Luận án Tiến sĩ: Phân tích Trạng thái Tới hạn và Đánh giá Độ tin cậy Mối hàn Laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN NHỰT PHI LONG PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TỚI HẠN VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CHO MỐI HÀN LASER LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: CƠ KỸ THUẬT Tp. Hồ Chí Minh, 09/2020 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN NHỰT PHI LONG PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TỚI HẠN VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CHO MỐI HÀN LASER NGÀNH: CƠ KỸ THUẬT - 9520101 Hướng dẫn khoa học: 1. NGUYỄN HOÀI SƠN Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: luan an luan an LÝ LỊCH KHOA HỌC I. THÔNG TIN CÁ NHÂN - Họ và tên: NGUYỄN NHỰT PHI LONG - Ngày sinh: 14/09/1981 Nơi sinh: Tiền Giang Giới tính: Nam - Địa chỉ: 98/9, Khu phố Đông A, Đông Hòa, Dĩ An, Bình Dương.

- Điện thoại: 0918347596 - Email: longnnp@hcmute.vn - Cơ quan – nơi làm việc: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. - Địa chỉ cơ quan: 01 Võ Văn Ngân, Phường Linh Chiểu, Quận Thủ Đức, Tp. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - Từ 1999-2004: Sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. - Từ 2004-2006: Học viên cao học ngành Công nghệ Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.

- Từ 2012-nay: Nghiên cứu sinh ngành Cơ kỹ thuật, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - Từ 2007-nay: Giảng viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, ngày. năm …… Nguyễn Nhựt Phi Long i luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày. năm …… Nguyễn Nhựt Phi Long ii luan an LỜI CẢM ƠN Trước tiên, nghiên cứu sinh kính gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS. Nguyễn Hoài Sơn, người giảng viên hướng dẫn nhiệt tình và tâm huyết, nhờ sự chỉ dẫn cụ thể và những góp ý của Thầy đã giúp nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này.

Nghiên cứu sinh cũng chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban chủ nhiệm, Quý Thầy, Cô của Khoa Xây dựng - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM; Quý Thầy, Cô tham gia hướng dẫn các học phần trong chương trình đào tạo tiến sĩ; Hội đồng khoa học đánh giá chuyên đề Tổng quan, Chuyên đề khoa học 1, Chuyên đề khoa học 2, cấp Cơ sở; Nhà khoa học Phản biện cấp Cơ sở, cấp Trường; Đại diện Cơ quan - Đoàn thể, Nhà khoa học nhận xét bản tóm tắt; cộng sự đã đóng góp ý kiến, tạo điều kiện, động lực cho nghiên cứu sinh thực hiện công việc nghiên cứu. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, Ban chủ nhiệm và Quý Thầy, Cô Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại vì đã có những chính sách hỗ trợ rất tốt cho nghiên cứu sinh học tập và làm việc. Nghiên cứu sinh không quên cảm ơn gia đình luôn chia sẻ mọi khó khăn, là chỗ dựa vững chắc về vật chất lẫn tinh thần trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận án. Kính chúc Ban lãnh đạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, Ban chủ nhiệm Khoa Xây dựng, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại, Quý Thầy, Cô, Hội đồng khoa học, Nhà khoa học Phản biện, Đại diện Cơ quan - Đoàn thể, cộng sự, gia đình, đồng nghiệp, bạn bè mạnh khỏe, thành công trong cuộc sống.

Nghiên cứu sinh Nguyễn Nhựt Phi Long iii luan an TÓM TẮT LUẬN ÁN Trong những năm gần đây, sự phát triển vượt bậc của công nghệ laser đã dần dần thay thế các công nghệ truyền thống nói chung, và hàn laser sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau đã tăng lên nhanh chóng với các tính năng độc đáo. Chất lượng mối hàn được đặc trưng bởi hình học mối hàn, ảnh hưởng đến việc xác định tính chất cơ học của mối hàn. Điều đó được thể hiện thông qua mối quan hệ mật thiết giữa các thông số đầu vào: vật liệu, bề dày vật hàn, laser power (công suất laser), welding speed (tốc độ hàn), fiber diameter (đường kính sợi quang) và thông số đầu ra: hệ số hấp thu, thông số đặc trưng hình học mối hàn: weld zone width (bề rộng mối hàn), weld penetration depth (độ ngấu mối hàn). Trong quá trình tiến hành thí nghiệm hay trong thực tế sản xuất, việc tiết kiệm vật liệu, công sức, thời gian là hết sức cần thiết, đòi hỏi giải pháp đem lại hiệu quả, năng suất cao.

Trên tinh thần đó, đề tài luận án đã thực hiện một số đóng góp như sau: Phương pháp tuần tự (sequential method) được sử dụng để xác định ngược giá trị hệ số hấp thu và kích thước mối hàn điểm bằng laser. Trong phương pháp này, tại mỗi bước thời gian, vòng lặp Modified Newton – Raphson kết hợp với khái niệm bước thời gian kế tiếp (concept of future time) được sử dụng để xác định ngược giá trị hệ số hấp thu. Điểm thuận lợi của phương pháp này là giá trị hệ số hấp thu chưa biết và quá trình xác định giá trị hệ số hấp thu được thực hiện từng bước thời gian cho đến thời điểm kết thúc khảo sát. Hai ứng dụng với giá trị hệ số hấp thu là hằng số và hệ số hấp thu là hàm số mũ theo thời gian gia nhiệt được thực hiện, cho thấy việc xác định ngược hệ số này bằng phương pháp đề xuất đạt sai số nhỏ hơn 1.

Đồng thời, giá trị kích thước mối hàn: chiều rộng và chiều sâu mối hàn đạt sai số lần lượt là nhỏ hơn 0.5 % so với giá trị mong muốn. Thuật toán tiến hóa vi sai cải tiến (MDE – Modified Differential Evolution), thuật toán di truyền (GA – Genetic Algorithm) và thuật toán JAYA được sử dụng để thực hiện tối ưu hóa ngược thông số đầu vào của mối hàn laser cho thép không gỉ AISI 416 và AISI 440FSe nhằm đạt được kích thước mối iv luan an hàn (kích thước mối hàn được cài đặt trước): Weld Zone Width ‘WZW ref ’ (µm) và Weld Penetration Depth ‘WPD ref ’ (µm). Kết quả tối ưu các tham số đầu vào: Laser Power ‘LP’ (W), Welding Speed ‘WS’ (m/min), và Fiber Diameter ‘FD’ (µm) của thuật toán GA với trọng số λ = 0.1 được so sánh với với kết quả thực nghiệm đo đạt bởi Khan [31] với sai số tương ứng là 1,89%, 4,80% và 2,92%. Bên cạnh đó, luận án cũng trình bày so sánh kết quả tối ưu giữa ba thuật toán ngẫu nhiên nêu trên: Thuật toán MDE có chất lượng và hiệu quả vượt trội so với các thuật toán JAYA và GA.

Kết quả tối ưu của thuật toán MDE tiếp tục được so sánh với với kết quả thực nghiệm đo đạt bởi Khan [31] với sai số dưới 10%. Thuật toán tự động phát sinh lưới và tự động tăng bậc đa thức xấp xỉ được thực hiện giúp cho công việc tính toán linh hoạt và đa dạng. Phương pháp phần tử hữu hạn với h- refinement và p-refinement được sử dụng trong luận án này. Kết quả giá trị sai số chuẩn năng lượng biến dạng η �𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 cho bài toán lỗ vuông trong tấm vô hạn chịu kéo bằng phương pháp phần tử hữu hạn với h- p- refinement đạt giá trị lân cận 3%.

Đồng thời, việc đánh giá độ tin cậy phương pháp phần tử hữu hạn với h- refinement và p-refinement cho mối hàn giáp mối thép AISI 1018 bằng laser đã đem lại kết quả rất khả quan. Số lượng lưới được khảo sát cho h- và p- refinement lần lượt là 11 (bậc đa thức p = 1) và 6 (bậc đa thức p = 3 ÷ 8). Kết quả giá trị sai số tương đối nằm trong phạm vi cho phép, dưới 10%. Ngoài ra, với kỹ thuật ngoại suy Richardson đã đạt được giá trị rất khả thi: sai số tương đối η max (%) = 3.815296901 , extra chỉ số hiệu dụng θ h − refinement = 0.506616 và chỉ số đều SDh−refinement = 0.

Kết quả đề tài luận án là cơ sở để phát triển các bài toán phức tạp hơn, thậm chí cả bài toán 3D, cũng như áp dụng có các vật liệu khác nhau. Đồng thời, luận án cũng góp phần rút ngắn khoảng cách giữa mô phỏng và thực nghiệm; nhằm tiết kiệm vật liệu, công sức, thời gian; đem lại hiệu quả, năng suất cao trong tiến hành thí nghiệm và thực tế sản xuất. v luan an SUMMARY The rapid development of laser technology in recent years has gradually replaced traditional technologies in general, and laser welding used in various industries has increased rapidly with unique features. The weld quality is characterized by weld geometry, which affects the determination of the mechanical properties of the weld.

This is shown through the close relationship between the input parameters: material, welding thickness, laser power (laser power), welding speed (welding speed), fiber diameter (fiber diameter). ) and output parameters: absorption coefficient, weld geometry characteristics: weld zone width, weld penetration depth (weld penetration). In the process of conducting experiments or in production practice, saving materials, effort and time are essential, requiring solutions to bring about efficiency and high productivity. In this thesis, the Ph.

student performed inverse determination of the absorption coefficient and weld size in spot laser welding by the sequential method: at each time step is solved by the modified Newton-Raphson method combined with the concept of future time used to establish the absorption coefficient value. The advantages of this method are that the functional form for the unknown absorption coefficient is not necessary to preselect and nonlinear least-square do not need in the algorithm. Two examples have been fulfilled to demonstrate the proposed method. The obtained results can be concluded that the proposed method is an accurate and stable method to inversely determine the absorption coefficient in the spot laser welding, and weld size (weld width and depth) are also very close to the desired value.

Secondly, the inverse optimization of input parameters (Laser Power 'LP' (W), Welding Speed 'WS' (m / min), and Fiber Diameter 'FD' (µm)) of laser weld for the AISI 416 and AISI 440FSe stainless steel to control the reached weld size (weld size is pre-set): Weld Zone Width 'WZW ref ' (µm) and Weld Penetration Depth 'WPD ref ' (µm) by the three meta-heuristic optimization algorithms: the Modified vi luan an Differential Evolution (MDE) algorithm, the Genetic Algorithm (GA) and the JAYA algorithm. The result of the GA algorithm with λ = 0.1 is compared with Khan’s affirmation experiment result [25]: the error of the input parameters LP, WS, and FD, respectively, were 1. Besides, the thesis also presents the effect of three different meta-heuristic algorithms: GA, JAYA and MDE. The MDE algorithm showed better efficiency and the result of this algorithm is compared with Khan’s affirmation experiment result [25] with errors below 10%.