Numerical modelling of the bifocal laser welding of unalloyed structural steels

• Autorzy: Danielewski Hubert , Skrzypczyk Andrzej , Zowczak Włodzimierz , Furmańczyk Piotr , Gontarski Dariusz

Identyfikatory

DOI

10.17729/ebis.2019.6/6

Warianty tytułu

PL

Modelowanie numeryczne procesu dwuogniskowego spawania laserowego stali konstrukcyjnych niestopowych

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The article presents the possibilities of the numerical modelling of laser welding processes. In laser welding, the concentrated beam of photons generates high surface power density and leads to the melting and even evaporation of some metal. The metal vapours ionize and form a keyhole. Because of its high linear power density, laser welding process makes it possible to form deep and narrow welds. However, this welding method requires the preparation of workpiece edges. It is possible to “bypass” this requirement by defocusing the laser beam. However, the foregoing entails a significant decrease in power density. An alternative involves the use of optical systems enabling the division of the beam. In CO₂ gas lasers, the bisection of the laser beam is performed using a multi-faceted parabolic mirror. The modelling of welding processes can be carried out using both analytical and numerical methods. Analytical solutions provide approximate results and do not take into consideration many physical phenomena accompanying welding processes. In turn, numerical solutions provide a more accurate representation of welding processes, In addition, it is possible to modify the geometry of heat sources reflecting the keyhole effect of bifocal welding system. The paper presents results of the numerical simulation of the keyhole laser welding process in relation to a bifocal optical system. The results of the numerical simulation were verified experimentally by making test joints using parameters developed during numerical simulations. Both the shape of obtained welds and the hardness distribution identified in the cross-section of a joint made of low-alloy structural steel S235JR were subjected to tests in order to verify the numerical model.

PL

Przedstawiono możliwości modelowania numerycznego procesu spawania laserowego. W spawaniu laserowym skoncentrowany strumień fotonów wytwarza bardzo dużą powierzchniową gęstość mocy, która prowadzi do topienia i odparowania części metalu. Pary metalu jonizują się i tworzą kanał parowy. Proces spawania laserowego dzięki wysokiej liniowej gęstości mocy pozwala na wytworzenie wąskich i głębokich spoin. Spawanie tego typu wymaga jednak odpowiedniego przygotowania brzegów łączonych elementów. Możliwe jest zniwelowanie tego wymogu poprzez rozogniskowanie wiązki lasera, jednak wiąże się to ze znacznym spadkiem gęstości mocy. Alternatywą do tego typu spawania jest zastosowanie układów optycznych do podziału wiązki. W przypadku laserów gazowych, podział wiązki następuje poprzez wykorzystanie wielodzielnego zwierciadła parabolicznego ogniskującego wiązkę lasera. Do modelowania procesów spawalniczych można wykorzystać metody analityczne lub numeryczne. Rozwiązania analityczne dają pewne przybliżenie i nie uwzględniają wielu zjawisk towarzyszących spawaniu. Rozwiązania numeryczne pozwalają na dokładniejsze odwzorowanie procesu spawania, możliwa jest również modyfikacja źródeł ciepła odzwierciedlających działanie kanału parowego, w tym również układu dwuogniskowego. W pracy przedstawiono wyniki symulacji numerycznej procesu spawania laserowego głębokiego dla dwuogniskowego układu skupiającego. Wyniki symulacji numerycznej zostały zweryfikowane doświadczalnie poprzez wykonanie złącza próbnego z parametrami opracowanymi w toku symulacji numerycznych. Zbadano zarówno kształt otrzymanych spoin, jak i rozkład twardości w przekroju poprzecznym złącza ze stali konstrukcyjnej niskostopowej S235JR w celu weryfikacji dopasowania modelu.

Słowa kluczowe

EN

laser welding; numerical simulation; bifocal laser welding; low-alloy steel

PL

spawanie laserowe; modelowanie numeryczne; spawanie laserowe dwuogniskowe; stal niskostopowa

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Górnośląski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 63, No. 6
• Strony: 51--57
• Opis fizyczny: Bibliogr. 6 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Danielewski Hubert

• PŚk /Kielce University of Technology/

autor

Skrzypczyk Andrzej

• PŚk /Kielce University of Technology/

autor

Zowczak Włodzimierz

• PŚk /Kielce University of Technology/

autor

Furmańczyk Piotr

• Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Politechnika Świętokrzyska /Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, Kielce University of Technology/

autor

Gontarski Dariusz

• Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Politechnika Świętokrzyska /Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, Kielce University of Technology/

Bibliografia

• [1] Pilarczyk J.(red.): Poradnik inżyniera. Spawalnictwo, vol. l. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2003.
• [2] Skrzypczyk A., Danielewski H.: Properties and Microstructure of Laser Welded VM12-SHC Steel Pipes Joints. Archives of Metallurgy and Materials, 2016, vol. 61, no. 2B, pp. 1143–1149. http://journals.pan.pl/dlibra/publication/106925/edition/92622/content
• [3] Kimpel A.: Technologie laserowe. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2012.
• [4] Steen W.: Laser Material Processing. Springer, London, 2003.
• [5] Falk N., Flaviu S., Kümmel B., Bergmann J. P., Hildebrand B: Optimization Strategies for Laser Welding High Alloy Steel Sheets. Physics Procedia, 2014, vol. 56, pp. 1242–1251 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1875389214001850?via%3Dihub
• [6] Górka J., Ozgowicz A.: Próby spawania laserowego niskostopowej wysokowytrzymałej stali o strukturze martenzytycznej. Przegląd Spawalnictwa, 2016, vol. 88, no. 5, pp. 24–27. http://pspaw.pl/index.php/pspaw/article/ view/607

Uwagi

1. Wersja polska artykułu w wydaniu papierowym s. 64-67.

2. Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).