镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论，采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型. 通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布，并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型，计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大. 结果表明，焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长，其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长，焊缝中心为等轴晶组织. 焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大. 模拟结果与试验结果吻合较好.     

ULCB钢焊接熔池凝固过程数值模拟

采用元胞自动机法建立ULCB钢焊接熔池凝固过程的宏微观耦合模型,模拟非均匀温度场下焊接熔池凝固过程的组织形貌演变和溶质场分布,分析不同形核参数和合金成分对焊接熔池枝晶形貌的影响。结果表明,熔池边缘形成柱状晶,熔池中心形成等轴晶,柱状晶和等轴晶相互抑制长大;枝晶生长过程中始终存在着枝晶偏析现象;形核密度和合金成分影响枝晶的形核和生长,随着形核密度和合金成分的增加,焊缝中等轴晶区域增加,晶粒细化。     

TC4钛合金电子束焊与TIG焊焊接接头的组织性能对比研究

针对TC4钛合金电子束焊及TIG焊焊接接头的凝固组织、微观相结构及接头静载室温拉伸性能进行了对比研究。结果发现,TIG焊接头热影响区内为较粗大的等轴晶,焊缝区内凝固组织为粗大柱状晶,柱状晶粒生长方向由最初的垂直于焊缝-热影响区界面逐渐转为垂直向上生长。电子束焊接头组织形态同样是热影响区为等轴晶粒形态,而焊缝区内为柱状晶粒,等轴晶和柱状晶粒的尺寸较TIG焊均明显减小,且柱状晶生长方向始终垂直于焊缝-热影响区界面。TIG焊焊缝区原始β晶内的微观组织由魏氏α板条、针状马氏体α’以及β基体组成,而电子束焊焊缝原始β晶内的微观组织由大量细长针状马氏体α’+β基体组成。力学性能测试结果表明,电子束焊焊接接头的强度略高于TIG焊,塑性显著优于TIG焊。     

焊接熔池凝固过程组织演变模拟

以枝晶生长动力学和晶粒生长能量最小原理为基础,建立了宏观传热与微观传质、形核、生长相耦合的焊接熔池CAMC晶粒生长二维数学模型.模型以CA方法模拟晶粒生长主干,MC在内部辅助晶粒生长以体现枝晶分枝机制,同时考虑非均匀形核对熔池结晶的影响因素,模拟了焊接熔池组织形成过程.结果表明,CAMC模型能够定量地描述熔池晶粒数目、尺寸和形貌演变,可以较准确地反映焊接熔池微观组织结构和熔池凝固过程中晶粒择优生长、柱状晶向等轴晶转换等物理机制.     

基于CA模拟焊缝凝固过程枝晶生长的分析

将元胞自动机方法用于焊缝金属凝固组织演变的模拟中,不仅为焊缝微观组织演变的数值模拟开辟了一种新的途径,同时也有助于研究焊接接头组织并依此优化工艺来提高焊件质量.文中研究了焊缝凝固过程中的溶质扩散问题,构建了基于元胞自动机的焊缝枝晶生长速度模型,在此基础上进行了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶生长的模拟.初步计算了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶的生长形态,计算结果明显再现了二次、三次枝晶的生长及竞争生长等微观现象.结果表明,元胞自动机方法是研究和模拟焊缝微观组织的有效手段之一.     

铝合金厚板电子束焊接头组织与特征

研究了2519铝合金厚板电子束焊接头组织分布特征,并进一步研究电子束焊过程中熔池金属的流动及凝固。结果表明:焊缝由枝晶和等轴晶组成,但其沿熔深方向焊缝中心和焊缝靠近熔合线区域存在明显组织不均匀性;沿焊缝中心的上部和中部为等轴枝晶,根部则以等轴枝晶和等轴晶混合存在;靠近熔合线边缘的焊缝自上而下分别为树枝晶、柱状晶、等轴晶,晶粒生长的方向性逐渐减弱;越接近焊缝根部,其晶粒尺寸和分布越不均匀,焊缝根部晶粒沿熔池金属凝固分层轮廓线分布,且存在微裂纹等缺陷。这些现象反映出焊接过程中熔池各区域内的焊接能量和金属流动性差异显著。     

焊接熔池快速凝固过程的微观组织演化数值模拟

基于晶粒形成原理和枝晶生长动力学特点,建立了焊接熔池凝固过程中的形核、枝晶生长、溶质再分配及扩散的二维数学物理模型,对焊接熔池快速凝固过程中柱状晶向等轴晶的转变以及不同的冷却速度对这一转变过程的影响进行了模拟.结果表明,焊接熔池在快速冷却凝固过程中,溶质再分配与扩散明显;柱状晶向等轴晶转变时,熔池中心等轴晶凝固排出的溶质使柱状晶尖端浓度急剧升高,抑制了柱状晶的生长;冷却速度越大,柱状晶越容易向等轴晶转变,且转变所需时间越短.     

Ti-45Al合金焊接熔池凝固过程数值模拟

采用元胞自动机法和有限差分法建立了宏微观耦合下的焊接熔池微观组织凝固模型,对Ti-45Al合金焊后凝固过程中的枝晶生长形貌和溶质场浓度分布进行模拟,并通过试验对模拟结果进行验证. 讨论分析了焊接热输入、内部形核数和表面传热系数对枝晶生长及形貌的影响. 结果表明,熔池内的组织主要由柱状晶和等轴晶两种形态组成. 热输入的增加和传热系数的减少均有助于柱状晶的生长,而内部形核数越大则越有利于等轴晶的生长. 所建立模型的计算结果与试验结果在关于枝晶生长的定向研究中有较好吻合.     

304不锈钢薄板列置双TIG高速焊缝组织与性能

相比常规速度不锈钢焊接,高速焊接过程中焊缝金属的凝固过程及组织形态将会发生变化,从而影响焊缝组织和性能. 对1.2 mm厚304不锈钢薄板对接,采用列置双TIG焊在焊接速度为3.0 m/min时获得了良好焊缝成形,并与常规速度单TIG焊接工艺相比,采用非标准拉伸试样测试了焊缝性能,并分析了其组织. 结果表明,高速双TIG焊接焊缝中心生成等轴晶,两侧树枝晶未形成对向生长的定向晶粒,焊缝抗拉强度及断后伸长率略低于母材;相比常规单TIG焊接工艺,高速双TIG焊接热影响区晶粒平均直径降低了10.3%,但焊缝中心晶粒平均直径增大了12.9%;焊缝抗拉强度和断后伸长率分别提高了4.3%和23.2%,焊缝中心硬度值略高于母材.     

1Cr18Ni9Ti不锈钢焊接熔池的组织模拟

运用晶界演化Grain boundary evolution模型,利用PHOENICS软件计算在不同焊接参数下1Cr18Ni9Ti不锈钢TIG焊接温度场,采用VB语言编制程序模拟了焊缝中柱状晶的生长。结果表明,熔池形状和尺寸影响了柱状晶的生长方向,熔池长宽比越大,晶粒的生长方向越垂直于焊缝中心,晶粒短而直;长宽比越小,熔池形状越接近圆形,晶粒的弯曲程度越大,晶粒长而弯。Grain boundary evolution模型能准确地模拟不锈钢焊缝中柱状晶的生长形态,与试验结果中的柱状晶的生长形态吻合较好。     

随焊超声冲击对2A14铝合金TIG焊接接头显微组织和力学性能的影响

为了改善2A14铝合金TIG焊接头的显微组织与力学性能,在TIG焊过程中,利用超声变幅杆对焊缝进行超声冲击,超声通过固体母材和焊缝传入熔池内,影响熔池的流动及凝固,从而达到细化焊接接头晶粒和提高接头力学性能的目的,利用激光测振仪对熔池表面的振动进行测量。结果表明:超声冲击使焊接接头的显微组织发生明显的变化,焊缝中心和熔合区的晶粒由柱状晶变为了等轴晶,晶粒尺寸减小,第二相尺寸变小且分布更加分散。超声冲击使接头抗拉强度提高,抗拉强度由246.18 MPa提高到265.50 MPa,断后伸长率由5.33%增加到6.47%。超声冲击使熔池的流动性增强,导致熔池内温度更加均匀;温度梯度减小,有利于等轴晶的形成及晶粒的细化。     

基于计算机模拟的焊缝金属组织凝固过程中枝晶生长分析

模拟焊缝凝固过程的枝晶生长,得到焊接熔池中心柱状晶和等轴晶溶质浓度分布、生长形态。熔池凝固结晶过程中,晶界偏析很大,枝晶竞争生长且相互作用。采用元胞自动机方法模拟枝晶生长可行,但仍需考虑多方面因素,并且在熔池内复杂多角度枝晶状态方面做更细致和深入的研究。     

金属的焊接性

将元胞自动机方法用于焊缝金属凝固组织演变的模拟中,不仅为焊缝微观组织演变的数值模拟开辟了一种新的途径,同时也有助于研究焊接接头组织并依此优化工艺来提高焊件质量。研究了焊缝凝固过程中的溶质扩散问题,构建了基于元胞自动机的焊缝枝晶生长速度模型,在此基础上进行了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶生长的模拟。     

焊接热过程和冶金过程

20092041GMAW三维瞬态焊接热过程的数值模拟/赵明…//焊接.-2008(10):28~31采用双椭球体热源分布模式,把过热熔滴带入熔池的热焓量处理为特定区域的均匀热源,建立了运动电弧下GMAW焊接热过程的数值分析模型。利用Visual Fortran编写数值计算程序,预测了从电弧引燃到准稳态过程中焊接温度场和熔池形状的动态演变,以及熔池自由表面的变形,并进行了试验验证。结果表明,达到宏观准稳态时,计算所得熔池宽度和深度与试验结果基本吻合。图3参720092042细晶粒钛合金热影响区晶粒长大规律/吴巍…//焊接学报.-2008,29(10):57~60,64细晶粒钛合金经历焊接热循环后,热影响区粗晶区晶粒具有严重的长大倾向。针对TIG焊接过程,研究了显微组织为等轴状结构的细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区晶粒长大规律,分析了晶粒粗化对粗晶区组织转变和接头硬度的影响。结果表明,母材晶粒细化引起的冷却过程中β相变点变化,导致细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区晶粒与普通Ti-6Al-4V合金相比具有更小的长大倾向;马氏体形核率的降低导致细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区α′马氏体束在生长过程具有更强的位相性...     

焊接热过程和冶金过程

20092041GMAW三维瞬态焊接热过程的数值模拟/赵明…//焊接.-2008(10):28~31采用双椭球体热源分布模式,把过热熔滴带入熔池的热焓量处理为特定区域的均匀热源,建立了运动电弧下GMAW焊接热过程的数值分析模型。利用Visual Fortran编写数值计算程序,预测了从电弧引燃到准稳态过程中焊接温度场和熔池形状的动态演变,以及熔池自由表面的变形,并进行了试验验证。结果表明,达到宏观准稳态时,计算所得熔池宽度和深度与试验结果基本吻合。图3参720092042细晶粒钛合金热影响区晶粒长大规律/吴巍…//焊接学报.-2008,29(10):57~60,64细晶粒钛合金经历焊接热循环后,热影响区粗晶区晶粒具有严重的长大倾向。针对TIG焊接过程,研究了显微组织为等轴状结构的细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区晶粒长大规律,分析了晶粒粗化对粗晶区组织转变和接头硬度的影响。结果表明,母材晶粒细化引起的冷却过程中β相变点变化,导致细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区晶粒与普通Ti-6Al-4V合金相比具有更小的长大倾向;马氏体形核率的降低导致细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区α′马氏体束在生长过程具有更强的位相性...     

金属的焊接性

将元胞自动机方法用于焊缝金属凝固组织演变的模拟中,不仅为焊缝微观组织演变的数值模拟开辟了一种新的途径,同时也有助于研究焊接接头组织并依此优化工艺来提高焊件质量。研究了焊缝凝固过程中的溶质扩散问题,构建了基于元胞自动机的焊缝枝晶生长速度模型,在此基础上进行了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶生长的模拟。     

超声作用阶段及形式对熔池晶粒结晶的影响

理解不同超声作用下的熔池晶粒结晶特点对超声辅助TIG焊接工艺的优化具有重要意义. 以铝锂合金为研究对象，改变超声作用阶段及施加形式，分析焊缝晶粒分布特征. 结果表明，电弧熄灭后超声作用下，焊缝边缘为断裂的柱状晶，焊缝中心为等轴晶；熄弧前及熄弧后均有超声作用时，焊缝内部全部为等轴晶. 持续超声形式和瞬态超声形式对熔池晶粒结晶具有不同的作用，持续超声主要促进熔池内晶粒的异质形核而促使等轴晶形成，瞬态超声主要通过破碎枝晶细化晶粒. 超声细化铝锂合金TIG焊缝晶粒机制与超声作用阶段及形式具有直接联系.     

激光快速成形TA15钛合金氩弧焊接头组织及力学性能

对激光快速成形TA15钛合金与轧制TA15钛合金薄板进行了氩弧焊接试验,观察分析了焊接接头各区域组织特征,测试了焊接接头各区域的显微硬度以及室温拉伸性能.结果表明,激光快速成形件与轧制薄板氩弧焊焊缝凝固组织是具有粗大片状α+β组织特征外延定向生长的柱状晶.轧制件对焊接热影响敏感性强,热影响区晶粒发生严重长大现象,激光成形件靠近焊缝热影响区晶粒转变为等轴晶,距焊缝较远的热影响区仍保持柱状晶.激光成形件热影响区硬度最高,焊缝区及轧制件热影响区的硬度最低.焊接接头抗拉强度低于母材,塑性与轧制件相当,断裂位置位于轧制件热影响区.     

6082厚板铝合金TIG焊工艺试验及应用

通过拉伸、弯曲、硬度等试验及金相组织分析,对采用TIG焊的6082厚板铝合金焊接接头组织和性能进行研究。结果表明:采用TIG焊的焊接试样的断裂位置位于热影响区,试样抗拉强度低于母材抗拉强度,约为母材的50%,但能满足产品焊缝位置的设计强度要求;试样有良好的弯曲性能,焊缝及母材的硬度变化不大,热影响区软化现象明显;焊缝组织呈等轴枝晶分布,熔合区组织为晶粒粗大的柱状晶,基体的晶粒沿轧制方向延长呈纤维状。通过各种试验和分析,TIG焊接接头抗拉强度虽低于母材抗拉强度,但能满足产品设计强度,根据产品结构特点及设计强度要求,厚板6082铝合金可采用TIG焊。     

聚变堆用奥氏体不锈钢不同激光输出模式熔丝特征

针对聚变堆用316LN奥氏体不锈钢材料,分别在连续激光和脉冲激光模式下进行了激光填丝焊接试验。主要研究了不同焊接工艺参数下的焊丝熔入特征及其对焊缝质量的影响,并对连续激光与脉冲激光焊接熔池流动及熔池形貌、接头的显微组织进行了研究。结果表明,连续激光填丝焊和脉冲激光填丝焊在合适的焊接工艺参数下均能获得焊丝液桥过渡,且熔池铺展均匀、焊缝成形良好。与脉冲激光填丝焊相比,连续激光填丝焊在坡口中的熔池长度约是脉冲激光填丝焊的3倍,温度梯度较大,更易产生侧壁未熔合和贯穿焊缝中心的凝固裂纹等缺陷。连续激光填丝焊的焊缝显微组织以柱状晶为主,由焊缝两边向焊缝中心生长,方向性强。脉冲激光填丝焊的焊缝两侧显微组织以柱状晶为主,各个区域都受到了相邻脉冲的重复作用,具有周期性,产生二次结晶,有助于熔池的搅动和晶粒细化,打乱了枝晶生长的方向性;焊缝中心区域为方向各异的柱状晶和等轴晶,枝晶间距减小,能够抑制裂纹的产生。 创新点： 首次提出通过脉冲激光调控结晶形态以抑制厚板焊接中裂纹的焊接工艺,可在不添加任何外部设备的基础上实现对裂纹的有效控制,打破了传统焊接工艺带来的局限性。