Simulation of the thermomechanical behavior of 30ХГСН2А steel during pulsed laser cladding of wire materials

Abstract

This study focuses on the numerical simulation of thermomechanical processes occurring during pulsed laser cladding of wire filler materials onto 30ХГСН2А steel. The relevance of this study stems from the need to minimize defects in the clad zone and reduce residual stresses. A three-dimensional finite element model was developed using the Ansys Mechanical APDL software package to analyze the non-stationary temperature fields and the stress-strain state. The model accounts for the temperature dependence of the material’s thermophysical and mechanical properties, as well as its plastic behavior described by a bilinear isotropic hardening model (BISO). The cladding process is simulated using the sequential activation of elements representing the deposited bead, accompanied by the application of a laser heat flux. The martensitic transformation of austenite upon cooling is described with the Koistinen-Marburger equation, which enables the description of additional strains from phase transitions. The developed model facilitates the prediction of residual stress distribution and can optimize technological parameters in order to minimize defects during pulsed laser cladding of 30ХГСН2А steel with wire filler material. = Работа посвящена численному моделированию термомеханических процессов, возникающих при импульсной лазерной наплавке проволочных присадочных материалов на сталь 30ХГСН2А. Актуальность работы обусловлена необходимостью минимизации дефектов в зоне наплавки и остаточных напряжений. Для анализа нестационарных температурных полей и напряженнодеформированного состояния разработана трехмерная конечно-элементная модель в программном комплексе Ansys Mechanical APDL. Модель учитывает температурную зависимость теплофизических и механических свойств материала, а также пластическое поведение по билинейной модели изотропного упрочнения (BISO). Процесс наплавки моделируется последовательной активацией элементов, соответствующих наплавляемому валику, с приложением теплового потока от лазера. В работе учет мартенситного превращения аустенита при охлаждении осуществляется с помощью уравнения Койстинена-Марбургера, что позволяет описать дополнительные деформации от фазовых переходов. Разработанная модель позволяет прогнозировать распределение остаточных напряжений и может быть использована для оптимизации технологических режимов с целью минимизации дефектов при импульсной лазерной наплавке стали 30ХГСН2А присадкой в виде проволоки.