Mô phỏng mối hàn ma sát khuấy bằng phần mềm Comsol 5.2

Nội dung text: Mô phỏng mối hàn ma sát khuấy bằng phần mềm Comsol 5.2

1. MÔ PHỎNG MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY BẰNG PHẦN MỀM COMSOL 5.2 SIMULATE FRICTION STIR WELDING Lê Chí Cương, Lê Đức Phương Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Hàn ma sát khuấy là một phương pháp phi truyền thống, quá trình hàn ma sát chủ yếu được sử dụng trên các chi tiết có dạng tấm. Năng lượng nhiệt chủ yếu cần thiết cho việc tạo ra mối hàn, được tạo ra qua sự tiếp xúc ma sát giữa đầu hàn chuyên dụng với vật liệu cần hàn. Lượng nhiệt sinh ra phụ thuộc vào nhiều thông số (công nghệ, các yếu tố ma sát vv) mà thông số công nghệ chủ yếu là góc xoay của dụng cụ hàn, tốc độ hàn, bước tiến và hình dáng hình học của đầu hàn. Bên cạnh hình dáng hình học đặc biệt của các đầu hàn, hàn ma sát khuấy có nhiều lợi thế hơn các quy trình hàn khác: về mặt năng lượng rất hiệu quả, là công nghệ thân thiện với môi trường, mối hàn có chất lượng rất tốt, vv. Những nghiên cứu chuyên sâu vào các ứng dụng vào công nghiệp hàng không, không gian, hàng hải và các hệ thống đường sắt làm cho công nghệ hàn ma sát khuấy cạnh tranh với các kỹ thuật hàn khác. Nghiên cứu này đưa ra các phân tích lý thuyết của các thông số ảnh hưởng nhiệt độ cũng như năng suất của công nghệ hàn ma sát khuấy và ảnh hưởng trực tiếp của hình dáng hình học của đầu hàn của đến năng suất. Thực nghiệm xác nhận các phân tích được thực hiện bằng việc hàn hợp kim nhôm 6061_T5. SUBTRACT Friction Stir Welding is a non conventional, frictional welding process dominantly applied on plate-shaped parts. Activation energy-heat, necessary for the weld creation, is generated on the frictional contact between the specialized welding tool and base material. The amount of the generated heat depends from numerous parameters (technological, tribological etc.) where dominant technological parameters are angular rotation of the welding tool, welding speed and geometry of the welding tool. Beside special geometry of the welding tool, Friction Stir Welding has numerous advantages over other welding procedures: energetically is very efficient, it is eco-friendly process, welds are of great quality etc. Intensive researches and industrial application in aero, space naval and railway systems made Friction Stir Welding competitive with other welding techniques. This paper is giving theoretical analysis of parameters that influence productivity of the Friction Stir Welding and direct influence of the welding tool’s geometry on productivity. Experimental confirmation of the analysis has been presented on welding of aluminium alloy 6061_T5.
2. Tổng quan Viện hàn (TWI) tại Anh đã có nhiều năm thực hiện nhiều loại nghiên cứu, phát triển với các hoạt động của công nghệ của hàn ma sát. Wayne Thomas và cộng sự của ông tại TWI đã trải qua thời gian nghiên cứu và phát triển rất nhiều loại thí nghiệm về hàn ma sát. Năm 1991, Wayne Thomas thấy được công dụng của việc sử dụng một dụng cụ được làm từ vật liệu có độ cứng cao xoay được trên bề mặt của vật liệu cần hàn khiến chúng chuyển sang Hình 1.5 Quá trình hàn ma sát trạng thái dẻo từ đó có thể ứng dụng khuấy [1] nguyên lý này làm cho vật liệu hai chi tiết trộn lẫn lại với nhau đây là nền tảng cho sự phát triển của hàn ma sát khuấy sau này. Hàn ma sát khuấy không làm chảy vật liệu nó có ý nghĩa hết sức quan trọng vì nó có thể loại bỏ một số khuyết điểm của quá trình hàn nóng chảy vật liệu như rỗ xốp, có vết nứt, và bị biến dạng chi tiết hàn. Hơn thế nữa, phương pháp này không cần sử dụng khí bảo vệ, không phát ra ánh sáng hồ quang, không có khói. Đặc biệt không cần vật liệu điền đầy. Quá trình hàn ma sát có thể chia làm ba giai đoạn [4]: - Giai đoạn 1: Đi xuống của đầu khuấy. - Giai đoạn 2: Đầu khuấy quay tại chỗ. - Giai đoạn 3: Đầu khuấy di chuyển dọc đường hàn. Hình 1.11 Các giai đoạn trong quá trình hàn ma sát khuấy [4] Cơ sở lý thuyết Sơ đồ thể hiện mối quan hệ nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát khuấy [2]
3. Hình 3.3: Sơ đồ thể hiện sự tản nhiệt [9] Hình 3.2: Sơ đồ thể hiện mối qan hệ về nhiệt độ trong mối hàn ma sát khuấy[9
4. Trong đó: - Q1 là nhiệt lượng được sinh ra tại bề mặt phía dưới của vai (W). - Q2 là nhiệt lượng sinh ra tại mặt bên của chốt khuấy (W). - Q3 là nhiệt lượng sinh ra tại mặt đầu của chốt (W). Vì vậy tổng nhiệt lượng do dụng cụ sinh ra là Qtổng = Q1 + Q2 + Q3 Để xác định giá trị cho mỗi nhiệt lượng, ta có công thức sau: dQ = ω.dM = ω.r.dF = ω.dr. 흉풕풙.dA (3.1) Các giả thuyết cơ bản sau đây đã được thực hiện cho các Hình 3.1 Phân bố nhiệt tại bề mô hình phân tích. mặt dụng cụ hàn [7] - Việc phân tích dựa trên giả thuyết thống nhất xét đến ứng suất cắt tiếp xúc 휏푡 - Điều kiện trượt của phoi cắt diễn ra tại bề mặt tiếp xúc 푅 푡 - Cơ chế sinh nhiệt khác như biến dạng nhiệt không được xét đến. - Do điều kiện ma sát bề mặt nên ứng suất cắt ma sát 휏 푠được xét đến. - Các ứng suất cắt dự tính cho một tình trạng trượt ma sát tiếp xúc là: 휏푡 = 휏 푠 = µ = µσ (3.2) Các bề mặt tiếp xúc giữa đầu khuấy và phôi được đưa ra bởi vị trí và hướng tương đối so với trục quay thể hiện trong hình 3.2 Hệ số ma sát trong hàn ma sát khuấy: Các nghiên cứu trước đây coi hệ số này là một biến nhưng bỏ qua sự biên thiên và giả định nó là một giá trị không đỗi trong suốt quá trình. Thông thường hệ số ma sát trong hàn ma sát khuấy với vật liệu là nhôm và vật liệu làm dao khuấy là thép khoảng từ [0.3-0.4] Tổng lượng nhiệt sinh ra là: Hình 3.2: Mặt cắt thể hiện sự phân bố nhiệt trên bề mặt vai và chốt khuấy [9] Q = Q1 + Q2 + Q3 (3.8) Nhiệtlượng bị thất thoát Nhiệt tổn thất là nhiệt dẫn ra dụng cụ, tấm đế và môi trường
5. Nhiệt tổn thất vào thân dụng cụ có thể được tính nhưsau: 휆 ( − ) 푄푡푡 = 푛 1 2 (3.9) 푛𝑔 Trong đó: 휆 푛𝑔 : là độ dẫn nhiệt của dụng cụ 1: là nhiệt độ tại điểm gần vai dụng cụ. 2: là nhiệt độ tại điểm xa hơn trên thân dụng cụ. d: là khoảng cách từ vị trí 1 − 2 dọc theo chiều cao dụng cụ. Nhiệt tổn thất vào bề mặt trên của phôi: Điều kiện biên cho nhiệt trao đỗi giữa mề mặt trên của phôi và môi trường xung quanh (ngoài vùng vai khuấy) thì bao gồm cả nhiệt đối lưu và bức xạ. Có thể ước tính như sau: 휕 − | = 휎. 휀. ( 4 − 4) + ℎ ( − ) (3.10) 휕푍 Trong đó: σ: hằng số Stefan–Boltzmann ε: độ phát xạ nhiệt : nhiệt độ môi trường ℎ : hệ số trao đỗi nhiệt tại bề mặt trên của phôi Nhiệt tổn thất ở bề mặt dưới của phôi Nhiệt tổn thất ở bề mặt dưới thì không tản ra môi trường mà thông qua ma sát giữa bề mặt dưới và tấm đế Bảng nhiệt độ hàn của một số kim loại [7]. Nhóm hợp kim Dãy nhiệt độ (0C) Hợp kim nhôm 471 – 630 Hợp kim megie 250 – 350 Hợp kim đồng 600 – 900 Hợp kim cacbon và thép hợp kim thấp 650 – 800 Hợp kim titanium 700 – 950 Mô phỏng và thực nghiệm Vậy liệu hàn là hợp kim nhôm 6061_T6 dạng tấm dày 6.0 mm có kích thước (150x150x6). Thép dụng cụ làm khuôn được dùng ểđ chế tạo dụng cụ khuấy.
6. Biên dạng đầu khuấy có 3 dạng: Thể tích Thể tích Tỷ lệ Biên dạng Hình vẽ 3 chiếm chỗ % Tròn 251.2 251.2 100 Côn 251.2 251.2 100 Tam giác 213.8 251.2 85 Thông số hàn sử dụng: Thông số Ký hiệu Giá trị Ghi chú Nhiệt độ môi trường Ta 35°C Hệ số phát xạ nhiệt ε 0.3 Đường kính vai khuấy Ds 30.0 [mm] Góc vai khuấy α -15° đến 15° Đường kính đầu khuấy d 8.0 [mm] Chiều cao đầu khuấy h 5.0 [mm] Chọn 05 giá trị theo Tốc độ quay ω 440-2200[vòng/phút] thông số máy sử dụng. Bước tiến v 88-123[mm/phút] Kích thước phôi 150x150x6 [mm]
7. Phần mềm COMSOL 5.2 Mô đun heat tranffer là một sản phẩm chuyên dụng để thực hiện việc mô hình hóa, mô Hình 3.42: Ứng dụng mô phỏng nhiệt độ của Nhiệt độ chuyển đỗi trong quá trình hàn [3] phần mềm COMSOL 5.2 [31] phỏng hiệu ứng nhiệt cho quá trình sản xuất và thiết kế sản phẩm 3.5.2 Các bước thực hiện mô phỏng Vật liệu Nhôm tấm dày 6.0 mm có kích thước (150x150x6). Thép dụng cụ làm khuôn được dùng để chế tạo dụng cụ khuấy. Các đặc tính cơ bản của thép dụng cụ làm đầu khuấy và vật liệu hàn (Nhôm) được thể hiện ở bảng sau: Bảng 3.13 : Đặc tính của vật liệu hàn Bảng 3.14 : Đặc tính của vật liệu làm dụng cụ
8. Nội suy giá trị ứng suất cắt theo nhiệt độ Tùy theo từng giai đoạn nhiệt độ khác nhau mà vật liệu có ứng suất cắt khác nhau tương đương với ứng suất chảy dẻo cũng thay đỗi theo mối quan hệ sau: 휎 ℎ 휏 = √3 Vì vật liệu hàn là 2 tấm cùng loại tức có sự đối xứng theo đường hàn nên chỉ cần mô phỏng với một tấm vật liệu Hình 3.43: Nội suy (Interpolation) giá trị là đủ. ứng suất cắt theo nhiệt độ Hình 3.44: Mô hình mô phỏng mối hàn ma sát khuấy trên phần mềm COMSOL 5.2 Mô hình Dao khuấy: Hình 3.46: bản vẽ thiết kế dao khuấy trụ vai bằng
9. Thông số ban đầu (parameter): Name Expression Unit Description A_s pi*(r_s^2-r_pt^2) shoulder sufface area epsilon 0.3 [1] sufface emissivity F_n 25 [kN] Normal force h_downside 6.25 [W/(m^2*K)] Heat transfer coefficient, downside h_upside 12.25 [W/(m^2*K)] Heat transfer coefficient, upside h1 6 [mm] height of workpiece mu 0.4 [1] friction coefficient n 1480 [1/min] rotation speed (RPM) omega 2*pi[rad]*n angular velocity (rad/s) r_ps 4.0 [mm] pin radius 1 r_pt 4.0 [mm] pin radius 2 r_s 15 [mm] shoulder radius T_melt 933 [K] Workpiece melting temperature T0 300 [K] Ambient temperature u_weld 1.23 [mm/s] welding speed Bảng 3.15: Thông số chung của mô phỏng Khai báo biến (Variables): o Biến 1 (Variables 1) Nhiệt lượng tạo ra từ vai khuấy ( shoulder): q_s Name Expression Description R r_s^3-r_pt^3 distance in xy-plane from tool center axis q_s (2/3)*(mu*F_n/A_s)*(R*omega*pi)[1/K] Suface heat source, shoulder-workpice interface Bảng 3.16: Công thức chung tính nhiệt lượng sinh ra từ vai khuấy
10. Hình 3.47: bề mặt sinh nhiệt của vai khuấy (mặt màu xanh) Biến 2 (Variables 2) Name Expression Description l sqrt(h^2+(r_pt-r_ps)^2) truncated cone length l_ps (l*r_ps)/(r_pt-r_ps) length of cone small l_pt l+l_ps length of cone A_p pi*(r_pt*l_pt-r_ps*l_ps) pin surounding area q_p (mu*F_n/A_p)*(omega*pi*h/cos(10))*(r_ps+r_pt)^2[1/K] pin heat source, Pin surrounding-workpice Bảng 3.17: Công thức chung tính nhiệt lượng sinh ra từ bề mặt bên của đầu khuấy Hình 3.48: bề mặt xung quanh của đầu khuấy ma sát với vật liệu hàn để sinh nhiệt o Biến 3 (Variables 3) Name Expression Description A_ps pi*r_pt^2 pin sufface area q_ps (2/3)*(mu*F_n/A_ps)*pi*omega*r_pt^3[1/K] pin heat source, Pin sufface-workpice Bảng 3.18: Công thức tính nhiệt sinh ra từ mặt đáy của đầu khuấy
11. Hình 3.49: Bề mặt sinh nhiệt tại mặt đáy của đầu khuấy Hình 3.50: Nhiệt tản ra ở bề Hình 3.51: Nhiệt tản ra ở bề mặt dưới của phôi mặt trên của phôi với tấm đế Hàm tính nhiệt tổn thất Chia lưới: Hình 3.50: Kết quả thực hiện công việc chia lưới với phần tử nhỏ đến 0.04 mm
12. Kết quả: Hình 3.51: Kết quả của vùng nhiệt khi dao Hình 3.52: Vùng nhiệt và nhiệt độ lớn nhất khuấy đang ở vị trí tức thời (0; 0;-6) đạt được. Xuất kết quả đầu ra nhiệt độ theo tọa độ điểm: Hình 3.53: xuất dữ liệu nhiệt độ theo toa độ điểm
13. Kết luận Bài báo đã giải quyết được những vấn đề sau: - Thực nghiệm tìm ra mối liên hệ theo tỷ lệ của tốc độ quay và bước tiến và sự ảnh hưởng đến nhiệt độ và độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy. - Thực nghiệm tìm ra mối liên hệ giữa biên dạng vai khuấy, chốt khuấy ảnh hưởng đến nhiệt độ và độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy. - Thực nghiệm xác định các thông số hàn tối ưu ảnh hưởng đến nhiệt độ và chất lượng mối hàn ma sát khuấy. Bên cạnh đó vẫn còn một số vấn đề chưa được giải quyết: - Hiện nay phương pháp đo nhiệt vẫn chưa trực tiếp vào đúng tại vị trí gia công mà chỉ là tại vùng lân cận điểm gia công và vì vậy các kết quả vẫn chưa là tối ưu. Tuy nhiên, nhận xét về sai số giao động trong khoảng có thể chấp nhận được. - Chưa thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố lực ảnh hưởng đến nhiệt độ và độ bền mối hàn ma sát khuấy.
14. 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 B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ