Исследование влияния ультразвуковых колебаний на структуру течений в жидком металле и форму ванны расплава нержавеющей стали AISI 316L
Авторы: Никифоров С.А., Шварц И.В., Горунов А.И., Гильмутдинов А.Х.
Опубликовано в выпуске: #11(155)/2024
DOI: 10.18698/2308-6033-2024-11-2398
Раздел: Механика | Рубрика: Механика жидкости, газа и плазмы
Представлена двумерная однофазная математическая модель лазерного нагрева нержавеющей стали AISI 316L с учетом конвективных и радиационных тепловых потерь с периодическими возмущениями среды, а также ее численная реализация в программном комплексе ANSYSFluent. Исследована структура течений в жидком металле вне ультразвукового влияния и при введении ультразвуковых колебаний различных частот модуляции (20, 40 и 60 кГц) в ванну расплава. Показано влияние разных частот модуляции ультразвука на скорости расплава и температуру ванны. Проведено сравнение с классическим методом лазерной сварки. Проанализированы усредненные показатели скалярного поля магнитуд скоростей и их дисперсия для каждого рассчитанного случая. Для качественного анализа дана карта соответствий между расчетом без воздействия ультразвука с расчетами при введении ультразвуковых колебаний. Верификация проведенных расчетов выполнена посредством соответствия с микроструктурой после лазерной обработки по косвенным характерным признакам.
EDN FGOSGW
Литература
[1] Fotovvati B., Waynemu S.F., Lewis G., Asadi E.A. Review on melt-pool characteristics in laser welding of metals. Advances in Materials Science and Engineering, 2018, vol. 2018, pp. 1–18. https://doi.org/10.1155/2018/4920718
[2] Rominiyi A.L., Mashinini P.M. A critical review of microstructure and mechanical properties of laser welded similar and dissimilar titanium alloy joints. Journal of Advanced Joining Processes, 2024, vol. 9, p. 100191. https://doi.org/10.1016/j.jajp.2024.100191
[3] Todaro C.J., Easton M.A., Qiu D., Brandt M., StJohn D.H., Qian M. Grain refinement of stainless steel in ultrasound-assisted additive manufacturing. Additive Manufacturing, 2021, vol. 37, p. 101632. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101632
[4] Ning F., Hu Y., Liu Z., Cong W., Li Y., Wang X. Ultrasonic vibration-assisted laser engineered net shaping of Inconel 718 parts: A feasibility study. Procedia Manufacturing, 2017, vol. 10, pp. 771–778. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.07.074
[5] Richter B., Hocker S.J.A., Frankforter E.L., Tayon W.A., Glaessgen E.H. Influence of ultrasonic excitation on the melt pool and microstructure characteristics of Ti-6Al-4V at powder bed fusion additive manufacturing solidification velocities. Additive Manufacturing, 2024, vol. 89, p. 104228. https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104228
[6] Gureev D.M. Prospects for laser-ultrasonic treatment for surface modification, welding, and pattern cutting. J Russ Laser Res, 1999, vol. 20, pp. 27–66. https://doi.org/10.1007/BF02508792
[7] Diao M., Guo C., Sun Q., Jiang F., Li L., Li J., Xu D., Liu C., Song H. Improving mechanical properties of austenitic stainless steel by the grain refinement in wire and arc additive manufacturing assisted with ultrasonic impact treatment. Materials Science and Engineering: A, 2022, vol. 857, p. 144044. https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144044
[8] Никифоров С.А., Шварц И.В., Гильмутдинов А.Х., Горунов А.И. Численное моделирование и верификация точечного лазерного нагрева нержавеющей стали AISI 316L. Инженерный журнал: наука и инновации, 2023, вып. 8. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2023-8-2295
[9] Ning F., Cong W. Ultrasonic vibration-assisted (UV-A) manufacturing processes: State of the art and future perspectives. Journal of Manufacturing Processes, 2020, vol. 51, pp. 174–190. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.01.028
[10] Gilmutdinov A.Kh., Gorunov A.I., Nyukhlaev O.A., Schmidt M. Investigations of the sound frequency effect on laser acoustic welding of stainless steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, vol. 106, issues 7–8, pp. 3033–3043. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04825-5
[11] Cong W., Ning F. A fundamental investigation on ultrasonic vibration-assisted laser engineered net shaping of stainless steel. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2017, vol. 121, pp. 61–69. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2017.04.008
[12] Wang T., Mazánová V., Liu X. Ultrasonic effects on gas tungsten arc based wire additive manufacturing of aluminum matrix nanocomposite. Materials and Design, 2022, vol. 214, p. 110393. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110393
[13] Song H., Jiang F., Guo C., Sun Q., Li H., Yang Z., Li L., Diao M., Zhang Z. Effect of ultrasonic vibration on the microstructure and microhardness of laser cladding Fe-based crystalline/amorphous composite coatings. Materials Letters, 2023, vol. 335, p. 133780. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.133780