Numerical modelling of thermal phenomena in laser beam and hybrid welding processes using Abaqus FEA

This paper concerns numerical analysis of thermal phenomena accompanying laser beam and laser-arc hybrid welding processes. Temperature field was obtained on the basis of the solution into energy conservation equation with Fourier law using finite element method. ABAQUS/Standard solver was used for calculations. Electric arc and laser beam heat sources were described respectively by “double ellipsoidal” heat source and Gaussian distribution with assumption of linear decrease of heat source power intensity with material penetration deep. Heat source movement along welded plate was obtained using DFLUX subroutine. Thermo-physical parameters dependant on temperature as well as latent heat of fusion were taken into account in FE analysis. The results of calculations include temperature field in rectangular elements butt welded by a single laser beam and hybrid laser-arc technique.

Praca dotyczy analizy numerycznej zjawisk cieplnych towarzyszących procesom spawania wiązką laserową oraz spawania hybrydowego laser-łuk elektryczny. Rozkłady temperatury otrzymano z numerycznego rozwiązania równania zachowania energii z prawem Fouriera metodą elementów skończonych. Do obliczeń wykorzystano moduł obliczeniowy ABAQUS/Standard. Do opisu rozkładu mocy łuku elektrycznego wykorzystano model „podwójnie elipsoidalny”, natomiast rozkład mocy wiązki laserowej opisano modelem gaussowskim z uwzględnieniem liniowego spadku intensywności mocy źródła z głębokością penetracji materiału. Symulację ruchu źródła spawającego uzyskano dzięki zastosowaniu procedury DFLUX. W analizie uwzględniono zmienne z temperaturą własności termofizyczne a także ciepło krzepnięcia w obszarze dwufazowym. Wyniki obliczeń numerycznych obejmują rozkłady temperatury w elementach prostopadłościennych spawanych doczołowo wiązką laserową i techniką hybrydową laser-łuk elektryczny.