基于CA-FE法TIG焊下TC4合金焊缝微观组织数值分析
发布时间：2020-12-30 04:38
作为一种综合性能优异的钛合金,TC4（Ti-6Al-4V）合金普遍应用于制造业的各个领域,在钛合金的众多连接方法中,TIG焊因经济性及适用性上的优势,目前已占据主导地位,因此提高TIG焊的焊接质量就具有很强的现实意义。焊接质量的提高关键是控制焊缝微观组织的构成,虽然研究人员基于大量实验能在一定程度上认知焊缝微观组织的演变规律,但相关的实验研究要付出高昂的成本,在这一背景下,急需一种高效且成本可控的研究手段。融合近年来计算机技术在材料科学领域的成功应用,可为焊接质量的控制提供新思路,使可视化分析焊缝微观组织演变过程并为工艺参数的调整提供准确指导成为可能。因此,焊缝微观组织演变的数值分析已成为研究重点。基于凝固相关理论,采用CA（元胞自动机）法,建立多元合金凝固模型,并在模型稳定性得到验证的基础上,分析了恒定过冷度及一定温度梯度下晶粒的生长规律。研究的结果表明,溶质富集使成分过冷加重,进而促进枝晶分支的产生,但晶粒产生分支的趋势随晶粒数减少而上升。与此同时,利用FE（有限元）计算模型分析了瞬态变化的焊接热过程,所设计的焊接热循环实验结果与数值模拟结果一致性良好。从数值分析来看,所计算的温度...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同焊接速度下的熔池形貌
1绪论3度尝流体流动及焊缝几何形状的动态变化进行了定量分析。图1-3模拟与实验熔池形貌的对比Fig.1-3Comparisonofsimulationresultsandexperimentalresultsofmorphologyofmoltenpool国内对焊接热分析的研究起步相对较晚，汪建华等人[20]建立了脉冲钨极氩弧焊的温度场有限元计算模型。王敏等人[21]考虑潜热，建立三维有限元模型对钛合金板T型接头形式的焊接温度场进行了研究。朱智等人[22]为了准确预测搅拌摩擦焊工件的温度场，建立考虑工件与支撑板之间热传导的计算模型，温度场模拟结果与焊接接头截面各区域温度对应良好。孙高飞等人[23]利用组合热源对NVE690焊件混合激光弧焊的温度场进行了数值模拟。邵珠强等人[24]结合计算分析了不同工艺参数条件下激光烧结过程中熔池形态的变化规律，该研究为相关工艺参数的优化提供了依据。贾少辉等人[25]建立界面热导率的数学模型，解决了热塑性碳纤维复合材料-不锈钢激光焊过程中界面处热导率突变的问题，提高了模拟结果的准确性。TC4合金焊接模拟研究主要集中在温度场计算阶段，Chen等人[26]通过建立EBSW温度场的计算模型分析了其焊接温度场随工艺参数的变化规律。张可荣等人[27]基于对激光熔深焊特点的分析，通过计算探讨了焊接工艺参数对匙孔形态的影响，最终得到TC4合金激光焊条件下的最佳工艺参数取值区间。Wen等人[28]应用Fluent软件，分析了激光焊不同焊接位置烧穿孔的形成机理，该研究方法为激光焊工艺参数优化及缺陷控制提供了有效手段。Liu等人[29]分析了TC4合金线性摩擦焊过程中三维温度场的变化规律。米高阳等人[30]将相变对材料性能的影响考虑到温度场的计算模型中，提高了模拟结果的精确性。上述研究表明了焊接温度场控制的重要性，但究其本质，焊接温度场始终是
苤史植冀?辛俗既返哪Ｄ猓?但CA-FE法在计算效率上表现出了极大的优势。Yin等人[57]采用CA-FE法建立了激光工程网络成形(LENS)过程中熔池内晶粒生长的计算模型，并根据计算结果讨论了不同局部冷却条件和工艺条件下晶粒形貌的演变机制。Amir等人[58]模拟了激光熔化(lasermelting)熔池凝固过程中晶粒的竞争生长，详细分析了激光扫描速率对微观组织形貌的影响机理。Tian等人[59]研究了TC4合金激光沉积成形(LDS)过程中熔池的瞬态温度场变化及其作用下熔池内晶粒的生长，并讨论了工艺参数与微观组织形貌之间的关系，模拟结果如图1-7所示。图1-7不同时刻熔池温度场与微观组织形貌Fig.1-7TemperaturefieldandmicrostructuremorphologyofmoltenpoolatdifferenttimesZhangJ等人[60]忽略动力学过冷，将非均匀形核、择优生长取向等因素考虑到模型中，计算了316不锈钢激光熔覆过程中凝固组织的演化，并讨论了过冷度与晶粒生长速率之间的关系。Nie等人[61]研究了Nb-Ni基高温合金激光增材制造过程中晶粒的形核与生长、铌(Nb)元素的偏析以及Laves相颗粒的形成规律，并讨论了冷却条件对微观组织演变的影响，结果如图1-8所示。图1-8微观组织的演变过程Fig.1-8Theevolutionofmicrostructure在国内，张飞奇等人[62,63]建立了TC4合金电弧增材制造凝固过程的数值计算模型，并系统研究了电弧增材不同阶段的微观组织演变，以及添加微量元素对形核率与生长速率的影响。韩日宏等人[64]计算了焊接过程中的传热传质过程及焊缝凝固组织形貌的演变，并进一步分析了熔池形貌随焊接工艺参数的变化规律以及焊缝中不同区域晶粒形貌的形成机理。占小红等人[65]模拟了Invar合金激光熔覆过程中熔池内晶粒的竞争生长过程，结
本文编号：2946999
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同焊接速度下的熔池形貌
1绪论3度尝流体流动及焊缝几何形状的动态变化进行了定量分析。图1-3模拟与实验熔池形貌的对比Fig.1-3Comparisonofsimulationresultsandexperimentalresultsofmorphologyofmoltenpool国内对焊接热分析的研究起步相对较晚，汪建华等人[20]建立了脉冲钨极氩弧焊的温度场有限元计算模型。王敏等人[21]考虑潜热，建立三维有限元模型对钛合金板T型接头形式的焊接温度场进行了研究。朱智等人[22]为了准确预测搅拌摩擦焊工件的温度场，建立考虑工件与支撑板之间热传导的计算模型，温度场模拟结果与焊接接头截面各区域温度对应良好。孙高飞等人[23]利用组合热源对NVE690焊件混合激光弧焊的温度场进行了数值模拟。邵珠强等人[24]结合计算分析了不同工艺参数条件下激光烧结过程中熔池形态的变化规律，该研究为相关工艺参数的优化提供了依据。贾少辉等人[25]建立界面热导率的数学模型，解决了热塑性碳纤维复合材料-不锈钢激光焊过程中界面处热导率突变的问题，提高了模拟结果的准确性。TC4合金焊接模拟研究主要集中在温度场计算阶段，Chen等人[26]通过建立EBSW温度场的计算模型分析了其焊接温度场随工艺参数的变化规律。张可荣等人[27]基于对激光熔深焊特点的分析，通过计算探讨了焊接工艺参数对匙孔形态的影响，最终得到TC4合金激光焊条件下的最佳工艺参数取值区间。Wen等人[28]应用Fluent软件，分析了激光焊不同焊接位置烧穿孔的形成机理，该研究方法为激光焊工艺参数优化及缺陷控制提供了有效手段。Liu等人[29]分析了TC4合金线性摩擦焊过程中三维温度场的变化规律。米高阳等人[30]将相变对材料性能的影响考虑到温度场的计算模型中，提高了模拟结果的精确性。上述研究表明了焊接温度场控制的重要性，但究其本质，焊接温度场始终是
苤史植冀?辛俗既返哪Ｄ猓?但CA-FE法在计算效率上表现出了极大的优势。Yin等人[57]采用CA-FE法建立了激光工程网络成形(LENS)过程中熔池内晶粒生长的计算模型，并根据计算结果讨论了不同局部冷却条件和工艺条件下晶粒形貌的演变机制。Amir等人[58]模拟了激光熔化(lasermelting)熔池凝固过程中晶粒的竞争生长，详细分析了激光扫描速率对微观组织形貌的影响机理。Tian等人[59]研究了TC4合金激光沉积成形(LDS)过程中熔池的瞬态温度场变化及其作用下熔池内晶粒的生长，并讨论了工艺参数与微观组织形貌之间的关系，模拟结果如图1-7所示。图1-7不同时刻熔池温度场与微观组织形貌Fig.1-7TemperaturefieldandmicrostructuremorphologyofmoltenpoolatdifferenttimesZhangJ等人[60]忽略动力学过冷，将非均匀形核、择优生长取向等因素考虑到模型中，计算了316不锈钢激光熔覆过程中凝固组织的演化，并讨论了过冷度与晶粒生长速率之间的关系。Nie等人[61]研究了Nb-Ni基高温合金激光增材制造过程中晶粒的形核与生长、铌(Nb)元素的偏析以及Laves相颗粒的形成规律，并讨论了冷却条件对微观组织演变的影响，结果如图1-8所示。图1-8微观组织的演变过程Fig.1-8Theevolutionofmicrostructure在国内，张飞奇等人[62,63]建立了TC4合金电弧增材制造凝固过程的数值计算模型，并系统研究了电弧增材不同阶段的微观组织演变，以及添加微量元素对形核率与生长速率的影响。韩日宏等人[64]计算了焊接过程中的传热传质过程及焊缝凝固组织形貌的演变，并进一步分析了熔池形貌随焊接工艺参数的变化规律以及焊缝中不同区域晶粒形貌的形成机理。占小红等人[65]模拟了Invar合金激光熔覆过程中熔池内晶粒的竞争生长过程，结
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