焊接热过程及熔池枝晶生长的数值研究

• 作 者: 吕金波
• 机 构: 西安理工大学
• 出 处: 西安理工大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 元胞自动机 有限差分 焊接温度场 熔池枝晶生长 数值分析

由于焊接过程具有瞬时、高温、不平衡性等特点，采用传统的实验方法研究焊接熔池凝固时微观组织的演变不但耗资、耗时，甚至难以实现。随着对快速凝固过程研究的不断深入，结合高速发展的计算机技术，对焊接熔池凝固过程进行数值模拟已经逐渐成为可能。本文将基于有限差分和元胞自动机法对焊接热过程及熔池枝晶生长进行数值模拟。　　
首先，采用有限差分法对移动热源条件下的焊接温度场进行了数值模拟，热源形式为二维平面高斯热源。模拟结果表明等温线与焊接热源同步移动，随着时间步的继续，等温线向外扩张，沿焊接方向其形状被拉长，且热源中心前部温度梯度较大，尾部温度梯度较小。此外，关于焊接工艺参数对温度场的影响也进行了模拟，其结果与实际焊接过程的热传导规律能够较好吻合。　　
其次，基于元胞自动机法模拟了焊接熔池内部等轴晶的生长过程。模拟结果表明枝晶沿着优先生长晶向生长速度快，其他方向生长受到抑制，随着枝晶的长大，在固液界面处出现不同程度的溶质富集，富集层约6～8个元胞厚度，加载界面能各向异性函数后沿优先生长晶向枝晶臂生长优势更加明显，直观表现为枝晶臂变的细长。　　
最后，将有限差分与元胞自动机法结合起来，建立了焊接熔池内部多晶粒的形核与长大数值模型，模拟结果表明晶粒主要沿着模型边界形核，而在模型内部及绝热边界附近基本没有形核现象，在同一时刻，增大最大异质形核基点，晶粒形核数目也随之增大。随着温度的降低，新形核的晶粒在生长时受到周围已凝固区域的阻碍，出现竞争生长，呈现不规则形貌，而向液相内部生长的晶粒由于没有阻碍，仍沿着优先生长晶向保持等轴晶规则形貌生长，最后凝固的区域为模型中心靠近绝热边界附近。