Numerical and Experimental Study of Phase Transformations in Welding Processes

The paper concerns the mathematical and numerical modeling of phase transformations in solid state occurring during welding. The analysis of the influence of heating rate, cooling rate and maximum temperatures of thermal cycles on the kinetics of phase transformations is presented. On the basis of literature data and experimental studies the evaluation of classic mathematical and numerical models of phase transformation is presented with respect to the advanced methods of welding by using a high speed and a high power heat source. The prediction of the structure composition in laser welded butt-joint made of S460 steel is performed, where phase transformations are calculated on the basis of modified numerical models. Temperature distributions are determined as well as the shape and size of fusion zone and heat affected zone (HAZ). Temperature field is obtained by the solution of transient heat transfer equation with convective term and external volumetric heat source taken into account. Latent heat of fusion, evaporation and heats generated during phase transformations in solid state are considered in the numerical algorithm due to the large temperature range present in analyzed process. Results of the numerical prediction of structure composition in HAZ are presented in this work. Obtained results of computer simulations are compared to experimental research performered on the laser welded joint.

Praca dotyczy modelowania matematycznego i numerycznego przemian fazowych w stanie stałym w procesie spawania. Przedstawiono analizę wpływu szybkości nagrzewania, szybkości chłodzenia oraz maksymalnej temperatury cyklu cieplnego na kinetykę przemian fazowych. W oparciu o dane literaturowe i badania doświadczalne przedstawiono weryfikację klasycznych modeli matematycznych i numerycznych przemian fazowych w odniesieniu do zaawansowanych metod spawania szybkobieżnym źródłem ciepła dużej mocy. Na bazie zmodyfikowanych modeli numerycznych przemian fazowych przedstawiono przykład prognozowania numerycznego składu fazowego doczołowego połączenia spawanego wiązką promieniowania laserowego ze stali S460. Wyznaczono rozkład temperatury, określono kształt i wielkość strefy przetopienia oraz strefy wpływu ciepła (HAZ). Pole temperatury uzyskano z rozwiązania równania przewodzenia ciepła z członem konwekcyjnym z uwzględnieniem objętościowego źródła ciepła. Ze względu na szeroki zakres temperatur, występujących w procesie spawania laserowego w algorytmie uwzględniono ciepło topnienia, parowania oraz ciepła przemian fazowych w stanie stałym. Podano wyniki prognozowania numerycznego składu fazowego w HAZ złącza spawanego. Wyniki symulacji komputerowej porównano z wynikami badań doświadczalnych połączenia spawanego.