CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước: 1. Tổng quan về lĩnh vực hàn hồ quang điện: Hàn hồ quang là phương pháp hàn nóng chảy dùng nhiệt của ngọn lửa hồ quang sinh ra giữa các điện cực hàn. Hồ quang hàn là dòng chuyển động của các điện tử và ion về hai điện cực, kèm theo sự phát nhiệt lớn và phát sáng mạnh.
Trong các điều kiện bình thường, không khí không dẫn điện, giữa 2 điện cực của các loại máy hàn hồ quang có điện áp không tải nhỏ thua 80 vôn, vì vậy không có sự phóng điện giữa chúng.Để gây hồ quang, người ta gây ra hiện tượng đoản mạch lúcđó mật độ dòng điện tại chổ tiếp xúc của 2 điện cực rất lớn, theo định luật Jun-lenc thì Q = 0,24 RI2t, nhiệt lượng này được các điện tử tự do ở mặt đầu catốt hấp thụ. Sau khi nhận được năng lượng dưới dạng nhiệt các điện tử này có thế năng lớn và bứt ra khỏi quỹ đạo của mình và phóng về anốt, trên đường đi chúng sẽ bắn phá lên các nguyên và phân tử chất khí bảo hoà để cho hoặc lấy đi của chúng một vài điện tử (tuỳ theo hoá trị của chúng) và biến chúng thành những ion. Môi trường ion là môi trường dẫn điện rất tốt cho nên quá trình gây hồ quang chỉ xảy ra ở giai đoạn ban đầu. Hàn hồ quang điện trong môi trường có khí bảo vệ (GSAW: Gas Shielded Arc Welding) là công nghệ hàn được sử dung rất rộng rãi hiện nay.
Trong nền công nghiệp hiện đại hàn hồ quang bằng điện trong môi trường có khí bảo vệ chiếm một vị trí rất quan trọng. Nó không những có thể hàn các loại thép kết cấu thông thường mà còn có thể hàn các loại thép hợp kim cao, kim loại màu và hợp kim của chúng. Ngoài ra phương pháp hàn này không những có thể thao tác bằng tay mà còn có thể tự động hóa, tạo mối hàn có chất lượng cao đối với hầu hết các kim loại và hợp kim. Trong những năm gần đây kỹ thuật Hàn đã có những bước phát triển mạnh mẽ, đáp ứng được các yêu cầu ngày cao về công nghệ và vật liệu.
Nhiều phương pháp Hàn mới đã xuất hiện, các công nghệ mới đã được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật Hàn, từ chỗ chủ yếu sử dụng công nghệ hàn hồ quang tay, đến nay có khoảng 130 phương pháp hàn khác nhau được sử dụng rộng rãi. Có thể chia công nghệ hàn thành 2 nhóm như sau: Trang 1 do an Hình 1.1 Sơ đồ về công nghệ hàn 1. Tình hình nghiên cứu trong nước: 1.1 Đề tài “ Nghiên cứu một số thông số cơ bản ảnh hưởng tới quá trình hình thành mối hàn và quá trình luyện kim trong hàn MIG, MAG ” - Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM. Đề tài được nghiên cứu vào năm 2004 do Th.s Phạm Văn Điều thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS.
Nội dung của đề tài là xem xét ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến việc tạo dáng mối hàn và ảnh hưởng tới quá trình hàn. Dựa trên các cơ sở lý thuyết và các kết quả thí nghiệm để đánh giá khi các thông số hàn thay đổi thì thành phần phần trăm các nguyên tố tổ chức kim loại mối hàn thay đổi thế nào, dẫn đến cơ tính của chúng bị tác động ra sao. Từ đó tác giả đưa ra kết luận về việc lựa chon các thông số cơ Trang 2 do an bản của công nghệ hàn MIG, MAG một cách tối ưu, để đảm bảo chất lượng mối hàn tốt nhất áp dụng trong sản xuất.2 Đề tài “ Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho mối hàn ống chịu áp lực bằng nhiễu xạ X- Quang” - Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật. Đề tài được nghiên cứu vào năm 2011 do Th.s Nguyễn Văn Tường thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS.
Lê Chí Cương. Nội dung nghiên cứu đề tài là nghiên cứu lý thuyết không phá hủy (X – quang), áp dụng vào việc xác định các ứng suất dư các mối hàn ống giáp mối hàn theo phương pháp lót TIG phủ điện và tiến hành đo đạc thực nghiệm để xác định ứng suất dư trên mẫu hàn ống, khảo sát so sánh hàm hấp thụ của mặt mối hàn ống so với mặt phẳng mà thiết bị hiện đang áp dụng. Thiện thực nghiệm dưới dạng chọn mẫu và đo nhiễu xạ, xử lý kết quả đạt được và tiến hành tính toán ứng suất dư. Kết quả mà luận văn đã đạt được là trình bày 1 cách đầy đủ và cô đọng lý thuyết tương đối mới về xác định ứng suất dư cho vật liệu hàn, kết cấu hàn.
Quá trình thực nghiệm đã xác định được ứng suất dư của mối hàn ống chịu áp lực vật liệu A106 – GrB (theo ASTM) kích thước mẫu O.D = 114mm và dày t = 8.56 mm tiến hành hàn theo qui trình LiLAMA 2 – 08, áp dụng tiêu chuẩn ASME – IX. Từ đó chứng minh được phương pháp có thể áp dụng để kiểm tra cho các kết cấu hàn đang được sử dụng tại các nhà máy nhiệt điện phục vụ cho công tác sửa chữa bảo dưỡng hệ thống đường ống chịu áp có chứa mối hàn là nơi có thể bị hư hỏng do ứng suất dư tồn tại.3 Đề tài “ Khảo sát tình trạng phân bố ứng suất dư trong mối hàn ma sát hợp kim nhôm 1060 dùng nhiễu xạ X – quang” – Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật. Đề tài được nghiên cứu vào năm 2011 do Th.s Nguyễn Thị Kim Uyên thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Chí Cương.
Nội dung đề tài là dùng phương pháp hàn ma sát và nhiễu xạ tia X để khảo sát phân bố ứng suất dư trên hợp kim nhôm. Từ đó cho thấy các ưu điểm vượt trội của phương pháp này, làm cơ sở để nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam. Máy đo nhiễu xạ là loại máy cố định đặt tại Trung Tâm Hạt Nhân Tp. Hồ Chí Minh, sử dụng phương pháp đo Omega và tính toán ứng suất được dựa trên phương pháp.
Trang 3 do an Kết quả thực nghiệm cho thấy trên mối hàn ma sát hợp kim nhôm 1060 ứng suất thay đổi trong khoảng từ -31 ÷ 0.99 MPa và trong giới hạn bền của vật liệu. Sự thay đổi ứng suất trước và sau khi hàn là khoảng 31% và phân bố trong vùng ảnh hưởng nhiệt. Từ đó rút ra được những ưu điểm mà hàn ma sát vượt trội hơn so với các phương pháp hàn khác. Tình hình nghiên cứu ngoài nước: 1.1 Simulation and experimental study on distortion of butt and T-joints using WELD PLANNER Mohd Shahar Sulaiman, Yupiter HP Manurung, Esa Haruman, Mohammad Ridzwan Abdul Rahim, Mohd Ridhwan Redza, Robert Ngendang Ak.
Lidam, Sunhaji Kiyai Abas, Ghalib Tham1 and Chan Yin Chau (June 23, 2011) Đề tài này sử dụng phần mềm weld planner để mô phỏng biến dạng của vật hàn và so sánh kết quả với thực nghiệm trong cả hai trường hợp mối hàn giáp mí có kích thước (150x50x4 ) mm, và mối hàn góc có kích thước (150x50x4 )mm.2 Multippurpose ANSYS FE procedure for welding processes simulation Andrea Capriccioli, Paolo Frosi (2009) Đề tài này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đa chức năng của phần mềm ANSYS để mô phỏng nhiệt độ và biến dạng cơ trong hàn TIG và hàn laser.3 Modeling, Simulation and Experimental Studies of Distortions, Residual Stresses and Hydrogen Diffusion During Laser Welding of As- Rolled Steels T. Spelleken (2012) Bài báo này chủ yếu xây dựng mô hình toán và phương pháp số để giải bài toán nhiệt và mô phỏng quá trình hàn ghép mí trên tấm mỏng có kích thước (75 X 50 X 1.8 ) mm đồng thời phân tích sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng suất không đi sâu vào độ biến dạng. Kết Luận: Chưa có đồ án nào tập trung mô phỏng về biến dạng của sản phẩm dạng hộp trong quá trình hàn sử dụng phương pháp hàn hồ quang. Vì vậy trong công trình nghiên cứu này sẽ tiến hành mô phỏng sự biến dạng của sản phẩm hộp, ứng suất dư tập trung trên hộp do nhiệt của quá trình hàn hồ quang gây ra để từ đó có thể dự báo trước các biến dạng có hại trong quá trình hàn nhằm giảm thiểu chúng, Trang 4 do an góp phần tiết kiệm được chi phí khi hàn.
Ngoài ra tác giả sẽ thực hiện các thí nghiệm trên các trường hợp đường hàn khác nhau để so sánh với quá trình mô phỏng, sau đó rút ra kết luận chọn phương án tốt nhất. Mục tiêu của đồ án : Trên cơ sở phân tích các kết quả của các đề tài nghiên cứu đã nêu ở trên thì có thể thấy được vấn đề mô phỏng biến dạng hàn đang được quan tâm và có tầm ảnh hưởng lớn. Vì vậy đồ án : “ Mô phỏng biến dạng của hộp trong quá trình hàn hồ quang bán tự động ” được thực hiện với các mục đích sau: Hỗ trợ quá trình thiết kế quy trình hàn đạt được kết quả tốt hơn. Có thể dự báo trước được các biến dạng không có lợi, từ đó điều chỉnh lại quy trình hàn trong phần thiết kế để giảm thiểu các yếu tố gây hại, ảnh hưởng đến năng suất và giá trị kinh tế.
Thông qua quá trình thực hiện đề tài, các bước mô phỏng và thí nghiệm sẽ được tiếp tục sử dụng cho các nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ hàn. Nhiệm vụ của đồ án, phương pháp nghiên cứu và giới hạn của đồ án: 3. Nhiệm vụ của đồ án : Nghiên cứu về công nghệ hàn hồ quang điện trong môi trường có khí bảo vệ. Lập quy trình mô phỏng biến dạng của các liên kết hàn.
Tiến hành mô phỏng quá trình hàn hộp của các mối hàn. Từ đó thu nhận kết quả mô phỏng và tiến hành phân tích. Tiến hành làm thí nghiệm với các mẫu hàn, so sánh biến dạng của các mẫu hàn với kết quả mô phỏng và rút ra kết luận. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Thu thập tài liệu liên quan tới kỹ thuật hàn , các tiêu chuẩn liên quan tới quá trình hàn, từ khâu chuẩn bị mối ghép , vật liệu liệu hàn, chế độ hàn.
Phương pháp phân tích, so sánh: Dựa trên các kết quả của quá trình mô phỏng , kết quả của các thí nghiệm để so sánh, rút ra các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả. Trang 5 do an So sánh sự tương thích giữa kết quả mô phỏng và thí nghiệm thực tế về sự biến dạng của vật hàn.