تأثير خواص فيزيكي وابسته به دما در مدل‌سازي اجزاي محدود جوشكاري ليزري آلياژ تيتانيوم

Effect of temperature-dependent physical properties on finite element modeling of laser welding of titanium alloy

در اين پژوهش تأثير استفاده از خواص حرارتي متغير و همچنين ثابت نسبت به تغييرات دما، در دقت شبيه‌سازي عددي جوشكاري ليزري آلياژ تيتانيوم Ti60، مورد مطالعه قرار گرفته است. يك مدل المان محدود از قطعه ورق آلياژ Ti60 به ضخامت سه ميلي‌متر ساخته شده و با استفاده از منبع حرارتي سه بعدي متحرك، تحت تأثير پرتو ليزر قرار گرفته است. به منظور تائيد صحت مدل‌سازي المان محدود، نتايج حاصل با نتايج داده‌هاي آزمايشگاهي مقايسه شده و همچنين تأثير تعداد المان‌هاي مدل اجزاي محدود نيز بر روي نتايج، مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج حاصل از مدل‌سازي اجزاي محدود نشان دادند كه انجماد از ناحيه زيرين قطعه ورق شروع مي‌شود و به طرف بالاي ورق و در راستاي درز جوش، پيشروي مي‌كند. همچنين، در حالت استفاده از خواص چگالي، ظرفيت حرارتي و ضريب هدايت متغير با درجه حرارت، بهترين نتايج به دست مي‌آيد. استفاده از چگالي ثابت موجب كاهش كمي در مقادير حداكثر درجه حرارت و ابعاد حوضچه جوش و استفاده از ظرفيت حرارتي ثابت موجب افزايش اين مقادير مي‌شود ولي اين تغييرات در حدي هستند (زير 2%)، كه مي‌توان از چگالي و ظرفيت حرارتي ثابت در مدل‌سازي كل فرآيند جوشكاري ليزري، استفاده كرد. ولي استفاده از ضريب هدايت حرارتي ثابت خطاي زيادي در مقادير حداكثر درجه حرارت (حدود دو برابر در مقدار اين پارامتر) و ابعاد حوضچه مذاب ايجاد مي‌كند و نمي‌توان مقدار اين پارامتر را در شبيه‌سازي جوشكاري ليزري، ثابت فرض كرد.

This study investigates the effect of using temperature-dependent and constant thermophysical properties on the precision of numerical simulation in the laser welding of titanium Ti60 alloy. A finite element model is made for 3 mm thick Ti60 alloy sheet piece and is affected by the laser beam using a three-dimensional moving heat source. For verification of the finite element model, the numerical results are compared with the results of experimental data. Also, the influence of the number of elements on the results is investigated. The results of the finite element modelling showed that the solidification starts from the bottom of the melt pool and progresses to the top of the sheet and along the weld seam. Also, the best results are obtained with all the thermophysical properties of density, thermal capacity and conductivity were temperature-dependent. The use of constant density reduces the maximum values of the temperature and dimensions of the weld pool, and the use of constant heat capacity increases these values. Still, these changes are such that (less than 2%), constant density and thermal capacity can be used to model the whole laser welding process. However, the use of constant thermal conductivity causes a large error in the maximum values of the temperature (about twice the value of this parameter), and the dimensions of the melt pool, and this parameter cannot be assumed constant in the simulation of laser welding.