Temperature profiles and hardness estimation of laser welded heat affected zone in low carbon steel

DSpace Repository

Temperature profiles and hardness estimation of laser welded heat affected zone in low carbon steel

Show full item record

Files for download

Facebook

Simple item record

Publication 1-year master student thesis
Title Temperature profiles and hardness estimation of laser welded heat affected zone in low carbon steel
Author(s) Lundberg, Axel
Date 2014
English abstract
Thermal modelling of hardness in the heat-affected zone (HAZ) in a laser welded steel plate is a cumbersome process both in calculation and simulation. The analysis is however important as the microstructural phase transformations induced by welding may cause unwanted hardness levels in the HAZ compared with that of the parent material. In this thesis analytical equations have been implemented and checked for validity against simulations made by other authors and against experimental values. With such a large field as thermal modelling, the thesis had to be narrowed down to make the analysis more subject focused. Limitations made were for mathematical modelling only looking at a two-dimensional heat flow in welded plates; in this thesis only the analytical solution to the heat flow is considered. The work was also directed towards steel; such a material as used largely all over the globe. As laser welding is a fast and cost-effective process, an analysis of hardness is of great importance. Work was divided into three overlapping parts; the first was to derive and understand the work done in the field of thermal modelling of welds, thus understanding the mathematics behind the basic problem. This modelling provides a number of curves and parameters from a thermal cycle, thus enabling one to do the hardness analysis correctly. Secondly, this mathematical modelling was applied to a number of cases, simulating different circumstances. This was done using self-programmed Graphical User Interfaces (GUI) for convenience. This enables engineers to easily plug in the materials and processing properties and thus simulate the required parameters and curves for further analysis. Lastly, a GUI for simulating the hardness of any point in the HAZ was programmed and used, thus implementing and validating the equations. A theoretical introduction of the phases induced in the HAZ is also included, in order of understanding the problems of unwanted hardness in the HAZ of laser-welded steel. Main conclusions of this thesis: • Mathematical modelling of heat transfer in welds by Rosenthal (1946) is still applicable for modern laser welding apparatus. • The empirical model presented by Ion et al. (1984) is not applicable with experimental results of hardness in the HAZ of the steels investigated here. • Equations by Ion (2005) are accurate for simulating the hardness. • The analytical solutions investigated are superior to numerical solutions with regard to quick, simple simulations of thermal cycles and hardness. Numerical solutions allows for more advanced modelling, which can be lengthy. • Preheating the steel prior to welding is favourable in reducing hardness levels, especially with steel of higher carbon equivalent.
Swedish abstract
Termisk modellring av hårdhet genom beräkning och simulering av den värmepåverkade zonen i en lasersvetsad stålplatta är en omfattande process. Dock är analysen viktig då mikrostrukturella fastransformationer förorsakade av svetsningen kan ge oönskade hårdhetsnivåer av den värmepåverkade zonen jämfört med hårdeheten i basmaterialet. I denna avhandling har analytiska ekvationer implementerats och testats för validitet mot simuleringar gjorda av andra författare och mot experimentella värden. Eftersom termisk modellering av svetsar är ett omfattande område var avhandlingen tvungen att smalnas av för att göra analysen mer fokuserad. Begränsningar gjordes för den matematiska modelleringen genom att endast titta på två-dimensionellt värmeflöde i svetsade plattor där endast den analytiska lösningen är av intresse. Arbetet har också inriktats mot stål då detta material är vida använt över hela världen. Då lasersvetsning är en snabb och kostnadseffektiv process så är hårdhetsanalysen av största vikt. Avhandlingen är uppdelad i tre övergripande delar; den första är att ta fram och förstå arbetet som gjorts inom termisk modellering av svetsar, alltså förstå matematiken bakom problemet. Modelleringen är till för att producera diagram parametrar från en termisk cykel, för att kunna fortgå med korrekt hårdhets analys. För det andra så sätts den matematiska modelleringen på prov i ett antal situationer som var och en simulerar olika förutsättningar. Detta gjordes i ett grafiskt användargränssnitt av ren bekvämlighet. Detta gör att ingenjörer lätt kan implementera olika egenskaper för materialet och få fram diagram och kurvor. Sist, ett liknande grafisk användargränssnitt för att simulera hårdheten i valfri punkt i den värmepåverkade zonen programmerades och därigenom implementerades ekvationerna som denna avhandling handlar om i grund och botten. En teoretisk bakgrund till fasomvandlingen är också inkluderad som förklaring till grundproblemet med oönskad hårdhet i den värmepåverkade zonen i lasersvetsat stål. Huvudslutsatser i avhandlingen: • Matematisk modellering av värmeöverföring i svetsar genomförd av Rosenthal är fortfarande applicerbar på modern lasersvetsningsapparatur. • Den empiriska modellen från Ion et al. (1984) är ej applicerbar med godkänt resultat för hårdhetsuppskattning. • Ekvationerna från Ion (2005) är statistiskt godkända för att simulera hårdhet. • Den analytiska lösningen är överlägsen den numeriska när det gäller snabb och enkel implementering för att simulera termiska cykler och hårdhet, medan den numeriska lösningen kan ta i beaktning mera avancerade egenskaper. • Förvärming av stålet innan svetsning kan vara mycket fördelaktigt för hårdheten i den värme-påverkade zonen, speciellt vid högre kolekvivalent.
Publisher Malmö University
Pages 95
Language eng (iso)
Subject(s) Laser welding
Rosenthal
HAZ
heat affected zone
hardness
heat equation
thermal modelling
Technology
Research Subject Categories::TECHNOLOGY
Handle http://hdl.handle.net/2043/18001 (link to this page)

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record

Search


Browse

My Account

Statistics