Numerical simulation of thermal phenomena and phase transformations in laser-arc hybrid welded joints

• Autorzy: Piekarska W. , Kubiak M. , Bokota A.

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna zjawisk cieplnych i przemian fazowych w połączeniach spawanych hybrydowo laser-łuk elektryczny

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper concerns mathematical and numerical modelling of temperature field with convective motion of liquid metal in the melted zone taken into account and numerical estimation of structure composition of a plate made of S355 steel, butt-welded by laser-arc hybrid welding technique. Coupled transport phenomena, including heat transfer and fluid flow in the melted zone, were described respectively by transient heat transfer equation with convective term and Navier-Stokes equation. Latent heat associated with the material's state changes and latent heat of phase transformations in solid state were taken into consideration in the solution algorithm. The kinetics of phase transformations and volumetric fractions of arising phases were calculated on the basis of the Johnson-Mehl-Avrami (JMA) and Koistinen-Marburger (KM) classic mathematical models. In modelling of phase transformations during heating continuous heating transformation (CHT) diagram was used, whereas continuous cooling transformation (CCT) diagram was used in modelling of phase transformations during cooling of welded steel. Transient heat transfer equation was solved using finite element method in Petrov-Galerkin formulation and Navier-Stokes equation was solved in Chorin's projection method. The solution algorithms were implemented in ObjectPascal programming language.

PL

Praca zawiera numeryczne modelowanie pola temperatury oraz prognozowanie numeryczne składu strukturalnego płaskownika wykonanego ze stali S355, spawanego doczołowo techniką hybrydową laser-łuk elektryczny. Model pola temperatury uwzględnia ruch ciekłego metalu w jeziorku spawalniczym. Sprzężone zjawiska transportu ciepła i cieczy w strefie przetopienia opisywane są rónaniem nieustalonego przewodzenia ciepła z członem konwekcyjnym i równaniem Naviera-Stokesa. W algorytmie numerycznym uwzględniono ciepła związane ze zmianą stanu skupienia materiału i ciepła przemian fazowych w stanie stałym. Kinetykę przemian fazowych w stanie stałym oraz algorytmy numeryczne wyznaczania ułamków objętościowych powstających faz oparto na równaniach Johnsona-Mehla-Avramiego (JMA) i Koistinena-Marburgera (KM). W modelowaniu przemian nagrzewania wykorzystano wykres ciągłego nagrzewania (CTPcA), natomiast w modelowaniu przemian chłodzenia wykorzystano spawalniczy wykres przemian austenitu (CTPc-S) spawanej stali. Do rozwiązania równania nieustalonego przewodzenia ciepła zastosowano metodę elementów skończonych w sformułowaniu Petrov-Galerkina, a równanie Naviera-Stokesa rozwiązano metodą projekcji Chorina. Algorytmy analizy rozważanych zagadnień zaimplementowano w języku programowania ObjectPascal.

Słowa kluczowe

EN

laser-arc hybrid welding; heat transfer; fluid flow; phase transformations; structure composition; numerical modelling

PL

spawanie laserowe; przewodzenie ciepła; przepływ płynów; przemiany fazowe; skład struktury; analiza numeryczna

• 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: 2011
• Tom: Vol. 56, iss. 2
• Strony: 409--421
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Piekarska W.

autor

Kubiak M.

autor

Bokota A.

• Institute of Mechanics and Machine Design Foundations, Czestochowa University of Technology, 42-200 Częstochowa, 73 Dąbrowski Str., Poland

Bibliografia

• [1] C. Bagger, F.O. Olsen, Review of laser hybrid welding, Journal of Laser Applications 17 (2005).
• [2] U. Dilthey, A. Wieschemann, Prospects by combining and coupling laser beam and arc welding processes, Welding in the World 44, 37-46 (2000).
• [3] J. Pilarczyk, M. Banasik, J. Dworak, S. Stano, Hybrid welding using laser beam and electric arc, Przeglad Spawalnictwa 10, 44-48 (2007) (in polish).
• [4] M. Wouters, Hybrid laser-MIG welding: An investigation of geometrical considerations, Lulea, Sweden (2005).
• [5] P. Seyffarth, I.V. Krivtsun, Laser-Arc Processes and their Applications in Welding and Material Treatment, Taylor & Francis, USA (2002).
• [6] J. M. Dowden, The mathematics of thermal modeling, Taylor & Francis Group, USA (2001).
• [7] J. H. Cho, S. J. Na, Three-Dimensional analysis of molten pool in GMA-Laser hybrid welding, Welding Journal 88, 35-43 (2009).
• [8] J. Zhou, H. L. Tsai, Modeling of transport phenomena In hybrid laser - MIG keyhole welding, International Journal of Heat and Mass Transfer 51, 4353-4366 (2008).
• [9] W. S. Chang, S. J. Na, A study on the prediction of the laser weld shape with varying heat source equations and the thermal distortion of a small structure in micro-joining, Journal of Materials Processing Technology 120, 208-214 (2002).
• [10] X. Jin, L. Li, Y. Zhang, A study of fresnel absorption and reflections in the keyhole in deep penetration laser welding, Journal of Physics D: Applied Physics 35, 2304-2310 (2002).
• [11] B. Nedjar, An enthalpy-based finite element method for nonlinear heat problems involving phase change, Computers & Structures 80, 9-21 (2002).
• [12] K. J. Lee, Characteristics of heat generation during transformation in carbon steels, Scripta Materialia 40, 735-742 (1999).
• [13] W. Piekarska, Numerical analysis of thermomechanical phenomena during laser welding process. The temperature fields, phase transformation and stresses, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa (2007) (in polish).
• [14] M. Kubiak, Numerical modeling of thermal phenomena in hybrid welding process, PhD thesis, Czestochowa University of Technology, Czestochowa (2010) (in polish).
• [15] O. C. Zienkiewicz, R.L. Taylor, The finite element method, Butterworth-Heinemann, Fifth edition 1,2,3, USA (2000).
• [16] S. V. Patankar, Numerical heat transfer and fluid flow, Taylor & Francis, USA (1990).
• [17] A. Bokota, T. Domański, Numerical analysis of thermo-mechanical phenomena of hardening process of elements made of carbon steel C80U, Archives of Metallurgy and Materials 52, 2, 277-288 (2007).
• [18] J. A. Goldak, Computational Welding Mechanics, Springer USA (2005).
• [19] E. Ranatowski, Thermal modelling of laser welding. Part I: The physical basis of laser welding, Advances in Materials Science 1, 34-40 (2003).
• [20] W. Zhang, B. Wood, T. DebRoy, J.W. Elmer, T.A. Palmer, Kinetic modeling of phase transformations occuring in the HAZ of C-Mn steel welds based on direct observations, Acta Materialia 51, 3333-3349 (2003).
• [21] J. Orlich, H. J. Pietrzeniuk, Atlas zur Wärmebehandlung der Stähle: 3, Dusseldorf (1973).