Model of surface tension in the keyhole formation area during laser welding

• Autorzy: Siwek A.

Warianty tytułu

PL

Model napięcia powierzchniowego w obszarze tworzenia się kanału parowego w czasie spawania laserowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The nature of the laser welding process depends among others on the beam power density. Increasing the amount of energy supplied to the material, results in evolution from a shallow weld pool with flat surface, to the deep welding pool with a developed surface of the keyhole. The resulting gas/liquid surface boundary moves along with the laser beam and deforms, influenced by forces acting toward normal and tangential direction. Do not taking into account the curvature of the free surface, leads to non-physical values of the liquid velocity. In this study, for tracking and location of the interface, Volume of Fluid method (VOF) was used. It may be noted that the calculated contribution of the liquid phase, abruptly changes the value in the neighboring cells. In this paper we calculate the first and second derivatives of the liquid phase fraction function. Therefore, approximation of the normal vector and curvature of the free surface, requires the introduction of new, alternative smoothing rapid changes function. The value and direction of the force vectors were calculated, using the normal vector and curvature of the successive surface locations. The results were compared for different welding parameters.

PL

Charakter procesu spawania laserowego zależy między innymi od gęstości mocy wiązki. Zwiększenie ilości energii dostarczanej do materiału, powoduje ewolucję od płytkiego jeziorka spawalniczego z płaską powierzchnią, do głębokiego jeziorka z rozwiniętą powierzchnią kanału parowego. Powstała powierzchnia graniczna gaz/ciecz przemieszcza się wraz z wiązką laserową i odkształca pod wpływem sił działających w kierunku normalnej i stycznej do niej. W obszarze granicznym dwóch faz działa siła spowodowana ciśnieniem gazu, gwałtownym parowaniem, gradientem napięcia powierzchniowego i krzywizną powierzchni. Nie uwzględnienie krzywizny powierzchni rozdziału faz prowadzi do powstania błędnych wartości prędkości cieczy. W pracy do śledzenia i lokalizacji powierzchni granicznej wykorzystano metodę VOF (volume of fluid). Można zauważyć, że obliczony udział fazy ciekłej skokowo zmienia wartość w sąsiednich komórkach. W pracy obliczana jest pierwsza i druga pochodna funkcji udziału fazy ciekłej. Dlatego aproksymacja wektora normalnego i krzywizny powierzchni na podstawie udziały fazy ciekłej, wymaga wprowadzenia nowej alternatywnej funkcji wygładzającej nagłe skoki. Wartość i kierunek wektorów sił obliczano wykorzystując wektor normalny i krzywiznę w kolejnych punktach powierzchni. Porównano wyniki dla różnych parametrów spawania.

Słowa kluczowe

EN

keyhole welding; surface tension model; computational fluid dynamics CFD; volume of fluid method (VOF)

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 13, No. 1
• Strony: 166--172
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys.

Twórcy

autor

Siwek A.

• AGH University of Science and Technology, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Bellet, M., Fachinotti, V. D., 2004, ALE method for solidification modeling, Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., 193, 4355–4381.
• Brackbill, J. U., Kothe, D. B., Zemach, C., 1992 A Continuum Method for Modeling Surface Tension, Journal of Computational Physics, 100, 335-354.
• Chen, X., Wang, H. X., 2001, A calculation model for the evaporation recoil pressure in laser material processing, J. Phys. D, 34, 2637-2642.
• Cummins, S. J., Francois, M. M., Kothe, D. B., 2005, Estimating curvature from volume fractions, Computers and Structures, 83, 425-434.
• Gerlach, D., Tomar , G., Biswas, G., Durst, F., 2006, Comparison of volume-of-fluid methods for surface tensiondominant two-phase flows, International Journal of Heat and Mass Transfer, 49, 740-754.
• Han, L., Liou, F. W., 2004, Numerical investigation of the influence of laser beam mode on melt pool, International Journal of Heat and Mass Transfer, 4, 4385-4402.
• Rai, R., Elmer, J. W., Palmer, T. A., DebRoy, T., 2007, Heat transfer and fluid flow during keyhole mode laser welding of tantalum, Ti–6Al–4V, 304L stainless steel and vanadium, J. Phys. D, 40, 5753-5766.
• Sahoo, R., Debroy, T., McNallan, M. J., 1988, Surface Tension of Binary Metal Surface Active Solute Systems under Conditions Relevant to Welding Metallurgy, Metallurgical Transactions B, 19B, 483-491.
• Semak, V., Matsunawa, A., 1997, The role of recoil pressure in energy balance during laser materials processing, J. Phys. D: Appl. Phys., 30, 2541-2552.
• Rońda, J., Siwek, A., 2011, Modelling of laser welding process in the phase of keyhole formation, Archives of civil and mechanical engineering, 3, 739-752.
• Wang, G., 2002, Finite Element Simulations of Free Surface Flows With Surface Tension in Complex Geometries, Transactions of the ASME, 124, 584-594.
• Williams, M. W., Kothe, D. B., Puckett, E. G., 1999, Accuracy and Convergence of Continuum Surface Tension Models, Fluid Dynamics at Interface, eds, Shyy, W., Narayanan, R., Cambridge University Press, Cambridge, 294-305.
• Zacharia, T., David, S. A., Vitek, J. M., 1991, Effect of Evaporation and Temperature-Dependent Material Properties on Weld Pool Development, Metall. Trans. B, 22B, 233-241.
• Zhou, J., Tsai, H. L., Lehnhoff, T. F., 2006, Investigation of transport phenomena and defect formation in pulsed laser keyhole welding of zinc-coated steels, J. Phys. D: Appl. Phys., 39, 5338–5355.