Исследование формы ванны расплава при лазерном воздействии на сталь AISI 316L с учетом конвекции Марангони
Авторы: Никифоров С.А., Шварц И.В., Гильмутдинов А.Х., Горунов А.И.
Опубликовано в выпуске: #2(134)/2023
DOI: 10.18698/2308-6033-2023-2-2248
Раздел: Механика | Рубрика: Механика жидкости, газа и плазмы
На основе известных представлений о моделировании термокапиллярной конвекции рассмотрены двухфазная физико-математическая модель плавления нержавеющей стали AISI 316L и численная реализация модели методом конечных объемов в программном комплексе ANSYS CFX. Предложены аппроксимирующие функции для учета эффективных удельной теплоемкости и динамической вязкости в переходном процессе от твердого к жидкому состоянию для минимизации численной ошибки вблизи точек температур ликвидуса и солидуса. Приведено описание процесса формирования ванны расплава при воздействии лазерным излуче-нием с гауссовым профилем интенсивности с учетом граничных условий конвекции Марангони, конвективной теплоотдачи и радиационной теплоотдачи. Показано влияние термокапиллярной конвекции на форму смоченной поверхности ванны расплава. Предложен подход к контролю течений на свободной поверхности ванны расплава с помощью изменения профиля интенсивности лазера.
Литература
[1] Гурин А.М., Ковалев А.Б. Моделирование многовихревой конвекции мелкодисперсных легирующих компонентов в ванне расплава под действием лазерного излучения. Теплофизика и аэромеханика, 2013, № 2, с. 229–238.
[2] Siao Y.-H., Wen C.-D. Examination of molten pool with Marangoni flow and evaporation effect by simulation and experiment in selective laser melting. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2021, vol. 125, paper no. 105325. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105325
[3] Вейко В.П., Петров А.А., Самохвалов А.А. Введение в лазерные технологии. Опорный конспект лекций по курсу «Лазерные технологии». В.П. Вейко, ред. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 2018, 161 с.
[4] Le T.-N., Lo Y.-L. Effects of sulfur concentration and Marangoni convection on melt-pool formation in transition mode of selective laser melting process. Materials & Design, 2019, vol. 179, paper no. 107866. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107866
[5] 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, iss. 4–5, pp. 2256–2266. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.07.246
[6] 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, iss. 5, pp. 2192–2208. https://doi.org/10.1007/s11661-020-05705-4
[7] Yilbas B.S., Akhtar S. Laser welding of AISI 316 steel: microstructural and stress analysis. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2013, vol. 135, iss. 3. https://doi.org/10.1115/1.4024155
[8] Depradeux L., Jullien J.-F. 2D and 3D numerical simulations of TIG welding of a 316L steel sheet. Revue Européenne des Éléments, 2004, pp. 269–288.
[9] 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, iss. 5, paper no. 725. https://doi.org/10.3390/met12050725
[10] IAEA. Thermophysical Properties of Materials for Nuclear Engineering: A Tutorial and Collection of Data. Vienna, 2008.
[11] 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, iss. 5. https://doi.org/10.1007/s10765-022-02991-5