[发明专利]一种激光焊接熔池枝晶生长模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种枝晶生长模拟方法，特别是一种激光焊接熔池枝晶生长模拟方法。

背景技术

与传统的电弧焊接技术相比，激光焊接技术具有焊接能量高、焊接速度快、焊接热影响区小、焊接深宽比大等优点，已经被广泛地应用到航空航天等领域。激光焊接接头的性能不仅取决于其宏观缺陷，更取决于晶粒尺寸、内部结构等因素。激光焊缝熔池的枝晶生长过程复杂，受诸多因素影响。因此，激光焊接熔池枝晶生长过程研究是一个复杂而重要的领域。而在该领域的研究中，数值模拟正扮演一个越来越重要的角色。

传统研究多是建立在试验数据及经验的基础之上，不但研究过程时间漫长，资金花费巨大，而且由于焊缝凝固过程的复杂性而受到一定的限制，往往难以满足不断提高的工艺精度和精确性的要求。随着计算机技术的快速发展以及凝固理论的不断完善，采用数值模拟技术研究激光焊接熔池枝晶生长过程已经成为可能。利用数值模拟技术研究激光焊接熔池枝晶形貌及枝晶间距等重要凝固信息的动态演变过程，可以定量地模拟和预测激光焊接熔池晶粒形貌演变、晶粒度演变、晶粒分布情况、一次枝晶间距以及二次枝晶间距等凝固特征，实现对激光焊接熔池凝固过程的完全预测，进而可以有效地分析焊接工艺参数对激光焊接熔池枝晶生长过程的影响，为确定母材的最佳晶向结构及最佳性能晶粒尺寸等提供依据，最终达到预测、监控和提高焊接接头质量的目的。近些年来，焊接接头性能与组织的模拟已经取得一些可喜的研究成果，在一定程度上预测了焊接熔池微观晶粒长大过程，获得了焊接接头微观组织形貌，为焊接熔池凝固过程微观组织预测奠定了基础。但是仍然没有系统的方案来对激光焊接熔池凝固过程的进行完全的预测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光焊接熔池枝晶生长模拟方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

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。

进一步地，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。

进一步地，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＝V cosα

(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：

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。

进一步地，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；