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

Sammanfattning: 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.