Flexural Analysis and Material Characterization of Laser Welded 316L Steel Blanks. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MSc_Thesis_-_ADESINA_AKEEM_YUSUF.pdf - Other Download (7MB) | Preview

Arabic Abstract

فى هذه الرسالة تم نمذجة وتحليل الانحناء والتوصيف الميتالورجى لمواد الفولاذ المقاوم للصدأ اﻷوستنيتي 316L الملحوم بالليزر . لحام الليزر له مميزات مقارنة بطرق اللحام التقليدى مثل ان دقة التشغيل عالية وزيادة سرعة اللحام وتقارب المنطقة المتاثرة بالحرارة. لحام الليزر أيضا يعطى الخواص الميكانيكية وميتالورجية لوصلة اللحام، نظراً للكثافة العالية لحرارة التسخين بالمقارنة مع تلك التي تنتجها طرق اللحام تقليدية. على الرغم من هذه المزايا، ارتفاع معدلات التبريد المصاحب للحام الليزر يؤدى الى تغيرات فى البنية المجهرية والتى تغير الاستجابة الميكانيكية ومقاومة الانحناء للمنطقة الملحومة. ونتيجة لذلك، من الضروري دراسة التغييرات المعدنية، تأثير متغيرات عملية اللحام بالليزر و الخصائص الميكانيكية، مثل صلادة مقطع اللحام. وباﻹضافة إلى ذلك، تاثير سمك الوصلة الملحومة على جودة لحام الليزر و التغييرات المعدنية في منطقة الانصهار. تقنية تحليل الانحناء والتى فيها التردد الطبيعي يستخدم لتوصيف استجابة الانحناء فى المنطقة الملحومة تم تطويره. ،و استخدم نظام تجميع البيانات مقترنا ب تختة اختبار الانحناء لالتقاط الترددات الطبيعية للوصلات الملحومة. تم فحص جودة اللحام والتغييرات الحادثة فى البنية المجهرية باستخدام المجهر الضوئي،و المجهر الالكترونى وماكينة اختبار الصلادة فيكرز.. أيضا تم إجراء محاكاة لعملية اللحام للتنبؤ بتوزيع درجة الحرارة وتحليل الاجهادات. تم استخدام طريقة العناصر المتناهة الصغر وبرنامج ANSYS 14.0 للمحاكاة. وجدت أن الفرق بين الترددات الطبيعية "المعدن المستلم" و العينات ملحومة عينات يصل إلى بحد أقصى الى حوالي 12%. تعديل معامل مرونة في المنطقة الملحومة وأثر لاحقاً على القصور الذاتي للنظام هو المسؤول عن الترددات الطبيعية الجديدة. تحليل النتائج يعكس أن سمك العينة هو المتغير الأكثر تأثيرا على التردد الطبيعى وجساءة النظام . ويبين الفحص المعدنى أن المنطقة الملحومة تتكون من بنية شجرية وخلوية فى المواضع القريبة والبعيدة عن خط اللحام على التوالي مع طور اﻷوستنيتي. ومع ذلك، تخفيض سرعة اللحام يبين تأثير إيجابي على البنية المجهرية بسبب ارتفاع معدلات التجميد والتبريد ، بينما مع زيادة طاقة الشعاع وسمك الوصلة ادى الى سماكة الحبيبات نظراً لزيادة الحرارة الداخلة. أيضا، انخفضت الصلادة (ميكرو) من منطقة الانصهار الى خط المنتصف. فى المنطقىة المتاثرة بالحرارةحدث نمو للحبيبات وذلك بسبب عملية التخمير والتى تسببت في الانخفاض الملحوظ في الصلادة (الميكرو). وجد ان الاجهاد يظل عند قيمة عالية في دورة التبريد بعد تجمد المناطق المنصهره. عرض منطقة اللحام الذى تم التنبؤ به باستخدام البرنامج اتفق تماما مع نتائج التى حصلنا عليها بالمجهر الالكترونى.

English Abstract

Modal test for flexural analysis and metallurgical characterization of laser welded 316L Austenitic Stainless Steel (ASS) blanks are considered, since laser welding offers considerable advantages over the conventional welding techniques such as high precision of operation, increased welding speed, and narrow heat affected zone. Laser welding also provide improved mechanical and metallurgical properties of the weld section, due to localized high intensity heating, as compared to those produced by the conventional techniques. Despite these advantages, the high cooling rates associated with laser welding process results in microstructural changes which eventually changes the mechanical and flexural response of the welded region. Consequently, it is necessary to investigate the metallurgical changes, the effect of the laser welding parameters and mechanical properties, such as the hardness of the weld sections. In addition, the effects of workpiece thickness on the laser weld quality and metallurgical changes in the fusion zone are studied. Flexural analysis technique in which the natural frequency is use to characterized flexural response of the welded region is employed. For the modal testing, data acquisition system coupled with a physical flexural experimental set-up was used to capture the natural frequency of the welded blanks. The quality of the weld and the microstructural changes are examined using Optical Microscope, SEM and Vickers Microhardness testing machine. Simulation of the welding process is also performed to predict the temperature distribution and stress analysis. Finite element software code ANSYS 14.0 is employed for the simulation. It is found that the difference between the natural frequencies of the “as received” and welded samples reaches a maximum of about 12%. The modification of the elastic modulus at the welded region and the subsequent effect on the moment of inertia of the system are responsible for the new natural frequencies. Analysis of the results reveals that sample thickness is the most influential parameter influencing the natural frequency and stiffness of the system. Metallurgical examination shows that the welded region consists of dendritic and cellular structures at positions near and away from the center line respectively with austenitic phase. However, lowering the welding speed shows a positive effect on the microstructure due to high solidification and cooling rates, while increasing the beam power and workpiece thickness results in grain coarsening because of increased heat input. Also, the microhardness of the fusion zone drops rapidly from the near fusion boundary to the certerline. The heat affected zone (HAZ) experiences grain growth due to self annealing process which causes the observed reduction in the microhardness of the HAZ. It is found that the stress attains high values in the cooling cycle after the solidification of the molten regions. The weld bead width predicted agreed well with the SEM bead width measurements.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	ALZAHARNAH, T. IYAD
Committee Members:	YILBAS, S. BEKIR and SAHIN, Z. AHMET
Depositing User:	ADESINA YU AKEEM (g201101750)
Date Deposited:	04 Nov 2013 19:23
Last Modified:	01 Nov 2019 15:40
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139002