Nghiên cứu mô phỏng sự chuyển pha và trường nhiệt khi hàn ống thép a53 bằng quá trình Orbital-TIG

45
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỰ CHUYỂN PHA VÀ TRƯỜNG 
NHIỆT KHI HÀN ỐNG THÉP A53 BẰNG QUÁ TRÌNH 
ORBITAL – TIG
A STUDY ON PHASE TRANSITION AND TEMPERATURE 
FIELD SIMULATI ON DURING WELDING A53 STEEL TUBE 
OF ORBITAL – TIG PROCESS
Ngô Hữu Mạnh, Mạc Văn Giang
Email: manh.nh.1981@gmail.com 
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 16/8/2018 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 27/9/2018 
Ngày chấp nhận đăng: 28/9/2018
Tóm tắt 
Quá trình hàn Orbital – TIG (OT) khá phức tạp và thường được áp dụng để thực hiện hàn nối các đường 
ống cố định. Sự phân bố nhiệt khi hàn OT có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mối hàn. Trong bài 
báo này, nhóm tác giả phân tích và mô phỏng trường nhiệt khi hàn ống thép A53 bằng quá trình hàn 
OT. Phương pháp mô phỏng số với sự hỗ trợ của phần mềm SYSWELD được sử dụng để mô phỏng 
trường nhiệt hàn. Đây là cơ sở để triển khai thực nghiệm và ứng dụng công nghệ hàn OT vào quá trình 
sản xuất tại Việt Nam.
Từ khóa: Hàn orbital; GTAW; hàn ống tự động; chuyển pha; trường nhiệt.
abstract
Orbital - TIG welding process is complex and is often applied to weld the connection of the fixed pipe 
lines. The heat distribution of OT welding has strong influence to quality of the weld. In this paper, 
the authors analyze and simulate temperature fields during welding A53 steel pipe by OT process. 
Numerical simulation with the support of SYSWELD software is used to simulate temperature fields. 
This is the basis for applying OT welding technology to the production process in Vietnam.
Keywords: Orbital welding; GTAW; pipe auto welding; phase transitions; temperature fields.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Quá trình hàn hoặc sửa chữa đường ống cố định 
trong các lĩnh vực dầu khí, hóa chất, nhiệt điện, 
dược phẩm, cấp thoát nước, xử lý nước thải, 
gặp rất nhiều khó khăn. Quá trình hàn càng gặp 
nhiều khó khăn hơn khi phải thực hiện ở các 
vị trí không thuận lợi hoặc hàn các loại vật liệu 
khác nhau [1]. Quá trình hàn phải thực hiện ngoài 
công trường, ở các vị trí khác nhau trong không 
gian (dưới lòng đất, dưới nước hoặc trên không), 
không gian tiếp cận vị trí hàn bị hạn chế. Bên cạnh 
đó, khi hàn nối ống ở các vị trí khó thực hiện trong 
không gian, yêu cầu tay nghề thợ hàn rất cao 
(thường là 5G và 6G) làm tăng chi phí nhân công 
và chi phí sản xuất dẫn đến làm giảm tính cạnh 
tranh của doanh nghiệp.
Hiện nay trên thế giới, một số hãng sản xuất như 
Lincoln (Mỹ), Polysoude (Pháp), đã nghiên cứu, 
chế tạo thiết bị hàn Orbital để cung ứng cho thị 
trường. Việc ứng dụng thiết 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 lao 
động khi thực hiện ở các vị trí hàn không thuận lợi 
trong không gian. 
Ở Việt Nam, chưa có nhiều công trình nghiên cứu 
sâu về công nghệ và thiết bị hàn Orbital. Năm 
2011, Hoàng Văn Châu [9] nghiên cứu về thiết bị 
hàn ống đường kính lớn ở trạng thái không quay. 
Hiện nay, thiết bị hàn Orbital chủ yếu được nhập 
về Việt Nam từ các nước có nền công nghiệp phát 
triển để ứng dụng vào quá trình hàn các đường 
ống cố định. Số lượng thiết bị hàn Orbital được sử 
dụng khá hạn chế. Một phần do chưa được tiếp 
cận với công nghệ hàn này, mặt khác, thiết bị hàn 
Orbital khá phức tạp và chi phí đầu tư lớn.
Người phản biện: 1. PGS. TS. Lê Thu Quý
 2. TS. Trần Hải Đăng
46
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018
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 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 ứng suất nhiệt tức 
thời trong vật hàn và ứng suất dư sau khi vật hàn 
được làm nguội. Việc xác định trường nhiệt khi 
hàn đóng vai trò quan trọng trong việc xác định 
ứng suất dư, biến dạng hàn và tổ chức tế vi của 
các vùng trong liên kết hàn. Vì vậy, mô phỏng số 
là phương pháp tốt nhất để phân tích trường nhiệt 
độ, ứng suất và biến dạng trong quá trình hàn. 
Quá trình mô phỏng bằng phần mềm SYSWELD 
cho phép nhận được kết 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 OT, nguồn nhiệt 
hồ quang được xác định theo công thức sau [4]: 
h hP U Iη= ⋅ ⋅ h (1) 
trong đó:
Uh: điện áp hồ quang (V);
Ih: cường độ dòng điện hàn (A);
η: hiệu suất hồ quang hàn (0,6÷0,9).
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 hợp hai khối bán ellipsoid 
khác nhau để tạo thành một nguồn nhiệt. 
Hình 1. Mô hình nguồn nhiệt hàn [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]:
 (2)
Với một điểm bất kỳ (x, y, z) bên trong khối ellipsoid 
thứ hai (phía sau hồ quang hàn), mật độ nguồn 
nhiệt được biểu diễn bởi phương trình sau [4, 5]:
(3)
trong đó: af, ar, b và c là các thông số hình học của 
nguồn nhiệt khối ellipsoid kép; QR là hàm mật độ 
nguồn nhiệt.
Goldak và các cộng sự [5] đã chỉ ra mối tương 
quan giữa kích thước của nguồn nhiệt và kích 
thước của bể hàn, đồng thời cho rằng có thể nhận 
được những giá trị thích hợp cho af, ar, b và c 
bằng cách đo trực tiếp các thông số hình học của 
bể hàn.
2.2. Chia lưới và gá kẹp
Liên kết hàn ống được chia lưới với mật độ lưới 
tăng dần khi tiến đến gần mối hàn. Sự gia tăng 
mật độ lưới ở vùng mối hàn cho phép nhận được 
kết quả mô phỏng chính xác, hình ảnh mô phỏng 
rõ nét hơn. Mô hình chia lưới được trình diễn như 
hình 2. 
Hình 2. Mô hình chia lưới liên kết ống 
Liên kết ống được định vị kẹp chặt hai đầu. Thời 
gian kẹp chặt được duy trì trong suốt quá trình mô 
phỏng để đảm bảo ống luôn ở trạng thái cố định 
giống như thực tế.
Hình 3. Vị trí kẹp chặt liên kết ống 
2.3. Vật liệu
Vật liệu nền là ống thép đúc, đường kính ngoài 
của ống là 100 mm, chiều dày thành ống 8 mm 
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 30o, chiều dài mỗi đoạn là 250 mm. 
Hình 4. Các thông số của liên kết hàn
47
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018
Thành phần và cơ tính của vật liệu nền được mô 
tả trong các bảng 1 và 2.
Bảng 1. Thành phần hóa học của ống thép theo 
tiêu chuẩn ASTM A 53 [6]
%C %Mn %S %P %Cr %Ni %Mo
0,25 0,95 ≤0,045 ≤0,05 0,4 0,4 0,15
Bảng 2. Cơ tính của ống thép theo tiêu chuẩn 
ASTM A 53 [6]
Giới hạn bền 
(MPa)
Giới hạn chảy 
(MPa)
Độ giãn dài 
(%)
> 415 > 240 > 20
Dây hàn KC-28 (tiêu chuẩn AWS A5.18 ER70S-6) 
của hãng KISWEL (Hàn Quốc) được sử dụng làm 
vật liệu bổ sung cho quá trình hàn.
Bảng 3. Thành phần hóa học của dây hàn KC-28 [7]
%C %Mn %Si %P %S
0,07 1,53 0,86 0,012 0,007
Bảng 4. Cơ tính của dây hàn KC-28 [7]
Giới hạn 
bền (MPa)
Giới hạn 
chảy (MPa)
Độ giãn 
dài (%)
Độ dai va đập 
IV ở -30oC (J)
> 400 > 480 > 22 ≥ 27
2.4. Chế độ hàn
Các thông số chế độ hàn có ảnh hưởng rất lớn 
đến công suất nguồn nhiệt, 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 suất nguồn nhiệt 
hàn để nhận được mối hàn có hình dạng và chất 
lượng tốt nhất.
Trong các thông số chế độ hàn, tác giả tính toán 
và xác định năm thông số chính là cường độ dòng 
hàn (Ih), điện áp hàn (Uh), tốc độ hàn (Vh), đường 
kính dây hàn (d), năng lượng đường (q). Giá trị 
của các thông số chế độ hàn được trình bày trong 
bảng 5.
Bảng 5. Chế độ hàn ống 
Đường 
hàn
Ih 
(A)
Uh 
(V)
Vh 
(mm/s)
d 
(mm)
q 
(J/mm)
Thứ I 90 30 1,0 1,0 240
Thứ II 100 32 0,6 1,0 400
Thứ III 110 35 0,5 1,0 616
2.5. Trình tự hàn 
Ống có chiều dày 8 mm nên được hàn hoàn thiện 
bởi ba lớp hàn. Mỗi lớp hàn gồm một đường hàn. 
Các lớp hàn được thực hiện theo đường chu vi 
ngoài của ống. Chiều của đường hàn như hình 5.
Hình 5. Trình tự thực hiện các đường hàn 
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 thực hiện đường hàn thứ II và 
đường hàn phủ thứ III. Khi thực hiện các đường 
hàn, đầu hàn được dao động ngang với biên độ 
phù hợp để đảm bảo chiều rộng mối hàn. 
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
3.1. Sự chuyển pha
Khi nguồn nhiệt dịch chuyển theo quỹ đạo đường 
hàn, trường phân bố nhiệt độ tức thời và ứng suất 
nhiệt sẽ xuất hiện trong liên kết hàn. 
Hình 6. Biểu đồ nhiệt của kim loại mối hàn
Dưới tác động của nguồn nhiệt hồ quang, kim loại 
chuyển dần từ trạng thái rắng sang trạng thái lỏng. 
Ở nhiệt độ 1517oC, kim loại mối hàn chuyển hoàn 
toàn sang trạng thái lỏng. 
Hình 7. Biểu đồ chuyển pha của kim loại 
mối hàn ở 1517oC
48
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018
Trong khi ở thời điểm trước đó, ở nhiệt độ 1500oC, 
tổ chức kim loại mối hàn vẫn tồn tại ở hai pha lỏng 
với tỉ lệ 27,87%, còn lại là pha rắn Ferrite 72,13%.
Hình 8. Biểu đồ chuyển pha của kim loại 
mối hàn ở 1500oC
Quá trình chuyển pha bị ảnh hưởng rất lớn bởi 
nguồn nhiệt hàn. Công suất nguồn nhiệt và tốc độ 
dịch chuyển của nguồn nhiệt hàn quyết định đến 
tốc độ chuyển pha của kim loại mối hàn.
Hình 9. Sự chuyển pha của kim loại mối hàn
Sự chuyển hóa Austenite khi nguội diễn ra ở 900oC; 
các pha Pearlite (690oC), Bainite (606oC), Ferrite 
(838oC), Martensite (428oC). Quá trình chuyển pha 
theo nhiệt độ và thời gian (TTT) được mô tả trong 
hình 10.
Hình 10. 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, sự tồn tại của các pha 
càng ngắn.
Hình 11. Biểu đồ chuyển pha CCT 
của kim loại mối hàn 
Tốc độ truyền nhiệt của kim loại còn ảnh hưởng 
tới ứng suất nhiệt sinh ra trong quá trình hàn. Chất 
lượng của mối hàn và liên kết hàn bị phụ thuộc 
lớn bởi các yếu tố trên. Vì 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 12. Biểu đồ ứng suất kéo sinh ra 
do nguồn nhiệt hàn
3.2. Sự phân bố nhiệt
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 do sự dịch chuyển của nguồn 
nhiệt hàn. 
49
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018
Hình 13. 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 14. Sự phân bố nhiệt khi hàn đường thứ II
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 và công suất nguồn 
nhiệt ở đường hàn thứ III lớn hơn, nhưng tốc độ 
dịch chuyển nguồn nhiệt lại chậm hơn đường hàn 
trước đó. 
Hình 15. 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. 
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 nguồn nhiệt, sự 
chuyển biến pha, ứng suất của kim loại sinh ra 
trong quá trình hàn. 
Hình 16. Sự phân bố nhiệt khi hàn ống
Ở từng đường hàn tương ứng với chế độ hàn xác 
định như trong bảng 5, mức độ ảnh hưởng nhiệt 
lên hai ống là khác nhau. Phân tích biểu đồ thấy 
rằng, ở cùng một vị trí so với chân mối hàn, nhiệt 
truyền ra ống thép khi hàn các đường hàn là khác 
nhau. Ở đường hàn sau, nhiệt truyền 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 17. Sự phân bố nhiệt trên ống thép A53 
khi thực hiện các đường hàn 
Khi hàn OT, quá trình dịch chuyển theo đường chu 
vi ngoài của ống và dao động ngang của đầu hàn 
được tự động hóa nên sự phân bố nhiệt hàn là khá 
ổn định. Sự phân bố nhiệt ổn định và đều về hai phía 
của ống 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 OT vào thực tế sản xuất tại việt Nam.
4. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, nhóm tác giả đã phân tích, mô 
phỏng được quá trình chuyển pha và trường nhiệt 
khi hàn ống thép A53 bằng quá trình hàn Orbital - 
50
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018
TIG trên phần mềm SYSWELD. Qua nghiên cứu 
này, nhóm tác giả đưa ra được một số kết luận 
như sau:
1. Kim loại mối hàn chuyển từ trạng thái rắn sang 
trạng thái lỏng ở nhiệt độ 1517oC.
2. Sự chuyển pha và tồn tại của các pha trong kim 
loại mối hàn phụ thuộc vào công suất nguồn nhiệt, 
tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt và tốc độ truyền 
nhiệt của vật liệu. Sự chuyển hóa Austenite khi 
nguội diễn ra ở 900oC; các pha Pearlite ở 690oC, 
Bainite ở 606oC, Ferrite ở 838oC, Martensite 
ở 428oC.
3. Khi hàn OT, sự dịch chuyển đầu hàn được tự 
động hóa nên sự phân bố nhiệt trên mối hàn và 
vùng ảnh hưởng nhiệt ở hai phía của ống là khá 
ổn định. Đây là cơ sở để nhận được mối hàn và 
liên kết hàn có chất lượng tốt hơn khi ứng dụng 
vào thực tế sản xuất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Barbara K. Henon, Ph.D. (2008). Considerations 
for Orbital Welding of Corrosion Resistant Materials 
to the ASME Bioprocessing Equipment (BPE) 
Standard. Stainless Steel America Conference.
[2]. Nguyễn Tiến Dương (2008). Mô phỏng quá trình 
truyền nhiệt khi hàn. NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[3]. Zienkiewicz O. C (1997). The Finite Element 
Method. Mc Graw-Hill Company, London.
[4]. Nguyen, N.T., Ohta, A., Matsuoka, K., Suzuki, 
N., and 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 and 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]. Hoàng Văn Châu (2011). Nghiên cứu thiết kế chế 
tạo hệ thống thiết bị hàn tự động nối ống có đường 
kính lớn ở trạng thái không quay. Đề tài khoa học 
và công nghệ, mã số 2011-24-294, Viện Nghiên 
cứu Cơ khí (Narime).