[发明专利]一种激光焊接熔池枝晶生长模拟方法

权利要求书

1.一种激光焊接熔池支晶生长模拟方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：简化条件与模型初始化；

步骤二：建立宏观温度梯度和推进速度模型；

步骤三：建立枝晶生长相场模型；

步骤四：宏观-微观耦合计算；

步骤五：模拟计算与结果的导出。

2.按照权利要求1所述的一种激光焊接熔池支晶生长模拟方法，其特征在于：所述步骤一中简化条件包含

1.1假设计算的初始状态是一个平面晶形态；

1.2忽略潜热对枝晶生长过程的影响；

1.3引入一个相场参量，该参量的变化代表了固液界面的移动和变化过程；

1.4简化温度和溶质分数非线性变化的参数。

3.按照权利要求1所述的一种激光焊接熔池支晶生长模拟方法，其特征在于：所述步骤二具体为，

熔池结晶总是从熔池边界处半熔化的母材晶粒上开始形核并向熔池中心成长的，熔合线上任意点的结晶方向与焊接方向的夹角为α，晶粒的成长速度为V_P，焊接速度为V，则V_P与V的关系是：

V_P＝Vcosα (1)

熔合线上任一点到熔池中心处的距离为d，则定义熔合线上任一点的平均温度梯度为：

G=TP-TLd---(2)]]>

其中T_P是焊接熔池中心处的温度，T_L为结晶温度，即熔合线处的温度，d为T_P和T_L之间的距离。

4.按照权利要求1所述的一种激光焊接熔池支晶生长模拟方法，其特征在于：所述步骤三具体为，

基于金兹堡-朗道理论，建立适用于模拟焊接熔池枝晶生长的相场模型；将扩散界面的界面宽度定义为几个数量级倍数的实际界面厚度，扩大界面厚度而带来的反常的较明显的溶质截留效应通过引入“反溶质截留项”来抵消；对于二元稀溶液，其相图的液相线和固相线由两条斜率分别为m和m/k的直线组成，其中k为溶质分配系数；凝固界面在任何温度条件下均符合溶质分配关系c_s＝kc_l，其c_s和c_l分别为界面固相和液相一侧的溶质质量分数。忽略结晶潜热的影响，定义温度场控制方程：

T(z,t)＝T₀+G(z-z₀-V_pt)

(3)

其中T(z,t)为温度场分布情况,z是平行于枝晶生长方向的坐标,t是凝固时间，T₀＝T(z₀,0)是参考温度，G是温度梯度，V_p是熔池熔合线的推进速度；

建立的模型中引入一个标量，即参量φ；在凝固过程中，φ＝1和φ＝-1分别代表着固相或者液相，而在固液界面上，φ是一个连续函数，其值从-1连续转变为1；相场方程和溶质场方程如下：

∂φ∂t[1-(1-k)z-VptlT]τ0a(n^)2=W2▿→[a(n^)2▿Φ→]+φ-φ3-λ(1-φ2)2(U+z-VptlT)---(4)]]>

(1+k2-1-k2φ)∂U∂t=▿→(D1-φ2▿→U+122W[1+(1-k)U]∂φ∂t▿→φ|▿→φ|)+12[1+(1-k)U]∂φ∂t---(5)]]>

其中，W是无量纲的界面厚度，τ₀是无量纲的弛豫时间，l_T是凝固区间长度，是各向异性函数；l_T的表达式如下：

lT=|m|(1-k)cl0/G---(6)]]>

其中是固液界面液相一侧的溶质浓度，m是液相线斜率；

在二维模拟情况下，的表达式如下：

其中为界面法向与晶体最优生长取向的夹角，ε为各向异性强度；

溶质场的溶质浓度通过一个过饱和场U来表达：

U=1/(1-k)(c/c∞(1-φ)/2+k(1+φ)/2-1)---(8)]]>

其中U是一个过饱和的场，k为溶质分配系数，c是溶质溶度分布情况，c_∞是远离固液界面的液相中平衡溶度。