Численное моделирование и верификация точечного лазерного нагрева нержавеющей стали AISI 316L
Авторы: Никифоров С.А., Шварц И.В., Гильмутдинов А.Х., Горунов А.И.
Опубликовано в выпуске: #8(140)/2023
DOI: 10.18698/2308-6033-2023-8-2295
Раздел: Механика | Рубрика: Механика жидкости, газа и плазмы
Рассмотрены процесс точечного лазерного нагрева образца из нержавеющей стали AISI 316L и его трехмерная математическая модель. Предложен вариант численного моделирования данного процесса посредством введения источника лазерного излучения, заданного в виде супергауссова распределения с уточненными и экспериментально подобранными безразмерными коэффициентами. Учтены граничные условия конвекционной и радиационной теплоотдач, а также конвекции Марангони на свободной поверхности ванны расплава. Реализован фазовый переход металла из твердого в жидкое агрегатное состояние в интервале температур солидуса и ликвидуса за счет эффективных функций теплоемкости и вязкости. Выполнено сравнение геометрических характеристик ванн расплава, полученных при проведении ряда практических экспериментов, с данными, определенными путем численного решения. Показано, что результаты в обоих вариантах количественно и качественно совпадают с незначительной погрешностью. Сделаны выводы о погрешности численного решения.
Литература
[1] Шапеев В.П., Исаев В.И., Черепанов А.Н. Численное моделирование лазерной сварки стальных пластин. Физическая мезомеханика, 2011, № 2, с. 107–114.
[2] Rong Y., Wang L., Wu R., Xu J. Visualization and simulation of 1700MS sheet laser welding based on three-dimensional geometries of weld pool and keyhole. Int. Journal of Thermal Sciences, 2022, vol. 171, p. 107257. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2021.107257
[3] Ke W., Bu X., Oliveira J.P., Xu W., Wang Z., Zeng Z. Modeling and numerical study of keyhole-induced porosity formation in laser beam oscillating welding of 5A06 aluminum alloy. Optics & Laser Technology, 2021, vol. 133, p. 106540. DOI: 10.1016/j.optlastec.2020.106540
[4] Никифоров С.А., Шварц И.В., Гильмутдинов А.Х., Горунов А.И. Исследование формы ванны расплава при лазерном воздействии на сталь AISI 316L с учетом конвекции Марангони. Инженерный журнал: наука и инновации, 2023, вып. 2. DOI: 10.18698/2308-6033-2023-2-2248
[5] Zhao J., Jiang P., Geng S., Guo L., Wang Y., Xu B. Experimental and numerical study on the effect of increasing frequency on the morphology and microstructure of aluminum alloy in laser wobbling welding. Journal of Materials Research and Technology, 2022, vol. 21, pp. 267–282. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.09.008
[6] Mohan A., Ceglarek D., Auinger M. Effect of beam oscillation on the fluid flow during laser welding. Materials Today: Proceedings, 2022, vol. 59, pp. 1846–1851. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.04.435
[7] Zhao J., Jiang P., Geng S., Guo L., Wang Y., Xu B. Experimental and numerical study on the effect of increasing frequency on the morphology and microstructure of aluminum alloy in laser wobbling welding. Journal of Materials Research and Technology, 2022, vol. 21, pp. 267–282. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.09.008
[8] 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, p. 105325. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105325
[9] Fathi A., Toyserkani E., Khajepour A., Durali M. Prediction of melt pool depth and dilution in laser powder deposition. Journal of Physics D: Applied Physics, 2006, vol. 39, iss. 12, pp. 2613–2623. DOI: 10.1088/0022-3727/39/12/022
[10] Gorunov A.I., Gilmutdinov A.Kh. Investigation of coatings of austenitic steels produced by supersonic laser deposition. Optics & Laser Technology, 2017, vol. 88, pp. 157–165. DOI: 10.1016/j.optlastec.2016.09.012