Numerical Simulation of the Conduction Limited Laser Weld Pool Geometry by Vorticity-Stream Function Implementation Coupled with the Rosenthal Solution.

Abstract

La dinámica de la pileta de soldadura es un importante tema de estudio en ingeniería, ya que determina, entre otras características, la penetración de la soldadura y el grado de mezcla debido a su movimiento convectivo. En particular, la soldadura por haz de electrones o láser operando bajo un mecanismo de conducción limitada (es decir, flujo de calor 3D contrario al flujo de calor 2D de un mecanismo tipo keyhole) es un problema interesante para estudiar y modelar ya que el gradiente de calor en la superficie libre es debido a la alta concentración espacial del haz de energía. Esto, a su vez, induce unfuerte gradiente de tensión superficial que hace que se establezca el flujo Marangoni. Por otro lado, la ubicación de la interfaz líquido-sólido depende no solo de la transferencia de calor de la fuente de energía que incide en la superficie libre del baño de soldadura sino también del flujo convectivo que contribuye a la transferencia de calor en la interfaz líquido-sólido. Aprovechando la simetría 2D del proceso de soldadura, se implementó unenfoque de función de corriente y vorticidad para resolver el campo de velocidad dentro de una sección transversal semicircular del cordón de soldadura, inducida por el gradiente térmico en la superficie libre. La geometría límite del cordón de soldadura se obtieneprimero evaluando la ecuación de Rosenthal (que es de naturaleza cuasi estacionaria), esto proporciona el dominio líquido semicircular donde se resuelve una formulación de función de flujo y vorticidad. Sin embargo, este resultado debe corregirse tanto desde unefecto de cambio de fase de entalpía como desde el efecto convectivo que tiene el movimiento del líquido en esa frontera específica. Los resultados simulados obtenidos muestran un campo de velocidad del fluido que es consistente con el comportamiento convectivo esperado del flujo Marangoni; adicionalmente, la frontera líquido-sólido ahora se ha modificado de acuerdo con la entalpía de cambio de fase local y el efecto de la capalímite convectiva. Con respecto a las implicaciones prácticas en la industria, este esquema numérico permite estimar la profundidad y el ancho máximos de las soldaduras limitadas por la conducción de una manera menos costosa, flexible y fácil de implementarque los paquetes estándar de CFD. Debido a su estructura de código magro, su tiempo de cálculo es más corto, lo que le permite ser incorporado en el esquema de control de predicción para determinar, por ejemplo, las variaciones de velocidad durante las soldaduras lineales para compensar los efectos de borde.