پیش‌بینی هندسه مقطع جوش در جوشکاری لیزر پالسی با استفاده از انواع مدل‌های حرارتی روی ورق‌های فولادی زنگ‌نزن

جوشکاری لیزر پالسی به دلیل تمرکز بالای انرژی، کاربردهای فراروانی در اتصال ورق های نازک دارد. در این تحقیق شبیه سازی المان محدود جوشکاری لیزر پالسی به صورت سه بُعدی با نرم افزار آباکوس و به همراه انجام سه آزمایش تجربی با سطوح انرژی کم، متوسط و زیاد روی ورق های نازک فولاد زنگ نزن 316 کم کربن انجام شده است. همچنین برای افزایش دقت شبیه سازی اتلاف گرما از طریق تشعشع، همرفت و هدایت حرارتی در نظر گرفته شده است. مدل های حرارتی مورد استفاده با توزیع شار حرارتی سطحی گوسی، توزیع شار حجمی گوسی و توزیع شار حجمی هرمی استفاده شده است. هدف دستیابی به منطبق ترین مدل حرارتی برای انجام شبیه سازی برای ورق های زنگ نزن آستنیتی نازک است. همچنین به منظور افزایش دقت تحلیل های حرارتی در تخمین ابعاد هندسه جوش، ضریب تصحیح تعریف و در روابط هر سه مدل حرارتی اعمال شده است. پس از انجام تحلیل حرارتی، ابعاد سطح مقطع هندسه جوش برای هر کدام از مدل های حرارتی ذکرشده استخراج و با نتایج تجربی مقایسه شده است. نتایج نشان می دهند مدل حرارتی سطحی گوسی تنها برای مواردی که سطوح انرژی کم و نفوذ سطحی باشد، دقت کافی دارد. همچنین مدل حرارتی هرمی با تغییر ضریب تصحیح، در تمامی سطوح انرژی نسبت به مدل حرارتی حجمی گوسی، تطابق بیشتری با نتایج تجربی دارد. لذا می توان مدل حرارتی هرمی را به عنوان منطبق ترین مدل در شبیه سازی فرآیند جوشکاری لیزر در ورق های فولادی نازک انتخاب نمود.

Prediction of Weld-Section Geometry in Pulsed Laser Welding Using Different Thermal Models for Thin Stainless Steel Sheets

Pulsed laser welding have a wide application in welding of thin sheet because of high intensity of its localized heat source. In the current study, 3 experimental tests with low, medium, and large level of energy and also, the 3D finite element simulation of Nd:YAG pulsed laser welding in thin sheet AISI316L have been done. Thermal analyzes were done with ABAQUS software in transient heat transfer. In order to increase the accuracy of thermal model, heat losses were considered as convection, radiation, and thermal conduction. 3 thermal models with different heat flux distribution as Gaussian surface, Gaussian volume, and conical volume were used. The main aim of this study is the selection of best thermal model between 3 mentioned thermal models to estimate the melt pool geometry with high accuracy. In addition, with defining and applying the shape factor in 3 thermal models, the finite element analyses were carried out in order to enhance the precision of estimated melt pool geometry. After thermal analysis, the melt pool geometry dimensions are extracted for each of the mentioned thermal models and compared with experimental results. Results show that thermal analysis with Gaussian surface model have the melt pool geometry accurately just in welding with low energy. Also, the conical model could estimate the melt pool geometry in all levels of energy with acceptable accuracy. Therefore, the pyramidal thermal model can be selected as the most suitable model for simulating pulsed laser welding in thin steel sheets.