焊接热过程和冶金过程

20084027摆动焊接动态过程温度场数值模拟/张华军…//焊接学报.-2008,29(2):69~72,76通过对常用的摆动式焊接的温度场进行数值模拟,根据摆动式焊接的速度和方向变化的特点,在经典的双椭球热源模型的基础上建立了摆动电弧动态热源模型,采用大型商用MARC.MSC软件进行了三维温度场模拟,并采用热电偶进行测温,计算结果与试验结果相吻合。对摆动焊熔池的演变过程、温度曲线、峰值温度曲线进行了分析,研究发现,摆动式焊接与常规的无摆动焊的温度场特征不同,摆动焊的温度曲线在加热过程和冷却过程都有一个小波峰出现,熔池经历了多次加热冷却过程,并且熔池的峰值温度随横向摆动速度的增大而减小。图7参620084028超精细粒钢中焊接HAZ晶粒长大规律/林震欧//电焊机.-2008,38(2):53~56根据传统金属学和焊接冶金学理论,对800MPa和400MPa两个强度级别的新一代钢铁材料进行了焊接热模拟试验,分析了焊接HAZ晶粒长大规律。结果表明,随着TP和t8/5的逐渐增大,新一代钢铁材料焊接HAZ的奥氏体晶粒都存在严重的长大倾向,且400MPa级较800MPa级的HAZ奥氏体晶粒长大更为严重。图4表1参102...     

焊接热过程和冶金过程

20084027摆动焊接动态过程温度场数值模拟/张华军…//焊接学报.-2008,29(2):69~72,76通过对常用的摆动式焊接的温度场进行数值模拟,根据摆动式焊接的速度和方向变化的特点,在经典的双椭球热源模型的基础上建立了摆动电弧动态热源模型,采用大型商用MARC.MSC软件进行了三维温度场模拟,并采用热电偶进行测温,计算结果与试验结果相吻合。对摆动焊熔池的演变过程、温度曲线、峰值温度曲线进行了分析,研究发现,摆动式焊接与常规的无摆动焊的温度场特征不同,摆动焊的温度曲线在加热过程和冷却过程都有一个小波峰出现,熔池经历了多次加热冷却过程,并且熔池的峰值温度随横向摆动速度的增大而减小。图7参620084028超精细粒钢中焊接HAZ晶粒长大规律/林震欧//电焊机.-2008,38(2):53~56根据传统金属学和焊接冶金学理论,对800MPa和400MPa两个强度级别的新一代钢铁材料进行了焊接热模拟试验,分析了焊接HAZ晶粒长大规律。结果表明,随着TP和t8/5的逐渐增大,新一代钢铁材料焊接HAZ的奥氏体晶粒都存在严重的长大倾向,且400MPa级较800MPa级的HAZ奥氏体晶粒长大更为严重。图4表1参102...     

基于单元生死技术的微熔滴沉积成形温度场模拟与试验研究

采用有限单元法和单元生死技术,建立了气动按需熔滴沉积成形温度场计算模型,模拟了7075铝合金薄壁件微熔滴沉积过程温度场的演变规律.结果表明:薄壁件成形温度场随熔滴沉积位置的移动而呈现周向动态变化,不同位置熔滴单元节点的热循环曲线存在不同个数的温度峰值和谷值;随着沉积层高度的增加,1～10层相邻搭接层间熔滴的冷却速率降低,熔滴所在沉积层中的高温区域逐渐扩大,使零件在成形方向上呈现变化的温度梯度,并导致1～10层相邻层间熔滴结合处的晶粒尺寸发生变化.模拟结果与7075铝合金薄壁件微熔滴沉积试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中零件的温度场变化规律.     

基于单元生死技术的微熔滴沉积成形温度场模拟与试验研究

采用有限单元法和单元生死技术,建立了气动按需熔滴沉积成形温度场计算模型,模拟了7075铝合金薄壁件微熔滴沉积过程温度场的演变规律。结果表明:薄壁件成形温度场随熔滴沉积位置的移动而呈现周向动态变化,不同位置熔滴单元节点的热循环曲线存在不同个数的温度峰值和谷值;随着沉积层高度的增加,1～10层相邻搭接层间熔滴的冷却速率降低,熔滴所在沉积层中的高温区域逐渐扩大,使零件在成形方向上呈现变化的温度梯度,并导致1～10层相邻层间熔滴结合处的晶粒尺寸发生变化。模拟结果与7075铝合金薄壁件微熔滴沉积试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中零件的温度场变化规律。     

激光功率与扫描速度对选区激光熔化钴铬合金组织性能的影响

目的 明确选区激光熔化钴铬合金中激光线能量密度、激光功率和激光扫描速度对成形件组织、性能的影响,探究优化工艺参数的方法。方法 基于ANSYS有限元软件模拟选区激光熔化过程中熔池尺寸的基础上,通过金相显微镜分析了熔池尺寸和显微组织,电子背散射衍射分析了晶粒尺寸,使用力学试验机和洛氏硬度计研究了试样的力学性能。结果 随着线能量密度降低,成形件的熔池尺寸、晶粒大小、冷却速度和力学性能降低。但在激光线线能量密度为0.242 J/mm的条件下,扫描速度为1 200 mm/s时成形试样的致密度为98.7%,抗拉强度为867 MPa,延伸率为6.5%,其力学性能均高于扫描速度为950 mm/s时成形的试样,与线能量密度更高的0.263 J/mm成形条件下250 W+950 mm/s的成形试样力学性能相近。结论 激光线能量密度是影响选区激光熔化钴铬合金熔池尺寸和组织性能的关键因素,但熔池尺寸与激光线能量密度没有线性关系。相同的线能量密度下,增加激光扫描速度,有利于获得大的熔池尺寸和冷却速度,提高成形件的致密度和降低晶粒尺寸,最终使成形件力学性能提高。     

电子束选区熔化增材制造熔池演化多尺度模拟

电子束选区熔化增材制造是金属增材制造领域的重要发展方向。为了理解和控制电子束扫描过程中熔池流场与温度场演化规律,并进一步探明和预测凝固成形件的微观组织形成过程,提高零件的冶金质量和力学性能,本文采用基于格子玻尔兹曼方法及有限体积法混合格式的三维传热传质模型,对熔池的形貌尺寸、温度场、流场及相场演化进行模拟。结果表明,当电子束扫描速度从800 mm/s增加到1600 mm/s时,冷却速度从0.19 K/μs增加到0.45 K/μs,温度梯度从0.99 K/μm增加到3.72 K/μm。进一步采用基于格子玻尔兹曼方法的微观枝晶生长模型探究微观组织形成机制,研究发现,固液界面处出现沿温度梯度方向生长的柱状晶,且电子束扫描速度越大,柱状晶生长越快,熔体流动可在一定程度上促进柱状晶的生长。     

9Ni钢焊接HAZ晶粒长大数值模拟

用Monte Carlo模拟方法研究了超低温用9Ni钢焊接热影响区(HAZ)的晶粒长大。结合焊接试验,建立了9Ni钢焊接HAZ晶粒长大模型,模拟了晶粒生长过程。模拟结果表明,HAZ奥氏体晶粒尺寸平均为70~85μm,与实际对应焊接工艺参数条件下的晶粒尺寸测量结果相吻合。并给出了HAZ存在很陡的温度梯度对晶粒长大起阻碍作用的"热钉扎"效应。研究了焊接工艺参数(焊接热输入和预热温度)对HAZ晶粒尺寸的影响,得出热输入是影响HAZ晶粒尺寸的主要因素。为获得优良的HAZ韧性,在焊接实际生产中需采用较小的热输入。     

400 MPa级超级钢焊接热影响区晶粒尺寸的预测

应用有限元方法建立了超级钢焊接温度场的数学模型,对5mm厚、400MPa超级钢等离子弧焊接温度场和热循环进行了模拟和分析;利用模拟得到的热影响区热循环曲线,根据晶粒长大动力学原理对热影响区晶粒尺寸进行预测。预测结果表明,焊接接头热影响区宽度约为6.5mm;焊接接头热影响区晶粒明显长大,最大晶粒尺寸约为180μm;焊接接头热影响区晶粒随冷却速度的加快而细化,但细化程度有限。     

基于水平集方法的薄壁件堆焊成形数值分析

针对薄壁零件在微束等离子堆焊过程中的成形特点展开研究. 采用有限元软件COMSOL对薄壁件堆焊层熔池进行温度场仿真,由于横截面散热条件较差,热累积明显,温度场分布呈现上“拱桥”下“水平”的特点. 建立熔池自由表面变形的数学模型,采用水平集方法模拟熔池表面变形及凝固过程,并对影响熔池成形尺寸的因素进行探讨. 结果表明,表面张力系数和接触角越大,熔池在宽度方向尺寸越小,高度方向尺寸越高. 通过与试验焊缝对比,该模型能够较准确的反映薄壁零件单层堆焊的形貌特点.     

激光熔丝增材制造过程的温度与组织演变研究

激光熔丝增材制造工艺参数对凝固组织特别是晶粒尺寸有重要影响,从而影响成形件的性能.基于有限元方法对激光熔丝增材316L不锈钢过程的热历史进行了仿真,研究了不同增材工艺对晶粒尺寸的影响.结果表明,模拟得到的熔池尺寸于与实际相吻合,在垂直于扫描方向和厚度方向均有能量传递.随着扫描速度的增加,成形过程的最高温度减小.单层组织的底部区域为胞状晶、中部区域为粗大的柱状树枝晶、顶部区域为细小的等轴晶,柱状树枝晶的一次枝晶间距随扫描速度的增加而减小.     

Finite element analysis of temperature and stress fields during selective laser melting process of Al–Mg–Sc–Zr alloy

A 3D finite element model was established to investigate the temperature and stress fields during the selective laser melting process of Al–Mg–Sc–Zr alloy. By considering the powder–solid transformation, temperature- dependent thermal properties, latent heat of phase transformations and molten pool convection, the effects of laser power, point distance and hatch spacing on the temperature distribution, molten pool dimensions and residual stress distribution were investigated. Then, the effects of laser power, point distance and hatch spacing on the microstructure, density and hardness of the alloy were studied by the experimental method. The results show that the molten pool size gradually increases as the laser power increases and the point distance and hatch spacing decrease. The residual stress mainly concentrates in the middle of the first scanning track and the beginning and end of each scanning track. Experimental results demonstrate the accuracy of the model. The density of the samples tends to increase and then decrease with increasing laser power and decreasing point distance and hatch spacing. The optimum process parameters are laser power of 325–375 W, point distance of 80–100 μm and hatch spacing of 80 μm.     

TC4表面激光熔覆Ni60基涂层温度场热循环特性数值模拟研究

目的确定TC4钛合金激光熔覆的最优工艺参数,研究其热循环特性,分析激光熔覆温度对组织的影响规律。方法采用3D高斯热源,基于Sysweld软件平台,对TC4钛合金激光熔覆Ni60A-50%Cr3C2粉末过程进行数值模拟仿真,研究温度场云图及其热循环特性,模拟计算激光熔覆最高温度、加热速度和冷却速度,以及熔池最大深度和热影响区宽度,进行激光熔覆实验验证,结合熔覆层显微组织扫描电镜(SEM)图像,研究冷却速度对熔覆层组织的影响。结果由仿真可知,激光熔覆工艺参数中的光斑直径和送粉速度主要影响熔覆层的高度和宽度,对温度场分布起主要影响作用的是激光功率和扫描速度。激光功率为500 W,扫描速度为4 mm/s时,熔覆层区域熔化完全,与基体结合良好。激光熔覆最高温度为2700℃,最大加热速度约为2200℃/s,最大冷却速度约为1200℃/s,熔池最大深度在0.33~0.66 mm之间,热影响区宽度约为1.2 mm。模拟与实验得到的熔覆层截面形貌基本一致。不同冷却速度得到的熔覆层组织不同,随着冷却速度的降低,显微组织由短小的胞晶和树枝晶逐步转变为柱状晶、胞状晶和平面晶,最终形成淬火态的针状马氏体。结论最佳工艺参数为:激光功率500 W,扫描速度4 mm/s。冷却速度是影响熔覆层组织的重要因素,仿真模型的正确性及方法的可行性得到了实验验证。     

Study on process optimization of WC-Co50 cermet composite coating by laser cladding

In order to optimize the process of tungsten carbide (WC)-reinforced Co50 cermet composite coating by laser cladding, Co-based coatings with 40 wt% WC were deposited on the surface of cone bit 15MnNi4Mo steel by 4 kW fiber laser. A single-factor experiment was designed to study the variation of the geometrical size, dilution rate and hardness of cladding layers with the change of various factors. Then, an orthogonal experiment was designed to study the optimal parameters for the laser cladding process by taking the hardness and dilution rate of the coatings as comprehensive indexes. Based on the results of the above experiments, the mathematical model of the relationship between the geometrical size of the cladding layers with the process parameters was established by regression analysis. In addition, the three-dimensional structure and microstructure of the coatings were analyzed by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The results revealed that with the increase of the laser power, the width of the cladding layer, the depth of the molten pool and the dilution rate gradually increased, while the coating height remained basically unchanged. Additionally, with the increase of the scanning speed, the coating height and the molten pool depth were relatively greatly reduced, while the coating width decreased little. Furthermore, with the increase of the powder feeding rate, the width of the cladding layer, the molten pool depth and the dilution rate gradually decreased, while the coating height gradually increased. The optimal process parameters are as follows: laser power of 2.4 kW, scanning speed of 7 mm/s, and powder feeding rate of 0.5 g/s. The mathematical model established by regression analysis fitted the width of the cladding layer best, and the minimum relative error was only 0.023%. The microstructure showed that metallurgical bonding was achieved between the coatings and substrates. Also, the coatings were compact and free of defects such as cracks and pores.     

IN718合金增材制造温度场仿真及微观组织分析

针对微观组织的调控相关问题,构建了IN718材料激光选区熔化(selective laser melting,SLM)温度场仿真的三维有限元模型,研究了激光功率和扫描速度对熔池温度场和凝固机理的影响,进而预测增材制造材料的微观组织,为微观组织的调控提供理论依据.首先分析了激光功率和扫描速度对熔池尺寸的影响,分析了不同工...     

选区激光熔化IN738LC合金成形温度场的数值模拟及实验研究

通过数值模拟根据熔池热行为变化规律对选区激光熔化工艺参数进行优化,是提高成形件质量的有效手段。为此,本论文采用ANSYS的APDL语言建立了全参数化的IN738LC合金选区激光熔化过程温度场有限元分析模型,并通过单熔道成形实验对热源模型进行校核。结果表明：随着激光功率的增加或者扫描速度的减小,粉末吸收的线性能量密度不断增加,熔池中心最高温度升高,熔融金属量增加,熔道形态由不规则断续状向规则连续长条状演化;随着扫描速度的增加或者激光功率的减小,粉末吸收的线性能量密度不断下降,熔体流动能力减弱,熔池宽度与熔化穿透深度也随之减小;有限元模拟与实验结果吻合较好,当激光功率为270 W,扫描速度为1150 mm/s时,单熔道具有连续少缺陷、规则良好的成形形貌。     

等离子多层熔积混相瞬态流场与温度场的模拟

建立了一种二维等离子熔积成形瞬态模型,该模型描述了熔积成形过程中多层熔积层的自由表面发展,并模拟了熔池内流体流动和传热.通过水平集(Level-Set)方法处理熔积轨迹、液/气界面等因素,考虑了熔体流动的主要驱动力-表面张力梯度、表面曲率以及浮力等.并采用SIMPLEC算法求解控制方程.以K163合金为例,对多层熔积成形过程混相瞬态场进行了模拟,所得到的计算结果与试验结果基本一致;并分析了熔积工艺参数(熔积电流、熔积扫描速度和送粉速度)对熔积层表面形貌及熔积质量的作用规律.     

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.     

Influence of laser parameters on segregation of Nb during selective laser melting of Inconel 718

A transient three-dimensional powder-scale model was established for understanding the flow field and mass transfer within the molten pool during the selective laser melting (SLM) of Inconel 718 alloy by considering some important physical phenomena, such as, a transition from powder to solid, nonlinearities produced by temperature-dependent materials' properties, and fluid flow in the calculation. The influence of laser power or scanning speed on the flow field and cooling rate was discussed in detail. The simulation results reveal that the motion of molten pool and higher cooling rate promote the mass transfer and benefit the solute distribution by increasing laser power. However, with increasing the scanning speed, the melt flow speed and cooling rate are elevated, resulting in an agglomeration of the solute elements, which is ascribed to the shorter dwelling time of liquid. Therefore, the segregation of Nb can be effectively suppressed by increasing laser power or decreasing scanning speed, which can decrease the dwelling time of liquid.     

激光作用时间变化下毛化织构表面成形机理与演变规律∗

激光毛化织构广泛应用于摩擦副表面以提高其接触强度和改变摩擦性能,然而现有研究存在激光成形机理复杂、形貌可控性差等问题。 通过对所建立的二维模型进行研究,考虑反冲压力、热毛细力、表面张力对激光熔池流动的影响,分析毛化过程形貌演变规律和激光作用机理。 结果表明,当激光加热时间充足时,凹坑织构中心出现凸起,且随着脉宽的增加而增大。 中心凸起的形成归因于热毛细力,且受表面张力的影响无法形成过高的凸起。 此外,熔池加热阶段形貌主要受反冲压力影响,熔池冷却初期阶段形貌主要受表面张力的主导作用,冷却后期阶段形貌主要受热毛细力的主导作用。 在考虑反冲压力、热毛细力、表面张力对激光熔池流动等影响的基础上,建立了激光毛化织构二维数值模拟模型,为未来工程应用提供了理论依据。