CN107309543A - 一种激光焊接熔池枝晶生长模拟方法 - Google Patents
一种激光焊接熔池枝晶生长模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了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。本发明能够定量地进行激光焊接熔池凝固过程枝晶生长演变模拟，动态的再现激光焊接熔池凝固过程的枝晶生长过程，有助于深化理解激光焊接熔池微观组织演变机理，为激光焊接熔池凝固过程的研究及优化焊接工艺奠定了基础。
Description
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VP，焊接速度为V，则VP与V的关系是：
VP＝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TP是焊接熔池中心处的温度，TL为结晶温度，即熔合线处的温度，d为TP和TL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cs＝kcl，其cs和cl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-Vpt)
(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，Vp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：
其中，W是无量纲的界面厚度，t0是无量纲的弛豫时间，lT是凝固区间长度，是各向异性函数；lT的表达式如下：
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：
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。
进一步地，所述步骤四具体包含
4.1通过步骤一建立模拟计算区域，并且对该区域和计算条件行简化和初始化处理；定义模拟的时间步长，每个网格的尺寸，划分的网格数目以及每个网格的状态，对计算区域内的每个网格进行赋初值；
4.2通过步骤二计算并获得激光焊接熔池的温度梯度和熔合线的推进速度；然后将温度梯度和推进速度带入到相场模型模拟激光焊接熔池的枝晶生长过程；
4.3通过步骤三模拟激光焊接熔池的枝晶生长过程；将计算获得的焊接熔池内部的温度梯度和推进速度带入当相场方程中，计算相场参量的变化情况；相场参量的变化代表了固液界面的移动和演化，最后形成不同的枝晶生长过程和溶质溶度分布情况；同时，计算出的相场变量对下一个时间步的熔池场分布和相场参量的变化均产生影响；
4.4以上计算过程将在每个时间步进行一次直到计算结束。
进一步地，所述步骤五具体为，基于宏观温度梯度、推进速度模型和枝晶生长的相场模型编写计算机程序，获得并导出枝晶生长与演变结果。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明能够定量地进行激光焊接熔池凝固过程枝晶生长演变模拟，动态的再现激光焊接熔池凝固过程的枝晶生长过程，有助于深化理解激光焊接熔池微观组织演变机理，为激光焊接熔池凝固过程的研究及优化焊接工艺奠定了基础。
附图说明
图1是本发明的一种激光焊接熔池枝晶生长模拟方法的流程图。
图2是本发明的实施例的激光焊接熔池枝晶生长情况模拟结果图。
图3是本发明的实施例的表1。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图所示，本发明的一种激光焊接熔池支晶生长模拟方法，包含以下步骤：
步骤一：简化条件与模型初始化；
为保证模型的可计算性，在建立模型的过程中进行了一些假设：焊接熔池熔合线处将发生联生结晶，相当于定向凝固过程，因此假设计算的初始状态是一个平面晶形态。模拟计算过程中忽略了潜热对枝晶生长过程的影响。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。某些随温度和溶质分数非线性变化的参数进行一定的简化。
以计算Al-Cu二元合金为例，微观模型中采用的材料参数和模拟参数如表1所示。参考焊接过程的实际情况，对计算机模拟的时间、空间、状态进行离散。主要指定义模拟的时间步长，每个方形元胞的尺寸，划分的网格数目以及每个网格的状态。
对建立的模型进行相应简化，定义温度场方程、初始溶质场以及区域内初始状态。在模拟计算之前，对计算区域内的每个网格进行赋初值。
步骤二：建立宏观温度梯度和推进速度模型；
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VP，焊接速度为V，则VP与V的关系是：
VP＝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TP是焊接熔池中心处的温度，TL为结晶温度，即熔合线处的温度，d为TP和TL之间的距离。
步骤三：建立枝晶生长相场模型；
基于金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau)理论，建立了适用于模拟焊接熔池枝晶生长相场模型。为了提高计算效率，模型中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cs＝kcl，其cs和cl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-Vpt)
(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，Vp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：
其中，W是无量纲的界面厚度，τ0是无量纲的弛豫时间，lT是凝固区间长度，是各向异性函数；lT的表达式如下：
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：
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。
步骤四：宏观-微观耦合计算；
4.1通过步骤一建立模拟计算区域，并且对该区域和计算条件行简化和初始化处理；定义模拟的时间步长，每个网格的尺寸，划分的网格数目以及每个网格的状态，对计算区域内的每个网格进行赋初值；
4.2通过步骤二计算并获得激光焊接熔池的温度梯度和熔合线的推进速度；然后将温度梯度和推进速度带入到相场模型模拟激光焊接熔池的枝晶生长过程；
4.3通过步骤三模拟激光焊接熔池的枝晶生长过程；将计算获得的焊接熔池内部的温度梯度和推进速度带入当相场方程中，计算相场参量的变化情况；相场参量的变化代表了固液界面的移动和演化，最后形成不同的枝晶生长过程和溶质溶度分布情况；同时，计算出的相场变量对下一个时间步的熔池场分布和相场参量的变化均产生影响；
4.4以上计算过程将在每个时间步进行一次直到计算结束。
步骤五：模拟计算与结果的导出。
基于上述的宏观温度梯度、推进速度模型和枝晶生长的相场模型编写计算机程序，可以获得并导出枝晶生长与演变结果。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
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VP，焊接速度为V，则VP与V的关系是：
VP＝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：
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其中TP是焊接熔池中心处的温度，TL为结晶温度，即熔合线处的温度，d为TP和TL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cs＝kcl，其cs和cl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-Vpt)
(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，Vp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：
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其中，W是无量纲的界面厚度，τ0是无量纲的弛豫时间，lT是凝固区间长度，是各向异性函数；lT的表达式如下：
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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：
<mrow>
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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。
5.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：所述步骤四具体包含
4.1通过步骤一建立模拟计算区域，并且对该区域和计算条件行简化和初始化处理；定义模拟的时间步长，每个网格的尺寸，划分的网格数目以及每个网格的状态，对计算区域内的每个网格进行赋初值；
4.2通过步骤二计算并获得激光焊接熔池的温度梯度和熔合线的推进速度；然后将温度梯度和推进速度带入到相场模型模拟激光焊接熔池的枝晶生长过程；
4.3通过步骤三模拟激光焊接熔池的枝晶生长过程；将计算获得的焊接熔池内部的温度梯度和推进速度带入当相场方程中，计算相场参量的变化情况；相场参量的变化代表了固液界面的移动和演化，最后形成不同的枝晶生长过程和溶质溶度分布情况；同时，计算出的相场变量对下一个时间步的熔池场分布和相场参量的变化均产生影响；
4.4以上计算过程将在每个时间步进行一次直到计算结束。
6.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：所述步骤五具体为，基于宏观温度梯度、推进速度模型和枝晶生长的相场模型编写计算机程序，获得并导出枝晶生长与演变结果。
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| CN201710308517.0A CN107309543A (zh) | 2017-05-04 | 2017-05-04 | 一种激光焊接熔池枝晶生长模拟方法 |
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