Numerical Modelling Of Thermal And Structural Phenomena In Yb:YAG Laser Butt-Welded Steel Elements

• Autorzy: Kubiak M. , Piekarska W. , Stano S. , Saternus Z.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0213

Warianty tytułu

PL

Modelowanie numeryczne zjawisk cieplnych i strukturalnych w elementach stalowych spawanych doczołowo wiązką lasera Yb:YAG

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The numerical model of thermal and structural phenomena is developed for the analysis of Yb:YAG laser welding process with the motion of the liquid material in the welding pool taken into account. Temperature field and melted material velocity field in the fusion zone are obtained from the numerical solution of continuum mechanics equations using Chorin projection method and finite volume method. Phase transformations in solid state are analyzed during heating and cooling using classical models of the kinetics of phase transformations as well as CTA and CCT diagrams for welded steel. The interpolated heat source model is developed in order to reliably reflect the real distribution of Yb:YAG laser power obtained by experimental research on the laser beam profile. On the basis of developed numerical models the geometry of the weld and heat affected zone are predicted as well as the structural composition of the joint.

PL

Praca dotyczy modelowania numerycznego zjawisk cieplnych i strukturalnych w procesie spawania laserem Yb:YAG z uwzględnieniem ruchu ciekłego materiału w jeziorku spawalniczym. Pole temperatury i pole prędkości ciekłej stali w strefie przetopienia otrzymano z numerycznego rozwiązania równań mechaniki ośrodków ciągłych metodą projekcji Chorina i metodą objętości skończonych. Przemiany fazowe w stanie stałym analizowano podczas nagrzewania i chłodzenia bazując na klasycznych modelach kinetyki przemian fazowych oraz wykresach CTA i CTPc-S. W celu wiarygodnego odzwierciedlenia rzeczywistego rozkładu mocy lasera Yb:YAG opracowano model interpolowany źródła, wykorzystujący badania doświadczalne profilu wiązki laserowej. Na podstawie opracowanych modeli numerycznych prognozowano geometrię spoiny i strefy wpływu ciepła oraz skład strukturalny złącza.

Słowa kluczowe

EN

laser welding; heat transfer; phase transformations; numerical modelling; kriging method

PL

spawanie laserowe; wymiana ciepła; przemiany fazowe; modelowanie numeryczne; metoda krigingu

• 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. 2A
• Strony: 821--828
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., fot., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Kubiak M.

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

autor

Piekarska W.

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

autor

Stano S.

• Elding Institute, 16-18 Błogosławionego Czesława Str., 44-100 Gliwice, Poland

autor

Saternus Z.

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

Bibliografia

• [1] F. Bachmann, P. Loosen, R. Poprawe, Springer Series in Optical Sciences 128, Springer (2007).
• [2] R. Brockmann, D. Havrilla, Laser Technik Journal. 6, 26 (2009).
• [3] T.Y. Fan, IEEE J Quantum Elect. 29, 1457 (1993).
• [4] D. Gery, H. Long, P. Maropoulos, J Mater Process Tech. 167, 393 (2005).
• [5] L. Han, F.W. Liou, Int J Heat Mass Trans. 47, 4385 (2004).
• [6] W. Piekarska, M. Kubiak, Z. Saternus, Arch Metall Mater. 57, 1219 (2012).
• [7] A. Lisiecki, Arch Metall Mater. 59, 1625 (2014).
• [8] W. Piekarska, M. Kubiak, Appl Math Model. 37, 2051 (2013).
• [9] P. Lacki, K. Adamus, K. Wojsyk, M. Zawadzki, Z. Nitkiewicz, Arch Metall Mater. 56, 455 (2011).
• [10] C. Daves, Laser Welding: A practical guide; Abington Publishing (1992).
• [11] M. Węglowski, S. Stano et al., Mater Sci Forum. 638-642, 3739 (2010).
• [12] X. Jin, L. Li, Y. Zhang, J Phys. D: Appl Phys. 35, 2304 (2002).
• [13] D.V Bedenko, O.B Kovalev, I.V. Krivtsun, J Phys D: Appl Phys. 43, 105501 (2010).
• [14] M. Beck, P. Berger, H. Hugel, J Phys D: Appl Phys. 28, 2430 (1995).
• [15] X. Song, B. Li, Z. Guo, S. Wang, D. Cai, J. Wen, Optics Communications. 282, 4779 (2009).
• [16] H.S. Kim, J.M. Yang, J Korean Phys Soc. 55, 1425 (2009).
• [17] W. Xie, S-C. Tam, Y-L. Lam, J. Liu et al., Appl Optics. 39, 5482 (2000).
• [18] M.A. Oliver, R. Webster, Int J Geogr Inf Syst. 4, 313 (1990).
• [19] S. Sakata, F. Ashida, M. Zako, Computational Methods in Applied Mechanical Engineering 192, 923 (2003).
• [20] F. Yigit, L.G. Hector, J Therm Stresses. 25, 663 (2002).
• [21] T. Skrzypczak, E. Węgrzyn-Skrzypczak, Int J Heat Mass Trans. 55, 4276 (2012).
• [22] M.A. Rady, V.V. Satyamurty, A.K. Mohanty, Heat Mass Transfer. 32, 499 (1997).
• [23] T. Skrzypczak, Arch Metall Mater. 57, 1189 (2012).
• [24] Nedjar, Comput Struct. 80, 9 (2002).
• [25] L. Sowa, Archives of Foundry Engineering. 11, 199 (2011).
• [26] J.M. Dowden, The mathematics of thermal modeling, Taylor & Francis Group, USA (2001).
• [27] L. Sowa, A. Bokota, Arch Metall Mater. 57, 1163 (2012).
• [28] E. Majchrzak, B. Mochnacki, J.S. Suchy, J Theor Appl Mech. 46, 257 (2008).
• [29] K. Mundra, T. DebRoy, Metall Trans B. 24B, 145 (1993).
• [30] A. Bokota, T. Domański, Arch Metall Mater. 52, 277 (2007).
• [31] S. Serajzadeh, J Mater Process Tech. 146, 311 (2004).
• [32] T. Domański, A. Bokota, Arch Metall Mater. 56, 325 (2011).
• [33] W. Piekarska, M. Kubiak, Z. Saternus, Arch Metall Mater. 58, 1391 (2013).
• [34] S.V. Patankar, Numerical heat transfer and fluid flow, Taylor & Francis, USA (1990).

Uwagi

PL

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