申请/专利权人：西安理工大学

申请日：2021-05-25

公开（公告）日：2024-03-19

公开（公告）号：CN113284570B

主分类号：G16C60/00

分类号：G16C60/00;G06F30/20;G06F119/08;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.19#授权;2021.09.07#实质审查的生效;2021.08.20#公开

摘要：本发明公开了一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法，具体步骤如下：步骤1、简化模型条件；步骤2、基于传热原理，构建宏观温度场模型；步骤3、基于插值原理，构建微观温度场模型；步骤4、基于凝固理论，构建晶粒形核与生长模型；步骤5、模拟计算及结果导出。本模型能够模拟铝合金焊接过程中晶粒的形核与生长过程，熔池内部发生的CET柱状晶‑等轴晶转变过程，同时还能够模拟焊接工艺参数以及冷却条件对熔池内部晶粒形貌的影响，从而为研究铝合金的焊接过程以及优化铝合金的焊接工艺提供了一种全新的方法。

主权项：1.一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、简化模型条件；所述步骤1简化模型建立条件包括：简化条件1、整个凝固过程只存在液相、固相和界面三种元胞状态；简化条件2、将焊接熔池简化为规则的半圆形状；简化条件3、模拟过程中忽略动力学过冷，只考虑温度过冷、成分过冷和曲率过冷；简化条件4、模拟区域划分为正方形单元，每一个单元即为一个元胞；简化条件5、元胞邻域关系采用V.Neumann型邻域，即四邻域；步骤2、基于传热原理，构建宏观温度场模型；所述步骤2具体按照以下步骤实施：模拟时选取高斯分布热源作为焊接热源，该热源模型由下式表示： 式中：r为焊件上任一点到热源中心的距离m；rh为电弧有效热源半径m；U为焊接电压V；I为焊接电流A；η为焊接热效率；热源加载到焊件上后，在焊件的表面和内部进行传导，热传导方程由下式表示： 式中：T为温度场函数值K；ρ为密度Kg·m-3；Cρ为容积比热容J·m3·K-1；λ为热导率W·m·K-1；确定导热的初始条件和边界条件，初始条件由下式确定：Tx,y＝Tf3；式中：Tf为模拟区域初始温度K，Tf为室温293K；边界条件由下式确定：qw＝hwT-Tf4；式中：T为试件表面温度K；Tf为周围介质温度K；hw为换热系数Wm2*K；步骤3、基于插值原理，构建微观温度场模型；所述步骤3具体按照以下步骤实施：假定材料在各个方向的热导率相同，根据插值原理，将2式转化为： 式中：Δx为网格尺寸；Δt为时间步长；i,j为微观元胞的坐标；Ti,j为微观元胞i,j的当前温度值K；T′i，j为微观元胞i,j的下一时刻温度值K；步骤4、基于凝固理论，构建晶粒形核与生长模型；所述步骤4具体按照以下步骤实施：晶粒形核模型：考虑形核的过冷度和形核的连续性，采用基于高斯分布函数的准连续形核模型，该模型由下式表示： 式中：Nmax为非均匀形核密度的最大值m3；ΔTθ为曲率过冷度℃；ΔTmax为最大形核过冷度℃；晶粒生长模型：过冷度是晶粒生长的推动力，过冷度ΔT包括三个部分，由热过冷ΔTw、成分过冷ΔTc和曲率过冷ΔTθ组成，ΔTθ由下式表示：ΔT＝ΔTw+ΔTc+ΔTθ7；由吉布斯汤普森关系可得t时刻的过冷度为：ΔTt＝TL-Tt+mLCLt-C0-ΓKt8；式中：TL为液相线温度K；Tt为t时刻的瞬时温度K；mL为液相线斜率；C0为初始溶质浓度wt.％；CLt为t时刻的液相溶质浓度wt.％；Γ为Gibbs-Thompson系数；Kt为t时刻的界面平均曲率；界面元胞在凝固过程中会向周围的液相元胞排出多余溶质，单位时间Δt内排出的溶质量ΔC由下式计算： 式中：DL为溶质液相扩散系数m2s；CL为固液界面处液相溶质浓度wt.％；nb表示界面元胞周围的液相元胞，Cnb为其溶质浓度wt.％；固液界面推进过程中，界面元胞排出ΔC的溶质之后，元胞单元固相率会发生变化，固相率增量由下式表示： 式中：k0为溶质分配系数；A为扰动因子；rand为0到1之间的随机数；采用如下公式11对液相元胞进行溶质扩散计算： 步骤5、模拟计算及结果导出；所述步骤5体按照以下步骤实施：步骤5.1：基于步骤1～4所构建的一种铝合金焊接熔池微观组织的数值模型进行编程；步骤5.2：将编好的程序导入模拟软件Matlab中，输入相关铝合金的热物性参数和焊接工艺参数，即得到铝合金焊接熔池微观组织的数值模拟结果。

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百度查询： 西安理工大学 一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法

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