一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法

1.本发明涉及一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法，属于金属凝固过程中相变数值模拟方法技术领域。


背景技术：

2.铝合金、钛合金等合金材料在轨道交通、航空航天和汽车等领域中应用广泛。焊接是合金材料连接常用的工艺方法。熔池凝固行为对焊接接头质量具有重要的影响。传统的实验研究方法难以获得合金焊接熔池的动态凝固过程，基于数值模拟方法可以得到合金焊接焊缝组织的演变过程。在焊缝组织模拟方法中，相场法通过引入序参量避免显式跟踪固/液界面的位置，可以描述复杂微观组织的演变，其中，温度梯度和推进速度两个凝固条件是影响模拟结果精度的重要因素。然而，在合金焊接熔池凝固过程中，焊缝枝晶组织的尖端位置随时间不断变化，凝固条件随之改变，属于高度非线性问题。在前期的合金焊接焊缝组织演变的相场法模拟研究中，常常将熔池假设为规则形状，求解获得的合金焊接过程的瞬态温度梯度和推进速度存在一定的误差，降低了焊缝组织演变的计算精度。因此，亟需基于熔池的实际形状提出一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法，提高焊缝组织演变的计算精度。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于基于合金焊接过程的温度场计算结果，建立瞬态凝固条件模型，获得合金焊接过程的瞬态温度梯度和推进速度，提供一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法。
4.本发明的技术方案如下：一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法，包括如下步骤：
5.步骤1、建立合金焊接过程模拟的传热模型；
6.步骤2、建立瞬态凝固条件模型；
7.步骤3、通过数值计算，获得合金焊接过程的瞬态温度梯度和推进速度。
8.优选地，在步骤1中，建立模型的过程中引入的假设包括：
9.熔池中的熔融金属为不可压缩牛顿流体；
10.忽略合金材料的蒸发。
11.优选地，基于步骤1中引入的假设，定义合金焊接过程模拟的传热模型为：
[0012][0013]
其中，ρ为密度，c为比热容，t为温度，t为时间，k为热导率，q为源项，x、y和z分别为x、y和z方向的坐标。
[0014]
优选地，在步骤2中，瞬态凝固条件包括温度梯度和推进速度，定义熔池熔合线上任意一点pi的温度梯度为：
[0015][0016]
其中，和分别为温度梯度gi在x方向和y方向的投影，采用双线性插值方法，计算和如下：
[0017][0018][0019]
其中，xi为pi在x方向的坐标，x
m+1
为pi所在网格单元右侧两个节点在x方向的坐标，xm为pi所在网格单元左侧两个节点在x方向的坐标，yi为pi在y方向的坐标，y
n+1
为pi所在网格单元上侧两个节点在y方向的坐标，yn为pi所在网格单元下侧两个节点在y方向的坐标，和分别为pi所在网格单元左下、左上、右上和右下四个节点在x方向的温度梯度，和分别为pi所在网格单元左下、左上、右上和右下四个节点在y方向的温度梯度，节点在y方向的温度梯度，和可以基于各节点的温度数据进行有限差分计算得到；
[0020]
定义熔池熔合线上任意一点pi的推进速度为：
[0021]ri
＝v
w cosαi[0022]
其中，vw为焊接速度，αi为推进速度方向与焊接速度方向之间的夹角，也即温度梯度方向与焊接速度方向之间的夹角，αi定义为：
[0023][0024]
合金焊接熔池凝固过程中，凝固条件随pi在熔合线上位置的移动而变化，求出pi随时间变化的坐标后，即可求得随时间变化的瞬态温度梯度和推进速度，间隔时间为dt的pi和p
i+1
在x方向的坐标关系为：
[0025]
x
i+1
＝xi+δx-vwdt
[0026]
δx计算如下：
[0027]
δx＝vw(cosαi)2dt
[0028]
间隔时间为dt的pi和p
i+1
在y方向的坐标关系为：
[0029]yi+1
＝yi+δy
[0030]
δy计算如下：
[0031]
δy＝v
w cosα
i sinαidt
[0032]
优选地，步骤3的具体过程为：
[0033]
通过求解步骤1建立的合金焊接过程模拟的传热模型，得到焊接件网格模型对应各节点的温度数据；
[0034]
基于各节点的温度数据，求解步骤2建立的瞬态凝固条件模型，获得合金焊接过程的瞬态温度梯度和推进速度。
[0035]
本发明的有益效果在于：所述一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计
算方法，基于合金焊接过程的温度场计算结果，建立考虑熔池实际形状的瞬态凝固条件模型，获得合金焊接过程的瞬态温度梯度和推进速度，用于合金焊接焊缝组织演变模拟，具有计算精度高的优点。
附图说明
[0036]
图1是本发明一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法的流程图；
[0037]
图2是本发明所涉及的瞬态凝固条件模型示意图；
[0038]
图3是本发明实施例求解获得的合金焊接过程的瞬态温度梯度和推进速度结果图。
具体实施方式
[0039]
为了更加清楚地说明本发明一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法的目的、技术方案和优点，下面结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0040]
基于合金焊接焊缝组织演变模拟的需求，本发明提供一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法。在本实施例中，所述计算方法基于合金焊接模拟条件假设，建立合金焊接过程模拟的传热模型，求解获得焊接温度场，建立瞬态凝固条件模型，求解获得合金焊接过程的瞬态温度梯度和推进速度。
[0041]
如图1所示，所述模拟方法具体包括如下步骤：
[0042]
1、建立合金焊接过程模拟的传热模型。
[0043]
合金焊接中涉及到一系列复杂的传热和传质现象，在建立合金焊接过程模拟的传热模型的过程中引入的假设包括：
[0044]
熔池中的熔融金属为不可压缩牛顿流体；
[0045]
忽略合金材料的蒸发。
[0046]
基于引入的假设，定义合金焊接过程模拟的传热模型为：
[0047][0048]
其中，ρ为密度，c为比热容，t为温度，t为时间，k为热导率，q为源项，x、y和z分别为x、y和z方向的坐标。
[0049]
2、建立瞬态凝固条件模型。
[0050]
用于模拟合金焊接焊缝组织演变的瞬态凝固条件包括温度梯度和推进速度。如图2所示，定义熔池熔合线上任意一点pi的温度梯度为：
[0051][0052]
其中，和分别为温度梯度gi在x方向和y方向的投影，采用双线性插值方法，计算和如下：
[0053]
[0054][0055]
其中，xi为pi在x方向的坐标，x
m+1
为pi所在网格单元右侧两个节点在x方向的坐标，xm为pi所在网格单元左侧两个节点在x方向的坐标，yi为pi在y方向的坐标，y
n+1
为pi所在网格单元上侧两个节点在y方向的坐标，yn为pi所在网格单元下侧两个节点在y方向的坐标，和分别为pi所在网格单元左下、左上、右上和右下四个节点在x方向的温度梯度，和分别为pi所在网格单元左下、左上、右上和右下四个节点在y方向的温度梯度，节点在y方向的温度梯度，和可以基于各节点的温度数据进行有限差分计算得到；
[0056]
定义熔池熔合线上任意一点pi的推进速度为：
[0057]ri
＝v
w cosαi[0058]
其中，vw为焊接速度，αi为推进速度方向与焊接速度方向之间的夹角，也即温度梯度方向与焊接速度方向之间的夹角，αi定义为：
[0059][0060]
合金焊接熔池凝固过程中，凝固条件随pi在熔合线上位置的移动而变化，求出pi随时间变化的坐标后，即可求得随时间变化的瞬态温度梯度和推进速度，间隔时间为dt的pi和p
i+1
在x方向的坐标关系为：
[0061]
x
i+1
＝xi+δx-vwdt
[0062]
δx计算如下：
[0063]
δx＝vw(cosαi)2dt
[0064]
间隔时间为dt的pi和p
i+1
在y方向的坐标关系为：
[0065]yi+1
＝yi+δy
[0066]
δy计算如下：
[0067]
δy＝vwcosαisinαidt
[0068]
3、通过数值计算，获得合金焊接过程的瞬态温度梯度和推进速度。
[0069]
以6061铝合金激光焊接为实施例，在求解模型时采用的材料热物性参数和焊接工艺参数如表1所示。
[0070]
表1材料热物性参数和焊接工艺参数
[0071][0072]
通过求解步骤1建立的合金焊接过程模拟的传热模型，得到焊接件网格模型对应各节点的温度数据。选择需要进行焊缝组织演变模拟的截面，提取该截面上各节点的温度数据。
[0073]
基于所提取截面的温度数据，编写计算机程序，求解步骤2建立的瞬态凝固条件模型，可以获得用于焊缝组织演变模拟的瞬态凝固条件。本实施例中计算获得的随时间变化的合金焊接过程的瞬态温度梯度和推进速度如图3所示。
[0074]
以上所述是本发明的实施例，应当指出，对于本领域的技术人员而言，本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、建立合金焊接过程模拟的传热模型；步骤2、建立瞬态凝固条件模型；步骤3、通过数值计算，获得合金焊接过程的瞬态温度梯度和推进速度。2.根据权利要求1所述的一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法，其特征在于，在步骤1中，建立模型的过程中引入的假设包括：熔池中的熔融金属为不可压缩牛顿流体；忽略合金材料的蒸发。3.根据权利要求2所述的一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法，其特征在于，基于引入的假设，定义合金焊接过程模拟的传热模型为：其中，ρ为密度，c为比热容，t为温度，t为时间，k为热导率，q为源项，x、y和z分别为x、y和z方向的坐标。4.根据权利要求1所述的一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法，其特征在于，在步骤2中，瞬态凝固条件包括温度梯度和推进速度，定义熔池熔合线上任意一点p
i
的温度梯度为：其中，和分别为温度梯度g
i
在x方向和y方向的投影，采用双线性插值方法，计算和如下：如下：其中，x
i
为p
i
在x方向的坐标，x
m+1
为p
i
所在网格单元右侧两个节点在x方向的坐标，x
m
为p
i
所在网格单元左侧两个节点在x方向的坐标，y
i
为p
i
在y方向的坐标，y
n+1
为p
i
所在网格单元上侧两个节点在y方向的坐标，y
n
为p
i
所在网格单元下侧两个节点在y方向的坐标，和分别为p
i
所在网格单元左下、左上、右上和右下四个节点在x方向的温度梯度，和分别为p
i
所在网格单元左下、左上、右上和右下四个节点在y方向的温度梯度，节点在y方向的温度梯度，和可以基于各节点的温度数据进行有限差分计算得到；定义熔池熔合线上任意一点p
i
的推进速度为：r
i
＝v
w cosα
i
其中，v
w
为焊接速度，α
i
为推进速度方向与焊接速度方向之间的夹角，也即温度梯度方向与焊接速度方向之间的夹角，α
i
定义为：
合金焊接熔池凝固过程中，凝固条件随p
i
在熔合线上位置的移动而变化，求出p
i
随时间变化的坐标后，即可求得随时间变化的瞬态温度梯度和推进速度，间隔时间为dt的p
i
和p
i+1
在x方向的坐标关系为：x
i+1
＝x
i
+δx-v
w
dtδx计算如下：δx＝v
w
(cosα
i
)2dt间隔时间为dt的p
i
和p
i+1
在y方向的坐标关系为：y
i+1
＝y
i
+δyδy计算如下：δy＝v
w
cosα
i
sinα
i
dt。5.根据权利要求1所述的一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法，其特征在于，步骤3的具体过程为：通过求解步骤1建立的合金焊接过程模拟的传热模型，得到焊接件网格模型对应各节点的温度数据；基于各节点的温度数据，求解步骤2建立的瞬态凝固条件模型，获得合金焊接过程的瞬态温度梯度和推进速度。

技术总结
本发明提供了一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法，属于金属凝固过程中相变数值模拟方法技术领域。所述一种用于合金焊接焊缝组织演变模拟的凝固条件计算方法包括以下步骤：建立合金焊接过程模拟的传热模型；建立瞬态凝固条件模型；通过数值计算，获得合金焊接过程的瞬态温度梯度和推进速度。本发明可以计算获得用于合金焊接焊缝组织演变模拟的瞬态温度梯度和推进速度，具有计算精度高的优点。高的优点。高的优点。


技术研发人员：艾岳巍 韩世博 颜亚超 王亿元
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/20