Modelowanie obłoku plazmowego powstającego podczas spawania żelaza. T. Mościcki

Transkrypt

1 Modelowanie obłoku plazmowego powstającego podczas spawania żelaza T. Mościcki

2 W referacie zostanie omówione modelowanie plazmy powstającej podczas spawania żelaza laserem CO2. Obliczenia zostały przeprowadzone dla mocy lasera 17 W i dwóch gazów osłonowych argonu i helu. Podczas symulacji rozważono różne prędkości wypływu gazów osłonowych jak i par metalu. Wyniki pokazują, że podczas gdy gazem osłonowym jest argon obserwujemy dwie plazmy: plazmę argonu i plazmę żelaza, natomiast w przypadku helu tylko jedną plazmę żelaza. Wyniki są zgodne z eksperymentem.

3 Zjawisko powstawania plazmy podczas spawania laserowego - Powstanie kanału parowego - Erupcja par metalu - Napływ gazu osłonowego i mieszanie się z parami metalu w ią z k a la s e r o w a 2 (I > 1 M W /c m ) g a z o s ło n o w y (A r,h e ) o b ło k p la z m o w y T m a x= k K 17-3 N m a x> 1 c m je z io r k o s p a w a ln ic z e kanał p a ro w y k ie r u n e k p r z e s u w u m a te r ia łu ( 1-1 m / m in ) m a t e r ia ł s p a w a n y Zjawiska związane z obłokiem plazmowym oddziaływanie par metalu z gazem osłonowym (mieszanie, chłodzenie), absorpcja wiązki laserowej, refrakcja, promieniowanie plazmy

4 Interpretacja kolorowych zdjęć plazmy 1.6 E E + 8 F e 1 [K ] W s p ó łc z y n n ik e m is ji [W m - 3 * s r - 1 ] W s p ó łc z y n n ik e m is y jn o ś c i [W m - 3 s r - 1 ] A r 1 [K ] 1.2 E E E E E E + 8. E +. E D łu g o ś ć fa li [A ] D łu g o ś ć f a li [ A ] Współczynniki emisji linii żelaza i argonu w zakresie fal widzialnych dla temperatury 1 K 7 8

5 Analiza kolorów plazmy 1E+1 W sp.em isji [W m -3 ster -1 ] (4-7 Å) 1E+9 Fe 1E+8 Ar 1E+7 1E+6 1E Tem peratura 2 25 [K ] Diagram CIE z obliczonymi kolorami plazmy żelaza i argonu w różnych temperaturach Porównanie promieniowania plazmy argonu i metalu w zakresie widzialnym w zależności od temperatury

6 Zdjęcia plazmy zrobione kamerą szybką Czas ekspozycji 1 s, odstęp między ujęciami 4 s. Moc lasera 2kW. Materiał spawany stal 1H18N9 o grubości 2mm. Prędkość spawania 1m/min. Gaz osłonowy argon 1 l/min. Maksymalne wysokości obłoku około1.8mm. Niebieski obłok plazma w parach metalu, różowy plazma argonowa. (Kurzyna J., Szymański Z., Peradzyński Z. 1995, J.Tech.Phys. 36, )

7 Analiza pomiarów spektroskopowych P la z m a m e t a lu S y g n a l ( je d n. w z g l) S y g n a ł ( je d n.w z g l) p la z m a m e ta lu A rg o n. A rg o n C z a s ( m ik r o s e k u n d y ) C z a s ( m ik r o s e k u n d y ) Typowe sygnały optyczne emitowane przez obłok plazmowy powstający przy spawaniu stali nierdzewnej o grubości 2 mm. Czarna linia sygnał z fotodiody, czerwona promieniowanie linii argonu Ar I 754 Å 1

8 Zdjęcia obłoku plazmowego zrobione kamerą do szybkich zdjęć. Czas ekspozycji 1 s, odstęp między ujęciami 4 s. Moc lasera 2 kw. Materiał spawany stal 1H18N9 o grubości 2 mm. Prędkość spawania 1 m/min. Gaz osłonowy hel 4 l/min Maksymalne wysokości obłoku ~.5 mm. Niebieski obłok plazma w parach metalu (Kurzyna J., Szymański Z., Peradzyński Z. 1995, J.Tech.Phys. 36, )

9 Dotychczasowe wyniki a b Rozkłady temperatury (a) i ułamka masowego Y (b) w płaszczyźnie x-y i z=5 mm. Prędkość par na wylocie z kanału 1 m/s. Temperatura par na wylocie z kanału parowego1 K. Prędkość argonu na wylocie z dyszy 5 m/s, temperatura 3 K. Prędkość par na wylocie z kanału 1 m/s. Zewnętrzna izoterma T=1 K, zewnętrzny kontur Y =.1. Moc lasera 26 W. (Wang Hai-Xing and Chen Xi 23 J.Phys D:Appl.Phys )

10 Układ równań (Fluent 6.1) Równanie zachowania masy v t - gęstość masowa, Równanie zachowania pędu v - wektor prędkości, p - ciśnienie, g - grawitacja, v v v p g FF - siły zewnętrzne, t - lepkość dynamiczna, gdzie jest tensorem naprężeń lepkich T 2 v v v I 3 I tensor jednostkowy

11 Równanie zachowania energii E v E p T I L R t gdzie E energia, E h p.5v 2 h Yj h j j h - entalpia całego układu, h j - entalpia składników, - współczynnik przewodnictwa cieplnego, T - temperatura, - współczynnik absorpcji promieniowania laserowego, T hj cp, j dt Tref I L- natężenie wiązki laserowej, R - straty promieniste plazmy, c p, j- ciepło właściwe składnika

12 Równanie dyfuzji Yi v Yi J i t gdzie J i strumień dyfuzyjny składnika i Di,m - współczynnik dyfuzji, Mi mi ni J j Di,m Yi a Yi ułamek masowy składnika i mi n i, j Mi i j Yi M i M k i k mi n i, j m k n k, j j j - masa i-tego składnika, - masa atomowa - gęstość cząsteczek

13 Człon źródłowy w równaniu energii Natężenie wiązki laserowej 2 2P 2 r L IL 2 exp 2 exp ds w(z) w(z) gdzie z w (z) w 1 z z jest długością Rayleigh a, r i z są odpowiednio składowymi radialną i osiową w zależności od drogi przebytej przez wiązkę. Pierwsze równanie opisuje zogniskowaną wiązkę gaussowską, a znajdujący się na końcu tego równania człon wykładniczy określa osłabienie wiązki na drodze do punktu o współrzędnych r i z. W obliczeniach zostało przyjęte, że promień wiązki w ognisku w wynosi.15 mm, natomiast f/d gdzie f jest ogniskową soczewki, a D=2w(f) średnicą wiązki na soczewce wynosi 7.

14 Warunki brzegowe Wlot par metalu - Dp =.4 mm - vz = 1 m/s, T = 1 K - vr = Wlot gazu osłonowego Ar, He - Dgo = 6 mm - vz = 25 m/s, T = 3 K - vr = Wylot (pressure outlet) ps= po= 113 Pa Ściany vr = vz =, Tść=3 K Oś symetrii vr(r=) = i T / r r

15 Funkcje materiałowe Wielkość gęstość ciepło właściwe Źródło Fe, Ar, He c pfe obliczona (program Mix, autor J. Kurzyna) c par, c phe obliczone Literatura (Drelishak 1963) Fe, Fe literatura (K. Makowski 1998) Lepkość, przewodność cieplna Ar, Ar He, He Literatura (Devoto 1973) literatura (Lick, Emmons 1962 ) współczynnik pochłaniania He Fe Ar Fe obliczony (program Mix) promieniowanie plazmy RHe Fe R Ar Fe Obliczone Obliczone + Menart, Malik 22 współczynnik dyfuzji DHe Fe D Ar Fe obliczony Funkcje materiałowe dla mieszanin Fe+He, Fe+Ar oblicza Fluent (metoda Wilke go). Obliczenia dla mieszaniny Fe+Ar sprawdzone z T. Amakawa, K. Adachi, Y. Okhi, Thermodynamic properties and viscosity of high temperature argon mixed with iron vapor, T.IEE Japan, Vol. 119-A, No. 1, 99

16 .3 a r [m ] r[m] b z[m] z [m ] Pole temperatur (a) i ułamek masowy par żelaza (b) w plazmie powstałej podczas spawania laserowego. Gaz osłonowy argon o parametrach 25 m/s i 3 K na wylocie z dyszy. Pary metalu o parametrach 1 m/s i 1 kk na wylocie z kanału parowego. Moc lasera 17 W. Zewnętrzna izoterma 2 K. Odstęp izoterm 2 K. Powierzchnia metalu i ognisko wiązki laserowej w z=.1 m. Maksymalna temperatura około 19 kk, moc pochłonięta przez plazmę 45 W, co stanowi około 26.5% mocy wiązki, przy czym sama plazma argonu pochłania około 11.7% mocy wiązki. Moc wypromieniowana przez plazmę 352 W

17 Wektory prędkości (a) i strumienia masy (b) w obłoku plazmowym. Gaz osłonowy argon. W gorącym obszarze prędkość argonu znacząco wzrasta od 25 do 7 m/s, a par metalu do 11 m/s. W odróżnieniu od prędkości wartość strumienia masy spada w momencie kiedy gaz dociera do gorącego obszaru, którego granica znajduje się 4 mm nad powierzchnią próbki.

18 .3 a 2.5E E E E+23 9.E+22 5.E+22 1.E+22 1.E b Rozkład gęstości elektronów (a) i współczynnika absorpcji (b) (jednostki SI odpowiednio 3 i m 1 ) w plazmie powstającej podczas spawania m laserowego

19 r [m ].4 r[m] a b z[m] z [m ] Pole temperatur (a) i udział masowy par żelaza (b) w plazmie powstałej podczas spawania laserowego. Gaz osłonowy hel o parametrach 25 m/s i 3 K na wylocie z dyszy. Pary metalu o parametrach 1 m/s i 1 kk na wylocie z kanału parowego. Moc lasera 17 W. Zewnętrzna izoterma 2 K. Odstęp izoterm 2K. Powierzchnia metalu i ognisko wiązki laserowej w z=.1 m. Maksymalna temperatura około 18 kk Moc pochłonięta przez plazmę 86 W, co stanowi około 5% Moc wypromieniowana przez plazmę 53 W

20 Współczynnik pochłaniania 3 3 F e - A r m ie s z a n in a F e - H e m ie s z a n in a Fe 1 F e W s p. p o c h ła n ia n ia [m - 1 ] W s p. p o c h ła n ia n ia [m - 1 ] Fe 1 F e.5 F e.2 5 Fe 1 F e.9 2 F e.7 5 F e.5 F e.2 5 Fe T e m p e ra tu ra [K ] T e m p e ra tu ra [K ] Potencjał jonizacji żelaza 7.87 ev, argonu ev, helu ev 16 2

21 Przewodnictwo cieplne wpływ na chłodzenie plazmy 1.2 E + 1 P r z e w o d n ic tw o c ie p ln e [W /m K ] Ar Fe He 8. E + 4. E +. E T [K ] 2 25

22 Wpływ prędkości gazu osłonowego na wylocie z dyszy.3.4 r[m] r[m].4 a c d Pole temperatur i ułamka masowego żelaza w plazmie powstającej podczas spawania laserowego. Gaz osłonowy argon o parametrach 15 m/s (a,b), 4 m/s (c,d) i 3 K na wylocie z dyszy. Pary metalu o parametrach 1 kk i 1 m/s na wylocie z kanału parowego b Absorpcja % dla 15 m/s, 19% dla 4 m/s

23 Zmiana średnicy wiązki.3 a c Pole temperatur w plazmie powstającej podczas spawania laserowego. Gaz osłonowy argon o parametrach 25 m/s i 3 K na wylocie z dyszy. Pary metalu o parametrach 1 kk i 1 m/s na wylocie z kanału parowego. Moc lasera 17 W. Średnica wiązki w ognisku.3 (a) i.6mm (c).

24 Zmiana położenia ogniska wiązki.3 a d Pole temperatur w plazmie powstającej podczas spawania laserowego. Gaz osłonowy argon o parametrach 25 m/s i 3 K na wylocie z dyszy. Pary metalu o parametrach 1 kk i 1 m/s na wylocie z kanału parowego. Moc lasera 17 W. Położenie ogniska na powierzchni próbki (a),1.5 mm (d).

25 Wpływ temperatury par metalu a b Pole temperatur w plazmie powstającej podczas spawania laserowego. Gaz osłonowy hel o parametrach 25 m/s i 3 K na wylocie z dyszy. Pary metalu o parametrach 1 m/s i 5 kk (a), 2 kk (b), na wylocie z kanału parowego.1

26 Wpływ prędkości par metalu na wylocie z kanału parowego.3 a c d Pole temperatur (a, c) i ułamka masowego żelaza (b,d) w plazmie powstającej podczas spawania laserowego. Gaz osłonowy argon o parametrach 25 m/s i 3 K na wylocie z dyszy. Pary metalu o parametrach 1 kk i 5 m/s (a,b), 15 m/s (c,d), na wylocie z kanału parowego b

27 Podsumowanie W przypadku gdy gazem osłonowym jest argon istnieją dwie plazmy plazma argonu i plazma metalu, natomiast gdy gazem osłonowym jest hel tylko jedna plazma żelaza Absorpcja ~ 26 % w przypadku Ar ( w tym argon 11.5 %); 5% w przypadku He (tłumaczy różnice w głębokości przetopienia ~25%) Ponieważ promieniowanie obłoku plazmowego jest powszechnie używane do kontroli procesu spawania, uzyskany wynik jest bardzo ważny. Pokazuje on, że w przypadku, kiedy gazem osłonowym jest argon należy monitorować zarówno świecenie żelaza jak i argonu Obszar plazmy zmniejsza się gdy prędkość par na wylocie z kanału parowego maleje, natomiast zwiększa gdy maleje prędkość gazu osłonowego na wylocie z dyszy Obszar plazmy zmniejsza się gdy promień wiązki w w ognisku zwiększa się, oraz gdy przesuwamy ognisko pod powierzchnie próbki Wyniki są w dobrej zgodności z eksperymentem wymiary plazmy Fe-He są zgodne z wynikami eksperymentalnymi. Plazma Fe-Ar jest nieco większa (w eksperymencie wysokość plazmy 2-3 mm). Absorpcja jest większa niż szacowana z eksperymentu (Fe-He 1%, Fe-Ar 1%, Ar 5% - ale wyniki eksperymentalne są otrzymywane z uśrednionych przestrzennie gęstości elektronów i temperatury) Praca została opublikowana w T.Mościcki, J. Hoffman, Z. Szymański; Modelling of Plasma Plume Induced During Laser Welding J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (26)