Laserhitsaussuuttimen suojakaasun virtausmallinnus

Abstract

Laserhitsauksessa metalli lämpenee ja altistuu hapettumiselle. Hapettumisen estämiseksi hitsauksessa käytetään suojakaasua. Liian pieni määrä suojakaasua johtaa heikkoon liitokseen, mutta liian suuri määrä on puolestaan taloudellinen menoerä. Sopivan suuttimen suojakaasun määrän ja muodon testaaminen on 3D-tulostettuina prototyyppeinä hidasta. Tässä työssä tarkasteltiin, mitä vaadittaisiin suuttimen CFD-mallinnukseen, mikäli haluttaisiin tutkia tilavuusvirran ja pinnan etäisyyden vaikutusta suojakaasun tilavuusosuuteen. Työn teoriaosuudessa tutustuttiin virtaukseen liittyviin ilmiöihin, mallinnuksen yksinkertaistuksiin, laskentakaavoihin sekä Comsolin verkkosivujen ohjeistuksiin. Teorian pohjalta pyrittiin luomaan mahdollisimman tarkka sekä laskennallisesti taloudellinen ja stabiili malli. Tämän jälkeen tulokset laskettiin ja esitettiin taulukoidussa muodossa. Lopuksi pohdittiin mallin ja suuttimen parannusehdotuksia. Tulosten perusteella suutin ei saavuttanut haluttua suojakaasun 90 %:n tilavuusosuutta. Osuuteen ei voitu vaikuttaa merkittävästi 5–35 mm:n etäisyyksillä ja 10–50 l/min syöttönopeuk-silla. Tulokset olivat keskimäärin 50–65 % alueella, mutta ajasta riippuvaa vaihtelu oli merkittävää. Vaihtelu lisääntyi etäisyyden kasvaessa ja tilavuusvirran vähentyessä. Tulosten pohjalta vaikuttaakin, että geometria imee suuttimen yläaukosta vakiomäärän ilmaa suhteessa syötettävään suojakaasumäärään. Siksi tulokset eivät juurikaan parantuneet parametreja muuttamalla. Ongelmana tulosten luotettavuuden suhteen oli turbulenssimallin, numeraalisen tarkkuuden tarkastelun sekä hilakoon tarkastelun puuttuminen. Lisäksi suuttimen geometriaa olisi voinut yksinkertaistaa huomattavasti poistamalla suojakaasun tuloväyliä. Myöskin pyöristyksiä olisi kuulunut käyttää enemmän parempien mallinnustulosten saamiseksi. Saatujen tulosten perusteella suuttimen suorituskykyä voisi parantaa pyrkimällä estämään ilman imeytymistä suuttimen yläosasta suojakaasuun. Lisäksi suojakaasun jakautuminen oli epätasaista, ja siksi jakajan tulisi hankaloittaa kaasun pääsemistä tuloputkea lähimpien ja vastapäätä oleviin putkiin