NGHIEN CUfU - TRAO D O I
MO PHONG SO TRU'ONG NHIET DO KHI HAN LIEN K^T CH& T THEP A36 BANG PHU^ONG PHAP HAN GMAW
NUMERICAL SIMULATION OF TEMPERATURE FIELD OF A36 STEEL OF T - JOINT CONNECTION BY GMAW
ThS. Nguyin Hong Thanh\ TS. Ha Xuan Hung\ PCS, TS. Nguyen Tiln Du-ong^
'Truong Dai hgc Su pham Ky thuat Nam Dinh
^Truong Dai hgc Bach Khoa Ha Ngi
TOM TAT
Bdi bao trinh bay phuang phdp m6 phong s6 truomg nhiet do lien ket han thep A36 kieu chit T vat mep han mot phia, phuang phdp han dien ciec nong chay trong m6i truang khi bao ve (GMAW).
Tac gia ciing da xay dung dugc mot chuang trinh mdy tinh chay tren phdn mem SYSWELD de tinh
\ r 1
todn vd m6 phong qud trinh truyen nhiet trong lien ket han thep A3 6 kieu chit Tvdt mep han mot phia.
Tu khoa: GMAW, mo phong s6, truang nhiet do, m6i ghep han chit T.
ABSTRACT
In this paper, we present the study of numerical simulation of temperature field ofA36 steel of Tjoint connection by GMA welding process. The author has writen a computer program running on SYSWELD software to calculate and simulate the heat tranfer in A36 steel ofT-joint connection.
Keywords: GMAW, numerical simulation, temperature field, T-Joint connection.
f^ TAP CHI CO KHI VIET NAM, Sl 6 nam 2014 www.cokhivietnam.vn
NGHIEN ClifU-TRAO D 6 |
1. GIOI THIEU
•
Hien nay, phuang phap han h6 quang trong m6i truong khi bao ve dien cue nong chay (Gas Metal Arc Welding - GMAW) la mgt trong nhung qua trmh ban dang dugc sii dung phi biln nhat, dac biet trong linh vuc che tao may va xay lap may. Nhu chiing ta da bilt, nhiet nang dugc tao bai h6 quang giiia day ban (dien cue) va vat ban. Vi the su truyen nhiet trong vat ban la dilu kh6ng tranh khoi, do su nung nong va lam ngugi kh6ng deu ma trong vat han se xuat hien ling suat va bien dang. Nham du doan truac miic do bien dang va ling suat du xuat hien trong lien ket ban ma ta co the su dung phuong phap m6 phong s6 cac qua trinh han nham muc dich dua ra cac th6ng s6 che do c6ng nghe ban t6i uu de co dugc hinh dang viing ban phu hgp va nghien ciiu su anh huang cua cac th6ng s6 den hinh dang kich thuac cua viing ban.
Trong cac phan mem m6 phong thuong mai hien nay co the m6 phong dugc qua trinh ban nhu ABAQUS, ANSYS, SYSWELD,.. thi SYS- WELD dugc danh gia la phan mem chuyen dung trong linh vuc m6 phong cac qua trinh ban va xii ly nhiet kim loai manh nhat va day du nhat [4].
l/u diem ciia phan mem nay so vai cac phan mem khac la cho phep m6 hinh boa qua trinh ban mgt each diy du va sat vai thuc t l nhit. Tren ca sa do, tac gia lua chgn phin mIm SYSWELD 6k m6 phong lieu kit ban thep A3 6 kilu chii T, nhim nghien ciiu qua trinh truyen nhiet va su hinh thanh ling suit du va biln dang khi ban GMAW sau nay.
2. VAT LIEU VA PHlTONG PHAP NGHIEN
CUtJ
Kich thuac ciia lien ket ban chir T neu tren dugc lua chgn nhu sau: Chieu dai 200 mm, chieu rgng tam de 80 mm, chieu day 5 mm; Tam vach CO chieu rgng la 40 va chieu day 5 mm. Vat mep mgt phia tam vach vai goc vat 45°; Canh m6i han k=5mm, [7].
80
«ni
Hinh 1.1: Mo hinh lien ket hdn chic Tvdt mep mot phia, hdn I phia
2.2. Phijorng phap nghien ciiu
Nhu da trinh bay, lien ket ban thep A36 kieu chQ T dugc nghien ciJu bang phUOng phap mo phong so tren nen tang cua phUdng phap phan tli hGu han (FEM). Mo hinh khoi lien ket ban kieu chxJ T dugc thiet ke tren nen cua phan mem Solid Works. Sau do, tac gia sii dung phan mem VISUAL MESH trong goi ESI Group de rdi rac boa mo hinh nghien ciiu ta nhan dUOc mo hinh FEM nhu hinh 1.2.
Hinh 1. 2: Mo hinh FEM lien kit hdn chit T 2.2.1. Mo hinh nguon nhiet hdn
2.1. Vat lieu nghien cihi a. Ldi giai tich
M6 hinh lien kit ban goc kilu chii T thep Theo tai heu [1], Rosenthal da dUa ra ldi A36 duac m6 ta nhu hinh 1.1. giai cho tam day nguon nhiet diem di dgng.
Thanh phin hoa hgc cua vat lieu nhu bang c' ^ 1 wZ^lZ^) 1.1, [2]. 2 ^'
n.
e
(1)
( 2 ) C ^
TAP CHI CO KHI VIET NAM, S6 6 nam 2014 wvnv.cokhivietnam.vn
NGHIEN CUfU-TRAOOOl
^ = ^' - ^" (^' va ^" la khoang each tu nguIn nhiet Ket qua thUc nghiem khi han lien ket ban din phia truac va phia sau duong dang nhiet). goc chii T v6i thong so che do ban nhU tren cho ket qua hinh dang kich thUdc vung ban nhU sau:
Chilu rgng vung dang nhiet \|/^ tinh theo
cong thiic sau: g^„g i 2: Ket qud do thiic nghiem moi hdn goc chii T
¥n (3)
Trong do:
^: Tga do kh6ng thii nguyen (theo phuang x);
f = f (4)
2a
\|/: Tga do kh6ng thii nguyen (theo phuang y);
Ten goi Gia tri
qn(W) 2816
X (mm) 14,7
y(mm) 8,0
¥ = 2a
Bdng 1. I Thdng s6 che do hdn GMAW (5)
r
Thdng so Dong dien, I^
Dien ap, U Van t6c ban, V^
Hieu suat h6 quang Goc lam viec
D.vi tinh A V mm/s
- 0
Gia tri 160
22 3 0,8
35 Giai phuong trinh (1,2, 3) va thay cac gia tri tinh toan vao phuong trinh (4 va 5) ta co:
Ten goi Gia tri
qn(W) 2816
X (mm) 13,75
y(mm) 8,52
Hinh I. 4: Ket qua do thUc nghiem a) Chieu dai viing hdn;
b) Chieu rgng viing HAZ tam vach b. Ldi giai phUdng phdp so
Goldak va cong sU [4] da tifng dUa ra mo hinh nguon nhiet co mat do phan bo ellipsoid kep dugc xac dinh bang each phoi hop hai khoi ban ellipsoid khac nhau de tao thanh mgt nguon nhiet. Mat do nhiet ben trong tifng khoi ban el- lipsoid dugc mo ta bang hai phUdng trinh rieng.
Trong do: x la chieu dai viing han theo phuong x; y la chieu rgng viing ban 16n nhat theo phuong y.
Hinh 1. 3: Hinh dcing vung hdn, [3]
Hinh 1. 5: Mo hinh nguon nhiet hdn GMAW theo Goldak, [3]
TAP CHI CO KHI VIET NAM, Sl 6 nam 2014 www.cokhivietnam.vn
NGHIEN CUfU-TRAO D O I
D6i voi mgt dilm bit ky (x, y, z) ben tron^
khii ban ellipsoid diu tien (nim phia truac h6 quang ban), mat do nguIn nhiet dugc bilu diln bai phuang trinh:
QR(x,y,z,t) = Q..Qxp
i l l
X > ^
(6)
D6i voi mgt diem bit ky (x, y, z) ben trong kh6i ban ellipsoid thii hai (nim phia sau hi quang han), mat do ngu6n nhiet dugc bilu diln bai phuang trinh:
Qji(x,y,z,t) = Q^.Qxp
X y 1 1 . 2 A
a. b' c' (7) Trong hai c6ng thiic tren, a^ a^, b va c la cac th6ng s6 hinh hgc ciia ngu6n nhiet khIi ellii)soid kep, xem hinh 1.3; Q^ la ham mat do ngu6n nhiet.
Nhu vay, co the thay rang ngu6n nhiet kh6i ellipsoid kep co phan b6 Gauxo nay co the dugc bieu dien bang 5 th6ng s6 la: Hieu suat h6 quang r] va 4 th6ng s6 hinh hgc cua ngu6n nhiet a„ a, b va c.
Goldak va cac cong su [4] da chi ra m6i tuong quan giiia kich thuac ciia ngu6n nhiet va kich thuac ciia viing ban, d6ng thai da cho rang CO thi nhan dugc nhung gia tri thich hgp cho a^, a^, b va c bing each do true tiep cac th6ng s6 hinh hgc ciia viing ban.
Vai nguIn nhiet ban hi quang, ting c6ng suit hieu dung P=Ti.U.i [W], trong d6 U la dien ap hi quang [V]; I la cuong do dong dien ban [AJ va Tl la hieu suit h i quang ban (0,6 - 0,9).
Bdng 1.3: Thdng si hinh hoc cua nguon nhiet theo Goldak, 14]
Thong so a.
a b c
Don vi tinh mm mm mm mm
Gia tri 5,0 •
8,0 4,5 3,5
2.2.2. Cdc thong so cua vat lieu
De mq phong dugc ta phai xay duujg dugc bg th6ng s6 dau vao day dii ve cac tinh chat co ly boa cua vat lieu nghien ciiu (A36). Trong truang hgp m6 phong ban chiing ta nghien ciiu su bien thien nhiet do tu 20°C din trang thai nhiet do nong chay ciia vat lieu. Cac th6ng s6 nay thuang la cac ham phi tuyen, gia tri cua no kh6ng nhung phu thugc vao nhiet do ma con phu thugc ca vao t6 chiic kim loai cu the.
Bg th6ng s6 co ly - hoa kim loai hgc ciia thep A3 6 dung de tinh toan va m6 phong dugc lay theo tai lieu [6].
Bdng 1. 4: Tinh chdt vat ly cua thep A36
Tinh chat vat ly Nhiet do nong chay He so dan nhiet Khoi lugng rieng Nhiet dung rieng He so gian no nhiet Mo dun Young He so Poison Mo dim Shear
Gia tri 1500°C 0,05 W/mK 7800 kg/m^
480 J/kgK
11 |j,in/mK
200 GPa 0,260 79,3 GPa Bdng 1. 5: Tinh chdt vat ly cua thep A36
r
Tinh chat ctf hoc Gioi ban chay
Gioi ban ben keo Do dai va dap
Gia tri 250 MPa 400 - 550 MPa
22 J 2.2.3. Tinh toan vd mo phong
De m6 phong chinh xac ta phai m6 ta tren m6 hinh FEM diinjg nhu qua trinh ban dien ra trong thuc te, bao gom: Quy dao duong ban, duong dan dau han, dilm bit diu va dilm kit thiic duong ban, hinh 1.4.
B i ^ m J ^ b ^ l d a u
EH^^ni kie'i
^ - ^ tiiiic
t^^ ^
=====**^
Hinh 1.6: Quy dgo duomg hdn
TAP CHI CO KHI VIET NAM, Sl 6 nam 2014 www.cokhivietnam.vn
NGHIEN CUfU-TRAO OOl
Cac vi tri ga kep khi ban, hinh 1.5: a) Vi tri kep chat tren m6 hinh; b) Khai bao vi tri ga kep tren phin mIm). Lap vo cua m6 hinh (noi diln ra qua trinh trao doi nhiet) ciing phai dugc khai bao truac khi tinh toan.
i \
/ ~
^ Vi tri kep chit
a) b)
Hinh 1. 7: Vi tri kep chat khi hdn lien ket hdn cha T
3. KET QUA VA THAO LUAN
Sau khi xay dung m6 hinh FEM, ta tien hanh khai bao ngu6n nhiet, vat lieu va thiet lap cac dilu kien tinh toan nhu da m6 ta a tren, giai bai toan ta se thu dugc ket qua sau:
3.1. TriroTig nhiet do han tuc thoi
Khi ngu6n nhiet ban di chuyen dgc theo duong ban trong lien ket ban se t6n tai mgt truang phan b6 nhiet do hie thai. Tren hinh 1.6 la ket qua phan bl nhiet do tiic thai khi ban bing phuang phap GMAW tai thai dilm t=36,666s. C6ng suat nguIn nhiet P=2816W.
Hinh 1. 9: Truong nhiet do tgi cdc nut 1274, 16932,16931,16030,16929,16928 thugc tam vdch
f r
Dua vao su phan b6 nhiet do tren tam vach va tim dl ciia lien kit han ta thiy tuong dii deu nhau.
3.2. Chu trinh nhiet
Tren hinh 1.6 la sir phan bo truang nhiet do ciia lien kit ban goc khi ban bing phuong phap GMAW vai c6ng suit nhiet biiu ich va t6c do han tuong ling. D6ng thai th6ng qua viec m6 phong dl danh gia xem lien ket ban co vi chay thung hoac chua ngau hoan toan hay kh6ng. Tuy nhien, de danh gia chinh xac kha nang hinh thanh lien ket ban ciing nhu viec xuat hien mgt s6 khuyet tat ta can biet dugc chu trinh nhiet tai cac niit quan trgng.
Tren hinh 1.7 la ket qua tinh toan su thay d6i nhiet do tai niit thugc m6i ban va tren be mat cua tam thep (niit 1309 thugc m6i ban va tam vach; niit 1278 thugc m6i ban va tam de) do phan mem Sysweld dua ra tai thai dilm 36,666s. Tren d6 thi cho ta thay rang nhiet do phan bl tren tam vach va tam de la gi6ng nhau va co nhiet do cao ban nhiet do nong chay cua vat lieu nIn. Dieu do CO nghia rang chieu sau ngau cua tam vach va tam de khi ban bang nguIn nhiet co c6ng suat P=2816W la gi6ng nhau.
• • • t i r n i w il
. J
:i_
Hinh 1. 8: Truomg nhiet do tire thai tgi thai diem
t=36,666s khi hdn GMAW(P=2816W. V=3mm/s) Hinh 1. 10: Chu trinh nhiet hdn tgi nut 1309 vd niit 1278 tgi thai diem 36,666s khi hdn GMAW
TAP CHI CO KHI VIET NAM, Sl 6 nam 2014
www.cokhivietnam.vn .i_aui^^iM
NGHIEN CUfU-TRAO D O I
4. KET LUAN
Trong bai bao nay, tac gia da m6 phong dugc truong nhiet do cho lien ket ban goc chii T vat mep mgt phia va ban mgt lugt bang phuong phap ban GMAW. Tac gia ciing da lam thuc nghiem cho lien ket ban nay vai cac th6ng s6 nhu m6 phong va riit ra dugc ket luan nhu sau:
- Chieu dai va chieu rgng viing ban ciing nhu chieu rgng vung HAZ giiia tinh toan, thuc nghiem va m6 phong cho ket qua tuong d6i trung nhau. Nhu vay, m6 phong thuc su la mgt c6ng cu biiu ich va dang tin cay trong tinh toan va m6 phong qua trinh ban, qua do co the du doan dugc kha
r r n r
nang hinh thanh lien ket ban ciing nhu cac khuyet tat co the xuat hien trong qua trinh ban thuc nghiem.
Bang viec thay d6i cac th6ng s6 dau vao g6m c6ng suat ngu6n nhiet hieu dung P va van t6c ban Vh th6ng qua phan mIm Sysweld co the tinh toan, m6 phong dugc chu trinh nhiet tai mgt niit bat ky tren m6 hinh tu do tim ra dugc bg th6ng s6 ban hgp ly nham dam bao cap vao m6i ban mgt lugng nhiet vua dii lam nong chay tam thep ma kh6ng lam chay thiing lien ket.<*
Ngay nhan bai: 03/5/2014 Ngay phan bien: 19/6/2014
Tai lieu tham khao:
[1]. Nguyen Tiln Duong, M6 phong qud trinh truyen nhiet khi hdn. Ha Noi (2008).
[2]. Trin Van Dich, Si tay thep thi giai, NXB. Khoa hoc Ky thuat Ha Noi (2004).
[3]. Nguyin Hing Thanh, Luan van thac sT khoa hoc, Tnicmg Dai hoc Bach Khoa Ha Noi (2009).
[4]. J. Goldak, M. Bibby, J. Moore and B. Patel, Computer Modling of Heat Flow in Welds (1996).
[5]. Zienkiewicz, O. C, The Finite Element Method, McGraw-Hill Company, London (1977).
[6]. ESI Group, 99 Rue Des, Solets Silic 112 94513 Rungis Cedex FRANCE.
[7]- AWS Dl.l M- 2010 StrucUiral Welding Code - Steel.
TAP CHI CO KHI VIET NAM, Sl 6 nam 2014 www.cokhivietnam.vn