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。     

异材焊接件应力腐蚀原因分析

对7020 +7020和7020 +6082合金板材进行焊接,并对2种焊接接头进行检测。使用光学显微镜对2种焊接板材的熔合区、热影响区及基材进行组织分析;使用SEM对焊接板材进行微观形貌观测和微区成分分析;结合模拟软件对焊接板材进行温度场分析。结果表明:腐蚀现象从热影响区开始,而异材焊接时7020合金一侧温度较高,冷却速率慢,导致晶粒尺寸长大,元素产生偏聚,腐蚀更严重;晶界及亚晶界上析出MgZn₂,与晶粒基体及周围贫化区形成腐蚀微电池,其电位最低优先被腐蚀,导致腐蚀在热影响区发生及扩展,使得7系焊接接头的热影响区对晶间腐蚀最敏感。     

核级316LN不锈钢焊接接头的组织结构变化

通过光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、电子背散射衍射、X射线衍射仪和硬度测量仪等方法对核级316LN焊接接头不同区域的组织结构进行了系统研究，结果表明，焊缝区冷却凝固模式以铁素体-奥氏体（F-A）为主，残留的铁素体以蠕虫状或板条状形式存在奥氏体基体上，含量约为13.66%.熔合区宽度不统一，凝固模式以奥氏体-铁素体（A-F）为主，并且具有明显的外延生长趋势；热影响区发生不同程度的再结晶、晶粒长大和变形行为，Σ3晶界比例降低，而硬度和残余应力增大.     

激光沉积修复GH536/GH738合金的组织及力学性能

采用GH536合金粉末对GH738合金损伤试样进行激光沉积修复试验研究,通过正交试验法优化工艺参数,得到较小熔深、无缺陷的修复试样;测试分析了修复试样的显微组织、室温拉伸性能及显微硬度。结果表明:合金修复区为外延生长的柱状晶组织,修复区边缘柱状晶取向较一致,修复区中心柱状晶出现一定角度转向;合金修复区枝晶干上主要为富含Mo、Cr的M6C碳化物,晶界处出现少量细小的M23C6碳化物。相比于基体,合金热影响区中γ′相数量减少并呈粗化趋势,MC碳化物发生分解。激光沉积修复试样室温抗拉强度为GH738锻件的66.5%,高于GH536锻件强度;断后伸长率分别低于GH738锻件及GH536锻件的;修复区域的显微硬度分别低于GH738基体的显微硬度,高于GH536锻件的显微硬度。     

Effect of Laser Welding Process Parameters on Microstructure and Mechanical Properties on Butt Joint of New Hot-Rolled Nano-scale Precipitation-Strengthened Steel

A 4 kW fiber laser was chosen to weld the new hot-rolled nano-scale precipitation-strengthened steel with a thickness of 4.5 mm. The effect of laser power, defocusing distance, and welding speed on the welded joint appearance was examined, and the microstructure and mechanical properties on the typical butt joints were investigated. Results showed that increasing laser welding power may cause faster downward flow of molten metal to produce greater root humping. With the welding speed increasing, the average welding seam （WS） width decreased, and the average WS and heat-affected zone （HAZ） hardness increased. The microstructures of WS, fusion line, and coarse grain heat-affected zone were lath martensite, but the growth direction of the original austenite grain boundaries was significantly different. The microstructures of fine grain heat-affected zone were ferrite and martensite, and the microstructure of mixed grain heat- affected zone contained ferrite, massive M/A island, and a small amount of martensite. The micro-hardness values of WS, HAZ, and base metal （BM） were 358, 302, and 265 HV, respectively. The butt joint fracture at the BM far from the WS and the welded joint tensile strength are observed to follow proportional relationship with hardness.     

纯金属TIG焊熔池等轴晶生长的相场法模拟

焊接熔池冷却速度快、凝固时间短、过冷度大,结合以上特点构建相场法与有限筹分的耦合数学模型,对TIG焊接熔池中等轴晶生长过程进行研究.首先,利用该模型成功模拟了纯镍焊接熔池中心区域单个等轴晶生长过程形态演变.进一步研究了不同过冷条件下,等轴枝晶生长形貌和生长行为的变化规律.模拟结果符合固液界面形貌稳定性理论.同时,初步计...     

Three dimensional Monte Carlo simulation of grain growth during GTA welding of titanium

The work reported here represents significant advancement in the modeling of grain structure evolution in metallic systems. Utilizing computed temperature fields from a well tested heat transfer and fluid flow model, the evolution of grain structure was simulated for the first time using a three dimensional (3D) Monte Carlo model of grain growth in the heat affected zone of commercially pure titanium welds. The computed weld geometry and the simulated mean prior β grain size for different heat inputs agreed well with the corresponding experimental results when turbulence in the weld pool was considered. The grain sizes at various locations equidistant from the fusion line were different, indicating that the results of previous 2D calculations need to be reexamined. The computed grain size distribution agreed well with the corresponding experimental data. The agreement indicates significant promise for understanding grain growth in the entire heat-affected zone using a comprehensive phenomenological model.     

激光热输入对激光增材修复1Cr17Ni2不锈钢组织与力学性能的影响

在1Cr17Ni2不锈钢上进行激光增材修复镍基高温合金粉末试验,研究了激光热输入对1Cr17Ni2钢修复接头显微组织及力学性能的影响。结果表明,1Cr17Ni2钢激光增材修复接头分为熔覆区、热影响区和不锈钢基体,熔覆区上部为均匀分布的树枝晶结构,一次臂较为发达,且生长方向具有一致性,大致平行于熔覆高度方向生长,树枝晶尺寸随激光热输入的减小而逐渐减小,晶粒间的空隙逐渐增大;熔覆区中部和下部区域为短小的柱状枝晶结构,且生长方向具有一致性,随激光热输入的减小,尺寸略有减小。熔覆区主要由基体相γ、沿晶界析出的不规则δ相和MC相等组成;不锈钢侧热影响区主要由块状δ铁素体、奥氏体、马氏体及球状珠光体等组织构成,且与合金熔覆区存在着明显的分界线。随激光热输入的减小,熔覆区平均硬度呈现先增后减的趋势,在激光热输入为80 J/mm时,其硬度达到最大值330.64 HV0.2,较不锈钢基体提高了9.78%。     

含铒铝合金激光焊接接头组织与性能研究

对含铒铝镁合金冷轧板进行了激光焊接,分析了接头的各区域的微观组织和力学性能,探讨了铒对焊缝及热影响区组织与性能的影响。结果表明:由于稀土元素Er的加入,使焊缝中心晶粒尺寸减小到30μm左右;熔合线附近出现"细晶层";热影响区晶粒未见明显长大;焊接接头焊缝截面的显微硬度呈W形分布;Er对焊接接头的抗拉强度提高并不明显,接头抗拉强度为母材的70%。