The Gaussian heat source has been widely used to simulate the heat flux of the welding we, and applied to calculating the temperature distribution of a workpiece. The conventional two-dimensional Gaussian heat source for the GMAW is modified in this work by decomposing the arc heat into heats of the cathode and metal transfer. The efficiency and effective arc radius of each heat source are determined analytically for the free-flight mode such as the globular and spray modes. The temperature distribution and weld geometry are calculated using the finite element method, and distribution of the drop heat is found to have significant effects on the penetration. The predicted results show good agreements with the available experimental results, especially with the penetration.
Laser keyhole welding is investigated using a three-dimensional Gaussian heat source, and the heat source parameters such as the keyhole depth, welding efficiency and power density distribution factor are determined in a systematic way. For partial penetration, the keyhole depth is same as the penetration and is predicted using the experimental data. The welding efficiency is calculated using the ray-tracing method and the power density distribution factor is determined from the bead shape. Full penetration is classified into the transition, normal and excessive modes depending on the degree of keyhole opening. Thermal analysis of the bead-on-plate welds is conducted using the Gaussian heat source, and the calculated weld geometries show reasonably good agreements with the experimental results.
Kim, Jong-Sung;Lee, Seung-Gun;Jin, Tae-Eun;Kwon, Soon-Man
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.10
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pp.1623-1629
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2003
In this paper, the arc beam is considered as a moving disc heat source with a pseudo-Gaussian distribution of heat intensity. The solution for temperature distribution on welds is derived by using the image heat source method and the superposition method. It is general solution in that it can determine the temperature-rise distribution in and around the arc beam heat source, as well as the width and depth of the melt pool (MP) and the heat-affected zone (HAZ) in welding short lengths, where quasi-stationary conditions may not have been established. As a comparative study, the results of this analytical approach has been compared with that of the finite-element modeling. As a result, The theoretical analysis presented here has shown good consistency and is more time/cost-effective method compared with FEM.
A three-dimensional Gaussian heat source model is modified to include the effects of the gap and thickness-difference for the laser keyhole welding. The gap of the butt joint influences the welding efficiency such that the melting area decreases linearly with the gap. When the different plate thickness is used such as the tailored blank welding, melting areas of the thick and thin plates are predicted by introducing the thickness-difference factor. The calculated results using the modified heat source show reasonably good agreements with the experimental results.
In this study, three-dimensional heat flow in laser beam welding for deep penetration was analyzed by using F.E.M common code, and then the results were compared with the experimental data. The models for analysis are full penetration welds and are made at three different laser powers (6, 9.9, 4.5 kW) with two different welding speeds (5.8mm/s, 5mm/s). The characteristics of thermal absorption by the workpiece during deep penetration laser welding can be represented by a combination of line heat source through the workpiece and distributed heat source at the top surface due to the plasma plume above the top surface. This gives an insight into the way in which the beam interacts with the material being welded. The analyses performed with the combined heat source models show comparatively good agreement between the experimental and calculated melt temperature isotherm, i.e, the fusion zone boundary. The results are used to explain the "nail head" appearance of fusion zone, which is quite common in laser beam welds.eam welds.
In weaving welding where a V groove exists, the heat input distribution is an important factor that determines the defectiveness of the bead shape, undercut and over-lap. In this study, the amount of heat input, which is determined by the welding current, voltage, speed and weaving conditions is calculated through mathematical development and numerical methods. Furthermore, the heat input distribution as a two- dimensional heat source was observed when applied to each groove.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.5
no.1
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pp.51-58
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2006
The objective of this research work is to investigate into heat transfer characteristics of the laser cutting of CSP 1N sheet using high power CW Nd:YAG laser. In order to investigate the heat transfer characteristics, three dimensional quasi stationary and steady-state heat transfer analysis has been carried out. The laser heat source is assumed as a volumetric heat source with a gaussian heat distribution in a plane. Through the comparison of the results of analyses with those of experiments, the proper finite element model has been obtained. In addition, characteristics of the three-dimensional heat transfer and temperature distribution have been estimated by the finite element model. Finally, the minimum temperature at the center for cutting of the material has been estimated.
This paper presents an analytical solution to predict the transient temperature distribution in fillet arc welding. The analytical solution is obtained by solving a transient three -dimensional heat conduction equation with convection boundary conditions on the surfaces of an infinite plate with finite thicknesses, and mapping an infinite plate onto the fillet weld geometry with energy equation. The electric arc heat input on fillet weld and on infinite plate is assumed to have a traveling bivariate Gaussian distribution. To check the validity of the solution, GTA and FCA welding experiments were performed under various welding conditions. The actual isotherms of the weldment cross - sections at various distances from the arc start point are compared with those of simulation result. As the result shows a satisfactory accuracy, this analytical solution can be used to predict the transient temperature distribution in the fiIIet weld of finite thickness under a moving bivariate Gaussian distributed heat source. The simplicity and short calculation time of the analytical solution provides rationales to use the analytical solution for modeling the welding control systems or for an optimization tool of welding process parameters.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.25
no.2
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pp.54-65
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2021
In this study, a two-dimensional thermoelastic problem under hyperbolic heat conduction theory with an internal heat source is considered. The general solution for the temperature field, stress components and displacement field are obtained using the reduced differential transform method. The stress and displacement components are obtained using the thermal stress function in the reduced differential transform domain. All the solutions are obtained in the form of power series. The special case with a time-dependent laser heat source has been considered. The problem is considered for homogeneous material with finite rectangular cross-section heated with a non-Gaussian temporal profile. The effect of the heat source on all the characteristics of a material is discussed numerically and graphically for magnesium material taking a pulse duration of 0.2 ps. This study provides a powerful tool for finding the solution to the thermoelastic problem with less computational work as compared to other methods. The result obtained in the study may be useful for the investigation of thermal characteristics in engineering and industrial applications.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2006.11a
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pp.189-192
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2006
The purpose of this study is to evaluate the welding distortion at the channel I butt SA weldment. In order to do it, the heat input model for the weldment was defined as combined heat source with the surface heat flux of gaussian mode and volume heat source uniformly distributed within weld groove on the basis of comparing the shapes of molten pool and temperature distribution obtained by FEA and experiment. The arc efficiency of SA welding for 2 dimensional FE analysis was determined as 0.85. The results of welding distortions at the weldment obtained by FEA and heat input conditions proposed have a good agreement with those obtained by experiment. Based on the results, it was suggested that the proper heat input model should be required to evaluate the welding distortion for weldment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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