Modelowanie przemian fazowych w połączeniach spawanych laserowo

• Autorzy: Kulawik A. , Wróbel J.

Warianty tytułu

EN

Modeling of phase transformations in the laser welding joint

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wytwarzanie stalowych konstrukcji związane jest często z wykorzystaniem technologii spawania. Coraz częściej łączone są materiały uznawane dawniej za trudno spawalne lub niespawalne. W pracy przeprowadzono analizę modelu spawania laserowego stali AISI 4140. Opisano sprzężone modele zjawisk cieplnych i przemian fazowych. Zjawiska cieplne procesu spawania zamodelowano na podstawie rozwiązania równania przewodzenia ciepła z członem konwekcyjnym, uwzględniając przetopienie i krzepnięcie w ujęciu pojemnościowym. Zaproponowany model zjawisk cieplnych rozwiązano, budując własne oprogramowanie wykorzystujące metodę elementów skończonych (zadania 3D). Do rozwiązania równania przewodnictwa wykorzystano metodę MES w ujęciu Petrova-Galerkina w celu zapewnienia stabilności algorytmu ze względu na ruchome źródła ciepła. Nagrzewanie laserowe zostało zamodelowane za pomocą złożonego modelu źródła ciepła będącego sumą źródła powierzchniowego i źródła objętościowego. Właściwości termofizyczne uzależniono od składu fazowego oraz od temperatury. Przemiany fazowe w stanie stałym modelowano z wykorzystaniem równania Avramiego oraz analizy wykresów CTPa i CTPc. W pracy dokonano także porównania wykresów CTPi otrzymanych z modelu termodynamicznego (model Kirkaldy) z wykresami eksperymentalnymi. Przedstawione wyniki obliczeń numerycznych dotyczą pól temperatury spawanego elementu stalowego. Przedstawiono również kinetykę przemian fazowych w stanie stałym, zmiany temperatury oraz odkształceń w dwóch punktach kontrolnych. Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić, że zmiany temperatury, a także związane z nią zmiany odkształceń strukturalnych i termicznych w symulacji procesu spawania laserowego są gwałtowne. Uzyskane w symulacji procesu spawania zmiany strukturalne są silnie uzależnione od zastosowanych wykresów CTP.

EN

Production of steel assembly joints, whether separable or inseparable, is often associated with the use of welding process. Materials that were considered difficult or impossible to weld in the past are joined more and more often nowadays. This paper analyzes performance of the laser welding model of steel element (AISI 4140). The coupled models of thermal phenomena and phase transformations in solid state are described. The thermal phenomena of the welding process are modeled on the basis of the heat transfer equation solution with a convective term. The melting and solidification processes are included in modification of the effective heat. The proposed model of thermal phenomena is calculated by a development of our own software (for 3D tasks). The finite element method in Petrov-Galerkin formulations is used to find a solution of the heat conductivity equation. This method gives the stability of the algorithm due to the moving heat source. The laser heating was modeled by a combination of a heat source model, which is the sum of the surface, and volumetric sources. The thermophysical properties are dependent on the phase composition and temperature. The phase transformations in the solid state are modelled by the use of the Avrami equation and the analysis of CHT and CCT diagrams. Both the comparative analysis of TTT diagrams obtained from the thermodynamic model (Kirkaldy model) and the experimental diagrams are performed. The paper presents the results of the numerical simulation temperature fields for the welded steel element. The kinetics of phase transformation in the solid state, changes of temperature and strains in two control nodes are also presented. The obtained results show that the changes of the temperature and connected with them changes of structural and thermal strains in the simulation of the laser welding are rapid. Obtained structural changes in the simulation of welding are strongly dependent on the applied CCT diagrams.

Słowa kluczowe

PL

obciążenie termiczne; ruchome źródła ciepła; symulacja numeryczna

EN

thermal loads; moving heat source; numerical simulation

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej ; Sieć Badawcza Łukasiewicz - Warszawski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Technologia i Automatyzacja Montażu
• Rocznik: 2013
• Tom: nr 3
• Strony: 61--66
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., wykr.

Twórcy

autor

Kulawik A.

• Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej, 42-200 Częstochowa, ul. Dąbrowskiego 73

autor

Wróbel J.

• Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej, 42-200 Częstochowa, ul. Dąbrowskiego 73

Bibliografia

• 1. Sczygiol N.: Równania krzepnięcia w ujęciu metody elementów skończonych. Krzepnięcie Metali i Stopów, 30, 1997, 221-232.
• 2. Wait R., Mitchell A.R.: Finite Element Analysis and Applications, John Wiley & Sons, Chichester, 1985.
• 3. Kulawik A.: Analiza numeryczna zjawisk cieplnych i mechanicznych w procesach hartowania stali 45. Praca doktorska, Częstochowa, 2005.
• 4. Mochnacki B., Nowak A., Pocica A.: Numerical model of superficial layer heat treatment using the TIG method. Polska metalurgia w latach 1998-2002, t. 2, Komitet Metalurgii PAN, WN „ AKAPIT” Kraków 2002, 229-235.
• 5. Koistinen D. P., Marburger R. E.: A general equation prescribing the extent of the austenite-martensite transformation in pure iron-carbon alloys and plain carbon steels. Acta Metallica, 7, 1959, 59-60.
• 6. Avrami M.: Kinetics of phase change. Journal of Chemical Physics, 7, 1939, 1103-1112.
• 7. Bokota A., Kulawik A.: Model and numerical analysis of hardening process phenomena for medium-carbon steel. Archives of Metallurgy and Materials Issue 2, 52, 2007, 337-346.
• 8. Bailey N.S., Tan W., Shin Y.C.: Predictive modeling and experimental results for residual stresses in laser hardening of AISI 4140 steel by a high power diode laser. Surface & Coatings Technology, 203, 2009, 2003–2012.
• 9. Kroupa A., Kirkaldy J.S.: Computed Multicomponent Phase Diagrams for Hardenability (H) and HSLA Steels with Application to the Prediction of Microstructure and Mechanical Properties. Journal of Phase Equilibria Vol. 14 No. 2 1993, 150-161.
• 10. Chipalkatti J.: Modeling of austenite decomposition in an AISI 4140 steel. Master thesis, Canada, 1999.
• 11. Vander Voort G.F.: Atlas of time-temperature diagrams for irons and steels. ASM International, 1991.
• 12. Li C., Wang Y., Zhan H., Han T., Han B., Zhao W.: Three-dimensional finite element analysis of temperatures and stresses in wide-band laser surface melting processing. Materials and Design, 31, 2010, 3366–3373.