Applicability of mid-fidelity thermal modeling for linear and oscillation-based laser welding

Laser welding has some advantages over conventional methods of welding, but a large number of experiments to optimize the process parameters is one of the biggest challenges of welding new materials with the laser. Numerical simulation can be a helpful tool to reduce the number of experiments as it can provide a valid starting point. However, laser welding simulation is a multiphysics problem that is expensive regarding the simulation time, computational power, and model calibration. On the other hand, due to the transient behavior of laser welding with oscillation pattern, the analytical solution may not be a suitable method. As a result, in this work the applicability of mid-fidelity thermal modelling for linear and oscillation-based laser welding has been examined. This model can indeed reduce the simulation time by sacrificing precision. In order to calibrate and validate the numerical model, linear and oscillation-based laser welding were employed to perform the bead-on-plate welding of a 3 mm AISI 304 stainless steel plate. Based on the process parameters in linear welding, the penetration depth of laser welding changed from partial to full penetration. Regarding the numerical model, the solidification and melting model, the Boussinesq assumption, and the Marangoni effect are presented using the commercial software FLUENT. The heat input to the model was assumed to be a 3D volumetric Gaussian heat source. After the calibration and validation of the numerical model with experiments for linear laser welding, the maximum error of the model for the penetration depth and welding width were 0.33 and 0.62 mm. However, regarding laser welding with circular oscillation, a comparison between the seam morphology of the experiment and numerical simulation shows that the simulation error is significant compared to linear welding. It is worth mentioning that the simulation time of laser welding depended on the process parameters. The simulation time for the 5 mm mid-fidelity model of linear laser welding was in the range of 52-349 minutes. Besides, the simulation of laser welding with a wobbling heat source took 165 minutes. This model can simulate the transient nature of linear and oscillation-based laser welding in a relatively short time using the finite volume transient thermal analysis.

La saldatura laser presenta alcuni vantaggi rispetto ai metodi di saldatura convenzionali, ma un gran numero di esperimenti per ottimizzare i parametri di processo è una delle maggiori sfide della saldatura di nuovi materiali con il laser. La simulazione numerica può essere uno strumento utile per ridurre il numero di esperimenti in quanto può fornire un punto di partenza valido. Tuttavia, la simulazione della saldatura laser è un problema multi-fisico costoso in termini di tempo di simulazione, potenza computazionale e calibrazione del modello. D'altra parte, a causa del comportamento transitorio della saldatura laser con pattern di oscillazione, la soluzione analitica potrebbe non essere un metodo adatto. Di conseguenza, in questo lavoro è stata esaminata l'applicabilità della modellazione termica a media fedeltà per la saldatura laser basata su oscillazione e lineare. Questo modello può infatti ridurre il tempo di simulazione sacrificando la precisione. Per calibrare e validare il modello numerico, la saldatura laser lineare ed oscillante è stata utilizzata per eseguire la saldatura bead-on-plate di una piastra in acciaio inossidabile AISI 304 da 3 mm. Sulla base dei parametri di processo nella saldatura lineare, la profondità di penetrazione della saldatura laser è cambiata da penetrazione parziale a penetrazione completa. Per quanto riguarda il modello numerico, ovvero il modello di solidificazione e fusione, l'ipotesi Boussinesq e l'effetto Marangoni sono presentati utilizzando il software commerciale FLUENT. Si è ipotizzato che l'apporto di calore al modello fosse una fonte di calore gaussiana volumetrica 3D. Dopo la calibrazione e la validazione del modello numerico tramite esperimenti per la saldatura laser lineare, l'errore massimo del modello per la profondità di penetrazione e la larghezza di saldatura era di 0,33 e 0,62 mm. Tuttavia, per quanto riguarda la saldatura laser con oscillazione circolare, un confronto tra la morfologia del cordone dell'esperimento e la simulazione numerica mostra che l'errore di simulazione è significativo rispetto alla saldatura lineare. Vale la pena ricordare che il tempo di simulazione della saldatura laser dipendeva dai parametri di processo. Il tempo di simulazione per il modello a media fedeltà da 5 mm della saldatura laser lineare era compreso tra 52 e 349 minuti. Inoltre, la simulazione della saldatura laser con una fonte di calore oscillante ha richiesto 165 minuti. Questo modello può simulare la natura transitoria della saldatura laser lineare e basata sull'oscillazione in un tempo relativamente breve utilizzando l'analisi termica transitoria a volume finito.