SUS316和NIMONIC263焊接接头晶粒长大MONTE CARLO模拟

摘要

焊接接头由于受到不均匀加热冷却过程的影响，其组织转变过程复杂，主要包括焊接热影响区内晶粒粗化、相变以及焊缝金属的熔化凝固。这些转变导致焊接接头性能发生变化。在一些单相合金如奥氏体不锈钢SUS316和高温镍基合金Nimonic263中，焊接热影响区内无相变过程，因此晶粒长大成为焊接热影响区组织演变的主要现象。为了深入研究无相变合金焊接热过程对焊接接头晶粒长大的影响规律，本文建立了焊接热影响区和焊缝三维Monte Carlo(MC)晶粒长大模型。同时，为了获得MC模拟所需要的焊接热循环曲线，建立了三种不同的流场温度场模型，对焊接接头的流场和温度场分布进行模拟。并进一步设计了焊接接头晶粒长大模拟系统，实现了钨极气体保护焊(TIG)热过程及接头组织演变过程的模拟，三维再现了焊接接头晶粒长大过程。该系统可预测TIG焊接头晶粒尺寸，为焊接工艺参数的优化提供参考。
　　首先，综合考虑了表面张力、电磁力、浮力等驱动力的作用，采用流体计算软件PHOENICS建立了TIG焊流场温度场模型。分别采用导热模型、层流模型和紊流模型模拟了Nimonic263 TIG焊热过程，分析了这几种模型的模拟精度及适用范围。结果表明紊流模型的模拟结果与实验结果更为接近。进一步采用紊流模型模拟了SUS316不锈钢焊接热过程，通过研究有效粘度和有效导热的分布，揭示了熔池内液态金属紊流时导热与对流传输热量的变化规律。模拟结果表明，紊流模型中随着流速的增加，金属液体导热能力不断增加而对流散热能力则因粘度的增加而相对下降。根据模拟结果，对部分凝固参数进行分析得出，随着焊接热输入的增加，界面前沿的不稳定性也随之增加，导致熔池凝固界面前沿晶粒生长并不是以平面生长方式进行。
　　在流场温度场模型的基础上，模拟了活性剂焊接(A-TIG)传热和传质过程，根据流场温度场分布分析了Nimonic263平板A-TIG焊接熔深增加机理。模拟结果表明：电弧收缩对熔池形状的改变影响很小，A-TIG焊接熔深增加机理主要体现在两方面：第一，表面活性元素O、S等元素的存在，改变了表面张力温度系数，当表面张力温度系数由负值变为正值时，熔池内液体的流动方向发生改变；第二，与传统TIG焊接不同，在A-TIG焊接中，熔池内液体更接近于层流流动。这两方面因素的综合作用是熔深增加的主要原因。
　　进一步采用Monte Carlo技术，建立了焊接热影响区晶粒长大模型。分别通过晶界扩散模型(GBM)和基于实验数据模型(EDB)建立了SUS316不锈钢Monte Carlo时间步和真实时间温度的关系，模拟了SUS316不锈钢焊接热影响区的晶粒长大过程。这两种模型的模拟结果均与实际SUS316焊接热影响区晶粒长大存在较大差别，由此可以得出如下结论：首先，由于GBM模型主要针对纯金属晶粒长大过程的模拟，模拟与实验结果的差别说明SUS316焊接热影响区晶粒长大与纯金属的晶粒长大存在着较大的偏差；其次，由EDB模型的模拟与实验结果的偏差推测位于晶界处的沉淀相如M23C6等阻碍了晶粒的长大，受焊接热循环的作用，晶粒只有在这些晶界沉淀溶解后才开始长大。考虑到沉淀的影响，对EDB模型进一步修正，修正后的模拟结果与实验结果的吻合验证了这种假设的正确性。在分别对Nimonic263 TIG和A-TIG焊接热影响区的模拟结果显示，Nimonic263热影响区晶粒长大，同样也受到晶界沉淀相的影响，而涂敷剂的存在虽然可明显改变熔池形状，但对焊接热影响区晶粒尺寸变化没有明显影响。
　　应用Monte Carlo法，对三维熔池凝固结晶过程的模拟进行了初步探索，建立了焊接熔池凝固组织转变模型。在假设熔池内无自发形核、溶质均匀分布的基础上，模拟熔池内液体形核生长过程。根据晶粒生长动力学理论，考虑温度梯度对晶粒生长的影响，动态地再现了SUS316 TIG焊接和Nimonic263 TIG/A-TIG焊接熔池晶粒长大过程，并发现在中厚板TIG/A-TIG焊接时，通常在横断面看到的圆形或椭圆形的晶粒剖面并不一定是等轴晶，而是熔池尾部的柱状晶的一个横断面。模拟结果和试验结果均显示，焊接热输入越大时，焊缝越容易形成粗大的柱状晶。
　　根据上述流场温度场模型、焊接热影响区晶粒长大模型和焊缝凝固结晶模型，建立了单相合金焊接接头晶粒长大模拟系统。该模型可适用于无固态相变合金的焊接接头晶粒长大过程模拟，使动态再现焊接接头晶粒长大过程、从三维尺度深入了解焊接接头的晶粒长大形态成为可能。

目录

SUS316和NIMONIC263焊接接头晶粒长大MONTE CARLO模拟

MONTE CARLO SIMULATION OF GRAINGROWTH IN WELDED JOINTS FORSUS316 AND NIMONIC263

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 焊接接头组织模拟的研究现状

1.2.1 焊接流场温度场模拟

1.2.2 A-TIG焊接熔深增加机理的研究

1.2.3 焊接接头晶粒长大模拟

1.3 本文主要研究内容

第 2 章 TIG焊流场温度场模型的建立

2.1 数学模型的建立

2.1.1 控制方程及源项

2.1.2 边界条件

2.1.3 导热模型

2.1.4 层流模型

2.1.5 紊流模型

2.2 Nimonic263模拟结果

2.2.1 导热模型模拟结果

2.2.2 层流模型模拟结果

2.2.3 紊流模型模拟结果

2.2.4 修正的层流模型模拟结果

2.2.5 四种模型的模拟结果对比分析

2.3 SUS316不锈钢模拟结果

2.4 本章小结

第 3 章 A-TIG焊接流场温度场模拟

3.1 A-TIG 焊接简介

3.2 A-TIG 试验方法

3.3 A-TIG 焊接模拟结果

3.3.1 焊接电弧对熔池形状的影响

3.3.2 液体表面张力温度系数对熔池形状的影响

3.4 焊接电流对焊缝形态的影响

3.5 焊接速度对焊缝形态的影响

3.6 本章小结

第 4 章 焊接HAZ晶粒长大三维Monte Carlo模拟

4.1 Monte Carlo 法 模拟HAZ晶粒长大基本原理

4.1.1 Monte Carlo法模拟晶粒长大原理

4.1.2 Monte Carlo模拟时间步与真实时间的关系

4.1.3 焊接HAZ Monte Carlo模拟时间步与真实时间关系模型

4.1.4 初始晶粒尺寸对模拟精度的影响

4.2 HAZ 晶粒长大模型的建立

4.2.1 计算域的选定

4.2.2 恒温模拟与模型常数的回归分析

4.2.3 HAZ温度场的离散

4.2.4 节点选择概率的分布

4.2.5 网格尺寸对模拟结果的影响

4.3 SUS316 不锈钢 HAZ晶粒长大模拟

4.3.1 GBM模型模拟结果

4.3.2 EDB模型模拟结果

4.4 第二相杂质对晶粒长大的影响

4.5 Nimonic263 HAZ晶粒长大模拟

4.5.1 EDB模型常数回归

4.5.2 晶粒长大模拟结果

4.6 本章小结

第 5 章 焊接熔池晶粒长大Monte Carlo模拟初探

5.1 数学模型的建立

5.1.1 母材的熔化

5.1.2 晶核的形成

5.1.3 晶核的长大

5.1.4 MC时间与真实时间的关系

5.2 SUS316不锈钢TIG熔池凝固过程模拟结果

5.3 Nimonic263 A-TIG熔池凝固过程模拟结果

5.4 本章小结

第 6 章 焊接接头晶粒长大模拟系统的建立

6.1 前处理

6.1.1 流场温度场模拟结果的引入

6.1.2 初始晶粒度的确定

6.1.3 HAZ与FZ计算域的确定

6.2 焊接接头晶粒长大模拟

6.2.1 HAZ晶粒长大模拟

6.2.2 FZ晶粒长大模拟

6.3 后处理

6.3.1 FZ与HAZ晶粒长大模拟结果耦合

6.3.2 模拟结果的显示

6.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历