Geri Dön

Elektron ışın kaynağının farklı kaynak havuzu geometrilerindeki ısıl davranışlarının sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi

Finite element modeling of thermal behaviors in different weld pool geometries of electron beam welding

PDF İndir

  1. Tez No: 920777
  2. Yazar: MERTCAN KIPÇAK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MURAT VURAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 125

Özet

Bu tez çalışmasında, elektron ışın kaynağı süreçlerinde ortaya çıkan ısıl davranışların kapsamlı bir şekilde incelenmesi hedeflenmektedir. Özellikle, farklı kaynak havuzu geometrilerindeki ısıl davranışların sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesine odaklanılmaktadır. Bu tezde, elektron ışın kaynağı işlemi sırasında meydana gelen ısı transferi ve sıcaklık dağılımlarının ayrıntılı bir şekilde anlaşılması amaçlanmaktadır. Bu derinlemesine anlayışın, kaynak değişkenlerinin optimizasyonu ve kaynak kalitesinin güvence altına alınması açısından ne denli kritik olduğuna dikkat çekilmektedir. Ayrıca, doğru ısıl modelleme süreçlerinin metalurjik değişimleri, kalıntı gerilmeleri ve genel kaynak performansını tahmin etmede oynadığı vazgeçilmez rolün altı çizilmektedir. Çalışma, elektron ışın kaynağının teorik altyapısını detaylı bir şekilde ele alarak başlamaktadır. Elektron ışınının nasıl oluşturulduğu, hızlandırıldığı ve hassas bir şekilde odaklandığı, malzeme ile etkileşim mekanizmalarının neler olduğu gibi temel konular titizlikle incelenmektedir. Elektron ışın kaynağının sunduğu yüksek nüfuziyet derinliği, dar ısı tesiri altındaki bölge (ITAB) oluşumu, en az seviyede çarpılma ve geniş kaynaklanabilir malzeme çeşitliliği gibi hususlar detaylı bir şekilde açıklanmaktadır. Ancak, bu teknolojinin sunduğu faydaların yanı sıra; beraberinde getirdiği yüksek ilk yatırım maliyeti, karmaşık kurulum süreçleri ve potansiyel ışınım tehlikeleri gibi dezavantajlar da dikkatle ele alınmaktadır. Böylelikle, elektron ışın kaynağı teknolojisinin hem güçlü yönleri hem de olası zorlukları dengeli bir bakış açısıyla sunulmaya çalışılmaktadır. Çalışmanın ilerleyen bölümlerinde, elekton ışın kaynağının pratik uygulama alanlarına yoğunlaşılmaktadır. Kaynak kalitesini doğrudan etkileyen hızlandırma gerilimi, ışın akımı, odaklanma akımı, odak mesafesi, kaynak hızı ve vakum basıncı gibi çeşitli işlem değişkenlerinin etkileri titizlikle incelenmektedir. Elektron ışın kaynağının metalurjik etkileri de etraflıca değerlendirilmektedir. Özellikle, kaynak birleşme bölgesi (BB) ve ısı tesiri altındaki bölge (ITAB) oluşumu ve bu bölgelerdeki mikroyapısal değişimler üzerinde durulmaktadır. Kaynaklı birleştirmelerin nihai özelliklerini anlamak ve kontrol etmek için bu bölgelerdeki ısıl geçmişi ve sıcaklık dağılımını doğru bir şekilde tahmin etmenin kritik önemi vurgulanmaktadır. Çalışmanın en önemli bölümlerinden biri, kaynak havuzunun simüle edilmek istenen karmaşık dinamiklerinin incelenmesine ayrılmıştır. Ergimiş metal üzerinde etkili olan temel kuvvetler detaylı bir şekilde ele alınmaktadır. Bu kuvvetler arasında; elektron ışını geri tepme basıncı, yüzey gerilimi ve ısıl-kılcallık etkisi (Marangoni taşınımı), hidrostatik basınç, kaldırma kuvveti ve elektromanyetik kuvvetler yer almaktadır. Her bir kuvvetin, kaynak havuzunun şekillenmesinde ve kararlılığının sağlanmasında oynadığı rol ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Ayrıca kısmi nüfuziyet, anahtar deliği ve kum saati geometrisi gibi farklı kaynak havuzu geometrilerinin oluşum mekanizmaları da incelenmektedir. Elektron ışın kaynağının ısıl davranışlarının modellenmesinde kullanılan sonlu elemanlar yöntemi, diğer analitik ve sayısal yöntemlerle birlikte detaylı bir şekilde değerlendirilmektedir. Bu yöntemlerin temel prensipleri, matematiksel formülasyonları, avantajları, sınırlamaları ve kaynak işleminin modellenmesine uygunlukları gibi konular adım adım açıklanmaktadır. Bununla birlikte, kaynak simülasyonlarında yaygın olarak kullanılan çeşitli ısı kaynağı modelleri de incelenmektedir. Normal dağılımlı (Gauss) ısı kaynağı, çift-elipsoid (Goldak) ısı kaynağı ve hacimsel ısı kaynağı modelleri gibi farklı yaklaşımların avantajları ve dezavantajları karşılaştırılmaktadır. Bu inceleme, ısı kaynağı modeli seçiminin simülasyon sonuçlarının doğruluğunu önemli ölçüde etkileyebileceği gerçeğinin altını çizmektedir. Tezin esas odak noktası, elektron ışın kaynağı süreçlerinin modellenmesi için geliştirilen özel bir termal modelin sunulması ve doğrulanmasıdır. Bu model, bir sonlu elemanlar analizi yazılımı olan ANSYS Workbench platformunda geliştirilmiştir. Model, kaynak işlemi esnasındaki ısı transferi süreçlerini zamana bağlı olarak dikkate alan geçici hal ısı transferi süreçlerine dayanmaktadır. Model kurulumunun her aşaması (geometri oluşturma, malzeme özelliklerinin tanımlanması, çözüm ağı oluşturma, sınır koşullarının uygulanması ve ısı kaynağının modellenmesi gibi) adım adım açıklanmaktadır. Elektron ışınından kaynaklanan ısı girdisini temsil etmek amacıyla seçilen çift-konik ısı kaynağı modelinin seçiminin gerekçelendirmesi ve yapılandırma metodolojileri detaylı bir biçimde açıklanmıştır. Model değişkenleri, önceden yapılan deneysel çalışmalardan elde edilen veriler kullanılarak hassas bir şekilde belirlenmiştir. Geliştirilen ısıl modelin doğrulanması da simülasyon sonuçlarının önceki çalışmalardan elde edilen deneysel verilerle karşılaştırılması yoluyla gerçekleştirilmiştir. Özellikle; kısmi nüfuziyet, anahtar deliği ve kum saati geometrileri gibi farklı kaynak havuzu geometrileri üzerinde yoğunlaşılmıştır. Simülasyon sonuçları, başta birleşme bölgesinin şekli olmak üzere kaynak boyutlarının deneysel ölçümleriyle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonuçları; geliştirilen ve yeniden yapılandırılan ısıl modelin, elektron ışın kaynağı süreci esnasındaki kaynak havuzu geometrisini ve sıcaklık dağılımını yüksek bir doğrulukla tahmin edebildiğini göstermektedir. Bu tez kapsamında gerçekleştirilen analiz sonuçları, geliştirilen modelin elektron ışın kaynağı süreçlerinin ısıl etkileri hakkında kapsamlı bir içgörü sunabildiğini ortaya koymaktadır. Elde edilen bulguların kaynak kalitesini ve verimliliğini artırmak, potansiyel hataları en aza indirmek ve süreç maliyetlerini düşürmek için elektron ışın kaynağı işlem değişkenlerini optimize etmekte kullanılabileceği ifade edilmektedir. Ayrıca, bu modelleme yaklaşımının maliyetli ve zorlu kaynak senaryolarının simüle edilmesi ve gerçek ortamlarda elde edilmesi zor olan deneysel verilere ulaşılması için de kullanılabileceği belirtilmektedir. Çalışma, mevcut modelin sınırlamalarını vurgulayarak ve gelecekteki araştırma alanlarına yönelik öneriler sunarak sonuçlanmaktadır. Akış dinamikleri, metalurjik dönüşümler ve termomekanik etkileşimler gibi daha karmaşık fiziksel olguların dahil edilmesiyle modelin daha da geliştirilebileceği ifade edilmektedir. Modeli daha da iyileştirmek ve doğruluğunu teyit etmek için sağlam ve kapsamlı veri toplama sistemlerinin geliştirilmesinin önemi vurgulanmaktadır. Özetle; bu çalışma, elektron ışın kaynağı süreçlerinin sayısal olarak modellenmesine kapsamlı bir yaklaşım sunmaktadır. Geliştirilen model, kaynak değişkenlerinin optimizasyonunda, süreç kontrolünde ve daha iyi malzeme özelliklerine sahip birleştirmelerin elde edilmesinde değerli bir araç olarak hizmet edebilir. Bu tez, elektron ışın kaynağı ve benzeri yüksek enerji yoğunluğuna sahip kaynak süreçlerinde daha detaylı araştırmalar yapılabilmesi için bir temel teşkil etmekte ve gelecek araştırmalar için bazı önemli noktaların altını çizmektedir.

Özet (Çeviri)

This thesis aims to provide a comprehensive analysis of the thermal behavior occurring in electron beam welding processes. In particular, it focuses on modeling the thermal behavior in different weld pool geometries using the finite element method. The primary objective is to achieve a detailed understanding of heat transfer and temperature distributions during electron beam welding. The thesis emphasizes the critical importance of this in-depth understanding for optimizing welding parameters and ensuring weld quality. Furthermore, it underlines the indispensable role of accurate thermal modeling in predicting metallurgical changes, residual stresses, and overall weld performance. This includes predicting the propensity for cracking and distortion, which are crucial considerations in high-precision applications. The study begins by thoroughly addressing the theoretical foundations of electron beam welding. It meticulously examines fundamental aspects, such as how the electron beam is generated, accelerated, and precisely focused, as well as the mechanisms of interaction with the material. Features such as the high penetration depth, narrow heat-affected zone (HAZ), minimal distortion, and the wide variety of weldable materials offered by electron beam welding are explained in detail. However, along with the advantages of this technology, it also carefully considers the associated disadvantages, including high initial investment costs, complex setup procedures, and potential radiation hazards. Thus, the thesis attempts to present a balanced perspective on both the strengths and potential challenges of electron beam welding technology. It aims to provide a realistic assessment for those considering adopting this advanced welding technique. Subsequent sections of the study focus on the practical applications of electron beam welding. The effects of various process parameters, such as accelerating voltage, beam current, focus current, focal length, welding speed, and vacuum pressure, which directly affect weld quality, are examined with great care. The metallurgical effects of electron beam welding are also thoroughly evaluated. In particular, the formation of the weld fusion zone (FZ) and the heat-affected zone (HAZ), as well as microstructural changes within these regions, are emphasized. Accurately predicting the thermal history and temperature distribution in these regions is highlighted as critical for understanding and controlling the final properties of welded joints. The formation of phases, grain size, and the presence of any undesirable precipitates are all influenced by this thermal history and contribute to the joint's ultimate performance. One of the most significant sections of the study is dedicated to investigating the complex dynamics of the weld pool that are desired to be simulated. The fundamental forces acting on the molten metal are addressed in detail. These forces include electron beam recoil pressure, surface tension and thermocapillary effect (Marangoni convection), hydrostatic pressure, buoyancy force, and electromagnetic forces. The role of each force in shaping the weld pool and ensuring its stability is explained in detail. Additionally, the formation mechanisms of different weld pool geometries, such as partial penetration, keyhole, and hourglass geometries, are also investigated. The finite element method used to model the thermal behavior of electron beam welding is thoroughly evaluated alongside other analytical and numerical methods. The basic principles, mathematical formulations, advantages, limitations, and suitability for modeling the welding process of these methods are explained step by step. In addition, various heat source models commonly used in welding simulations are examined. The advantages and disadvantages of different approaches, such as the Gaussian heat source model, the double-ellipsoidal (Goldak) heat source model, and the volumetric heat source model, are compared. This review underscores the fact that the choice of heat source model can significantly impact the accuracy of the simulation results. The main focus of the thesis is the presentation and validation of a specific thermal model developed for modeling electron beam welding processes. This model was developed on the ANSYS Workbench platform, a finite element analysis software. The model is based on transient heat transfer processes that take into account the heat transfer processes during the welding process as a function of time. Each stage of the model setup (geometry creation, definition of material properties, mesh generation, application of boundary conditions, and modeling of the heat source) is explained step by step. The rationale for selecting the double-conical heat source model to represent the heat input from the electron beam and its configuration methodologies are explained in detail. The model variables were precisely determined using data obtained from previous experimental studies. The validation of the developed thermal model was also carried out by comparing the simulation results with experimental data obtained from previous studies. In particular, the focus was on different weld pool geometries such as partial penetration, keyhole, and hourglass geometries. The simulation results were compared with experimental measurements of weld dimensions, especially the shape of the fusion zone. The comparison results show that the developed and reconstructed thermal model can predict the weld pool geometry and temperature distribution during the electron beam welding process with high accuracy. The analysis results obtained within the scope of this thesis reveal that the developed model can provide comprehensive insight into the thermal effects of electron beam welding processes. It is stated that the findings can be used to optimize electron beam welding process variables to increase weld quality and efficiency, minimize potential defects, and reduce process costs. It is also stated that this modeling approach can be used to simulate costly and challenging welding scenarios and to access experimental data that is difficult to obtain in real environments. The study concludes by highlighting the limitations of the current model and providing suggestions for future research areas. It is stated that the model can be further improved by including more complex physical phenomena such as flow dynamics, metallurgical transformations, and thermomechanical interactions. The importance of developing robust and comprehensive data collection systems to further improve the model and confirm its accuracy is emphasized. In summary, this study presents a comprehensive approach to numerically modeling electron beam welding processes. The developed model can serve as a valuable tool for optimizing welding parameters, controlling the process, and obtaining joints with better material properties. This thesis provides a foundation for more detailed research in electron beam welding and similar high-energy-density welding processes, and highlights some important points for future research.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    184307

    Elektron ışın kaynağı birleştirilmiş iki farklı çelik malzemenin kaynak bölgesinin incelenmesi

    Investigation of weld zone in the jointed two dissimilar steel materials by electron beam welding

    ADNAN ÇALIK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    Makine MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. REMZİ VAROL

  2. Tez No

    459293

    Yüksek mukavemetli çeliklerin elektron ışın kaynağının araştırılması

    The investigation of high strength steel weldability of electron beam

    CİHANGİR TEVFİK SEZGİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Metalurji MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. FATİH HAYAT

  3. Tez No

    612257

    Inconel 718 malzemesinin elektron ışın kaynağı altında mekanik davranışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi ve karşılaştırılması

    Analysis and comprasion of mechanical behaviour of inconel 718 material under the effect of electron beam welding experimentally and numerically

    SEMİH YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MESUT KIRCA

  4. Tez No

    192306

    Mobil telefon kullanımına bağlı oluşan 900-1800 mhz radyo frekans dalgalarının meydana getirdiği elektromanyetik alanın iliak kanat kemik mineral yoğunluğuna etkisi

    The effect of electromagnetic fields on bone mineral density of iliac bone produced by 900-1800 mhz radio frequency waves dependent on cellular phone usage

    BEŞİR ANDAÇ AKSOY

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    Ortopedi ve TravmatolojiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Ortopedi ve Travmatoloji Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. NEVRES HÜRRİYET AYDOĞAN

  5. Tez No

    106316

    Farklı metallerin birleştirilmesinde kullanılan kaynak yöntemlerinin genel incelenmesi ve endüstriyel uygulamaları

    General examination of welding methods used in joining dissimilar metals and its industrial applications

    UMUT ENİS ASLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2001

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELAHATTİN YUMURTACI

Geri Dön