焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值计算方法

摘要

本发明一种焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值计算方法，基于Nd:YAG脉冲激光点焊的脉冲闭合波形特性，提出“凝固进程百分比”的概念，度量实验焊点与模拟焊点的凝固进程，搭建实验焊点微观组织演变与模拟焊点凝固参数变化的对应关系，进而获取焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值，建立焊接微观组织调控的凝固参数阈值评价体系，对于研究焊接金属微观组织结晶形态演变的G/R转变阈值，以及建立焊接微观组织演变的阈值评价体系具有重要理论意义。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值计算方法。

背景技术

焊接金属微观组织晶粒类型主要包括：柱状晶和等轴晶两大类。柱状晶形态呈柱状，性能具有明显的方向性，易生成焊接裂纹，其结晶形态主要有胞状结晶和柱状结晶等；等轴晶粒在各方向上尺寸差别较小，力学性能较好。焊接金属微观组织结晶行为影响焊接组织结晶形态，进而影响焊接接头的力学性能。在焊接熔池凝固及冷却进程中，受焊接熔池温度场动态变化的影响，焊接熔池液-固界面上的凝固参数，如：温度梯度(G)和凝固速度(R)等，均在不断变化，凝固参数的计算数值(G/R)也随之变化，进而改变焊接熔池的液-固界面上的成分过冷程度，使得焊接金属微观组织结晶形态发生改变。

目前，关于焊接金属微观组织结晶形态演变的研究属于定性范畴，即：随G/R减小，结晶形态由胞状晶→柱状晶→等轴晶转变；暂无焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数(G/R)阈值计算方法，而无法建立焊接微观组织调控的凝固参数阈值评价体系，使其便于定量评判焊接工艺参数对微观组织调控效果。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，创造性构思了一种焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值计算方法，基于Nd:YAG脉冲激光点焊的脉冲闭合波形特性，度量实验焊点与模拟焊点的凝固进程，搭建实验焊点微观组织演变与模拟焊点凝固参数变化的对应关系，进而获取焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值。

实现本发明的技术方案是：焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值计算方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)在焊接母材上，利用Nd:YAG脉冲激光点焊机发射单束脉冲激光辐射焊接母材，进行激光自熔点焊；

2)通过改变Nd:YAG脉冲激光点焊机发射单束脉冲激光的脉冲闭合波形，调整激光自熔焊点熔池液固界面凝固参数，改变成分过冷程度，实现激光自熔焊点微观组织结晶的形态演变，形成激光自熔焊点；

3)利用扫描电子显微镜，测量步骤2)中所述激光自熔焊点横截面上胞状晶区、柱状晶区和等轴晶区的晶区长度，依据各晶区长度与晶区总长度比值，计算结晶形态转变点对应的凝固进程百分比S(L)；

4)采用ANSYS软件，建立脉冲激光自熔点焊的二维轴对称模型，模拟计算激光焊点熔池液固界面凝固参数，即温度梯度G和凝固速度R的计算数值G/R与凝固进程百分比S(t)的函数关系；

5)在步骤4)所述脉冲激光自熔点焊的二维轴对称模型的液固界面凝固参数计算数值，随凝固进程百分比的变化曲线上，取与实验焊点结晶形态转变点的凝固进程百分比S(L)，所对应的焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值。

进一步，在步骤2)中，所述的脉冲闭合波形为矩形脉冲波形和陡降恒定缓冷式脉冲波形，其中陡降恒定缓冷式脉冲波形即在矩形主波段后，依次附加“陡降波段”和“缓降波段”。

进一步，在步骤3)中，所述的结晶形态转变点对应的凝固进程百分比S(L)为：在熔池表面中心与该点连线方向上，液-固界面的移动距离L

进一步，在步骤4)中，所述的凝固进程百分比S(t)为：某一时刻，液-固界面的移动时间t

本发明一种焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值计算方法的有益效果体现在：

1、一种焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值计算方法，获取不同成分焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值，解决了现有技术中存在缺少结晶形态演变阈值计算方法的问题，提供了一种简单高效的计算焊接金属结晶形态演变的凝固参数阈值方法；2、一种焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值计算方法，建立焊接微观组织调控的凝固参数阈值评价体系，对于研究焊接金属微观组织结晶形态演变的G/R转变阈值以及建立焊接微观组织演变的阈值评价体系具有重要理论意义；

3、一种焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值计算方法，提出“凝固进程百分比”的概念，度量实验焊点与模拟焊点的凝固进程，搭建实验焊点微观组织演变与模拟焊点凝固参数变化的对应关系，进而获取焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值，为焊接微观组织调控由定性评估转向定量评判奠定基础，对提高焊接接头综合使用性能具有重要的指导意义。

附图说明

图1是一种焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值计算方法的流程图；

图2是实施例1中的矩形脉冲波形图，P

图3是实施例1中的陡降恒定缓冷式脉冲波形图，其中：P

图4是在实施例1中，P

图5是在实施例1中，P

图6在是实施例1中，P

图7是图6中方框A选区处的放大扫描电子显微组织图；

图8在是实施例1中，P

图9在是实施例1中，P

图10在是实施例1中，P

具体实施方式

以下结合附图1—10和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照附图1所示，一种焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值计算方法的流程图，焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值计算方法，其特征是，它包括以下步骤：1)在焊接母材上，利用Nd:YAG脉冲激光点焊机发射单束脉冲激光辐射焊接母材，进行激光自熔点焊；

2)通过改变Nd:YAG脉冲激光点焊机发射单束脉冲激光的脉冲闭合波形，调整激光自熔焊点熔池液固界面凝固参数，改变成分过冷程度，实现激光自熔焊点微观组织结晶的形态演变，形成激光自熔焊点，所述的脉冲闭合波形为矩形脉冲波形和陡降恒定缓冷式脉冲波形，其中陡降恒定缓冷式脉冲波形即在矩形主波段后，依次附加“陡降波段”和“缓降波段”；

3)利用扫描电子显微镜，测量步骤2)中所述激光自熔焊点横截面上胞状晶区、柱状晶区和等轴晶区的晶区长度，依据各晶区长度与晶区总长度比值，计算结晶形态转变点对应的凝固进程百分比S(L)，所述的结晶形态转变点对应的凝固进程百分比S(L)为：在熔池表面中心与该点连线方向上，液-固界面的移动距离L

4)采用ANSYS软件，建立脉冲激光自熔点焊的二维轴对称模型，模拟计算激光焊点熔池液固界面凝固参数，即温度梯度G和凝固速度R的计算数值G/R与凝固进程百分比S(t)的函数关系，所述的凝固进程百分比S(t)为：某一时刻，液-固界面的移动时间t

5)在步骤4)所述脉冲激光自熔点焊的二维轴对称模型的液固界面凝固参数计算数值，随凝固进程百分比的变化曲线上，取与实验焊点结晶形态转变点的凝固进程百分比S(L)，所对应的焊接金属微观组织结晶形态演变的凝固参数阈值。

实施例1：

选取焊接母材为AZ31镁合金，开展Nd:YAG脉冲激光自熔点焊实验，即在单块焊接母材上，单束脉冲激光辐射AZ31镁合金，设定脉冲激光工艺参数如下：离焦量为+2mm，保护Ar气体流量为10L/min。

通过变更脉冲波形，即：矩形脉冲波形和陡降恒定缓冷式脉冲波形，获取相应激光焊点，如附图2所示矩形脉冲波形，如附图3所示陡降恒定缓冷式脉冲波形。

附图4所示为P

附图5所示为P

附图6所示为P

附图7为附图6中A方块区域的放大图，均为胞状晶；针对矩形脉冲激光焊点，计算得到柱状晶转变为等轴晶的转变点对应的凝固进程百分比S(L)

采用ANSYS软件，建立AZ31镁合金脉冲激光点焊二维模型，获取焊点熔化过程和凝固过程的二维模拟数据。计算矩形脉冲激光焊点、P

对比分析矩形脉冲激光实验焊点的横截面微观组织图和矩形脉冲激光模拟焊点的凝固参数G/R(S(t))变化曲线。附图4显示在凝固进程为65％时，结晶形态由柱状晶转变为等轴晶区。对应附图8可知，当G/R在“6K s/mm

对比分析P

对应附图10可知，当G/R在“1350K s/mm

由此可得到AZ31镁合金焊接金属结晶形态与液固界面上G/R的阈值关系：当G/R值小于6K s/mm

从上述实施例可以看出，由本发明方法可以计算AZ31镁合金焊接金属微观组织演变的凝固参数阈值，同时还可以建立AZ31镁合金焊接微观组织调控的凝固参数阈值评价体系，从而为焊接微观组织调控由定性评估转向定量评判奠定基础，对提高焊接接头综合使用性能具有重要的指导意义。

以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。