پيش بيني هندسه مقطع جوش در جوشكاري ليزر پالسي با استفاده از انواع مدل هاي حرارتي روي ورق هاي فولادي زنگ نزن

Prediction of Weld-Section Geometry in Pulsed Laser Welding Using Different Thermal Models for Thin Stainless Steel Sheets

جوشكاري ليزر پالسي به دليل تمركز بالاي انرژي، كاربردهاي فرارواني در اتصال ورق هاي نازك دارد. در اين تحقيق شبيه سازي المان محدود جوشكاري ليزر پالسي به صورت سه بعدي با نرم افزار آباكوس و به همراه انجام سه آزمايش تجربي با سطوح انرژي كم، متوسط و زياد روي ورق هاي نازك فولاد زنگ نزن 316 كم كربن انجام شده است. همچنين براي افزايش دقت شبيه سازي اتلاف گرما از طريق تشعشع، همرفت و هدايت حرارتي در نظر گرفته شده است. مدل هاي حرارتي مورد استفاده با توزيع شار حرارتي سطحي گوسي، توزيع شار حجمي گوسي و توزيع شار حجمي هرمي استفاده شده است. هدف دستيابي به منطبق ترين مدل حرارتي براي انجام شبيه سازي براي ورق هاي زنگ نزن آستنيتي نازك است. همچنين به منظور افزايش دقت تحليل هاي حرارتي در تخمين ابعاد هندسه جوش، ضريب تصحيح تعريف و در روابط هر سه مدل حرارتي اعمال شده است. پس از انجام تحليل حرارتي، ابعاد سطح مقطع هندسه جوش براي هر كدام از مدل هاي حرارتي ذكرشده استخراج و با نتايج تجربي مقايسه شده است. نتايج نشان مي دهند مدل حرارتي سطحي گوسي تنها براي مواردي كه سطوح انرژي كم و نفوذ سطحي باشد، دقت كافي دارد. همچنين مدل حرارتي هرمي با تغيير ضريب تصحيح، در تمامي سطوح انرژي نسبت به مدل حرارتي حجمي گوسي، تطابق بيشتري با نتايج تجربي دارد. لذا مي توان مدل حرارتي هرمي را به عنوان منطبق ترين مدل در شبيه سازي فرآيند جوشكاري ليزر در ورق هاي فولادي نازك انتخاب نمود.

Pulsed laser welding have a wide application in welding of thin sheet because of high intensity of its localized heat source. In the current study, 3 experimental tests with low, medium, and large level of energy and also, the 3D finite element simulation of Nd:YAG pulsed laser welding in thin sheet AISI316L have been done. Thermal analyzes were done with ABAQUS software in transient heat transfer. In order to increase the accuracy of thermal model, heat losses were considered as convection, radiation, and thermal conduction. 3 thermal models with different heat flux distribution as Gaussian surface, Gaussian volume, and conical volume were used. The main aim of this study is the selection of best thermal model between 3 mentioned thermal models to estimate the melt pool geometry with high accuracy. In addition, with defining and applying the shape factor in 3 thermal models, the finite element analyses were carried out in order to enhance the precision of estimated melt pool geometry. After thermal analysis, the melt pool geometry dimensions are extracted for each of the mentioned thermal models and compared with experimental results. Results show that thermal analysis with Gaussian surface model have the melt pool geometry accurately just in welding with low energy. Also, the conical model could estimate the melt pool geometry in all levels of energy with acceptable accuracy. Therefore, the pyramidal thermal model can be selected as the most suitable model for simulating pulsed laser welding in thin steel sheets.