Modelling and Analysis of Phase Transformations and Stresses in Laser Welding Process

• Autorzy: Piekarska W.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0454

Warianty tytułu

PL

Modelowanie i analiza przemian fazowych i naprężeń w procesie spawania laserowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The work concerns the numerical modelling of structural composition and stress state in steel elements welded by a laser beam. The temperature field in butt welded joint is obtained from the solution of heat transfer equation with convective term. The heat source model is developed. Latent heat of solid-liquid and liquid-gas transformations as well as latent heats of phase transformations in solid state are taken into account in the algorithm of thermal phenomena. The kinetics of phase transformations in the solid state and volume fractions of formed structures are determined using classical formulas as well as Continuous-Heating-Transformation (CHT) diagram and Continuous-Cooling-Transformation (CCT) diagram during welding. Models of phase transformations take into account the influence of thermal cycle parameters on the kinetics of phase transformations during welding. Temporary and residual stress is obtained on the basis of the solution of mechanical equilibrium equations in a rate form. Plastic strain is determined using non-isothermal plastic flow with isotropic reinforcement, obeying Huber-Misses plasticity condition. In addition to thermal and plastic strains, the model takes into account structural strain and transformation plasticity. Changing with temperature and structural composition thermophysical parameters are included into constitutive relations. Results of the prediction of structural composition and stress state in laser butt weld joint are presented.

PL

Praca dotyczy modelowania numerycznego składu strukturalnego i stanu naprężenia w elementach stalowych spawanych wiązką promieniowania laserowego. Pole temperatury w doczołowym złączu spawanym otrzymano z rozwiązania równania przewodnictwa ciepła z członem konwekcyjnym. Podano model źródła ciepła, a w algorytmie zjawisk cieplnych uwzględniono ciepło przemiany ciało stałe-ciecz, ciepła przemian w stanie stałym oraz ciepło parowania. Kinetykę przemian fazowych w stanie stałym oraz ułamki objętościowe powstających struktur wyznaczano w oparciu o klasyczne równania i wykresy ciągłego nagrzewania CTPA i spawalniczy wykres ciągłego chłodzenia CTPc-S. W modelu przemian fazowych uwzględniono wpływ parametrów cyklu cieplnego na kinetykę przemian fazowych podczas spawania. Naprężenia chwilowe i własne wyznaczono z rozwiązania równań równowagi mechanicznej w formie prędkościowej. W wyznaczaniu odkształceń plastycznych wykorzystano prawo nieizotermicznego plastycznego płynięcia ze wzmocnieniem izotropowym oraz warunkiem plastyczności Hubera-Misesa. W modelu uwzględniono, oprócz odkształceń termicznych i plastycznych, odkształcenia strukturalne i transformacyjne. W związkach konstytutywnych uwzględniono zmiany parametrów termofizycznych w funkcji temperatury i składu fazowego. Przedstawiono wyniki prognozowania składu strukturalnego i stanu naprężenia doczołowego połączenia spawanego laserowo.

Słowa kluczowe

EN

phase transformations; laser welding; strains; stresses; numerical simulations

PL

przemiany fazowe; spawanie laserowe; naprężenie; modelowanie numeryczne

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 4
• Strony: 2833--2842
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz., rys.

Twórcy

autor

Piekarska W.

• Institute of Mechanics and Machine Design Foundations, Czestochowa University of Technology, Dąbrowskiego 73, 42-200 Częstochowa

Bibliografia

• [1] Y. C. Kim, M. Hirohata, K. Inose, Welding in the World, no 3, 64 (2012).
• [2] T. L. Chen, Y. H. Guan, H. G. Wang, J. T. Zhang, J Mater Process Tech. 63, 546 (1997).
• [3] B. Chen, X. H. Peng, S. N. Nong, X. C. Liang, J Mater Process Tech. 122, 208 (2002).
• [4] A. P. Mackwood, R. C. Cafer, Opt Laser Technol. 37, 99 (2005).
• [5] D. Gery, H. Long, P. Maropoulos, J Mater Process Tech. 167, 393 (2005).
• [6] W. Zhang, B. Wood, T. DebRoy, et al., Acta Mater. 51, 3333 (2003).
• [7] W. S. Chang, S. J. Na, J Mater Process Tech. 120, 208 (2002).
• [8] H. Huang, J. Wang, L. Li, N. Ma, J Mater Process Tech. 227, 117 (2016).
• [9] W. Tan, Y.C. Shin, Comp Mater Sci. 98, 446 (2015).
• [10] A. Franco, L. Romoli, A. Musacchio, Int J Therm Sci. 79, 194 (2014).
• [11] F. Nagela, F. Simon, B. Kummel, J.P. Bergmanna, J. Hildebrand, Phys Proc. 56, 1242 (2014).
• [12] C. Garcia de Andres, F.G. Caballero, C. Capdevila, L.F. Alvarez, Materials Characterization, 48, 101 (2002).
• [13] S.A. Tsirkas, P. Papanikos, Th. Kermanidis, J Mater Process Tech. 134, 59 (2003).
• [14] K. Fanrong, M. Junjie, K. Radovan, J Mater Process Tech. 211, 1102 (2011).
• [15] W. Piekarska, Analiza numeryczna zjawisk termomechanicznych procesu spawania laserowego, Częstochowa, (2007).
• [16] M. E. Le Guen, R. Fabbri, F. Coste, Ph. Le Masson, J Heat Mass Trans. 54, 1313 (2011).
• [17] N. Ma, L. Li, H. Huang, S. Chang, H. Murakawa, J Mater Process Tech. 220, 36 (2015).
• [18] L. Han, F.W. Liou, Int J Heat Mass Trans. 47, 4385 (2004).
• [19] X. Jin, L. Li, Y. Zhang, J Phys. D: Appl Phys. 35, 2304 (2002).
• [20] D.V Bedenko, O. B. Kovalev, I. V. Krivtsun, J Phys D: Appl Phys. 43, 1055 (2010).
• [21] M. Beck, P. Berger, H. Hugel, J Phys D: Appl Phys. 28, 2430 (1995).
• [22] M. Dal, R. Fabbro, An overview of the state of art in laser welding simulation, Opt Laser Technol. (2015).
• [23] W. Piekarska, M. Kubiak, Z. Saternus, Arch Metall Mater. 58 (4), 1391 (2013).
• [24] J. Pilarczyk, M. Banasik, J. Stano, Przeglad Spawalnictwa, 5-6, 6 (2006).
• [25] C. F. Berkhout, P.H. van Lent, Schweißen und Schneiden. 6, 256 (1968).
• [26] M. H. Sorsorov, Fazovye prevrascenia i izmenenia svojstv stali pri svarke, isd. Nauka, Moskva, (1972).
• [27] K. Röhrs, V. Michailow, H. Wohlfahrt, Proc. of Int. Conference Mathematical Modelling and Information Technologies in Welding and Related Processes, Katsiveli, Crimea, Ukraine, ed. V.I. Makhnenko, E.O. Paton Welding Inst. of NAS of Ukraine, Kiev, 92 (2002).
• [28] J. Słania, Arch Metall Mater. 3, 757 (2005).
• [29] L. Taleb, F. Sidoroff, Int J Plasticity. 19, 1821 (2003).
• [30] A. Bokota, T. Domański, Arch Metall Mater. Issue 2, 52, 277 (2007).
• [31] M. Dalgic, G. Löwisch, Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 37, 1, 122 (2006).
• [32] D. Y. Ju, W.M. Zhang, Y. Zhang, Mat Sci Eng A 438-440, 246 (2006).
• [33] K. J. Lee, Scripta Mater. 40, 735 (1999).
• [34] S. Serajzadeh, J Mater Process Tech. 146, 311 (2004).
• [35] W. Piekarska, M. Kubiak, A. Bokota, Arch Metall Mater. 56, 409 (2011).
• [36] M. J. Avrami; Chem. Phys., 7, 1103-1112 (1939) Atlas of Time -Temperature Diagrams for Irons and Steels, ed. V. Voort G. F., USA, ASM International, USA, (1991).
• [37] D. P. Koistinen, R. E. Marburger, Acta Metall. 7, 59 (1959).
• [38] O. C. Zienkiewicz, R. L. Taylor, Butterworth-Heinemann, Fifth edition, vol. 1,2,3, (2000).
• [39] V. I. Makhnenko, E. A. Velikoivanenko, O. V. Makhnenko, G. F. Rozynka, N. I., Avtomaticeskaja svarka. 5, 3 (2000).
• [40] M. Coret, A. Combescure, Int J Mech Sci. 44, 1947 (2002).

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.