SUS316和NIMONIC263焊接接頭晶粒長大MONTE CARLO模擬.pdf

1、焊接接頭由于受到不均勻加熱冷卻過程的影響，其組織轉(zhuǎn)變過程復(fù)雜，主要包括焊接熱影響區(qū)內(nèi)晶粒粗化、相變以及焊縫金屬的熔化凝固。這些轉(zhuǎn)變導(dǎo)致焊接接頭性能發(fā)生變化。在一些單相合金如奧氏體不銹鋼SUS316和高溫鎳基合金Nimonic263中，焊接熱影響區(qū)內(nèi)無相變過程，因此晶粒長大成為焊接熱影響區(qū)組織演變的主要現(xiàn)象。為了深入研究無相變合金焊接熱過程對焊接接頭晶粒長大的影響規(guī)律，本文建立了焊接熱影響區(qū)和焊縫三維Monte Carlo(MC)晶粒長大

2、模型。同時(shí)，為了獲得MC模擬所需要的焊接熱循環(huán)曲線，建立了三種不同的流場溫度場模型，對焊接接頭的流場和溫度場分布進(jìn)行模擬。并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了焊接接頭晶粒長大模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鎢極氣體保護(hù)焊(TIG)熱過程及接頭組織演變過程的模擬，三維再現(xiàn)了焊接接頭晶粒長大過程。該系統(tǒng)可預(yù)測TIG焊接頭晶粒尺寸，為焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化提供參考。
　　首先，綜合考慮了表面張力、電磁力、浮力等驅(qū)動力的作用，采用流體計(jì)算軟件PHOENICS建立了TIG焊流場溫度

3、場模型。分別采用導(dǎo)熱模型、層流模型和紊流模型模擬了Nimonic263 TIG焊熱過程，分析了這幾種模型的模擬精度及適用范圍。結(jié)果表明紊流模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為接近。進(jìn)一步采用紊流模型模擬了SUS316不銹鋼焊接熱過程，通過研究有效粘度和有效導(dǎo)熱的分布，揭示了熔池內(nèi)液態(tài)金屬紊流時(shí)導(dǎo)熱與對流傳輸熱量的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明，紊流模型中隨著流速的增加，金屬液體導(dǎo)熱能力不斷增加而對流散熱能力則因粘度的增加而相對下降。根據(jù)模擬結(jié)果，對部分

4、凝固參數(shù)進(jìn)行分析得出，隨著焊接熱輸入的增加，界面前沿的不穩(wěn)定性也隨之增加，導(dǎo)致熔池凝固界面前沿晶粒生長并不是以平面生長方式進(jìn)行。
　　在流場溫度場模型的基礎(chǔ)上，模擬了活性劑焊接(A-TIG)傳熱和傳質(zhì)過程，根據(jù)流場溫度場分布分析了Nimonic263平板A-TIG焊接熔深增加機(jī)理。模擬結(jié)果表明：電弧收縮對熔池形狀的改變影響很小，A-TIG焊接熔深增加機(jī)理主要體現(xiàn)在兩方面：第一，表面活性元素O、S等元素的存在，改變了表面張力溫度系數(shù)

5、，當(dāng)表面張力溫度系數(shù)由負(fù)值變?yōu)檎禃r(shí)，熔池內(nèi)液體的流動方向發(fā)生改變；第二，與傳統(tǒng)TIG焊接不同，在A-TIG焊接中，熔池內(nèi)液體更接近于層流流動。這兩方面因素的綜合作用是熔深增加的主要原因。
　　進(jìn)一步采用Monte Carlo技術(shù)，建立了焊接熱影響區(qū)晶粒長大模型。分別通過晶界擴(kuò)散模型(GBM)和基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模型(EDB)建立了SUS316不銹鋼Monte Carlo時(shí)間步和真實(shí)時(shí)間溫度的關(guān)系，模擬了SUS316不銹鋼焊接熱影響區(qū)的

6、晶粒長大過程。這兩種模型的模擬結(jié)果均與實(shí)際SUS316焊接熱影響區(qū)晶粒長大存在較大差別，由此可以得出如下結(jié)論：首先，由于GBM模型主要針對純金屬晶粒長大過程的模擬，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差別說明SUS316焊接熱影響區(qū)晶粒長大與純金屬的晶粒長大存在著較大的偏差；其次，由EDB模型的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差推測位于晶界處的沉淀相如M23C6等阻礙了晶粒的長大，受焊接熱循環(huán)的作用，晶粒只有在這些晶界沉淀溶解后才開始長大。考慮到沉淀的影響，對EDB模型

7、進(jìn)一步修正，修正后的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合驗(yàn)證了這種假設(shè)的正確性。在分別對Nimonic263 TIG和A-TIG焊接熱影響區(qū)的模擬結(jié)果顯示，Nimonic263熱影響區(qū)晶粒長大，同樣也受到晶界沉淀相的影響，而涂敷劑的存在雖然可明顯改變?nèi)鄢匦螤?，但對焊接熱影響區(qū)晶粒尺寸變化沒有明顯影響。
　　應(yīng)用Monte Carlo法，對三維熔池凝固結(jié)晶過程的模擬進(jìn)行了初步探索，建立了焊接熔池凝固組織轉(zhuǎn)變模型。在假設(shè)熔池內(nèi)無自發(fā)形核、溶質(zhì)均勻

8、分布的基礎(chǔ)上，模擬熔池內(nèi)液體形核生長過程。根據(jù)晶粒生長動力學(xué)理論，考慮溫度梯度對晶粒生長的影響，動態(tài)地再現(xiàn)了SUS316 TIG焊接和Nimonic263 TIG/A-TIG焊接熔池晶粒長大過程，并發(fā)現(xiàn)在中厚板TIG/A-TIG焊接時(shí)，通常在橫斷面看到的圓形或橢圓形的晶粒剖面并不一定是等軸晶，而是熔池尾部的柱狀晶的一個(gè)橫斷面。模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均顯示，焊接熱輸入越大時(shí)，焊縫越容易形成粗大的柱狀晶。
　　根據(jù)上述流場溫度場模型、焊接