[发明专利]镍基合金焊接熔池相变的模拟方法

说明书

本发明公开了镍基合金焊接熔池相变的模拟方法，首先根据传热学原理建立焊接温度场模型，然后利用相变原理构建相变模型，再依据线性插值法将宏观温度场与微观温度场进行耦合建立相变模型，并对模拟过程中的一些模拟条件进行了适量简化，建立了镍基合金焊接熔池相变的计算模型，最后在模拟软件Matlab上实现了可视化的计算和分析。本模型能够计算不同时间、不同焊接工艺参数下镍基合金焊接过程中温度场的演变情况，并通过耦合宏微观温度场，实现了在高度动态化的温度场变化过程中计算焊缝金属的相变情况，从而为研究镍基合金焊接过程中的相变过程提供了一种全新的、更直观的且高效可靠的研究手段。

技术领域

本发明属于金属凝固过程中相变数值模拟方法技术领域，具体涉及镍基合金焊接熔池相变的模拟方法。

背景技术

镍基合金因具有耐磨性好、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。焊接作为一种常用的连接方法，具有灵活性好、适应性强、材料连接性能好等优点，使其成为镍基合金的最主要的连接方法，因此，如何提高镍基合金焊接过程中焊接接头的质量就具有很重要的意义。

焊接过程中，焊缝金属的相变过程对焊缝的最终生成相的组成和含量会产生重要影响，从而决定焊接接头的力学性能和使用寿命。采用传统的金相实验方法只能对完全冷却至室温的焊缝金属的相组成进行观察和研究，难以对焊缝金属完全凝固后，由于高温的作用产生的相变过程进行观察和分析，因此，急需一种能够对焊缝金属相变过程进行实时观测和分析的研究方法。

发明内容

本发明的目的是提供镍基合金焊接熔池相变的模拟方法，解决了由于焊接的复杂性无法观察到或者很困难观察完整的相组织样貌的问题。

本发明所采用的技术方案是，镍基合金焊接熔池相变的模拟方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、基于传热学原理，构建焊接瞬态温度场模型；

步骤2、利用相变原理，构建焊缝金属相变模型；

步骤3、利用插值原理，耦合焊接瞬态温度场模型与焊缝金属相变模型，形成镍基合金焊接熔池相变的计算模型；

步骤4、进行数值计算，获得模拟图像。

本发明的特点还在于：

步骤1具体过程为：

步骤1.1、选定焊接熔池，根据焊接熔池的实际参数设定焊接熔池的边界约束、表面热通量，并选择焊接熔池的热源模型；

步骤1.2、根据传热学原理，焊件导热方程如下式所示：

式中：表示焊接熔池的温度变化，x、y表示焊接熔池上的位置坐标，ρ为材料密度，c为材料比热容，λ为材料热导率，q表示焊接熔池表面热通量；

步骤1.3、将焊件导热方程和热源模型作为焊接瞬态温度场模型。

步骤1.1中热源模型为高斯热源模型，高斯热源模型面上任意一点的热通量表示为：

式中：l为任意一点距热源中心的距离；r为激光光斑半径，q_m表示输入的激光功率。

步骤2具体过程为：

步骤2.1、简化焊缝金属相变模型的中合金成分；

步骤2.2、镍基合金冷却过程中，发生L＝γ+NbC+Laves相变，建立温度-相变的数学模型，即焊缝金属相变模型表示：

F_γ(i,j)＝a^*T(i,j)+b