Modelling of laser welding for materials with different properties

• Autorzy: Siwek A.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie procesu spawania laserowego materiałów o różnych własnościach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Joining metals and alloys with different properties gives greater flexibility in design and production as compared to manufacturing with one type of material only. Thanks to this, expensive materials can be applied only at places where their use is indispensable. However, joining different combinations of metals become a challenge, due to the differences in physical and chemical properties. Laser welding, thanks to such advantages as good weldability and high quality of joints with narrow heat affected zone, allows for solving many problems appearing in traditional joining methods. The current paper concerns modelling of laser welding processes for materials with different physical and chemical properties. The model consists of a coupled set of incompressible fluid flow equations, heat equation and convection-diffusion equations for different material species. The formulation takes into account the dependence of material properties on temperature and chemical composition. Discontinuity of density and viscosity, together with the chemical composition of fluid in weld pool influences the velocity and temperature distribution in the weld pool and in consequence determines the shape and properties of a joint.

PL

Artykuł dotyczy modelowania spawania laserowego materiałów o różnych własnościach. Dominującą siłą wymuszającą ruch cieczy w takich układach jest gradient napięcia powierzchniowego oraz siła odrzutu powstała na powierzchni jeziorka spawalniczego. W literaturze można znaleźć wiele artykułów w których wykorzystano różne metody śledzenia powierzchni międzyfazowej, np. Level Set method (LS), Volume of Fluid method (VOF), lub bardziej skomplikowanej Coupled Level Set and Volume of Fluid method (CLSVOF). W wielu publikacjach wykorzystywana jest metoda VOF. Metoda ta jest wydajna, ponieważ nie wymaga iteracyjnego rozwiązywania dodatkowych równań i spełnia zasadę zachowania masy. Niestety metoda ta nie pozwala na wyznaczenie dokładnego położenia powierzchni międzyfazowej. Granica międzyfazowa jest rekonstruowana w każdej iteracji za pomocą pola udziału fazy, dyskretyzowanego na siatce eulerowskiej. Wartość tego pola wskazuje jaka faza znajduje się w danej komórce siatki. Granica międzyfazowa przemieszcza się przez adwekcję pola fazowego. Przyczyną trudności może być wymaganie dużej dokładności wyznaczenia położenia granicy w każdej iteracji rozwiązania. To z kolei powoduje nieciągłość własności takich jak gęstość i lepkość na granicy międzyfazowej, a przez to niestabilność numeryczną rozwiązania. Metoda VOF spełnia warunek zachowania masy. Pochodne pola udziału fazy VOF nie są jednak ciągłe w okolicy granicy międzyfazowej. Dlatego obliczone z funkcji fazy VOF krzywizna granicy i wektor normalny do granicy są niedokładne. Powoduje to tworzenie się w obszarze granicznym pozornych przepływów w wyniku niezrównoważenia siły napięcia powierzchniowego. Artykuł dotyczy wykorzystania powyższych metod do modelowania spawania laserowego materiałów o różnych własnościach fizycznych. Spawanie takich materiałów jest trudne, ze względu na tworzenie się asymetrii w przepływach ciepła i masy oraz zauważalną segregację pierwiastków powierzchniowo aktywnych. Tworząca się mikrostruktura zespawanych elementów przez to także jest asymetryczna względem płaszczyzny spawania. Modelowanie takich przepływów pozwoli na zrozumienie procesów zachodzących w jeziorku spawalniczym.

Słowa kluczowe

EN

laser welding; fluid flow; dissimilar welding; CLSVOF method; Marangoni convection

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 15, No.4
• Strony: 441--446
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Siwek A.

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

Bibliografia

• Bahrami, A., Valentine, D.T., Helenbrook, B.T., Aidun, D.K., 2015, Study of mass transport in autogenous GTA welding of dissimilar metals, International Journal of Heat and Mass Transfer, 85, 41-53.
• Chakraborty, I., Biswas, G., Ghoshdastidar, P.S., 2013, A coupled level-set and volume-of-fluid method for the buoyant rise of gas bubbles in liquids, International Journal of Heat and Mass Transfer, 58, 240-259.
• Gerlach, D., Tomar, G., Biswas G., Durst, F., 2006, Comparison of volume-of-fluid methods for surface tension-dominant two-phase flows, International Journal of Heat and Mass Transfer 49, 740-754.
• Han, L., Liou, L.O., 2014, Numerical investigation of the influence of laser beam mode on melt pool, International Journal of Heat and Mass Transfer, 47 4385-4402.
• Osher, S., Sethian, J.A., 1988, Fronts Propagating with Curvature Dependent Speed: Algorithms Based on Hamilton-Jacobi Formulations, Journal of Computational Physics, 79, 12-49.
• Rorida, J., Siwek, A., 2011, modelling of laser welding process in the phase of keyhole formation, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 3, 739-752.
• Siwek, A., 2010, A model of the laser beam steel welding process during vapor channel creation phase, Mechanik, 83(12), 930-934.
• 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, Journal of Physics D: Applied Physics 30(18), 2541-2552.
• Sun, D.L., Tao, W.Q., 2010, A coupled volume-of-fluid and level set (VOSET) method for computing incompressi¬ble two-phase flows, International Journal of Heat and Mass Transfer, 53, 645-655.
• Sussman, M., Puckett, E.G., 2000, A Coupled Level Set and Volume-of-Fluid Method for Computing 3D and Ax-isymmetric Incompressible Two-Phase Flows, Journal of Computational Physics, 162, 301-337.
• Yokoi, K., 2007, Efficient implementation of THINC scheme: A simple and practical smoothed VOF algorithm, Journal of Computational Physics, 226, 1985-2002.
• Zhou, J., Tsai, H.L., 2008, Modeling of transport phenomena in hybrid laser-MIG keyhole welding, International Journal of Heat and Mass Transfer, 51, 4353-4366.