Luận án Nghiên cứu trạng thái ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống - Nguyễn Hồng Thanh

ng kính khoảng 1,8 mm và sâu khoảng 2 mm) tại vị trí cần đo ứng suất dư. Vì khoan lỗ sẽ hãm lại sự làm giảm ứng suất dư và biến dạng và được đo bằng các cảm biến, xem hình 2.38 gắn xung quanh vị trí cần đo. Thông qua đo biến dạng quanh lỗ khoan hình 2.39, ứng suất dư được tính toán, xác định thông qua thiết bị đo. Nếu trong vật liệu tồn tại ứng suất dư sẽ có mức độ biến dạng khác nhau tại các vị trí được gia công, điều này cung cấp dữ liệu để tính toán ứng suất dư. Để khảo sát, trước hết cần khoan vào vật mẫu một lỗ có chiều sâu bằng đường kính lỗ và nhỏ hơn chiều dày của mẫu (nếu chiều sâu lớn hơn đường kính của lỗ khoan thì khó đảm bảo được độ chính xác của phép đo). Đo biến dạng của lỗ gia công tại các vị trí khác nhau bằng phương pháp giao thoa moire, giao thoa lazer hoặc chụp ảnh giao thoa lazer 42 Hình 2. 38 Cảm biến để xác định biến dạng dư Hình 2. 39 Sự phân bố ứng suất dư [23] a) Ứng suất phân bố đều ; b) Ứng suất phân bố không đều 2.5.2.2 Đo ứng suất dư bằng phương pháp nhiễu xạ tia X Phương pháp dùng tia X-quang [68] dựa trên nguyên lý khi có ứng suất thì cấu trúc mạng tinh thể sẽ thay đổi, xem hình 2.40. Sự thay đổi đó làm thay đổi chùm tia phản xạ của X-quang khi được chiếu vào. Trong khi đó, phương pháp khoan lỗ lại dựa vào nguyên lý khi cô lập một vùng vật liệu có ứng suất thì các ứng suất kéo, nén của nó sẽ thay đổi so với các giá trị ban đầu của vật liệu gốc. Quá trình đo được thực hiên đồng thời theo 3 phương tạo với nhau một góc bằng 120o. Tia X do nhà vật lý học người Đức V.K.Rongen phát hiện ra năm 1895, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học kỹ thuật. Cho đến nay nhiều công trình nghiên cứu cho phép xác định các tính chất sau đây của tia X: - Tia X không nhìn thấy được. Chúng lan truyền theo đường thẳng, bị khúc xạ, phân cực và nhiễu xạ như là ánh sáng thường. Hệ số khúc xạ của tia X gần bằng 1, cụ thể h=1-d, trong đó d » 10-6 đối với kim loại. - Tia X xuất hiện khi các điện tử hoặc các hạt mang điện khác như prôtôn bị hãm bởi một vật chắn và trong quá trình tương tác giữa bức xạ g với vật chất. - Tia X chính là bức sóng điện từ với bức sóng từ 10-4 đến 102 Ao. Người ta quy ước chia bức xạ tia X ra hai loại sóng ngắn (bức xạ cứng) và sóng dài (bức xạ mềm). Khả năng đâm xuyên của tia X tăng theo tốc độ của điện tử bị hãm. - Tia X có thể truyền qua những vật mà ánh sáng thường không truyền qua được. 43 Bước sóng càng ngắn thì khả năng đâm xuyên càng mạnh. Tác động của tia X làm đen phim và giấy ảnh. Bức xạ cứng bị hấp thụ trong lớp cảm quang ít hơn so với bức xạ mềm, vì vậy tác động lên phim ảnh cũng yếu hơn. Hình 2. 40 Nguyên lý nhiễu xạ tia X [68] Các phương pháp nhiễu xạ áp dụng đo ứng suất dư về cơ bản là đo các góc mà ở đó giá trị cường độ nhiễu xạ lớn nhất đạt được khi tinh thể làm ví dụ phải chịu được tác động của tia X. Từ những góc này ta sẽ dễ dàng biết được khoảng cách giữa các mặt bên trong của những mặt phẳng nhiễu xạ khi dùng công thức Bragg. Nếu như ứng suất dư tồn tại bên trong mẫu ví dụ thì khoảng cách “d” sẽ khác hơn lúc mẫu không có ứng suất. Sự khác nhau này tỉ lệ với độ lớn của ứng suất dư. Ứng dụng Từ khi có tia X, có một ngành khoa học mới xuất hiện liên quan đến việc nghiên cứu vật liệu nhờ tia X. Đó là ngành phân tích X quang. Theo đặc điểm ứng dụng, phân tích X quang được chia thành ba ngành: Phân tích cấu trúc bằng tia X, phân tích phổ tia X và tìm khuyết tật bằng tia X. Phân tích cấu trúc bằng tia X: Phân tích cấu trúc theo các ảnh nhiễu xạ tia X khi nó tán xạ trên chất kết tinh, qua đó có thể nghiên cứu sự sắp xếp các nguyên tử trong những chất đó và những quá trình liên quan đến sự sắp xếp lại các nguyên tử trong tinh thể. Nhờ phân tích cấu trúc bằng tia X mà người ta còn có thể nghiên cứu giản đồ trạng thái của các hợp kim, xác định nội ứng suất, kích thước và phương ưu tiên của các hạt tinh thể, nghiên cứu sự phân huỷ của các dung dịch rắn quá bão hòa, Hiện nay ở Việt Nam cũng có một số phòng thí nghiệm đã sử dụng thiết bị này để kiểm tra thành phần của vật liệu, dò tìm khuyết tật mối hàn. Tuy nhiên, để đo ứng suất dư trong mối hàn, đặc biệt với những kết cấu lớn, có hình dạng phức tạp như liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K mà tác giả nghiên cứu thì khó có thể thực hiện được. 2.5.2.3 Đo ứng suất dư bằng phương pháp nhiễu xạ Neutron Nhiễu xạ neutron [3, 51, 68] là phương pháp xác định cấu trúc nguyên tử hoặc từ của vật liệu. Nó cũng có chức năng áp dụng tốt khi nghiên cứu các tinh thể rắn, khí, lỏng hoặc chất vô định hình. Nhiễu xạ neutron là một dạng của tán xạ đàn hồi khi các neutron trong các thí nghiệm có nhiều hơn hoặc ít năng lượng hơn so với các neutron tới. Kỹ thuật tương tự là nhiễu xạ tia X nhưng khác loại tia bức xạ. Mẫu thí nghiệm cần được đặt trong chùm tia neutron lạnh và cường độ xung quanh mẫu cung cấp thông tin về cấu trúc vật liệu. Neutron không tương tác với điện tử trong các hạt tinh thể. Không giống như tia X, phân tán hoàn toàn trong điện tử, neutron phân tán hoàn toàn trong hạt nhân. 44 Mặc dù không mang điện, nhưng bản thân neutron có sẵn điện từ trường, vì thế nó tương tác mạnh mẽ với nguyên tử và ion trong tinh thể nơi cũng có sẵn điện từ trường. Neutron được sử dụng rộng rãi hơn tia X trong việc xác định cấu trúc mạng tinh thể của các nguyên tố nhẹ. Nguồn neutron trên thế giới rất hiếm và nguy hiểm vì thế nhiễu xạ neutron phải dùng các thiết bị đặc biệt và phải được kiểm soát chặt chẽ. Đây là phương pháp đo ứng suất dư trong hàn chủ yếu được dùng trong nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm hoặc ở những nơi có lò phản ứng hạt nhân như: Hàn Quốc, Mỹ, Nhật,... Phương pháp này đòi hỏi sự kiểm soát nghiêm ngặt về an toàn và an ninh phóng xạ. Hiện nay, ở Việt Nam chưa có phòng thí nghiệm nào có thiết bị nhiễu xạ Neutron. 2.5.2.4 Đo ứng suất dư bằng phương pháp siêu âm Kỹ thuật đo ứng suất bằng siêu âm dựa trên ảnh hưởng của đàn hồi âm, tùy thuộc vào vận tốc của sóng âm lan truyền trong vật rắn. Phương pháp siêu âm [68] có nhiều ưu điểm như không phá huỷ kết cấu, có thể lặp lại các phép thử trên toàn bộ kết cấu, phát hiện được các khuyết tật nằm trong cấu kiện và đánh giá chất lượng trực tiếp trên công trình. Ngày nay máy siêu âm được thiết kế với những tính năng và tiện ích hiện đại dễ sử dụng. Tuy nhiên do đặc điểm của máy siêu âm sử dụng trong đo vận tốc truyền sóng có một đầu thu và một đầu phát sóng vì thế buộc phải có vị trí đặt hai đầu dò trên cấu kiện. Một số cấu kiện như tấm bê tông, vỏ hầm không thể đặt đầu dò bên dưới đáy tấm vì thế không áp dụng được. Nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tìm hiểu nguyên tắc vật lý của hai phương pháp và đã thiết kế ghép nối hệ thiết bị đo dựa trên nguyên tắc truyền sóng ứng suất. Công việc tiến hành đo thử nghiệm và so sánh kết quả đã được thực hiện tại phòng thí nghiệm công trình - Trung tâm Khoa học Công nghệ Trường Đại học Giao thông Vận tải. Tuy nhiên, họ mới thực hiện phương pháp này để đo trong các cấu kiện bê tông. Nguyên lý chung đo vận tốc truyền sóng siêu âm bằng cách xác định thời gian truyền sóng từ đầu phát (chuyển đổi từ xung điện kích thích sang dao động cơ học có tần số cao hơn tần số âm) đến đầu thu (chuyển đổi từ dao động cơ sang xung điện) trong bê tông. Vận tốc truyền xung V(m/s) được tính bằng: V = L/T. Trong đó: L - chiều dài đường truyền (m); T - thời gian đo được khi xung truyền qua chiều dài L (s). Xung siêu âm sử dụng khác với xung tần số âm bởi 2 lý do: Xung có sườn dốc và năng lượng lớn nhất theo phương truyền xung. Khi xung truyền từ đầu phát vào vật liệu một phần bị phản xạ (dội lại) từ biên của các loại vật liệu khác nhau trong vật liệu, phần khác nhiễm xạ thành các sóng ứng suất dọc (nén) và ngang (cắt) truyền trong vật liệu. Vận tốc truyền này là hàm số phụ thuộc vào tính chất của vật liệu; - Xác định sự có mặt hoặc độ mở rộng của vết nứt, độ rỗng và khuyết tật; - Xác định sự biến đổi các tính chất (cường độ,...) theo thời gian; - Xác định mối tương quan giữa tốc độ truyền xung siêu âm và cường độ của vật liệu; - Tính toán mô đun đàn hồi của vật liệu. Định nghĩa một số đại lượng cơ học Biến dạng ε: Là tỉ số giữa độ biến thiên kích thước (Δl) và kích thước ban đầu (l). l l = (2. 15) Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng lực mất đi thì biến dạng cũng mất theo. 45 Biến dạng còn tồn tại ngay cả sau khi ứng lực mất đi được gọi là biến dạng dư. - Giới hạn đàn hồi: Là ứng lực tối đa không gây nên biến dạng dẻo vượt quá 2%, tính bằng kG/mm2. Ví dụ giới hạn đàn hồi của thép 20 - 80 kG/mm2. - Môđun Young (Y): Xác định biến dạng theo phương của ứng lực.  Y l S F Y l ==// (2. 16) F - lực tác dụng, kG. S - tiết diện chịu lực (mm2). σ - ứng lực, s =F/S. Mođun Young của thép 18.000 - 29.000 kG/mm2. Hệ số poison ν: Hệ số xác định biến dạng theo phương vuông góc với lực tác dụng. // −=⊥ (2. 17) Trong vùng biến dạng đàn hồi ν ≈ 0,3. Sự thay đổi vận tốc siêu âm có thể được quan sát khi vật liệu chịu ứng suất, sự thay đổi này có thể đo được ứng suất trung bình dọc theo đường sóng. Hệ số âm đàn hồi rất cần thiết cho sự phân tích, hệ số này được xác định bằng thực nghiệm. Các loại sóng khác nhau có thể được sử dụng nhưng sử dụng phổ biến nhất trong phương pháp này là sóng dọc. Độ nhạy lớn nhất đạt được khi hướng truyền sóng và ứng suất giống nhau. Phương trình để tính toán ứng suất dư là: V = Vo + Kσ (2. 18) Trong đó: Vo - Vận tốc truyền sóng; σ - Ứng suất; K - Hệ số âm đàn hồi. Khi đặt một lực vào vật thể, vật thể bị thay đổi hình dạng. Trong trường hợp tổng quát sự thay đổi này gọi là biến dạng. Ở đây chúng ta hiểu biến dạng như là sự thay đổi hình dạng trên một đơn vị dài hay là độ thay đổi chiều dài tương đối. Hình 2. 41 Thiết bị siêu âm [68] Kết luận chương 2 Qua nghiên cứu, phân tích các nội dung trong chương 2 tác giả rút ra các kết luận sau: 1. Kết cấu giàn hàn dạng ống có những ưu việt hơn các kết cấu giàn khác như khả năng chịu xoắn tốt, kết cấu gọn nhẹ, tiết kiệm vật liệu,... nên rất thích hợp để chế 46 tạo...... 2. Ứng dụng quá trình hàn GMAW để chế tạo nút giàn dạng ống có tính khả thi cao, linh hoạt và đạt chất lượng tốt so với các phương pháp hàn khác. 3. Tác giả phân tích được cơ chế hình thành và các phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, chọn phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn dạng ống chữ K bằng phương pháp khoan lỗ. Do kỹ thuật này đạt độ tin cậy và có tính khả thi trong điều kiện Việt Nam. 47 Chương 3. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT DƯ TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG CHỮ K 3.1 Đặt vấn đề Việc xác định chu trình nhiệt, ứng suất và biến dạng là rất khó khăn do sự phức tạp về hình dáng hình học, các điều kiện biên và các tính chất phi tuyến của vật liệu khi hàn. Tuy nhiên, thực tế đã chứng minh rằng khi mô phỏng trên máy tính ứng dụng ứng dụng phương pháp toán số để giải các bài toán truyền nhiệt, ứng xử cơ học và chuyển biến pha trong liên kết hàn mang lại hiệu quả kinh tế cao, kết quả tính toán nhanh và chính xác. Tuy nhiên, việc ứng dụng phương pháp mô phỏng để xác định các ứng xử cơ học và chuyển biến pha trong liên kết hàn không thể thay thế hoàn toàn các thực nghiệm. Việc áp dụng cơ học tính toán vào lĩnh vực hàn cho phép giảm số lượng cũng như chi phí thực nghiệm, trong khi các dữ liệu kết quả thu được đầy đủ trên toàn bộ mô hình nghiên cứu và trong suốt thời gian sự kiện xảy ra. Trong những năm gần đây, việc thu thập dữ liệu số không chỉ trong thực nghiệm hàn mà còn trong sản xuất hàn được kết hợp với mô phỏng tính toán. Mô phỏng tính toán sẽ sử dụng các dữ liệu thực nghiệm để điều chỉnh các thông số trong mô hình tính toán. Hệ thống thí nghiệm và sản xuất sẽ sử dụng các dự báo từ mô phỏng tính toán để kiểm soát quá trình, về mặt toán học, điều này được gọi là bộ lọc Kalmann. Trường hợp này, mô phỏng tính toán và thực nghiệm có liên quan chặt chẽ với nhau. Cái này không thể tồn tại mà không có cái kia. 3.1.1 Mô phỏng tính toán bài toán cơ - nhiệt trong liên kết hàn Cơ học tính toán trong hàn [14, 69, 80] liên quan tới việc phân tích nhiệt độ, cấu trúc tế vi, chuyển vị, biến dạng và ứng suất trong kết cấu hàn, hình 3.1. Hình 3. 1 Sơ đồ cơ học tính toán trong hàn [14] Mô phỏng tính toán cung cấp khả năng tính toán hoặc dự báo ứng xử của các sản phẩm, các quá trình hoặc các hệ thống trong thế giới thực. Một mặt, nó có thể xem như các công cụ phân tích để xác định các phản hồi cơ học của vật hàn với quá trình hàn lựa chọn. Mặt khác, nó có thể được xem như công cụ thiết kế để dự đoán chất 48 lượng mối hàn và biến dạng, hình 3.2. Hình 3. 2 Các vấn đề chính trong thiết kế và kiểm tra mối hàn [14] (QA/QC – là đảm bảo chất lượng, kiểm soát chất lượng) Quan hệ giữa các phương pháp tính toán với nghiên cứu thực nghiệm được chỉ ra trên hình 3.3. Hình 3. 3 Quan hệ giữa các phương pháp tính và thực nghiệm [14] 3.1.2 Mô phỏng tính toán quá trình chuyển biến pha trong liên kết hàn 3.1.2.1 Cơ chế chuyển biến pha trong liên kết hàn thép Tổ chức tế vi liên quan đến chu trình nhiệt sinh ra trong quá trình hàn. Khi pha được nung nóng sẽ tồn tại ferrite với cấu trúc mạng lập phương thể tâm (BCC) khi chuyển sang austenit với cấu trúc FCC – xem hình 3.6. Sự chuyển biến pha xuất hiện trong phạm vi nhiệt độ từ Ac1 đến Ac3. Quá trình chuyển biến pha xảy ra ở nhiệt độ thấp đối với tất cả các loại thép, có thể từ Ac1 đến xấp xỉ 720oC [34]. Quá trình chuyển biến pha xảy ra ở nhiệt độ trên Ac3 đối với từng loại thép hợp kim có thể từ 720oC ÷ 910oC. Đối với thép sau cùng tích có hàm lượng C thấp nhiệt độ chuyển biến pha trên 49 sẽ cao hơn. Tại nhiệt độ trên Ac3, thể tích của austenit đạt 100% và khi được cấp nhiệt kích thước hạt austenit sẽ phát triển. Khi kim loại cơ bản được nung nóng trên nhiệt độ Ac1 (nhiệt độ xementit không xuất hiện), một phần peclit/ ferrit chuyển biến sang austenit và khi nhiệt độ cao hơn Ac3 (nhiệt độ mà α-ferrit không xuất hiện), peclit/ ferrit chuyển hoàn toàn sang austenit. Đối với thép các bon và thép hợp kim thấp nhiệt độ Ac1 và Ac3 được tính theo công thức 3.1 và 3.2 [56]: WAsCrSiNiMnAc 4,62909,16299,167,107231 ++++−−= (3. 1) TiAsAlPCuCrMn WMoVSiNiCAc 400120400700201130 1,135,311047,442,152039123 ++++−−− ++++−−= (3. 2) Khi KLCB được nung nóng trên đường Ac1, cấu trúc BCC sẽ chuyển sang cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) và thể tích giảm xuống. Hình 3. 4 Đồ thị chuyển biến pha [34] Hình 3.4 mô tả đồ thị chuyển biến pha khi nung nóng và làm nguội của thép S355J2G3, ta thấy rằng khi nung nóng thì thể tích tăng và đạt giá trị cao nhất khi ở nhiệt độ theo đường đẳng nhiệt A1 và có xu hướng giảm dần khi tăng nhiệt độ đến đường A3. Khi làm nguội thép trước cùng tích nhận thấy thể tích giảm dần đến nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Mactensit và tăng dần thể tích đến nhiệt độ kết thúc chuyển biến Mactensit và qua điểm này thể tích có xu hướng giảm dần xuống. Hình 3.6 mô tả sự khác nhau giữa các vùng luyện kim khi hàn đối với thép các bon và thép hợp kim thấp. Vùng nóng chảy (FZ) chuyển biến hoàn toàn sang austenite trong quá trình hàn và sau khi đông đặc sẽ chuyển sang trạng thái rắn dựa trên tốc độ nguội và đồ thị CCT đối với từng loại vật liệu. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) là vùng lân cận với vùng FZ sẽ chuyển một phần (ICHAZ) hoặc hoàn toàn (FGHAZ và CGHAZ) austenite. Những vùng này gồm những hạt thô đại (CGHAZ), vùng hạt mịn (FGHAZ), và vùng (ICHAZ), và vùng KLCB quá nhiệt. Chứng tỏ rằng, việc chuyển biến pha không xuất hiện tại vùng cuối cùng (vùng quá nhiệt) vì nó không bị austenit hóa trong quá trình hàn. 50 Hình 3. 5 Giản đồ pha sắt – các bon [34] Đối với thép các bon thì nhiệt độ bắt đầu chuyển biến sang pha mactensit được tính theo công thức 3.3 [34]. MoCrNiMnCMs 21171733474561 −−−−−= (3. 3) Khi làm nguội, các vùng sẽ chuyển biến pha (hoàn toàn hoặc một phần) sang austenite sẽ trải qua sự chuyển biến ngược lại ở nhiệt độ Ar1 đến Ar3, đây là phạm vi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Ac1 và Ac3. Điều đó lý giải tại sao austenite phân hủy diễn ra chậm hơn so với quá trình tạo thành nó mà tốc độ phân hủy của nguyên tử các bon trong hợp kim khi chuyển biến pha từ α và ngược lại là hoàn toàn khác nhau. Trong điều kiện nhiệt độ khi hàn đối với thép hợp kim thấp (S355J2G3), thời gian nguội từ 800oC xuống 500oC (t8/5) là phạm vi nhiệt độ austenite phân hủy (Grong, 1997). 51 Ta cũng có thể xác định trên đồ thị CCT, thời gian làm nguội rất ngắn (tốc độ làm nguội lớn) dẫn đến tổ chức tế vi chuyển hoàn toàn sang martensit (martensit có cấu trúc mạng BCT, đây là pha sắt không ổn định làm bão hòa các bon (Callister, 2005) [32] và có độ cứng rất cao). Điều này tương đương khi hàn với nguồn nhiệt thấp. Mặt khác, sử dụng nguồn nhiệt lớn khi hàn sẽ làm tốc độ nguội chậm lại, kết quả là tạo ra hỗn hợp bainite và ferrit/ peclit (bainite không phải là một pha, nhưng có cấu trúc dạng hình kim). Hình 3. 6 Cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt [34] Thêm vào đó, tốc độ nguội, chuyển biến pha phụ thuộc vào kích thước hạt và hàm lượng các bon trong austenit đã chuyển pha [30]. Điều đó lý giải tại sao nhiệt độ đỉnh và thời gian giữ nhiệt trong đồ thị CCT tương tự với quá trình hàn (thường trong khoảng 1350÷1400oC với mục đích làm cho kích thước hạt phát triển). Heinze và cộng sự [31] đã nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi kích thước hạt đến ứng suất dư đối với thép S355J2. Trong công bố của mình, Argyris và cộng sự [32] khi phân tích ứng suất dư bằng phương pháp phần tử hữu hạn đã chỉ ra rằng khi làm thực nghiệm hàn GMAW hai tấm thép St37, vát mép chữ V, hàn 2 phía (2 lớp mỗi phía) ứng suất pháp tuyến và tiếp tuyến trên bề mặt tấm hàn là tương đối cao. Khi tổ chức tế vi vùng nóng chảy và vùng HAZ chuyển biến sang pha Mactensite trên 50% cùng với ảnh hưởng của tốc độ nguội. Bảng 3. 1 Nhiệt độ chuyển biến pha của thép S355J2G3 Thép Ac1 (oC) Ac3 (oC) Ms (oC) S355J2G3 722 818 403 3.1.2.2 Cấu trúc của liên kết hàn nhiều lớp Cấu trúc mạng tinh thể là hạt mịn thì tăng độ bền và ứng suất dư giảm khi hàn nhiều đường, nhiều lớp đươc so sánh với hàn một lớp tại cùng một mặt cắt. Nguyên nhân là do: 52 1) Chu kỳ nhiệt của các đường hàn sau ảnh hưởng tới sự làm mịn hạt hoặc thường hóa kim loại mối hàn của các đường hàn trước đó. 2) Tổng nhiệt lượng cấp vào trên một đường hàn giảm xuống do đó số lượng hạt tăng kích thước sẽ giảm xuống. 3) Nhiệt của đường hàn trước được coi như nung nóng sơ bộ vật hàn dẫn đến thời gian làm nguội t8/5 sẽ diễn ra chậm hơn. 4) Nhiệt độ của đường hàn sau có tác dụng như trong trường hợp ram khử ứng suất do đường hàn trước sinh ra. Ảnh hưởng tới cấu trúc tế vi của KLMH, KLCB và vùng HAZ của các đường hàn tiếp theo khi hàn nhiều đường nhiều lớp được mô tả như hình 3.7b [4, 34]. Hình 3. 7 Cấu trúc tế vi khi hàn 1 lớp (a); nhiều lớp (b) [50] 3.1.2.3 Ứng xử cơ học trong liên kết hàn Từ góc nhìn về mặt công nghệ, phần lớn ảnh hưởng cơ học của hàn là nứt, biến dạng và mất ổn định. Ảnh hưởng của các mối hàn đến sự lan truyền vết nứt trong nứt ăn mòn ứng suất, mỏi và cơ học phá hủy cũng liên quan [14, 83]. Ở mức độ vĩ mô, mối hàn có thể xem như bài toán cơ - nhiệt của việc tính toán nhiệt độ ở trạng thái giả ổn định, chuyển vị, ứng suất và biến dạng. Ở mức độ vi mô, nó có thể được xem như bài toán vật lý, tính toán sự biến đổi pha bao gồm sự phát triển của các hạt, sự phân ly và kết tủa. Ứng xử cơ học của mối hàn là nhạy cảm với sự liên quan chặt chẽ giữa truyền nhiệt, phát triển cấu trúc tế vi và phân tích ứng suất nhiệt. Mặc dù, ảnh hưởng của cấu trúc tế vi và sự phát triển của ứng suất - biến dạng đối với quá trình truyền nhiệt là không lớn, mà ảnh hưởng của nhiệt độ đối với cấu trúc tế vi và ứng suất nhiệt là chủ yếu. Sự liên quan giữa cấu trúc tế vi và ứng suất nhiệt có thể mạnh và nhạy cảm (sự liên quan chính trong hàn được biểu thị bởi đường nét đậm, sự liên quan ít hơn được biểu thị bằng nét đứt, hình 3.8). Sự biến đổi pha, có thể là vấn đề chính trong phân tích ứng suất. 53 Hình 3. 8 Mối quan hệ giữa các trường khác nhau trong phân tích hàn [14] Giải thích các mối quan hệ trong hình 3.8 1. Tỷ lệ biến đổi: Sự phát triển của cấu trúc tế vi phụ thuộc vào nhiệt độ. 2. Ẩn nhiệt: Mỗi sự biến đổi pha có thể có ẩn nhiệt liên quan. 3. Biến đổi pha: Thay đồi thể tích do biến đổi pha, ứng xử của vật liệu dẻo và vật liệu đàn hồi phụ thuộc vào cấu trúc tế vi của vật liệu. 4. Tỷ lệ biến đổi: Sự phát triển của cấu trúc tế vi đặc biệt là biến đổi martensite hoặc bainite, phụ thuộc vào biến dạng cơ học. 5. Giãn nở vì nhiệt: Các biến dạng cơ học phụ thuộc vào nhiệt độ. 6. Gia công dẻo: Biến dạng cơ học tạo ra nhiệt trong vật liệu và thay đổi các điều kiện biên về nhiệt. Trong hầu hết các quá trình hàn, ảnh hưởng này là rất nhỏ. Trong thực tế hàn có thể gồm nhiều đường, nhiều lớp, mỗi lớp góp phần ảnh hưởng đến cơ tính và sự luyện kim. Sự tương tác giữa nhiệt, cơ học, luyện kim, quá trình hóa học và dòng chảy của kim loại lỏng trong vũng hàn là phức tạp. 3.2 Tính toán, mô phỏng trường ứng suất trong liên kết hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn 3.2.1 Tính toán mô phỏng bài toán nhiệt - đàn hồi - dẻo bằng phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn - PTHH [16] được biết như là một công cụ hữu hiệu hỗ trợ kỹ thuật nghiên cứu, thử nghiệm để xác định hành vi và tương tác giữa các hiện tượng vật lý phức tạp trong quá trình hàn. Mô phỏng của quá trình hàn không phải là một nhiệm vụ dễ dàng do nó liên quan đến sự tương tác của nhiệt, cơ học và luyện kim [14, 21, 53]. Đối với quá trình hàn nóng chảy, đã thiết lập trên gói phần mềm mô phỏng chuyên dụng SYSWELD 2015 có thể thực hiện sự tính toán nhiệt và quá trình luyện kim, nó cũng có thể kiểm soát nhiệt độ, tỷ lệ pha và tính toán ứng xử cơ học (phụ thuộc không chỉ vào nhiệt độ mà còn vào tổ chức kim loại của phần tử). 3.2.1.1 Mô hình toán học của nguồn nhiệt hàn Năng lượng nhiệt có thể truyền từ một hệ thống này tới một hệ thống khác giống như là kết quả của sự chênh lệch nhiệt độ khác nhau. Tổng lượng nhiệt cấp vào (Q, W/m3) trong hàn hồ quang biểu thị qua năng lượng hồ quang (W) và hiệu suất quá trình hàn (η). 𝑄 = 𝜂. VI (3. 4) Đối với quá trình hàn GMAW, phạm vi hiệu suất của nguồn nhiệt  = 0,65÷0,85. Nhiệt cấp từ nguồn hàn (nguồn nhiệt) vào vũng hàn sẽ truyền vào kim loại cơ bản bằng dẫn nhiệt và truyền ra môi trường xung quanh bằng sự đối lưu và bức xạ (Parmar 2005). 54 Khuếch tán nhiệt do sự dẫn nhiệt được dựa trên định luật Fourier, đó là nguồn nhiệt (Q, W/m3) truyền từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng nguội hơn và phụ thuộc tuyến tính trên gradient nhiệt độ, trong đó k là hệ số dẫn nhiệt (W/mK). 𝑞 = −𝑘(𝑔𝑟𝑎𝑑𝑇) (3. 5) Đối với một đơn vị diện tích bề mặt tương ứng với một vector đơn vị n, giá trị nhiệt được truyền qua mỗi đơn vị diện tích bề mặt theo hướng n được xác định theo công thức sau (Lewis etal. 2004): 𝑞 = −𝑘(𝑔𝑟𝑎𝑑𝑇). 𝑛 = −𝑘 𝜕𝑇 𝜕𝑛 (3. 6) Khi sự truyền nhiệt được xét theo công thức enthalpy cơ bản để giải vấn đề thuộc lĩnh vực lỏng và rắn, và nếu k là hệ số được cài vào phương trình bảo toàn năng lượng, phương trình truyền nhiệt trong trường hợp tốc độ nhanh có thể được viết như sau: 𝑝𝑐𝑝 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = 𝑑𝑖𝑣(𝑔𝑟𝑎𝑑𝑇) + 𝑄 (3. 7) 𝜌𝑐𝑝 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = 𝜕 𝜕𝑥 (𝑘(𝑇) 𝜕𝑇 𝜕𝑥 ) + 𝜕 𝜕𝑦 (𝑘(𝑇) 𝜕𝑇 𝜕𝑦 ) + 𝜕 𝜕𝑧 (𝑘(𝑇) 𝜕𝑇 𝜕𝑧 ) + 𝑄 (3. 8) Trong công thức này ρ, cp và Q lần lượt là: Mối tương quan giữa trọng lượng và khối lượng (kg/m3), nhiệt dung riêng (J/kg K), và nguồn nhiệt bên trong (W/m3). Tích số của ρ.cp tương ứng với khả năng tích trữ năng lượng của vật liệu. Tốc độ truyền nhiệt bằng sự đối lưu được tuân theo tỷ lệ tương ứng với nhiệt độ khác nhau và được cho bởi định luật Newton ở chỗ nguội qconv là dòng nhiệt đối lưu (W/m2K), hconv là hệ số truyền nhiệt đối lưu và (Ts - T): 𝑞𝑐𝑜𝑛𝑣 = ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣(𝑇𝑠 − 𝑇∞ ) (3. 9) Nhiệt lượng tỏa ra của sự truyền nhiệt được cho bởi định luật Stefan-Boltzmann ở đó σ, ε và hrad lần lượt là hằng số Stefan Bokltzmann, nhiệt tỏa ra và hệ số bức xạ truyền nhiệt: 𝑞𝑟𝑎𝑑 = εσ(𝑇𝑠 4 − 𝑇∞ 4 ) = εσ(𝑇𝑠 2 − 𝑇∞ 2 )(𝑇𝑠 − 𝑇∞) (3. 10) (𝑇𝑠 − 𝑇∞) = ℎ𝑟𝑎𝑑(𝑇𝑠 − 𝑇∞) Các điều kiện của đường bao nhiệt được kết luận như sau, ở đó n đại diện cho pháp tuyến mặt ngoài với cạnh của thành (vách): (a) mật độ dòng nhiệt q, lợi dụng vào cạnh thành: 𝑞 = −𝑘 𝜕𝑇 𝜕𝑛 (3. 11) (b) Lợi dụng vào hệ số của sự thay đổi nhiệt: Đường bao các điều kiện cho hệ số truyền nhiệt được chia thành sự đối lưu và sự phát xạ. Điều kiện của đường bao đối lưu là dựa trên sự cân bằng của nă