[发明专利]一种TC4钛合金焊接熔池固态相变的模拟方法

说明书

本发明公开了一种TC4钛合金焊接熔池固态相变的模拟方法，首先利用有限元法，建立焊接瞬态温度场模型，然后利用线性插值法将宏观温度场模型转化为适用于微观组织和相转变的微观温度场模型，并对模拟过程中的一些模拟条件进行了适量简化，建立了TC4钛合金焊接熔池固态相变的计算模型，最后在模拟软件Matlab上实现了可视化的计算和分析。本模型能够计算不同时间、不同焊接工艺参数下TC4钛合金焊接过程中温度场的演变情况，并通过温度场的宏微观耦合，实现了在高度动态化的温度场变化过程中计算焊缝金属的固态相变情况，从而为研究TC4钛合金焊接过程中的固态相变过程提供了一种全新的且高效可靠的研究手段。

技术领域

本发明属于焊接熔池模拟技术领域，涉及一种TC4钛合金焊接熔池固态相变的模拟方法。

背景技术

钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域，TC4(Ti-6Al-4V)钛合金是目前为止应用最多的一种钛合金，是钛合金工业中的“王牌合金”；焊接作为一种常用的连接方法，具有灵活性好、适应性强、材料连接性能好等优点，成为钛合金的最主要的连接方法，因此，如何提高钛合金焊接过程中焊接接头的质量就具有很重要的意义。

焊接过程中，焊缝金属的固态相变过程对焊缝的最终生成相的组成和含量会产生重要影响，从而决定焊接接头的力学性能和使用寿命。采用传统的金相实验方法只能对完全冷却至室温的焊缝金属的相组成进行观察和研究，难以对焊缝金属完全凝固后，由于高温的作用产生的固态相变过程进行观察和分析，因此，急需一种能够对焊缝金属固态相变过程进行实时观测和分析的研究方法。近年来，计算机技术飞速发展，采用数值模拟技术研究金属材料的焊接和铸造等过程为学者们提供了一种新的研究思路，该方法基于一定的物理基础，建立实际问题的数学模型，最终在计算机模拟软件上实现了对实际物理过程的可视化处理与分析。

所以，建立一种TC4钛合金焊接熔池固态相变的模拟方法就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种TC4钛合金焊接熔池固态相变的模拟方法，解决了现有技术中存在缺少焊缝金属固态相变研究方法的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种TC4钛合金焊接熔池固态相变的模拟方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、基于有限元法，构建焊接瞬态温度场模型；

步骤2、利用插值原理，构建微观温度场模型；

步骤3、构建焊缝金属的固态相变模型；

步骤4、数值计算及计算结果的分析。

本发明的特点还在于：

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、根据实际焊件的大小和尺寸，在有限元模拟软件中建立有限元几何模型；

步骤1.2、根据焊接时选用的焊接材料，给有限元几何模型赋予材料属性，获得有限元几何材料模型；

步骤1.3、根据实际焊接过程，设置焊接模拟的分析步骤；

步骤1.4、根据焊接过程的实际情况，设置初始条件和边界条件，初始条件包括有设定初始温度，边界条件包括有确定模拟区域与环境的换热关系；

步骤1.5、根据焊接熔池的实际情况，设置载荷，载荷包括有设定边界约束、设定表面热通量，设定表面热通量即选择热源模型，热源模型选择双椭球热源模型，具体计算公式如下：

当x≥0时，模型前半部分的函数表达式为：

当x＜0时，模型后半部分的函数表达式为：