Phân tích sự chuyển pha và trường nhiệt khi hàn nối ống thép các bon bằng quá trình orbital - Mag

Nội dung text: Phân tích sự chuyển pha và trường nhiệt khi hàn nối ống thép các bon bằng quá trình orbital - Mag

1. KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 PHÂN TÍCH SỰ CHUYỂN PHA VÀ TRƯỜNG NHIỆT KHI HÀN NỐI ỐNG THÉP CÁC BON BẰNG QUÁ TRÌNH ORBITAL - MAG A STUDY ON PHASES TRANSITION AND TEMPERATURE FIELDS OF CARBON STEEL TUBES DURING ORBITAL - MAG WELDING PROCESS Ngô Hữu Mạnh1,*, Nguyễn Văn Kiên2,3 không gian (dưới lòng đất, dưới nước hoặc trên không), TÓM TẮT không gian tiếp cận vị trí hàn bị hạn chế. Bên cạnh đó, khi Quá trình hàn Orbital - MAG (OM) tự động thường được áp dụng để thực hàn nối ống ở các vị trí khó thực hiện trong không gian, yêu hiện hàn nối các đường ống cố định. Sự phân bố nhiệt khi hàn OM có ảnh hưởng cầu tay nghề thợ hàn rất cao (thường là 5G và 6G) làm tăng rất lớn đến quá trình chuyển pha và chất lượng mối hàn. Trong bài báo này, chi phí nhân công và chi phí sản xuất dẫn đến làm giảm nhóm tác giả phân tích sự chuyển pha và trường nhiệt khi hàn nối ống thép các tính cạnh tranh của doanh nghiệp. bon bằng quá trình hàn OM. Phương pháp mô phỏng số được sử dụng để phân tích sự chuyển pha và trường nhiệt hàn. Hiện nay trên thế giới, một số hãng sản xuất như Lincoln (Mỹ), Polysoude (Pháp), đã nghiên cứu, chế tạo thiết bị Từ khoá: Hàn orbital; GMAW; hàn tự động; chuyển pha; trường nhiệt hàn. hàn Orbital để cung ứng cho thị trường. Việc ứng dụng thiết ABSTRACT bị hàn Orbital tự động hàn nối ống giúp nâng cao năng lực sản suất, chất lượng sản phẩm, đảm bảo an toàn cho người Orbital - MAG (OM) auto welding process is complex and is often applied to lao động khi thực hiện ở các vị trí hàn không thuận lợi trong weld the connection of the fixed pipe lines. The heat distribution of the OM không gian. welding has influenced phases transition and quality of the weld. In this paper, the authors analyze phases transition and simulate temperature fields of carbon Ở Việt Nam, chưa có nhiều công trình nghiên cứu sâu về steel pipes during OM auto welding process. Numerical simulation with the công nghệ và thiết bị hàn Orbital. Năm 2011, TS. Hoàng support of JMATPRO and SYSWELD softwares used to analyzed phases transition Văn Châu [8] nghiên cứu về thiết bị hàn ống đường kính and temperature fields. lớn ở trạng thái không quay. Năm 2018, TS. Ngô Hữu Mạnh Keywords: Orbital welding; GMAW; auto welding; phases transition; temperature và các công sự đã thực hiện và nghiệm thu đề tài khoa học fields. và công nghệ cấp Bộ Công Thương “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn Orbital - TIG tự động” [9]. 1 Trường Đại học Sao Đỏ Hiện nay, thiết bị hàn Orbital chủ yếu được nhập về Việt 2 Học viện Kỹ thuật quân sự Nam từ các nước có nền công nghiệp phát triển để ứng 3 Xí nghiệp 143 - Nhà máy Z49 dụng vào quá trình hàn các đường ống cố định. Số lượng * Email:manh.weldtec@gmail.com thiết bị hàn Orbital được sử dụng khá hạn chế. Một phần Ngày nhận bài: 02/3/2021 do chưa được tiếp cận với công nghệ hàn này. Mặt khác, Ngày nhận bài sửa sau phản biện:02/4/2021 thiết bị hàn Orbital khá phức tạp và chi phí đầu tư lớn. Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2021 Trong quá trình hàn, vật hàn bị nung nóng cục bộ ở nhiệt độ cao [2]. Sự giãn nở của vật liệu khi bị nung nóng 1. GIỚI THIỆU CHUNG bởi nguồn nhiệt hàn bị hạn chế bởi các vùng có nhiệt độ thấp hơn hoặc bị gá kẹp [3]. Điều này dẫn đến sự xuất hiện Trong những năm gần đây, công nghệ hàn tự động đã ứng suất nhiệt tức thời trong vật hàn và ứng suất dư sau khi được ứng dụng để hỗ trợ tích cực cho người lao động, nâng cao năng suất hàn, cải thiện hình dạng và chất lượng mối vật hàn được làm nguội. Việc xác định trường nhiệt khi hàn hàn, tiết kiệm thời gian, [10]. Quá trình hàn hoặc sửa chữa đóng vai trò quan trọng trong việc xác định ứng suất dư, đường ống cố định trong các lĩnh vực dầu khí, hóa chất, biến dạng hàn và tổ chức tế vi của các vùng trong liên kết nhiệt điện, dược phẩm, cấp thoát nước, xử lý nước thải, hàn. Vì vậy, mô phỏng số là phương pháp tốt nhất để phân gặp rất nhiều khó khăn [9]. Quá trình hàn càng gặp nhiều tích sự chuyển pha, trường nhiệt độ, ứng suất và biến dạng khó khăn hơn khi phải thực hiện ở các vị trí không thuận lợi trong quá trình hàn. Quá trình phân tích với sự hỗ trợ của hoặc hàn các loại vật liệu khác nhau [1]. Quá trình hàn phải phần mềm JMATPRO và SYSWELD cho phép nhận được kết thực hiện ngoài công trường, ở các vị trí khác nhau trong 72 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 2 (4/2021) Website:
2. P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY quả sát thực, rút ngắn thời gian nghiên cứu và giảm chi phí thực nghiệm. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH 2.1. Mô hình nguồn nhiệt Trong quá trình hàn nối ống bằng OM, nguồn nhiệt hồ Hình 2. Mô hình chia lưới liên kết hàn ống quang được xác định theo công thức sau [4]: PUI h  h (1) Trong đó: Uh - Điện áp hồ quang (V) Ih - Cường độ dòng điện hàn (A)  - Hiệu suất hồ quang hàn (0,6 ÷ 0,9). Hình 3. Các vị trí kẹp chặt liên kết ống khi hàn Goldak và cộng sự [5] đã đưa ra mô hình nguồn nhiệt có mật độ phân bố ellipsoid kép được xác định bằng cách phối 2.3. Vật liệu hàn hợp hai khối bán ellipsoid khác nhau để tạo thành một Vật liệu nền là ống thép đúc, đường kính ngoài của ống nguồn nhiệt (hình 1). là 300mm, chiều dày thành ống 10mm theo tiêu chuẩn ASTM A 53 [6]. Đây là loại thép được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam, cũng như trên thế giới. Ống được vát mép chữ V, góc vát mỗi tấm 300, chiều dài mỗi ống là 250mm. Khe hở giữa hai ống khi gá kẹp là 3mm. Các thông số của liên kết hàn như hình 3, ống thép sử dụng làm vật liệu nền có thành phần hóa học và cơ tính như bảng 1, 2 [6]. Hình 1. Mô hình nguồn nhiệt ellipsoid kép [5] Mật độ nguồn nhiệt tại một điểm bất kỳ (x,y,z) bên trong khối ellipsoid đầu tiên (phía trước hồ quang hàn) được biểu diễn bởi phương trình sau [4, 5]. x2 y 2 z 2 Q (x,y,z,t) Q .exp Hình 4. Các thông số của liên kết hàn R f a2 b 2 c 2 f (2) Bảng 1. Thành phần hóa học của ống thép theo tiêu chuẩn ASTM A 53 [6] Với một điểm bất kỳ (x,y,z) bên trong khối ellipsoid thứ %C %Mn %S %P %Cr %Ni %Mo hai (phía sau hồ quang hàn), mật độ nguồn nhiệt được biểu 0,25 0,95 0,4 0,4 0,15 diễn bởi phương trình sau [4, 5]. 0,045 0,05 Bảng 2. Cơ tính của ống thép theo tiêu chuẩn ASTM A 53 [6] x2 y 2 z 2 Q (x,y,z,t) Q .exp R r 2 2 2 Giới hạn bền (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ giãn dài (%) ar b c (3) >415 >240 >20 Trong đó: a , a , b và c là các thông số hình học của nguồn f r Vật liệu hàn gồm dây hàn KC-28 (tiêu chuẩn AWS A5.18 nhiệt khối ellipsoid kép; Q là hàm mật độ nguồn nhiệt. R ER70S-6) của hãng KISWEL (Hàn Quốc) được sử dụng làm vật Goldak và các cộng sự [5] đã chỉ ra mối tương quan giữa liệu bổ sung cho quá trình hàn có thành phần hóa học và cơ kích thước của nguồn nhiệt và kích thước của bể hàn, đồng tính như trong bảng 3, 4 [7]. thời cho rằng có thể nhận được những giá trị thích hợp cho Bảng 3. Thành phần hóa học của dây hàn KC-28 [7] af, ar, b và c bằng cách đo trực tiếp các thông số hình học của bể hàn. %C %Mn %Si %P %S 2.2. Chia lưới và gá kẹp 0,07 1,53 0,86 0,012 0,007 Liên kết hàn ống được chia lưới với mật độ lưới tăng Bảng 4. Cơ tính của dây hàn KC-28 [7] dần khi tiến đến gần mối hàn. Sự gia tăng mật độ lưới ở Giới hạn bền Giới hạn chảy Độ giãn dài Độ dai va đập IV vùng mối hàn cho phép nhận được kết quả mô phỏng (MPa) (MPa) (%) ở -300C (J) chính xác, hình ảnh mô phỏng rõ nét hơn. Mô hình chia > 400 > 480 > 22 ≥ 27 lưới được trình diễn như hình 2. Khí bảo vệ điện cực và vũng hàn được sử dụng là Argon Liên kết ống được định vị kẹp chặt hai đầu (hình 3). Thời 99,98% chứa trong bình dung tích 40 lít và áp suất 150bar. gian kẹp chặt được duy trì trong suốt quá trình mô phỏng để Lưu lượng khí sử dụng 15 lít/phút. đảm bảo ống luôn ở trạng thái cố định giống như thực tế. Website: Vol. 57 - No. 2 (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 73
3. KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 2.4. Thiết bị hàn thực hiện đường hàn thứ II và đường hàn phủ thứ III. Khi thực Thiết bị hàn được sử dụng là máy hàn ống tự động MAG hiện các đường hàn, đầu hàn được dao động ngang với biên PIPE 400 (hình 5); điện áp nguồn 220/380V; điện áp độ phù hợp để đảm bảo chiều sâu ngấu, chiều rộng và chiều cao của mối hàn. Sau mỗi đường hàn, bề mặt mối hàn được không tải 70V; dòng hàn Imax = 400A; đường kính ống hàn làm sạch trước khi thực hiện đường hàn tiếp theo. Dmax = 400mm; đường kính dây hàn dd = 1,2mm; tốc độ dịch chuyển không tải lớn nhất Vmax = 3.000mm/phút. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Sự chuyển pha Khi nguồn nhiệt dịch chuyển theo quỹ đạo đường hàn, trường nhiệt phân bố tức thời và ứng suất nhiệt sẽ xuất hiện trong liên kết hàn (hình 7). Hình 5. Nguồn hàn ống tự động MAG PIPE 400 2.5. Chế độ hàn Các thông số chế độ hàn có ảnh hưởng rất lớn đến công suất nguồn nhiệt, sự chuyển pha, hình dạng, kích thước và chất lượng mối hàn. Vì vậy, việc phân tích và xác định được giá trị của các thông số chế độ hàn sẽ giúp điều tiết được công Hình 7. Biểu đồ nhiệt của kim loại mối hàn suất nguồn nhiệt hàn để nhận được mối hàn có hình dạng và chất lượng tốt nhất. Dưới tác động của nguồn nhiệt hồ quang, kim loại chuyển dần từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Ở nhiệt độ Trong các thông số chế độ hàn, tác giả tính toán và xác 15170C, kim loại vùng hàn chuyển hoàn toàn sang trạng thái định các thông số chính là cường độ dòng hàn (Ih), điện áp lỏng (hình 8). hàn (Uh), tốc độ hàn (Vh), đường kính dây hàn (d), lưu lượng khí (L), biên độ dao động đầu hàn (B). Giá trị của các thông số chế độ hàn được trình bày trong bảng 5. Bảng 5. Các thông số chế độ hàn nối ống tự động OM Đường Ih Uh Vh d L B hàn (A) (V) (mm/ph) (mm) (l/ph) (mm) Thứ I 105 21 80 1,2 20 10 Thứ II 120 23 120 1,2 15 12 Thứ III 130 24 100 1,2 15 15 2.6. Trình tự hàn Hình 8. Biểu đồ chuyển pha của kim loại mối hàn ở 15170C Ống có chiều dày 10mm nên được hàn hoàn thiện bởi ba Ở thời điểm trước đó, khi nhiệt độ đạt 15000C, tổ chức lớp hàn. Mỗi lớp hàn gồm một đường hàn. Các lớp hàn được kim loại mối hàn vẫn tồn tại ở cả hai pha rắn và lỏng. Trong thực hiện theo đường chu vi ngoài của ống. Chiều của đó, pha lỏng chiếm tỉ lệ 27,87%, còn lại là pha rắn Ferrite đường hàn như hình 6. chiếm 72,13% (hình 9). Hình 6. Trình tự thực hiện các đường hàn nối ống bằng công nghệ hàn OM Quá trình hàn được thực hiện tự động để hàn hết chu vi ngoài của ống. Sau khi hàn xong đường hàn thứ I, tiếp tục Hình 9. Biểu đồ chuyển pha của kim loại mối hàn ở 15000C 74 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 2 (4/2021) Website:
4. P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY Quá trình chuyển pha bị ảnh hưởng rất lớn bởi nguồn Tốc độ truyền nhiệt của kim loại còn ảnh hưởng tới ứng nhiệt hàn. Công suất nguồn nhiệt và tốc độ dịch chuyển của suất nhiệt sinh ra trong quá trình hàn. Chất lượng của mối nguồn nhiệt hàn quyết định đến tốc độ chuyển pha của kim hàn và liên kết hàn bị phụ thuộc lớn bởi các yếu tố trên. Vì loại vùng hàn (hình 10). vậy, phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố này cho phép dự đoán và xác định được giá trị tốt nhất để nhận được chất lượng mối hàn tốt nhất (hình 13). Hình 10. Biểu đồ pha của kim loại mối hàn Sự chuyển hoá Austenite khi nguội diễn ra ở 9000C, Hình 13. Biểu đồ ứng suất kéo sinh ra trên ống khi hàn Pearlite ở 6900C, Bainite ở 6060C, Ferrite ở 8380C, Martensite ở 4280C. Quá trình chuyển pha của kim loại theo nhiệt độ 3.2. Sự phân bố nguồn nhiệt và thời gian (TTT) được mô tả trong biểu đồ 11. Khi thực hiện đường hàn thứ I, vùng ảnh hưởng nhiệt mở rộng theo thời gian do quá trình truyền nhiệt. Tuy nhiên, vùng ảnh hưởng nhiệt không phải mở rộng vô hướng và tuyến tính. Vùng ảnh hưởng nhiệt chỉ mở rộng về hai phía của hai ống và dịch chuyển theo nguồn nhiệt. Chiều rộng của nó thay đổi theo thời gian và sự dịch chuyển của nguồn nhiệt hàn (hình 14). Hình 11. Biểu đồ chuyển pha TTT của kim loại mối hàn Khi nguội, sự chuyển pha phụ thuộc rất lớn vào tốc độ làm nguội. Khi tốc độ nguội càng lớn, kim loại mối hàn chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn càng nhanh. Vì vậy, thời gian tồn tại của các pha càng ngắn (hình 12). Hình 14. Sự phân bố nhiệt khi hàn đường thứ I Đường hàn thứ II được thực hiện ngay sau khi đường hàn thứ I kết thúc. Lúc này, vùng ảnh hưởng nhiệt được mở rộng hơn đường hàn thứ I do nguồn nhiệt dư của đường hàn trước đó. Tuy nhiên, vùng ảnh hưởng nhiệt ở đường hàn thứ II không quá lớn vì bị giới hạn bởi tốc độ truyền nhiệt của kim loại (hình 15). Đường hàn thứ III được thực hiện ngay sau khi đường hàn thứ II kết thúc. Vùng ảnh hưởng nhiệt tiếp tục được mở rộng hơn so với đường hàn thứ II do lượng nhiệt dư trước đó và công suất nguồn nhiệt ở đường hàn thứ III cũng lớn hơncông suất nguồn nhiệt ở đường hàn thứ II, nhưng tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt lại chậm hơn đường hàn trước đó Hình 12. Biểu đồ chuyển pha CCT của kim loại mối hàn do chiều rộng mối hàn ở đường hàn thứ III lớn hơn (hình 16). Website: Vol. 57 - No. 2 (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 75
5. KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ra ống lớn hơn do công suất nhiệt ở các đường hàn này lớn hơn và nguồn nhiệt dư của đường hàn trước đó. Hình 15. Sự phân bố nhiệt khi hàn đường thứ II Hình 18. Sự phân bố nhiệt trên ống thép A53 khi thực hiện các đường hàn Khi hàn OM, quá trình dịch chuyển của đầu hàn theo đường chu vi ngoài của ống kết hợp với dao động ngang được tự động hoá nên sự phân bố nhiệt hàn là khá ổn định. Sự phân bố nhiệt ổn định và đều về hai phía của ống là điều kiện cho phép nhận được mối hàn có chất lượng cao hơn, hình dạng của mối hàn đều hơn, sự phân bố ứng suất cũng ổn định hơn. Đây cũng là lợi thế lớn để nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng công nghệ hàn OM vào thực tế sản xuất tại Việt Nam. Hình 16. Sự phân bố nhiệt khi hàn đường thứ III Phân tích thấy rằng, sự phân bố nhiệt trên hai ống thép khi hàn các đường I, II và III là khá ổn định (hình 17). Ở từng thời điểm trường nhiệt độ tương ứng với từng nút xác định. Điều này cho phép phân tích, dự đoán và xác định xu hướng trường nhiệt hàn, sự chuyển pha, ứng suất sinh ra Hình 19. Hàn nối ống thép A53 bằng công nghệ hàn OM trong quá trình hàn. Như vậy, có thể nói rằng khi ứng dụng công nghệ hàn OM sẽ giúp ổn định trường nhiệt, sự chuyển pha, sự phân bố ứng suất, hình dạng và kích thước mối hàn. Với việc sử dụng phần mềm mô phỏng số đã giúp dự đoán và xác định rõ hơn các yếu tố ảnh hưởng từ đó đưa ra giải pháp xử lý để đạt được chất lượng sản phẩm cũng như hiệu quả sản xuất tốt nhất. 4. KẾT LUẬN Kim loại vùng hàn chuyển hoàn toàn từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng ở nhiệt độ 15170C. Sự chuyển pha và thời gian tồn tại của các pha trong kim loại vùng hàn phụ thuộc vào công suất nguồn nhiệt, tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt,đặc tính của vật liệu và tốc độ Hình 17. Sự phân bố nhiệt khi hàn nối ống bằng công nghệ hàn OM nguội của vật hàn. Ở từng đường hàn tương ứng với chế độ hàn xác định Khi nguội, sự chuyển hoá Austenite diễn ra ở 9000C, như trong bảng 5, mức độ ảnh hưởng nhiệt lên hai ống là Pearlite ở 6900C, Bainite ở 6060C, Ferrite ở 8380C, Martensite khác nhau. Phân tích biểu đồ hình 18 thấy rằng, ở cùng một ở 4280C. vị trí so với chân mối hàn, nhiệt truyền ra ống thép khi hàn Trường nhiệt của đường hàn sau lớn hơn trường nhiệt các đường hàn là khác nhau. Ở đường hàn sau, nhiệt truyền của đường hàn trước đó do nguồn nhiệt dư, khả năng truyền 76 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 2 (4/2021) Website:
6. P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY nhiệt của vật hàn, công suất và tốc độ dịch chuyển của nguồn nhiệt. Khi hàn OM tự động, sự phân bố nhiệt ổn định hơn và đều về hai phía của ống thép nên hạn chế được ứng suất dư. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Barbara K. Henon, 2008. Considerations for Orbital Welding of Corrosion Resistant Materials to the ASME Bioprocessing Equipment (BPE) Standard. Stainless Steel America Conference. [2]. Nguyen Tien Duong, 2008. Mo phong qua trinh truyen nhiet khi han. Science and Technics Publising House, Hanoi. [3]. Zienkiewicz O. C., 1997. The Finite Element Method. Mc Graw-Hill Company, London. [4]. Nguyen N.T., Ohta A., Matsuoka K., Suzuki N., Maeda Y, 1999. Analytical solutions for transient temperature of semi-infinite body subjected to 3-D moving heat sources. Welding Journal Research Supplement, 265-274. [5]. J. Goldak, M. Bibby, J. Moore, B. Patel, 1996. Computer Modling of Heat Flow in Welds. USA. [6]. John E. Bringas, 2004. Handbook of comparative world steel standards. ASTM DS67B, 3rd edition, USA. [7]. Kiswel electrodes cataloge, 2010. Kiswel welding consumables. Kiswel, Korea. [8]. Hoang Van Chau, 2011. Nghien cuu thiet ke che tao he thong thiet bi han tu dong noi ong co duong kinh lon o trang thai khong quay. Science and technology topics, National Research Institute of Mechanical Engineering. [9]. Ngo Huu Manh, 2018. Nghien cuu, thiet ke, che tao thiet bi han Orbital - TIG tu đong. Science and technology topics, Ministry of Industry and Trade. [10]. Zeng Huilin, Wang Changjiang, Yang Xuemei, Wang Xinsheng, Liu Ran, 2014. Automatic welding technologies for long distance pipelines by use of all - position shelf - shielded flux cored wire. Nature gas industry B (1), 2014, pp. 113-118. AUTHORS INFORMATION Ngo Huu Manh1, Nguyen Van Kien2,3 1Sao Do University 2Military Technical Academy 3143 Enterprise - Z49 Company Website: Vol. 57 - No. 2 (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 77