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微观模拟技术在焊接熔池凝固组织演变中的应用

时间:2016-07-01来源: 作者: 点击: 235次


摘要:随着计算机模拟技术的发展,各种微观组织模拟方法越来越多的应用到焊接熔池凝固过程中的组织演变的研究中,本文主要介绍了微观组织模拟方法及其特点,描述了其在熔池凝固组织模拟中的研究现状,以及未来焊接熔池组织模拟发展趋势。

关键词:微观组织;模拟方法;焊接熔池;

中图分类号:TG406

Application of the microstructure simulation technology in the microstructure evolution during the solidification of welding pool

DAI LeLIU Peng

(Military Representative Office of Navy in 407 Factory,Luoyang 471039,China)

Abstract:With the development of computational simulation technology, kinds of microstructure simulation methods are widely used into the microstructure evolution during the solidification of welding pool. In this paper, microstructure simulation methods and their characteristics are introduced, the present situation of applications of these methods is analyzed, and the further research trend of welding microstructure simulation is presented as well.

Key words: microstructure; simulation methods; welding pool

 

焊缝的微观组织对焊接接头的性能具有重要影响,而微观组织中晶粒大小、组织形态、宏观及微观偏析程度以及凝固裂纹、气孔等缺陷是在焊接熔池的凝固过程中形成的,从而最终决定着焊接接头的力学性能[1,2]。因此焊接凝固组织演变机理的研究逐渐成为焊接技术发展过程中的一个重要目标。但是由于熔池的凝固过程是一个高温、高梯温、高度非线性的多场耦合复杂过程,无法通过常规的试验手段进行实时观测,只能对焊接接头的最终的金相组织进行观察,具有很大的局限性,并且金相试验无法体现焊接熔池凝固过程参量。随着数值模拟技术的发展,熔池凝固过程的实时再现成为可能。基于凝固和相变理论的微观数值模拟技术弥补了传统试验方法和解析计算方法的不足,开创了焊接熔池凝固及其组织演变过程研究的新局面。随着计算机技术和数值模拟技术的发展,关于凝固过程的微观组织模拟的研究越来越多,并且也取得了长足的进展。目前,国内外用于微观组织模拟的主流方法有三种,分别是蒙特卡洛法(MC)、元胞自动机法(CA)和相场法(PF)。三种方法各有优点,根据组织演变模拟研究的着重点不同而得到不同的应用。

1.焊接接头微观组织主要模拟方法

早期对于焊接接头微观组织的研究均是采用基于相变热力、动力学所建立的确定性方法来模拟微观组织的转变。然而该类方法只能体现晶粒生长过程中的确定性因素,对于各种不确定因素的影响不能予以充分考虑,同时对于晶粒生长的几何拓扑情况,也无法给出直观结果。直至上世界末,MC法和CA法在焊接接头组织的预测中的引入,极大的推动了焊接接头微观组织的预测研究。这两种方法在模拟晶粒生长时,能量上的计算方法均是以晶粒生长的物理原则为基础,基于概率的方法通过自由能增量进行计算。此外,近些年来,PF法也成功的应用到焊接熔池凝固组织演变中,该方法能够通过计算相变界面的演化,从而实现组织演变的模拟研究。目前这三种方法均已得到较为广泛的应用,下文将对其分别介绍。

1.1 蒙特卡洛法(MC法)

MC法是一种基于概率计算的一种方法,该方法从统计的角度出发,采用随机抽样的方法来解释物理模型。Anderson[3,4]首先将MC方法引入到晶粒长大中,研究了晶粒尺寸的变化过程,晶粒分布几何形貌以及晶粒生长局部动力学。研究结果表明晶粒生长微观结构的产生与肥皂泡试验相一致,即每一时刻晶粒生长的瞬时形态和尺寸均随着时间发生改变。该研究模拟了等温条件下晶粒长大过程,然而该方法不能考虑温度的变化,只适用于恒温条件下的组织模拟。后来,Brown等人[5]MC法成功的应用于凝固组织的模拟中,通过精确控制形核数目、固定形核位置以及设定初始形核时间,实现了凝固中不同枝晶形态组织长大过程,此外该研究对不同等轴晶体积分数条件下柱状晶向等轴晶转变进行了模拟,结果证明当等轴晶体积分数大于0.5时才能发生CET(Columnar to Equiaxed Transition)转变。RadhakrishnanZacharia修正了MC方法,将温度变化参量和时间变量引入到其模型中,从而可以实现随时间改变的非均匀温度场中晶粒长大的过程。此后,MC方法逐步广泛应用于模拟晶粒的变温长大过程[6]

MC方法也逐步应用到焊缝凝固组织的模拟,并取得了很多成果,主要集中于焊接热影响区的晶粒长大过程的模拟。1996年,Gao等人[7] 建立了一种GBM(Grain Boundary Migration)模型,该模型是通过将MC模拟方法与一种第一性原理晶界迁移模型相耦合而成。该研究利用GBM模型对金属晶粒的等温长大过程进行模拟,获得的模拟结果达到了与试验结果吻合良好的程度。1999S.Jahanian等人[8]利用GBM模型模拟了0.5Mo-Cr-V焊接热影响区晶粒演变过程,再现了焊接热影响区的热钉扎现象。2000年,Yang等人[9]利用MC方法对纯钛金属焊接接头的焊接热影响区的组织转变进行了研究,首次实现了晶粒长大过程的三维模拟。该研究计算了不同热输入条件下焊接热影响区的晶粒尺寸及分布形态,并且距离熔合线不同位置晶粒尺寸的模拟结果和试验结果吻合得非常好。2005MishraDebroy等人[10]Ti-6Al-4V合金钨极氩弧焊过程中热影响区的晶粒和拓扑形貌进行研究。首先对焊接过程的热传导和熔池流场进行计算,然后将所提取的焊接热循环曲线作为边界条件导入MC模型中来模拟热影响区的组织转变过程。研究结果发现,热影响区的晶粒尺寸与原来未焊接之前的晶粒尺寸相比呈几倍甚至十几倍的增大。2013年,Kim等人[11]同样利用MC模型对微合金化中碳钢焊接热影响区的晶粒长大倾向进行研究,结果表明该材料热影响区中同时存在粒子钉扎和热钉扎现象。

国内关于焊接熔池凝固过程数值模拟研究开展的比较少,而且起步也比较晚,2008年,徐艳利、魏艳红等人[12],利用修正的EDB(Experimental Data Based)模型,对SUS316不锈钢焊接热影响区的晶粒长大进行了模拟,模拟结果与试验结果吻合良好。此外,又对镍基合金Nimonic263 TIGA-TIG的焊接热影响区晶粒长大过程也分别进行了计算,计算过程中考虑了活性剂对熔池流场的影响。通过对比有无活性剂的焊接过程热影响区组织演变结果并发现,A-TIG中焊材表面的活性剂虽然能够改变熔池形状,但是与无活性剂焊接相比,热影响区的晶粒尺寸没有明显变化。此后,在上述研究的基础上,结合凝固理论,建立了焊接熔池凝固过程组织模拟的MC模型,模拟了熔池内的晶粒长大过程。实现了上述两种材料熔池内部的晶粒生长,从而证明该模型可实现焊缝内晶粒长大介观尺度的模拟。部分模拟结果如图1所示。


1 Nimonic263 TIG熔池凝固过程模拟结果

2012年,张转转和武传松等人[13]对铁素体不锈钢激光-脉冲金属熔化极气体保护复合焊接的热影响区的晶粒演化过程进行了研究。首先采用一种组合热源来模拟该复合焊接过程的温度场,并从中提取了焊接热循环曲线,带入到MC模型中对复合焊接过程热影响区的晶粒组织进行模拟。通过对比焊接热影响区不同位置晶粒平均尺寸的试验结果,证明了该模型的有效性,模拟结果如图2所示。研究表明复合焊接热影响区的粗晶区宽度和晶体结构沿着熔合线方向上具有较大的变化,接头表面的最大晶粒尺寸要远大于焊根位置的最大晶粒尺寸。

2 不锈钢热影响区晶粒生长结果

1.2 元胞自动机法(CA法)

CA在材料科学中的应用是最近几十年才发展起来的,最早出现在铸件凝固结晶方面。CA法的主要思想是将时间和空间离散化,即将要模拟的区域分解成有限个元胞,同时把时间离散化为具有较小时间步长的时间点。每个元胞的所有可能状态也划分为有限个独立的生长态,每个元胞在前后时间步的状态转变按相变动力学和热力学的演变规则来决定,这种转变是对整个模拟区域内的各个元胞是同步的,因此一个元胞的生长态的转变不单单受其相邻元胞的生长态的影响,而且还同时也影响着其他元胞的状态。1986年,Packard建立了第一个枝晶生长的二维CA模型[14],实现了二维尺度有限区域内固液相变过程,从此CA逐渐开始应用到材料科学的研究中。1995年,Brown等人[15]建立了三维CA模型,并研究了不同过冷度条件下纯金属的三维自由枝晶生长过程。随后,他进一步把CA法与有限差分法(Finite Difference)结合起来,建立了三维元胞自动机与有限差分(CA-FD)的耦合模型,来模拟两相金属的耦合生长[16]。另外,Rappaz等人[17]建立了CA模型来模拟凝固结晶中拓扑形貌的演变过程,研究中考虑到晶粒的形核与长大的物理机制,分别模拟了铸件表面晶体生长与铸件中心晶体生长过程,考虑了这两种位置的形核位置及晶粒取向的随机性等不同点,成功地预测从柱状晶到等轴晶的转变并得到了试验印证。此外,Geiger等人[18]利用CA方法研究了温度、各向异性、活化能和界面能等不同变量对晶粒生长的影响。近年来,大量的研究者运用CA方法模拟了不同材料、不同相变过程在不同凝固条件下的晶粒生长过程,取得了丰富的研究成果。然而由于CA法因其局限性,即其相变界面状态为几个离散的生长态,与物理过程中的相变界面状态还是具有一定的差异,导致CA法的模拟结果仅能在形态学上进行晶粒生长的研究,无法实现界面尺度层面的更为细微的组织结构演变过程,以及关于晶粒内部细微组织的定量生长。

CA法对于焊接熔池内部枝晶生长的研究起步比较晚,仅在近十几年才开始报道。2004年,V. Pavlyk等人[19]采用CA-PDM模型对低碳钢的钨极氩弧焊接熔池的凝固组织进行模拟,模拟结果如图3所示。首先采用有限元法对焊接过程进行模拟,对模拟获得熔池形态进行分析,并获得熔池不同位置的凝固条件,然后将该系列凝固条件理想化为稳态生长条件来模拟熔池相应位置的枝晶生长。

3 Fe-C合金熔池枝晶生长CA模拟结果

2010年,H. Yin等人[20]CA法与有限元法结合,建立2D模型对LENS (Laser Engineered Net Shaping)的熔池枝晶生长进行模拟,研究了激光焊接工艺参数对枝晶形貌的影响规律,部分模拟结果如图4所示。

4 不同工艺参数对LENS熔池枝晶形态的影响

2012年,W.D. Tan等人[21]建立了一个耦合CA法和PF法的模型,整个模拟区域范围离散化采用CA法,相变界面采用PF法进行处理,并利用该模型对铝合金激光焊接熔池的枝晶生长过程进行模拟,将熔池中枝晶生长条件简化为定向凝固条件,模拟结果与一定程度上与试验结果吻合良好,枝晶模拟形貌如图5所示。

5 不同激光焊接工艺条件下熔池枝晶生长的模拟结果

    在国内,华中科技大学黄安国等人[22]建立CA模型进行焊接熔池凝固过程枝晶生长的模拟。所建立的模型考虑了焊接过程中枝晶生长的曲率过冷、温度过冷、成分过冷以及联生结晶等影响因素。该模型从焊接冶金的物理背景出发,能够较好的反映焊缝金属凝固的特点,其结果定性的再现了焊缝金属晶粒择优取向与竞争长大机制。2007年,占小红、魏艳红等人[23]建立了CA-FD耦合模型,并将“对角线模拟角度”法则引入到模型中研究镍基合金钨极氩弧焊焊接熔池的凝固过程。该模型将焊接宏观温度场和溶质场与形核生长模型相耦合,能够获得焊接参数的变化对一次枝晶间距和二次枝晶间距的影响规律,实现了具有不同初始生长取向的柱状晶之间竞争生长。随后马瑞等人[24]进一步修正上述模型,并加入流场,开展了流场作用下焊接熔池中等轴晶和柱状晶生长的模拟,并与无流场作用时的情况进行对比,得到了熔池中不同时刻枝晶前沿流体流动以及其对枝晶形貌和溶质分布的影响规律。计算结果如图6所示。

a) 等轴晶

b) 树枝晶

6 流场条件下焊接熔池等轴晶生长形貌和溶质分布

1.3 相场法(PF法)

相场法是一种新兴的微观组织模拟方法,成熟的比较晚,直到最近越来越多的相变研究才开始采用该方法。PF在计算过程中可以避免跟踪复杂界面,大大降低了PF模型的复杂程度。通过PF与温度场、溶质场等耦合,可以直接定量给出固液相变过程中的各种形态组织形貌,以及伴随着发生的溶质不均匀扩散而形成的溶质偏析现象等,并且能够详细给出枝晶组织的具体形貌及更微观尺度的细微亚结构。而传统的数值模拟方法只能够在宏观上给出组织的外轮廓而无法描绘细微亚结构。PF方法以金兹堡-朗道理论(Ginzburg-Landau)为基础,通过微分方程反映了相变过程界面推进、溶质扩散、有序化势及热力学驱动力的综合作用,物理意义明确,是模拟相变过程微观组织演化的理想方法。从PF法的提出到成熟发展,系列学者[25-34]作出了极大的贡献。尤其是在纯金属和二元合金的等温凝固和稳态条件下定向凝固方面,已经取得了巨大的成功,并且模拟所得的结果在定量水平上与试验结果吻合。

近几年来,焊接熔池凝固过程的PF研究也相继开展。2008年,Farzadi等人[35]利用PF法对Al-Cu合金TIG焊缝凝固组织进行模拟,研究了焊接工艺参数对于枝晶生长的影响规律,其模拟结果如图7所示。通过模拟发现,随着焊接速度的增大,枝晶生长的冷却速率增大,使一次枝晶平均间距减小;同时焊接速度增大会提高过冷度,使偏析程度更加严重。该模拟结果虽未达到定量符合试验结果,但是获得的规律符合已有的理论模型,其结果变化趋势与试验结果变化趋势相一致,这标志着PF法已经成功应用于焊接熔池凝固过程中的微观组织演变模拟。


7 PF法模拟焊接熔池柱状晶生长

2012年,V. Fallah等人[36]提出了一个PF-温度场模型,并用该模型对Ti-Nb合金的激光粉末熔敷过程的熔池中不同位置的定向凝固进行数值模拟。模拟结果表明沿着焊缝的纵向,各个位置的枝晶尺寸变化很大,试验中也同样有此规律。图8Ti-Nb合金的激光粉末熔敷熔池不同位置枝晶生长的模拟结果。

8 激光粉末熔敷熔池不同位置枝晶生长的PF模拟结果

2.各模型的优缺点

MC法处理焊接接头晶粒生长问题虽然能定性描述溶质浓度、过冷度对最终微观组织的影响,但是这种方法缺少物理背景,并且只能在介观尺度或者晶粒尺度进行计算,无法从微观尺度实现组织演变,不能定量分析各种物理因素和工艺因素对凝固组织的影响。尤其是对于焊接熔池这种复杂的凝固过程,MC的模拟结果则更为不细致,所以在焊接接头微观组织转变研究领域的应用会越来越少。用CA方法模拟熔池凝固枝晶生长时需要实时跟踪固液界面,在模拟晶粒竞争、织构进展和形态转变上具有一定优势,能够显示凝固过程中温度、相结构和溶质浓度的变化。国内外关于焊接熔池凝固过程的组织模拟已经取得较为丰硕的成果,在枝晶形态、宏观条件对微观组织的影响、溶质偏析及流场影响等方面已经开展了较深入的研究,但是该方法一方面是基于“概率性”思想,用来模拟晶粒的三维生长、详细的生长形态和枝晶内部的细微花样有一定困难;另一方面其对固液界面的处理较简单,即把界面看作是几个离散的、不连续的生长状态,这导致其计算结果多集中于定性或者半定性的结论,并且很难实现有关界面动力学方面的研究,在进行细致的模拟和实现定量化计算方面有待于进一步改进。而PF最大的优点就是避免了复杂的相界面跟踪,可以有效地通过与温度场、溶质场、流场及其它外部场的耦合而实现微观与宏观的尺度的结合,从而可直接模拟宏观场作用下的枝晶生长,逼真地动态显示枝晶的演化过程,并能定量地研究固液界面曲率效应、动力学效应、扰动、各向异性及各种材料参数对枝晶形貌的影响,是目前凝固组织模拟中最有潜力的方法。

对于焊接熔池凝固过程的PF模拟,国内外的研究较少。虽然在一次枝晶间距、熔池不同位置的溶质偏析和不同焊接条件下枝晶的凝固过程以及枝晶形貌等方面得到了一些定量结果,但是这些研究将熔池中的瞬态凝固进行了简化,即将熔池凝固中推进速度和温度梯度连续变化过程离散为数个推进速度和温度梯度不变的独立定向凝固过程,然后把这些控制条件分别代入控制方程进行模拟,来体现熔池不同凝固阶段的枝晶生长。这些简化相对于实际熔池的凝固过程具有一定的差异:(1)熔池中的各个位置的枝晶生长均是实时瞬态的变化过程,这是定向凝固的稳态生长条件所不能体现的;(2)熔池枝晶生长是一个历史相关的过程,熔池不同位置的枝晶生长均建立在已生长枝晶的基础上,尤其是接近焊缝中心位置的枝晶。因此定向凝固与熔池凝固的枝晶形貌具有一定的差异,引入瞬态生长条件才能真实的反应焊接熔池中枝晶的生长规律。目前国内外关于稳态条件(steady-state)下的定向凝固已经研究了数十年,相关的理论也趋于成熟,但是在瞬态条件下枝晶生长方面的研究很少,且焊接熔池中瞬态条件下的枝晶生长还未见有报道,所以关于瞬态条件下的凝固过程,尤其是焊接熔池凝固过程的凝固理论非常不成熟,瞬态条件凝固的枝晶生长行为及规律也十分欠缺,在熔池凝固过程中的线性生长动力性,非线性生长的组织形貌、溶质扩散,流场等外界因素的影响规律以及焊接缺欠的产生机制等方面都需要进行较为深入甚至是开创性的研究。

3.结束语

组织模拟对实现焊接工艺优化具有重要意义,因为预测组织可以预测各种焊接工艺参数及焊接条件下的组织形态和力学性能。因此,从理论上来讲,焊接过程组织模拟最终是可以实现进行工程生产指导作用的。但是,目前该方面的研究仍旧存在诸多难点:1、焊接熔池中材料高温性能参数获取非常困难,尤其是液态金属的参数很难通过现有的测试手段测定,致使各模型中的系列重要参数需进行人工干预,自由度过大且无较合理的理论依据,所以导致模拟结果存在较多的变数,只能通过试验结果去规范;2、熔池内部各类反应复杂多变,尤其是熔池内部熔融金属流动剧烈,很难实现完全考虑这些因素,所以模拟结果很难达到真正意义上的定量;3、不同组织模拟方法需要的网格尺度不尽相同,然而相对熔池尺寸来说仍旧非常小,目前的计算机能力兼顾计算效率,实现较小范围内的二维计算是可行的,若要实现熔池凝固全过程的三维计算,挑战性极大,不仅存在建模困难,数据处理复杂,而且在控制方程求解方法,计算方法的改进方面仍有较长远的路要走;4、复杂合金或者合金元素的加入使熔池凝固相变过程充满多样性,组织模拟难度会成指数形式增大,所以目前的计算模型只能够实现个别相变较为简单的材料,其它复杂合金晶粒生长状况仍需进一步研究。

上述问题导致目前焊接过程组织模拟仍处于理论研究阶段,研究积累相对较少,与实际焊接过程还存在较大的差距,还没有能力直接用于生产实践,所以焊接熔池组织模拟仍具有广大的发展空间,在计算模型的通用化、计算方法高效化、后处理便捷化等方向有待深入探索。

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作者简介:戴乐(1985—),男,硕士研究生,研究方向:舰船材料研制与生产


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