trung tại vị trí bắt đầu và kết thúc của đường hàn. - Phương pháp mô phỏng cho thấy độ chính xác khá cao trong quá trình dự đoán biến dạng của quá trình hàn đâu mí giữa hai ống. Ngoài ra, thông qua quá trình mô phỏng, phân bố nhiệt tại mặt cắt và ứng suất tại bề mặt của kết cấu được quan sát rõ ràng. Tài liệu tham khảo [1] Dong, Z.B., and Wei, Y.H. (2006), Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 46, 56–165 [2] Teng, T. L., and Chang, P.H. (1997), International Journal of Pressure Vessels and Piping, 74, 59–70. [3] Duranton, P., Devaus, J., and Robin V. Journal of Materials Processing Technology, 153, 457–463. [4] J. B. Roelen, F. Maltrual, J. Lu, Weld. World 33 (1994) 152–159. [5] P. Dong, J.K. Hong, Weld. World 48 (2004) 19–27. [6] Y. Shim, Z. Feng, S. Lee, D. Kim, J. Jaeger, J.C. Papritan, C.L. Tsai, Weld. J. 71 (1992) 305–312. [7] A. Free, R.F.D. Porter Goff, Comput. Struct. 32 (1989) 365–378. [8] C.K. Leung, R.J. Pick, Weld. Res. Council Bull. 365 (1990) 11–33. [9] J.B. Roelen, F. Maltrual, J. Lu, Weld. World 35 (1995) 110–117. 8
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.