POLE TEMPERATURY I PRZEMIANY FAZOWE W SWC POŁĄCZENIA SPAWANEGO LASEROWO

Transkrypt

1 54/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN POLE TEMPERATURY I PRZEMIANY FAZOWE W SWC POŁĄCZENIA SPAWANEGO LASEROWO W. PIEKARSKA 1 Instytut Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn, Politechnika Częstochowska, Częstochowa, ul. Dąbrowskiego 73 STRESZCZENIE W racy rzedstawiono numeryczną analizę ola temeratury i rzemian fazowych towarzyszących sawaniu laserowemu sawalnej stali o odwyższonej wytrzymałości. Pole temeratury otrzymano z rozwiązania równania rzewodnictwa cieła z wewnętrznym źródłem cieła. W algorytmie uwzględniono cieło rzemian fazowych ciało stałe-ciecz i cieło rzemian fazowych w stanie stałym. Udziały fazowe w stanie stałym wyznaczono w oarciu o wykres CPc-S stali oraz równania Avramiego i Koistinena-Marburgera. Otrzymane wyniki obliczeń numerycznych orównano z ekserymentem. Key words: laser welding, hase transformation, numerical simulation 1. WPROWADZENIE Rosnący zakres stosowania laserów w rzemysłowych technologiach sawalniczych owoduje wzrost wymagań technologicznych w celu uzyskiwania dobrej jakości soiny i niezawodności sawanych elementów. Sawanie wiązką romieniowania laserowego rzebiega w nieco odmienny sosób niż sawanie metodami konwencjonalnymi i wymaga innego odejścia rzy modelowaniu numerycznym. Ruchome źródło cieła dużej gęstości mocy różni się arametrami od klasycznych źródeł rzyjmowanych w sawalnictwie, a istotną jego cechą jest głęboka enetracja sawanego materiału. Lokalny wzrost temeratury rowadzi nie tylko do stoienia, lecz również do miejscowego arowania metalu. Koncentracja energii cielnej i duże szybkości chłodzenia wystęujące odczas sawania laserowego (znacznie wyższe niż rzy metodach łukowych) rowadzą do owstawania struktur 1 dr inż., iekarska@imikm.cz.czest.l

2 371 hartowania zarówno w soinie jak i w SWC nawet w dobrze sawalnych, niestoowych i niskostoowych stalach konstrukcyjnych [1, 3, 5]. W racy rzedstawiono numeryczną analizę ola temeratury i rzemian fazowych odczas sawania laserowego sawalnej stali o odwyższonej wytrzymałości. Pole temeratury otrzymano z rozwiązania równania rzewodnictwa cieła z wewnętrznymi źródłami cieła we wsółrzędnych Eulera zakładając ruch obiektu sawanego względem nieruchomej głowicy sawającej. Do rzekształcenia modelu matematycznego w rzestrzenno czasowy model numeryczny skorzystano z metody różnic skończonych oraz jawnego schematu całkowania o czasie. W algorytmie uwzględniono cieło rzemian fazowych ciało stałe-ciecz i cieło rzemian fazowych w stanie stałym. Przemiany fazowe wyznaczono w oarciu o wykres CPc-S stali oraz równania Avramiego dla rzemian dyfuzyjnych i Koistinena-Marburgera dla rzemiany martenzytycznej [1,5]. Przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych. Porównano czołowe ołączenie sawane z ołączeniem wyznaczonym numerycznie otrzymanym rzy tych samych, co ołączenie rzeczywiste warunkach sawania. 2. POLE TEMPERATURY Pole temeratury otrzymano z rozwiązania równania nieustalonego rzeływu cieła, które we wsółrzędnych Eulera ma ostać ( x, t) T ~ ( λ T ( x, t) C C T ( x, t) v + Q = 0 (2.1) ef t ef gdzie: λ=λ(t) jest wsółczynnikiem rzewodzenia cieła zależnym od temeratury [W/mK], C ef jest zastęczą ojemnością cielną, w której uwzględnia się cieło rzemiany fazowej wynikającej ze zmiany stanu skuienia i cieło ochodzące od ~ rzemian fazowych w stanie stałym, Q = Q v + Q v jest mocą objętościowych źródeł cieła [W/m 3 ], rzy czym Q v jest mocą źródła nagrzewania a Q uwzględnia cieło arowania materiału w kanale arowym, x = x(x α ) jest wektorem ołożenia unktu, v = v(x,t) rędkosci sawania. Równanie (2.1) uzuełniają: warunek oczątkowy, warunki brzegowe tyu Dirichleta i Neumanna v ~ T T = T, q = λ = q~ (2.2) Γ n Γ oraz warunek Newtona uwzględniający stratę cieła do otoczenia orzez konwekcję, romieniowanie i arowanie.

3 372 T 4 4 λ = Q0( r0 ) + α( T T0 ) + εσ ( T T0 ) + Q0 ( r0 ) (2.3) n gdzie: α jest wsółczynnikiem wymiany cieła z otoczeniem, ε emisyjnym wsółczynnikiem romieniowania cieła, a σ jest stałą Stefana-Boltzmana. Cieło Q 0 (r 0 ) jest strumieniem cieła do owierzchni elementu sawanego (z=0) w olu działania źródła o romieniu r 0, Q [W/m 2 0 ( r 0 ) = wh ] uwzględnia stratę cieła v na skutek arowania materiału w obszarze, w którym temeratura jest wyższa od temeratury arowania (T T ), w jest rędkością arowania [m/s], a H v ciełem arowania [J/m 3 ]. Istotny wływ na jakość i kształt soiny ma moc wiązki laserowej i jej rozkład w sawanym elemencie. W modelowaniu numerycznym najczęściej rzyjmuje się gaussowski rozkład mocy wiązki laserowej [2, 4, 6]. Modelując rozkład mocy wiązki wzdłuż grubości elementu sawanego zakłada się, że moc wiązki ma wartość stałą na całej głębokości enetracji, rzyjmując źródło w kształcie walca, bądź też, co wynika z analizy rocesu [4,6], że moc wiązki zmniejsza się wraz ze zwiększaniem jej głębokości enetracji, a źródło rzybiera kształt stożka lub stożka ściętego. Przyjęto model źródła, który na ołowie wysokości d rzyjmuje kształt walca, natomiast w ozostałej części sawanego elementu kształt stożka ściętego, o rozkładzie mocy q x, y, z) = 2 2 η Q ( x + y ) z ex 1 1 (2.4) V rz d ( 2 gdzie: Q jest mocą wiązki laserowej [W], η srawnością, d głębokością enetracji wiązki cieła (rzyjęto równą grubości elementu sawanego) [m], natomiast z jest bieżącą głębokością 0 z d / 2, 2z rz = r( z) = r0 ( r0 rk ), [m], d d V = π ( rk + r0 + r0 r k ) jest objętością zajmowaną rzez źródło, r 0 i r k są romieniami wiązki odowiednio na owierzchni (z=0) i na głębokości z=d/2 Objętościowe źródło cieła uwzględniające zjawisko arowania materiału Q v w kanale arowym gdy temeratura materiału osiąga temeratury wyższe od temeratury arowania T szacowane jest zależnością Q ( r ) 0 z wh d v = dla T T (2.5) Do obliczeń rzyjęto H v = J/m 3, w=100 m/s i T = C.

4 373 W roonowanym algorytmie cieło rzemian fazowych uwzględnione jest orzez zmianę właściwej ojemności cielnej (C ef ). Cieło rzemiany fazowej cieczciało stałe (C ) wrowadzone jest do modelu z założeniem liniowej L aroksymacji ef udziału fazy stałej omiędzy temeraturami solidusu i likwidusu (T S i T L ). Do obliczeń numerycznych rzyjęto: temeratury T S =1750 i T L =1800 K, c S = 650 i c L =840 J/kgK (wartości cieła właściwego ciała stałego i cieczy), ρ S = 7800 i ρ L =6800 kg/m 3 (gęstości ciała stałego i cieczy), oraz L= J/kg (utajone cieło rzemiany). Cieło rzemian w fazie stałej uwzględnia się orzez odstawienie C tr ef η T T T (2.6) i = Hi ρs dla i Ts Tf s f gdzie: H i jest ciełem i-tej rzemiany fazowej [J/kg], η i ułamkiem fazowym, a T s i T f są temeraturami oczątku i końca rzemiany fazowej. 3. PRZEMIANY FAZOWE. WYNIKI OBLICZEŃ NUMERYCZNYCH Model numeryczny wyznaczania udziałów fazowych dotyczy sawalnej stali o odwyższonej wytrzymałości 18G2A, o składzie chemicznym: 0,19 C, 1,0 Mn, 0,2 Si, 0.03 P, S, 0.08 Cr, Al, V, %. Objętościowy udział austenitu odczas nagrzewania wyznacza się korzystając z formuły Mehla-Avramiego uwzględniając strukturę wyjściową. Udział faz owstałych z austenitu w rocesie chłodzenia (η (.) ) rzemian dyfuzyjnych determinowane temeraturą i szybkością chłodzenia w rzedziale [800,500] 0 C wyznaczane są również formułą Mehla-Avramiego, natomiast udział martenzytu (η M ) szacuje się zależnością Koinstinena-Marburgera [1,5]. ~ n η() ( T, t) = η A(1 ηi )(1 ex( bt )) η ( T ) = ~ η (1 η )(1 ex( k( M T )) M A i S (3.1) Wsółczynniki b= b(t) i n=n(t) wyznacza się warunkując udział oczątkowy oraz końcowy rzemiany, k jest wsółczynnikiem zależnym od temeratury M f zakończenia rzemiany martenzytycznej. Cieło rzemiany fazowej zmienia kinetykę rzemian fazowych. Dla stali 18G2A cieło rzemiany struktury wyjściowej w austenit w temeraturach A 1. A 3 rzyjęto wartość H FP A = J/kg, natomiast rzy chłodzeniu wartość cieła H A BM =1, J/kg rzemiany austenitu w bainit i martenzyt w temeraturach C. Na rysunkach 3.1 i 3.2 okazano jaki wływ na temeraturę i kinetykę rzemian fazowych w stali ma uwzględnienie cieła rzemiany fazowej rzy nagrzewaniu i chłodzeniu. Można zauważyć, że dla rzyjętego w sawalnictwie modelu rzemian

5 374 t 8/5 t * 8/5 Rys Wływ cieła rzemiany na rozkład temeratury. Fig The influence of transformation heat on the temerature distribution. uamek fazy martenzyt bainit bez H z H czas, s Rys Wływ cieła rzemiany na kinetykę rzemian fazowych. Fig The influence of transformation heat on the kinetics of hase transformation. fazowych (arametr t 8/5 ) istotne znaczenie na kinetykę rzemian rzy chłodzeniu i w konsekwencji końcowy skład strukturalny ma cieło rzemiany nagrzewania, które zmienia czas chłodzenia t 8/5 ( or. rys. 3.1 i 3.2) Wykonano numeryczną symulację sawania laserowego elementu rostoadłościennego o wymiarach mm, rzyjmując stosowane w ekserymencie arametry sawania: moc wiązki laserowej Q 1 =3,8 kw i rędkość sawania v=0,7 m/min. Przyjęto źródło o romieniach r 0 = 0,9 i r k = 0,4 mm, założono srawność η=0,75. Na rysunku 3.3 zaznaczono izolinie określające strefę rzetoienia i izolinię określającą wielkość strefy wływu cieła Rys Połączenie sawane laserowo. Fig Laser welded joint

6 375 Porównano wielkość soiny i SWC ołączenia sawanego z wielkością soiny i SWC ołączenia wyznaczonymi numerycznie (or. rys. 3.3). Analizując wyniki symulacji numerycznych (rys ) można zauważyć, że roonowany model zjawisk cielnych i rzemian fazowych w stali 18G2A dobrze rzybliża zjawiska sawania techniką laserową. LITERATURA [1] Bokota A., Piekarska W., Narężenia w strefie wływu cieła ołączenia sawanego laserowo ze wstęnym odgrzaniem, Technologia i Automatyzacja Montażu, 3 i 4, 2004, [2] Didenko T., Kusiński J., Turbulentny model wielofazowego transortu masy w rocesie laserowego rzetaiania żeliwa sferoidalnego. Inżynieria Materiałowa, 2005, 5, [3] Klimel A., Wolnik A., Sawanie laserem diodowym dużej mocy złączy doczołowych blach ze stali o wysokiej wytrzymałości. Przegląd sawalnictwa 2001, 10-11, [4] Kyrsanidi An.K., Kermanidis Th.B., Pantelakis S.G., Numerical and exerimental investigation of the laser forming rocess. Journal of Materials Processing Technology, 87, 1999, [5] Piekarska W., Phase transformation in HAZ metal of welded joints made by laser welding with reheating, Proc. of Int. Conf. Matematical modelling and information technologies in welding and related rocess, 2004, Katsiveli, Crimea, [6] Tsirkas S. A. Paanikos P. Kermanidis Th., Numerical simulation of the laser welding rocess in butt-joint secimens, Journal of Materials Processing Technology, 2003, 134, TEMPERATURE FIELDS AND PHASE TRANSFORMATIONS OF HAZ IN THE LASER BEAM WELDED JOINT SUMMARY In the aer the numerical analysis of the temerature fields and hase transformation during the laser beam welding of the high strength steel is resented. The temerature field was obtained with the use of numerical solution of thermal conduction with an internal source of heat. In the algorithm latent heat of hase transformation was used. The hase fraction and kinetics of transformations were determined by using of Avrami, Koistinen and Marburger equations and were based on the CCT-steel diagram. Obtained numerical results were comared with those of the exeriment. Recenzował Prof. Andrzej Bylica