Model of convective heat transfer in keyhole mode laser welding

• Autorzy: Siwek A. , Rońda J. , Banaś K.

Warianty tytułu

PL

Model konwekcyjnej wymiany ciepła dla spawania laserowego z wytworzeniem kanału parowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Article applies a model of welding with high-power laser beam. As a result of heating the material in the area of a laser beam creates a narrow and deep keyhole. Welding in such conditions favors the formation of pores in the weld. In the presented model takes into account double curvature of the keyhole. Surface tension acting on the convex and concave part of the liquid surface, accordingly seeks to opening and closing keyhole. Intense evaporation in the area of a laser beam causes appearance of recoil force whose value increases with the surface temperature of liquid steel. It was found the temperature limit, above which the recoil is greater than the force originating from the surface tension. In such welding conditions, keyhole is deeper. Presented two-dimensional model of the process take into account the dependence of thermophysical material properties and characteristics of the laser beam. It was found a little influence of the sulfur content on the weld pool shape. The keyhole formed during the welding becomes asymmetric. The rear part of the keyhole moves away from the front and faults appear on the solid-liquid border. As the keyhole becomes deeper faults are becoming more numerous.

PL

Artykuł dotyczy modelu spawania stali wiązką laserową o dużej mocy. W wyniku nagrzania materiału, w obszarze działania wiązki lasera tworzy się wąski i głęboki kanał parowy. Spawanie w takich warunkach sprzyja tworzeniu się w spoinie porów. W prezentowanym modelu uwzględniono podwójną krzywiznę kanału parowego. Napięcie powierzchniowe działające na część wypukłą i wklęsłą powierzchni cieczy, dąży odpowiednio do zamknięcia i otwarcia kanału parowego. Intensywne parowanie w obszarze działania wiązki laserowej powoduje powstanie siły odrzutu, której wartość wzrasta z temperaturą powierzchni ciekłej stali. Stwierdzono graniczną temperaturę, powyżej której siła odrzutu jest większa od siły pochodzącej od napięcia powierzchniowego. Przy takich warunkach spawania, kanał parowy staje się coraz głębszy. Zaproponowany w pracy dwuwymiarowy model procesu uwzględnia zależność własności termofizycznych spawanego materiału i charakterystykę wiązki laserowej. W prezentowanym modelu stwierdzono niewielki wpływ zawartości siarki na kształt jeziorka spawalniczego. Kształt tworzącego się w czasie spawania kanału parowego, staje się coraz bardziej asymetryczny. Tylna część kanału parowego odsuwa się od przedniej i tworzą się na niej uskoki. W miarę pogłębiania kanału parowego uskoki stają się coraz liczniejsze.

Słowa kluczowe

EN

laser welding; welding pool; keyhole; recoil pressure; free surface; VOF; CFD

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 11, No. 1
• Strony: 179--184
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys.

Twórcy

autor

Siwek A.

autor

Rońda J.

autor

Banaś K.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science,

Bibliografia

• Aalderink, B.J., Lange, D.F. de, Aarts, R.G.K.M., Meijer, J., 2007, Keyhole shapes during laser welding of thin metal sheets, J. Phys. D: Appl. Phys., 40, DOT: 10.1088/0022-3727/40/17/057.
• Chen, X., Wang, H.X., 2001, A calculation model for the evaporation recoil pressure in laser material processing, J. Phys. D: Appl. Phys., 34, 2637-2642.
• Dasgupta, A.K., Mazumder, J., Li, P., 2007, Physics of zinc vaporization and plasma absorption during C02 laser welding, J. Appl. Phys., 102, DOI: 10.1063/1.2777132.
• Fluent Inc., 2009, ANSYS FLUENT 12.0 Documentation, www.fluent.com.
• Han, L., Liou, F.W., 2004, Numerical investigation of the influence of laser beam mode on melt pool, Int. J. Heat Mass Transf., 47, 4385-4402.
• He, X., Norris, J.T., Fuerschbach, P.W., DebRoy, T., 2006. Liquid metal expulsion during laser spot welding of 304 stainless steel, J. Phys. D: Appl. Phys., 39, 525-534.
• Kou, S., 2003, Welding Metallurgy, John Wiley & Sons, New Jersey.
• Sahoo, P., DebRoy, T., McNallan, M.J., 1988, Surface Tension of Binary Metal Surface Active Solute Systems under Conditions Relevant to Welding Metallurgy, Metall. Trans., 19B, 483-491.
• Semak, V., Matsunawa, A., 1997, The role of recoil pressure in energy balance during laser materials processing, J. Phys. D: Appl. Phys., 30, 2541-2552.
• Wang, Y., Tsai, H.L., 2001, Impingement of filler droplets and weld pool dynamics during gas metal arc welding process, Int. J. Heat Mass Transf., 44, 2067-2080.