本发明专利技术公开了一种焊接过程气孔形成与演变的二维计算机模拟方法，属于焊接过程数值模拟技术领域。本方法首先对实际条件进行简化及模型初始化，随后建立微观组织演变模型、气孔形核与演变模型，并将两种模型进行耦合，基于上述耦合模型编写计算机程序进行计算，获得微观组织与气孔耦合演变过程、溶质浓度场、枝晶与气孔演变速度等模拟结果。本发明专利技术能够进行焊接熔池凝固过程枝晶生长演变模拟，动态的再现焊接冷却过程的组织形态变化，有助于深化理解焊接气孔形成与演变过程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种焊接过程气孔形成与演变的二维计算机模拟方法，属于焊接过程数值模拟

技术介绍

气孔是焊接过程中最容易产生的缺陷之一，尤其是影响焊接接头性能的关键因素。气孔的存在，不仅减小了焊缝的有效承载面积，而且会形成应力集中，使得焊缝的强度、韧性、疲劳强度下降，一些特殊情况下气孔还会成为裂纹源。而焊接作为一种高温、瞬态、非线性热加工工艺，其过程具有独特的复杂性和不可逆性，同时气孔的产生与焊接熔池凝固过程中的微观组织演变紧密相关，然而有关焊接熔池凝固结晶中的微观组织演变过程目前还无法完全控制，气孔的形成机制还没有明确，包括气孔的萌生与演变还存在许多未知，这使得焊接气孔成为目前焊接领域的一个重要的研究热点。传统的焊接技术无法在焊接前对焊后接头的微观组织和性能进行评测，也无法对不同的焊接工艺进行比较，这不仅使工作费时费力，也不能有效地避免气孔等缺陷导致的焊接接头性能降低。利用计算机模拟技术研究在高温焊接状态下微观晶粒形貌的演化情况，能够进行晶粒尺寸的大小预测，而且能够估计出晶粒尺寸的分布情况，进而控制焊接工艺关键参数的选择与优化，实现对接头晶粒生长的完全预测，为确定母材的最佳晶向结构及最佳性能晶粒尺寸等提供依据，最终达到预测、监控和提高焊接接头质量的目的。目前已经有部分学者采用多种方法实现了在一定简化条件下的焊接凝固微观晶粒演化过程的计算机建模与仿真，在一定程度上预测了晶粒尺寸，获得了焊接接头微观组织形貌，为实现焊接接头性能预测与控制奠定了基础。然而这些研究大都是针对纯金属、二元合金或简单的多元合金，且主要研究固、液两相之间的转化，对第二相粒子、气体等均进行了简化，无法考虑焊接接头中气孔的形成与演变过程。因而针对焊接凝固过程气孔形成与演变的计算机模拟十分必要。

技术实现思路

为了解决焊缝微观组织与气孔演变的定量化，进行组织形态与含量、气孔形态与含量的计算，本专利技术提出了一种焊接过程气孔形成与演变的二维计算机数值模拟方法。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种焊接过程气孔形成与演变的二维计算机模拟方法，包括如下步骤：步骤一：简化条件与模型初始化；步骤二：建立微观组织演变模型；步骤三：建立气孔形核与演变模型；步骤四：枝晶与气孔演变过程的耦合计算；步骤五：模拟计算与结果的导出；基于上述元胞自动机模型编写计算机程序，获得并导出枝晶与气孔耦合生长与演变结果。所述步骤一的具体过程如下：在建立计算机模型时进行以下简化与假设：气泡内气体为理想气体；熔融液体为不可压缩流体；所有界面在计算时处于热力学平衡状态；将随温度和溶质分数非线性变化的参数简化为线性变化；对计算机模拟的时间、空间、状态进行离散，定义模拟的时间步长，每个方形元胞的尺寸和元胞数目，每个元胞的状态数；进行模型初始化，定义初始温度、初始溶质含量，定义区域内初始状态均为液相，赋予所有区域元胞单元初始状态参数。所述步骤二的具体过程如下：定义初始参数，包括过冷度、溶质扩散系数、冷却速度，建立传热控制方程：公式一：∂T∂t=α(∂2T∂x2+∂2T∂y2)+Lρcp∂fS∂t]]>其中T为局部温度，t为时间，α为热扩散系数，L为凝固潜热，ρ为材料密度，cP为比热容，fS为固相分数，x、y为笛卡尔坐标系的两个方向；模型中同时考虑了成分过冷、曲率过冷和动力学过冷，界面尖端液相溶质分数通过下式得出：公式二：CL*=C0-1mL(T0-Γκ-T-Vμk)]]>其中为界面尖端液相溶质分数，mL为液相线斜率，T0为初始成分C0时的液相线温度，Γ为GibbsThomson系数，κ为界面曲率，Γκ为曲率过冷；V为生长速度，μk为界面动力学系数，界面曲率κ通过下式得出：公式三：κ=1Δx(1-2fs+ΣiNfs(i)N+1)]]>其中N为邻居元胞数量，Δx为元胞尺寸；基于固液界面局部守恒与溶质分配原理得：公式四：CS*=kCL*]]>其中，为界面尖端固相溶质分数，k为平衡分配系数；对熔融液体中溶质扩散采用菲克扩散第二定律得出：公式五：∂CE∂t=∂∂x[DE∂CE∂x]+∂∂y[DE∂CE∂y]]]>其中CE＝(1-fS)CL+fSCS，DE＝(1-fS)DL+fSDS，CE和DE分别为单个元胞内的平均溶质分数和平均扩散系数，CS和CL分别为固相和液相溶质分数，DS和DL分别为固相和液相溶质扩散系数；对溶质扩散方程进行差分计算得：公式六：CE(i,j)|t+Δt-CE(i,j)|tΔt=DECE(i+1,j)+CE(i-1,j)-2CE(i,j)(Δx)2+DECE(i,j+1)+CE(i,j-1)-2CE(i,j)(Δy)2]]>其中：(i,j)为元胞所在坐标，t为原始时间点，Δt为时间步长，Δx为x方向单个元胞尺寸，Δy为y方向单个元胞尺寸；基于界面溶质守恒获得尖端生长速度为：公式七：Vn*CL*(k-1)=(-DL(∂CL∂x+∂CL∂y)+DS(∂CS∂x+∂CS∂y))·n]]>其中：为界面尖端生长速度，n为枝晶生长法向方向；以X、Y方向为例，将其差分后可得X、Y方向枝晶生长速度：公式八：Vx(i,j)=DLΔx(1-k)[(1-CL(i-1,j)CL*(i,j))(1-fS(i-1,j))+(1-CL(i+1,j)CL*(i,j))(1-fS(i+1,j))]+kDSΔx(1-k)[(1-CS(i-1,j)kCS*(i,j))fS(i-1,j)+(1-CS(i+1,j)kCS*(i,j))fS(i+1,j)]]]>其中：Vx(i,j)为(i,j)元胞的X方向生长速度；公式九：Vy(i,j)=DLΔx(1-k)[(1-CL(i,j-1)CL*(i,j))(1-fS(i,j-1))+(1-CL(i,j+1)CL*(i,j))(1-fS(i本文档来自技高网...

【技术保护点】

一种焊接过程气孔形成与演变的二维计算机模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：简化条件与模型初始化；步骤二：建立微观组织演变模型；步骤三：建立气孔形核与演变模型；步骤四：枝晶与气孔演变过程的耦合计算；步骤五：模拟计算与结果的导出；基于上述元胞自动机模型编写计算机程序，获得并导出枝晶与气孔耦合生长与演变结果。

【技术特征摘要】

1.一种焊接过程气孔形成与演变的二维计算机模拟方法，其特征在

于，包括如下步骤：

步骤一：简化条件与模型初始化；

步骤二：建立微观组织演变模型；

步骤三：建立气孔形核与演变模型；

步骤四：枝晶与气孔演变过程的耦合计算；

步骤五：模拟计算与结果的导出；

基于上述元胞自动机模型编写计算机程序，获得并导出枝晶与气

孔耦合生长与演变结果。

2.根据权利要求1所述的一种焊接过程气孔形成与演变的二维计算

机模拟方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程如下：

在建立计算机模型时进行以下简化与假设：气泡内气体为理想气

体；熔融液体为不可压缩流体；所有界面在计算时处于热力学平衡状

态；将随温度和溶质分数非线性变化的参数简化为线性变化；

对计算机模拟的时间、空间、状态进行离散，定义模拟的时间步

长，每个方形元胞的尺寸和元胞数目，每个元胞的状态数；

进行模型初始化，定义初始温度、初始溶质含量，定义区域内初

始状态均为液相，赋予所有区域元胞单元初始状态参数。

3.根据权利要求1所述的一种焊接过程气孔形成与演变的二维计算

机模拟方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程如下：

定义初始参数，包括过冷度、溶质扩散系数、冷却速度，建立传

热控制方程：

公式一：

∂T∂t=α(∂2T∂x2+∂2T∂y2)+Lρcp∂fS∂t]]>其中T为局部温度，t为时间，α为热扩散系数，L为凝固潜热，ρ为

材料密度，cP为比热容，fS为固相分数，x、y为笛卡尔坐标系的两

个方向；

模型中同时考虑了成分过冷、曲率过冷和动力学过冷，界面尖端

液相溶质分数通过下式得出：

公式二：

CL*=C0-1mL(T0-Γκ-T-Vμk)]]>其中为界面尖端液相溶质分数，mL为液相线斜率，T0为初

始成分C0时的液相线温度，Γ为GibbsThomson系数，κ为界面曲

率，Γκ为曲率过冷；V为生长速度，μk为界面动力学系数，界面

曲率κ通过下式得出：

公式三：

κ=1Δx(1-2fs+ΣiNfs(i)N+1)]]>其中N为邻居元胞数量，Δx为元胞尺寸；

基于固液界面局部守恒与溶质分配原理得：

公式四：

CS*=kCL*]]>其中，为界面尖端固相溶质分数，k为平衡分配系数；

对熔融液体中溶质扩散采用菲克扩散第二定律得出：

公式五：

∂CE∂t=∂∂x[DE∂CE∂x]+∂∂y[DE∂CE∂y]]]>其中CE＝(1-fS)CL+fSCS，DE＝(1-fS)DL+fSDS，CE和DE分别

为单个元胞内的平均溶质分数和平均扩散系数，CS和CL分别为固相

和液相溶质分数，DS和DL分别为固相和液相溶质扩散系数；对溶质

扩散方程进行差分计算得：

公式六：

CE(i,j)|t+Δt-CE(i,j)|tΔt=DECE(i+1,j)+CE(i-1,j)-2CE(i,j)(Δx)2+DECE(i,j+1)+CE(i,j-1)-2CE(i,j)(Δy)2]]>其中：(i,j)为元胞所在坐标，t为原始时间点，Δt为时间步长，Δx为

x方向单个元胞尺寸，Δy为y方向单个元胞尺寸；

基于界面溶质守恒获得尖端生长速度为：

公式七：

Vn*CL*(k-1)=(-DL(∂CL∂x+∂CL∂y)+DS(∂CS∂x+∂CS∂y))·n]]>其中：为界面尖端生长速度，n为枝晶生长法向方向；

以X、Y方向为例，将其差分后可得X、Y方向枝晶生长速度：

公式八：

Vx(i,j)=DLΔx(1-k)[(1-CL(i-1,j)CL*(i,j))(1-fS(i-1,j))+(1-CL(i+1,j)CL*(i,j))(1-fS(i+1,j))]+kDSΔx(1-k)[(1-CS(i-1,j)kCS*(i,j))fS(i-1,j)+(1-CS(i+1,j)k...

【专利技术属性】

技术研发人员：魏艳红，辜诚，占小红，

申请(专利权)人：南京航空航天大学，

类型：发明

国别省市：江苏;32