Ứng dụng phần mềm ansys dự đoán nhiệt độ, biến dạng và ứng suất khi hàn liên kết giáp mối

h là ANalysis SYStem) được sử dụng để 
mô phỏng quá trình truyền nhiệt trong hàn. Trình tự 
mô phỏng một bài toán truyền nhiệt trong quá trình 
hàn được thể hiện theo sơ đồ khối như Hình 4.
Hình 4. Sơ đồ trình tự giải bài toán nhiệt trong hàn 
bằng ANSYS
4. Kết quả và thảo luận
Bài báo này sẽ nghiên cứu với hai loại vật 
liệu tương ứng với hai quá trình hàn khác nhau. Thứ 
nhất, thép cacbon chất lượng thường CT38 (theo 
tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765-75) được dùng 
cho phương pháp hàn GMAW; và thép hợp kim 
HA188 cho phương pháp hàn GTAW.
4.1. Hàn giáp mối tấm thép cacbon thấp bằng 
phương pháp GMAW
Chọn kích thước (200x100x6) mm, dạng 
liên kết hàn như Hình 3, chế độ hàn như Bảng 1.
Bảng 1. Thông số chế độ hàn [5]
STT Cường độ 
dòng điện 
hàn (A)
Điện áp 
hàn
(V)
Tốc độ 
hàn
(mm/s)
Tốc độ 
ra dây
(m/min)
1 290 29.50 11.6 8.5
2 252 24.64 8.3 7.5
3 310 30.33 11.6 9.5
4 310 30.33 10 8.5
5 315 30.25 8.3 9.5
Trong nghiên cứu này, quá trình mô phỏng 
trường nhiệt độ cũng như ứng suất và biến dạng sau 
khi hàn phải kể đến hiện tượng mất nhiệt do đối 
lưu và bức xạ nhiệt. Hệ số đối lưu và hệ số bức xạ 
được chọn tương ứng là α = 10.10-6(W/mm2 °C) và 
β = 0,3 [8].
Chế độ hàn 1: I
h
 = 310 A ; U
h
 = 30.33 V; v
h
 = 
10mm/s (Bảng 1)
Áp dụng các công thức tính toán được nguồn 
nhiệt như sau:
P = αU
h
I
h
 = 0.75x30.33x310 = 7051.72 (J/s)
a1 = f1a = 0.6x10 = 6 (mm); a2 = f2a = 1.4x10 
= 14 (mm); 
c1 = a a a
2
1
2- -_ i = 9.16 (mm)
c2 = a a a
2
2
2- -_ i = 9.16 (mm)
c = c1 = c2 ; b = (2a
3)/[(a1 + a2)c] = (2.10
3)/
[(6+14)9.16] = 10.91 (mm)
Các giá trị X, Y, Z là kích thước mỗi phần 
tử mối hàn ta đã chia theo các phương tương ứng 
XYZ như được thể hiện trên Hình 1: x = 3.21 mm, 
y = 10 mm, z = 6 mm. Giá trị nhiệt lượng Q̇ được 
xác định theo phương pháp tiếp cận thể tích, giá 
trị Q̇ được cung cấp 2 lần (Q̇1 và Q̇2) trên phần thể 
tích bể hàn được thể hiện trên Hình 2. Với các giá 
trị f1 và f2 bằng 0.6 và 1.4 nên tỉ lệ 2 phần thể tích 
trước và sau nguồn nhiệt là 3÷7. Để đơn giản hóa 
quá trình ta giả sử phần thể tích mà nhiệt lượng cần 
cung cấp vào bằng đúng phần thể tích kim loại điền 
đầy rãnh vát V (Hình 3) và được chia theo tỉ lệ 3 ÷ 7. 
Với chiều dài cả đường hàn là 200 mm, tốc độ hàn 
10mm/s nên được chia thành 20 solid mỗi solid 10 
mm nên giá trị thể tích phần trước nguồn nhiệt (V1), 
sau nguồn nhiệt (V2)
V1 = 2
1 Sx(Sxtag15°x2)x10x0.3 = 28.93 mm3
V2 = 2
1 Sx(Sxtag15°x2)x10x0.7 = 67.52 mm3
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology12 Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017
Nguồn nhiệt được xác định theo cách tiếp 
cận thể tích:
exp
exp
Q Q Q
a bc
f P
a
x
b
y
c
z V
a bc
f P
a
x
b
y
c
z V
6 3 3 3 3
6 3 3 3 3
1 2
1
1
1
2
2
2
2
2
2
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
r r
r r
h
h
= + +
+
= - - -
- - -
o o o f
f
p
p
. . , . ,
. , . , . , . ,
,
.
,
. ,exp
6 10 91 9 16
6 3 0 6 7056 23 0 8
6
3 3 21
10 91
3 10
9 16
3 6 28 932
2
2
2
2
2
r r
= - - -e o
. . , . ,
. , . , . , . ,
,
.
,
. ,exp
14 10 91 9 16
6 3 1 4 7056 23 0 8
14
3 3 21
10 91
3 10
9 16
3 6 67 522
2
2
2
2
2
r r
+ - - -e o
.Q 16 35=o W/mm3
Hình 5 thể hiện nhiệt độ phân bố trên liên kết 
hàn. Quan sát trên hình ta thấy nhiệt độ cao nhất đạt 
giá trị T
max
 = 1899.2°C nằm ở tâm của bể hàn, càng 
xa tâm bể hàn nhiệt độ càng giảm. Ta cũng có thể 
quan sát được rõ ràng trường nhiệt độ, các đường 
đẳng nhiệt phân bố.
Hình 5. Nhiệt độ của liên kết hàn ở chế độ hàn 1
Hình 6. Biến dạng của liên kết hàn
Hình 6 thể hiện biến dạng của liên kết hàn 
với chế độ hàn 1. Giá trị biến dạng lớn nhất là 
13.534m. Giá trị biến dạng trong trường hợp này 
khá lớn do mối hàn giáp mối vát mép chữ V, được 
hàn tự do không gá kẹp nên sau khi hàn sẽ xảy ra 
biến dạng cong vênh lớn.
Hình 7. Ứng suất trong liên kết hàn
Hình 7 mô tả ứng suất với chế độ hàn 1. Giá 
trị ứng suất tổng lớn nhất 178.93 MPa. Ta thấy ứng 
suất khá nhỏ, nguyên nhân do mối hàn được hàn tự 
do không gá kẹp nên biến dạng sẽ lớn và ứng suất 
sẽ nhỏ.
Xét chế độ hàn 2 và 3 khi giảm dòng hàn, 
chế độ hàn 4 và 5 khi giảm điện áp ta có bảng so 
sánh kết quả khi hàn với các chế độ khác nhau. 
Bảng 2 và 3 thể hiện sự so sánh các đại lượng nhiệt 
cũng như ứng suất và biến dạng khi hàn ở các chế 
độ khác nhau, từ đó có nhận xét về ảnh hưởng của 
cường độ dòng điện và điện áp hàn đến đến các đại 
lượng này. Khi ta giảm cường độ dòng điện và điện 
áp hàn thì tất cả các thông số về nhiệt độ, tổng lưu 
lượng nhiệt, ứng suất, biến dạng đều giảm xuống. 
Nguyên nhân dẫn đến sự giảm của các thông số đó 
là do năng lượng nguồn nhiệt được cung cấp giảm.
Bảng 2. So sánh kết quả giữa các chế độ hàn khi 
giảm dòng điện
Các Thông Số Chính Chế độ 
hàn 1
I
h
 = 310 
(A)
Chế độ 
hàn 2
I
h
 = 300 
(A)
Chế độ 
hàn 3
I
h
 = 290 
(A)
Năng lượng nguồn 
nhiệt cung cấp
(W/mm3)
16,35 15,82 15,29
Nhiệt độ lớn nhất 
(oC)
1899,2 1834,3 1774,8
Tổng lưu lượng 
nhiệt (W/mm2)
29,543 28,52 27,582
Biến dạng tự do 
(mm)
13,534 12,422 12,006
Ứng suất tổng (MPa) 178,93 172,76 167,01
Chế độ hàn 6: I
h
 = 320 A ; U
h
 = 30,33 V ; v
h
= 9,5 mm/s, khi giảm vận tốc hàn tất cả các thông 
số về nhiệt độ, tổng lưu lượng nhiệt, ứng suất, biến 
dạng đều tăng lên. Kết quả được thể hiện thông qua 
Bảng 4. Nguyên nhân là khi giảm vận tốc thì năng 
lượng nguồn nhiệt được cung cấp tăng.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017 Journal of Science and Technology 13
Bảng 3. So sánh kết quả giữa các chế độ hàn khi 
giảm điện áp
Các Thông Số 
Chính
Chế độ 
hàn 1
U = 30,33 
(V)
Chế độ 
hàn 2
U = 29,5 
(V)
Chế độ 
hàn 3
U = 29 
(V)
Năng lượng 
nguồn nhiệt cung 
cấp (W/mm3)
16,35 15,9 15,63
Nhiệt độ lớn nhất 
(oC)
1899,2 1843,2 1813,6
Tổng lưu lượng 
nhiệt (W/mm2)
29,543 28,661 28,184
Biến dạng tự do 
(mm)
13,534 12,485 12,273
Ứng suất tổng 
(MPa)
178,93 173,63 170,6
Bảng 4. So sánh kết quả giữa các chế độ hàn khi giảm vận tốc hàn (Chế độ hàn 1 và 6)
Các Thông Số 
Chính
Năng lượng nguồn nhiệt 
cung cấp (W/mm3)
Nhiệt độ lớn 
nhất (°C )
Tổng lưu lượng 
nhiệt (W/mm2)
Biến dạng tự 
do (mm)
Ứng suất 
tổng (MPa)
Chế độ hàn 1
v = 10 (mm/s)
16,35 1899,2 29,543 13,534 178,93
Chế độ hàn 6
v = 9,5 (mm/s)
16,66 1928,2 29,979 13,168 181,87
Bảng 5. Thông số nhiệt tương ứng với các chế độ hàn
Các thông số Chế độ 
hàn 1
Chế độ 
hàn 2
Chế độ 
hàn 3
Chiếu dày phôi (mm) 5 3 1.1
Đường kính phôi 
(mm)
60 60 60
Cường độ dòng điện 
(A)
60 60 50
Chiều dài hồ quang 
(mm)
1.5 1.5 1.5
Tốc độ hàn (mm/ph) 100 150 250
Bán kính nguồn 
nhiệt tác dụng (mm)
1.42 1.42 1.2
Công suất hàn (W) 314 314 205
Lưu lượng nhiệt
(W/mm2)
49.5 49.5 45.3
4.2. Hàn giáp mối ống thép hợp kim bằng phương 
pháp GTAW
Trong quá trình hàn GTAW, nhiệt từ mỏ hàn 
lan truyền tới các bề mặt vật hàn. Vì vậy nguồn nhiệt 
trong quá trình mô phỏng là đồng nhất. Nguồn nhiệt 
trong mô phỏng được tính theo công thức sau [3]
.
Q R
P
2r
= (6)
Trong đó Q là nguồn nhiệt hàn (mm
w
2 ); P là 
công suất hàn (w); R là bán kính vùng nguồn nhiệt 
tác dụng (mm). Tương ứng với các chế độ hàn 1, 
2, 3 ta có thể tính toán được thông lượng nhiệt cho 
từng chế độ, được thể hiện trong Bảng 5.
Trong quá trình mô phỏng hệ số đối lưu và 
hệ số bức xạ được chọn tương ứng là α = 15.10-6 (W/
mm2 °c) và β = 0,3 [3].
Hình 8. Nhiệt độ của vật ở chế độ hàn 1
Trong Hình 8 nhiệt độ lớn nhất ta có thể thấy 
là T
max
 = 1536.2 oC. Điểm có nhiệt độ lớn nhất nằm 
tại tâm của vũng hàn, càng xa tâm vũng hàn nhiệt 
độ càng giảm. Nhiệt độ nhỏ nhất ta thấy được đó là 
T
min
 = 91.905 oC. Ta xét hai trường hợp: không gá 
kẹp và gá kẹp phôi trong quá trình hàn. Hình 9 và 
10 thể hiện biến dạng và ứng suất trong trường hợp 
không gá kẹp phôi. Biến dạng tự do với giá trị lớn 
nhất đạt 1.4893mm tại hai đầu ống như Hình 9.
Hình 9. Biến dạng của liên kết hàn ống
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology14 Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017
Hình 10. Ứng suất của liên kết hàn ống
Kết quả của ứng suất được quan sát trên Hình 
10. Giá trị của ứng suất trong trường hợp phôi hàn 
tự do này khá nhỏ với giá trị lớn nhất 148.01MPa 
tập trung ở cuối đường hàn.
Biến dạng và ứng suất trong trường hợp gá 
kẹp cố định một đầu ống trong quá trình hàn được 
chỉ ra trên Hình 11 và 12. Trong trường hợp này giá 
trị biến dạng nhỏ hơn so với trường hợp không gá 
kẹp, biến dạng lớn nhất đạt giá trị 0.1466mm xảy ra 
chủ yếu ở phần ống không gá kẹp. Trong khi đó ứng 
suất sinh ra lớn hơn một chút so với trường hợp ống 
để tự do, ứng suất lớn nhất xuất hiện tại cuối đường 
hàn và vị trị chân gá đạt giá trị 148.97MPa. Sự so 
sánh này được thể hiện rõ ràng hơn trong Bảng 6.
Hình 11. Biến dạng của liên kết hàn ống khi kẹp cố 
định một đầu
Hình 12. Ứng suất của liên kết hàn ống khi kẹp 
một đầu
Bảng 6 thể hiện sự so sánh về nhiệt độ, biến 
dạng và ứng suất của chế độ hàn 1 và chế độ hàn 
2. Hai chế độ hàn này được thực hiện đánh giá ảnh 
hưởng của tốc độ hàn đến nhiệt độ, ứng suất, biến 
dạng khi có gá kẹp và khi không có gá kẹp trong 
quá trình hàn GTAW. Từ đó ta thấy được với tốc 
độ hàn càng chậm nhiệt lượng trong quá trình hàn 
càng lớn,nhiệt sinh ra lớn và ngược lại. Không chỉ 
có nhiệt độ cao mà khi hàn với tốc độ thấp thì ứng 
suất tổng trên mối hàn cũng tăng theo. Biến dạng tự 
do khi không có gá kẹp nhỏ do quá trình giãn nở của 
vật hàn không bị cản trở. Với trường hợp có gá kẹp 
thì ngược lại bởi gá kẹp đã khống chế được phần 
nào sự giãn nở của ống.
Bảng 6. Kết quả so sánh của 2 chế độ hàn
Các 
thông 
số
Nhiệt 
độ 
max 
(oC)
Không gá kẹp Có gá kẹp
Ứng 
suất 
tổng 
(MPa)
Biến 
dạng tự 
do max 
(mm)
Ứng 
suất 
tổng 
(MPa)
Biến 
dạng tự 
do max 
(mm)
Chế độ 
hàn 1
1536.2 148.01 1.4893 148.97 0.14663
Chế độ 
hàn 2
1431.9 138.71 4.8875 139.77 0.078
Hình 13 thể hiện trường nhiệt độ, biến dạng 
cũng như ứng suất khi sử dụng chế độ hàn 3. Quan 
sát Hình 13a ta thấy khi hàn với tốc độ cao trên 
phôi mỏng thì nhiệt độ thu được đạt giá trị lớn nhất 
là T
max
 = 2429.9 oC và đạt giá trị nhỏ nhất là T
min
 = 
48.6 oC sự chênh lệnh nhiệt độ giữa điểm cao nhất 
và điểm thấp nhất rất lớn nguyên nhân là do vận 
tốc hàn lớn dẫn đến tốc độ nguội nhanh. Hình 13b 
là hình ảnh biến dạng tự do của vật thể khi hàn với 
chiều dày nhỏ là khá lớn. Tốc độ nguội lớn do tốc 
độ hàn nhanh lên xảy ra biến dạng nhiều, biến dạng 
đạt giá trị lớn nhất tại hai đầu ống là 5.1243mm. 
Quan sát Hình 13c ta thấy ứng suất gây lên trên vật 
hàn không cao. Giá trị lớn nhất đạt được là 123.18 
(MPa) tập trung chủ yếu ở cuối đường hàn. Thông 
qua kết quả này ta có thể thấy nhiệt độ sinh ra trong 
quá trình hàn và độ chênh lệch nhiệt độ là khá lớn.
Vì vậy biến dạng tự do của vật thể là lớn, tuy nhiên 
ứng suất tác động lại nhỏ. Biện pháp đưa ra để khắc 
phục sự biến dạng trong quá trình hàn là sử dụng gá 
kẹp cố định phôi.
a) Nhiệt độ phân bố
b) Biến dạng tổng
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017 Journal of Science and Technology 15
c) Ứng suất tổng
Hình 13. Kết quả của liên kết hàn ống với chế độ 
hàn 3
5. Kết luận
Phần mềm ANSYS được ứng dụng để mô 
phỏng nhiệt độ khi hàn liên kết giáp mối tấm và giáp 
mối ống bằng phương pháp hàn GMAW và GTAW. 
Từ đó xuất ra được biến dạng và ứng suất tương 
ứng cho từng trường hợp. Tiến hành mô phỏng với 
các chế độ hàn khác nhau để đánh giá ảnh hưởng 
của các thông số chế độ hàn như cường độ dòng 
điện hàn, điện áp hàn, tốc độ hàn đến nhiệt độ, biến 
dạng và ứng suất phân bố trên liên kết. Kết quả chỉ 
ra rằng khi thay đổi các thông số chế độ hàn sẽ dẫn 
đến thay đổi lưu lượng nhiệt truyền vào vũng hàn, 
do đó ảnh hưởng nhiều đến nhiệt độ, biến dạng và 
ứng suất trong liên kết hàn. Bài báo cũng xem xét 
trường hợp gá kẹp và không gá kẹp phôi trong quá 
trình hàn. So sánh hai trường hợp này ta thấy khi 
phôi hàn để tự do thì biến dạng sau khi hàn khá lớn, 
ứng suất sinh ra nhỏ và ngược lại. Kết quả của bài 
báo là cơ sở để tìm và lựa chọn ra được chế độ hàn 
hợp lý, giảm bớt được số lần thực nghiệm hàn, từ đó 
giảm được chi phí hàn.
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi trường ĐH 
Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên trong đề tài cấp bộ 
năm 2017 mã số B2017-SKH- 02.
Tài liệu tham khảo
[1]. Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn điện nóng chảy, tập 1, NXB KH&KT, 2004.
[2]. Dongqing Yang, Gang Wang, Guangjun Zhang, Thermal Analysis for Single-pass Multi-
layer GMAW based Additive Manufacturing using Infrared Thermography, Journal of Materials 
Processing Technology, Vol. 244, 2017, pp 215–224.
[3]. Francois Pichot, Michel Danisa, Eric Lacoste, Yann Danis, Numerical Definition of an Equivalent 
GTAW Heat Source, Journal of Materials Processing Technology, Vol 213, 2013, pp 1241–1248.
[4]. E.S. Magalhães, et al. The Use of non-linear Inverse Problem and Enthalpy Method in GTAW 
Process of Aluminum, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 66, 2015, pp 
114-121.
[5]. Arshad Alam SYED, Andreas PITTNER, Michael RETHMEIER, Amitava DE, Modeling of 
Gas Metal Arc Welding Process Using an Analytically Determined Volumetric Heat Source, ISIJ 
International, Vol. 53, 2013, pp. 698–703.
[6]. Anuj Mehta, Khushal Diddee, Riyaz Mustufa, Ojus Jain, Experimental Study to Increase the Life 
of Welding Nozzle, Vol. 13,2016, pp 05-09.
[7]. Chand R.R, Kim I.S, Lee J.H, Jung S.M. and Lee J.P, Numerical Studies on Residual Stress and 
Strain Distribution in Thick-welded Plate, Vol 5, 2012, pp 65-71.
[8]. Ismail, M.I.S, Afieq, W.M, Advances in Production Engineering & Management, Thermal 
Analysis on a Weld Joint of Aluminium Alloy in Gas Metal Arc Welding, Vol. 11,2016, pp 29–37.
APPLYING ANSYS SOFWARE FOR PREDICTING TEMPERATURE DISTRIBUTION,
DEFORMATION AND STRESS IN WELDED BUTT JOINTS
Abstract:
Article presents an application of ANSYS software for predicting temperature distribution, 
deformation and stress in welded butt joints. Both Gas Metal Arc Welding (GMAW) and Gas Tungsten Arc 
Welding (GTAW) are used for butt jointswelded plates and pipes, respectively. Heat source which is very 
difficult to calculate in fusion welding processes is determined in current work. Hence, the ANSYS is applied 
to create the model of welded joints and simulate the GMAW and GTAW. Results show the temperature 
distribution, the deformation and the stress after welding. These results that were obtained from using diffirent 
welding conditions were compared together to evaluate effect of welding parameters to the temperature, 
the deformation and the stress. They are important platform for finding an appropriate welding condition 
decreased welding defects as well as experimental times, leading to reduce the cost of welding.
Keywords: GMAW; GTAW; ANSYS; Butt joint; Temperature field.