Анализ течений при лазерно-акустической обработке нержавеющей стали AISI 316L
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2024.17.2.12Ключевые слова:
лазерный нагрев, конвекция Марангони, ванна расплава, вычислительная механика, метод конечных объемов, ультразвуковое полеАннотация
Изучается влияние ультразвуковых колебаний на течение расплавленного металла при его лазерной обработке. Данная задача представляет интерес с позиций модернизации существующих технологических процессов, таких как лазерная сварка и наплавка, для получения структур с улучшенными физико-механическими свойствами. Введение дополнительного ультразвукового воздействия в ванну с расплавом интенсифицирует течение металла путем принудительного перемешивания для его гомогенизации (выравнивания состава), что и приводит к повышению механических свойств за счет увеличения числа центров кристаллизации при затвердевании. Для лучшего понимания такого комбинированного процесса и управления им предложен способ, заключающийся в синтезе прочностного и гидродинамического решателей программного комплекса ANSYS. Настройка связи между соответствующими модулями ANSYS - Transient Structural и CFX, осуществляется через дополнительный модуль ANSYS System Coupling. При таком подходе к реализации задачи становятся возможными расчет смещений на границе твердого металла и их передача на границу жидкого металла и обратно в каждый момент времени. Воздействие лазерного излучения на жидкий металл рассматривается с учетом конвекции Марангони, конвективной и радиационной теплоотдачи. Результаты численных экспериментов позволяют провести качественное и количественное сравнение характеристик сформированных течений жидкой нержавеющей стали AISI 316L как без воздействия ультразвуковых колебаний, так и в их присутствии. Показано, что интенсификация и торможение течений наблюдаются при средних значениях амплитуды ультразвукового воздействия. Данный факт соотносится с моментами времени, когда деформированная поверхность металла в ванне совершает движения вниз-вверх. Выполнено аналитическое сравнение максимальных скоростей на оси ванны расплава. Отмечено отсутствие реакции расплавленного металла на ультразвуковое воздействие при максимальных значениях амплитуды колебаний, которые отвечают максимальным смещениям и деформации поверхности на границе жидкого и твердого металла.
Скачивания
Библиографические ссылки
Мощныйультразвуквметаллургииимашиностроении / под ред. О.В. Абрамова, В.М. Приходько. М.: Янус-К, 2006. 688 с.
Ефимов В.А., Эльдарханов А.С. Технологии современной металлургии. М.: Новые технологии, 2004. 784 с.
Эскин Г.И. Обработка и контроль качества цветных металлов ультразвуком. М.: Металлургия, 1992. 124 с.
Вейко В.П., Либенсон М.Н., Червяков Г.Г., Яковлев Б.Е. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Силовая оптика. М.: Физматлит, 2008. 312 с.
Gorunov A.I. Additive manufacturing of Ti6Al4V parts using ultrasonic assisted direct energy deposition // Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 59. P. 545–556. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.10.024.
Ji F., Qin X., Hu Z., Xiong X., Ni M., Wu M. Influence of ultrasonic vibration on molten pool behavior and deposition layer forming morphology for wire and arc additive manufacturing // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2022. Vol. 130. P. 105789. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105789.
Liu Z., Jin X., Li J., Hao Z., Zhang J. Numerical simulation and experimental analysis on the deformation and residual stress in trailing ultrasonic vibration assisted laser welding // Advances in Engineering Software. 2022. Vol. 172. P. 103200. DOI: 10.1016/j.advengsoft.2022.103200.
Ivanov I.A., Dub V.S., Karabutov A.A., et al. Effect of laser-induced ultrasound treatment on material structure in laser surface treatment for selective laser melting applications // Scientific Reports. 2021. Vol. 11, no. 1. DOI: 10.1038/s41598-021-02895-8.
OhrdesH., Nothdurft S., Nowroth C., Grajczak J., Twiefel J., Hermsdorf J., KaierleS., Wallaschek J. Influence of the ultrasonic vibration amplitude on the melt pool dynamics and the weld shape of laser beam welded EN AW-6082 utilizing a new excitation system for laser beam welding // Production Engineering. 2021. Vol. 15, no. 2. P. 151–160. DOI: 10.1007/s11740-020-01008-0.
Chimakurthi S.K., Reuss S., Tooley M., Scampoli S. ANSYS Workbench System Coupling: a state-of-the-art computational framework for analyzing multiphysics problems // Engineering with Computers. 2017. Vol. 34, no. 2. P. 385–411. DOI: 10.1007/s00366-017-0548-4.
Sahu A.K., Bag S. Probe Pulse Conditions and Solidification Parameters for the Dissimilar Welding of Inconel 718 and AISI 316L Stainless Steel // Metallurgical and Materials Transactions A. 2020. Vol. 51, no. 5. P. 2192–2208. DOI: 10.1007/s11661-020-05705-4.
Yilbas B.S., Akhtar S. Laser Welding of AISI 316 Steel: Microstructural and Stress Analysis // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2013. Vol. 135, no. 3. DOI:10.1115/1.4024155.
Depradeux L., JullienJ. - F. 2D and 3D Numerical Simulations of TIG Welding of a 316L Steel Sheet // Revue Européenne des Éléments. 2004. P. 269–288.
Xia X., Wu J., Liu Z., Ma J., Ji H., Lin X. Numerical Simulation of 50 mm 316L Steel Joint of EBW and Its Experimental Validation // Metals. 2020. Vol. 12, no. 5. P. 725. DOI: 10.3390/met12050725.
Thermophysical Properties of Materials for Nuclear Engineering: A Tutorial and Collection of Data. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2008.
Kumar K.S. Numerical modeling and simulation of a butt joint welding of AISI 316L stainless steels using a pulsed laser beam // Materials Today: Proceedings. 2015. Vol. 2, no. 4/5. P. 2256–2266. DOI: 10.1016/j.matpr.2015.07.246.
Pichler P., Leitner T., Kaschnitz E., Rattenberger J., Pottlacher G. Surface Tension and Thermal Conductivity of NIST SRM 1155a (AISI 316L Stainless Steel) // International Journal of Thermophysics. 2022. Vol. 43, no. 5. DOI: 10.1007/s10765-022-02991-5.
Grabco D., Shikimaka O., Pyrtsac C., Barbos Z., Popa M., Prisacaru A., Vilotic D., Vilotic M., Alexandrov S. Nano- and Micromechanical Parameters of Steel AISI 316L. 2020. DOI:10.5281/ZENODO.3640700.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 1970 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.