Numerical Modelling Of Thermal And Structural Phenomena In Yb:YAG Laser Butt-Welded Steel Elements

The numerical model of thermal and structural phenomena is developed for the analysis of Yb:YAG laser welding process with the motion of the liquid material in the welding pool taken into account. Temperature field and melted material velocity field in the fusion zone are obtained from the numerical solution of continuum mechanics equations using Chorin projection method and finite volume method. Phase transformations in solid state are analyzed during heating and cooling using classical models of the kinetics of phase transformations as well as CTA and CCT diagrams for welded steel. The interpolated heat source model is developed in order to reliably reflect the real distribution of Yb:YAG laser power obtained by experimental research on the laser beam profile. On the basis of developed numerical models the geometry of the weld and heat affected zone are predicted as well as the structural composition of the joint.

Praca dotyczy modelowania numerycznego zjawisk cieplnych i strukturalnych w procesie spawania laserem Yb:YAG z uwzględnieniem ruchu ciekłego materiału w jeziorku spawalniczym. Pole temperatury i pole prędkości ciekłej stali w strefie przetopienia otrzymano z numerycznego rozwiązania równań mechaniki ośrodków ciągłych metodą projekcji Chorina i metodą objętości skończonych. Przemiany fazowe w stanie stałym analizowano podczas nagrzewania i chłodzenia bazując na klasycznych modelach kinetyki przemian fazowych oraz wykresach CTA i CTPc-S. W celu wiarygodnego odzwierciedlenia rzeczywistego rozkładu mocy lasera Yb:YAG opracowano model interpolowany źródła, wykorzystujący badania doświadczalne profilu wiązki laserowej. Na podstawie opracowanych modeli numerycznych prognozowano geometrię spoiny i strefy wpływu ciepła oraz skład strukturalny złącza.