一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法
本专利技术属于金属材料焊接工艺数值模拟
，具体涉及一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法。
技术介绍
近年来，随着全球工业化进程的不断发展，环境污染和能源短缺问题日益突出，在满足使用要求的条件下，如果能够采用轻金属代替重金属，就可以使结构轻量化，减少重金属污染。铝合金因其质量轻、密度小、强度高、以及加工性能好等优点被广泛应用于航空航天、交通运输以及民用建筑等领域。铝合金的加工制造技术主要以铸造、冲压和焊接最为常见，在实际焊接中，铝合金的焊接方式主要是熔化焊，熔化焊过程中输入到焊件上的热量以及热量的分布对焊接接头产生重要影响，直接影响接头的微观组织和力学性能，传统的铝合金焊接过程研究常采用实验法，这种方法存在费时费力、经济效益低的缺点，而且焊接过程的热量具有瞬时、集中、动态的特征，传统的方法难以实时观察焊接熔池的温度场变化，进而无法实时观察熔池内晶粒组织的演变过程。随着计算机技术的发展，数值模拟方法的出现为研究铝合金的焊接过程提供了一种新的思路，其中，元胞自动机法因其具有明确的物理基础以及先进的概本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n步骤1、简化模型条件；/n步骤2、基于传热原理，构建宏观温度场模型；/n步骤3、基于插值原理，构建微观温度场模型；/n步骤4、基于凝固理论，构建晶粒形核与生长模型；/n步骤5、模拟计算及结果导出。/n

【技术特征摘要】
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；
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。


2.根据权利要求1所述的一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法，其特征在于，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。


3.根据权利要求1所述的一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法，其特征在于，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：
T(x,y)＝Tf(3)；
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＝hw(T-Tf)(4)；
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/W/(m2*K)。


4.根据权利要求1所述的一种铝合金焊接熔池微观组织的模拟方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李继红，郭钊，郭宇飞，李保铃，张敏，雷龙宇，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61