焊接熱過程及熔池枝晶生長的數(shù)值研究.pdf

1、由于焊接過程具有瞬時(shí)、高溫、不平衡性等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法研究焊接熔池凝固時(shí)微觀組織的演變不但耗資、耗時(shí)，甚至難以實(shí)現(xiàn)。隨著對(duì)快速凝固過程研究的不斷深入，結(jié)合高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)焊接熔池凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)逐漸成為可能。本文將基于有限差分和元胞自動(dòng)機(jī)法對(duì)焊接熱過程及熔池枝晶生長進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　 首先，采用有限差分法對(duì)移動(dòng)熱源條件下的焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，熱源形式為二維平面高斯熱源。模擬結(jié)果表明等溫線與焊接熱源

2、同步移動(dòng)，隨著時(shí)間步的繼續(xù)，等溫線向外擴(kuò)張，沿焊接方向其形狀被拉長，且熱源中心前部溫度梯度較大，尾部溫度梯度較小。此外，關(guān)于焊接工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響也進(jìn)行了模擬，其結(jié)果與實(shí)際焊接過程的熱傳導(dǎo)規(guī)律能夠較好吻合。
　　 其次，基于元胞自動(dòng)機(jī)法模擬了焊接熔池內(nèi)部等軸晶的生長過程。模擬結(jié)果表明枝晶沿著優(yōu)先生長晶向生長速度快，其他方向生長受到抑制，隨著枝晶的長大，在固液界面處出現(xiàn)不同程度的溶質(zhì)富集，富集層約6～8個(gè)元胞厚度，加載界面能各

3、向異性函數(shù)后沿優(yōu)先生長晶向枝晶臂生長優(yōu)勢(shì)更加明顯，直觀表現(xiàn)為枝晶臂變的細(xì)長。
　　 最后，將有限差分與元胞自動(dòng)機(jī)法結(jié)合起來，建立了焊接熔池內(nèi)部多晶粒的形核與長大數(shù)值模型，模擬結(jié)果表明晶粒主要沿著模型邊界形核，而在模型內(nèi)部及絕熱邊界附近基本沒有形核現(xiàn)象，在同一時(shí)刻，增大最大異質(zhì)形核基點(diǎn)，晶粒形核數(shù)目也隨之增大。隨著溫度的降低，新形核的晶粒在生長時(shí)受到周圍已凝固區(qū)域的阻礙，出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)生長，呈現(xiàn)不規(guī)則形貌，而向液相內(nèi)部生長的晶粒由于沒有