[發明專利]焊接金屬微觀組織結晶形態演變的凝固參數閾值計算方法

在審

• 申請號: 202210509958.8
• 申請日: 2022-05-11
• 公開（公告）號: CN114783536A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 張效賓;卞樹旺;趙鵬飛;魯海龍;孫文剛
• 申請（專利權）人: 東北電力大學
• 主分類號: G16C20/10
• 分類號: G16C20/10;G16C20/30;G16C10/00;G06F30/23
• 代理公司: 吉林市達利專利事務所 22102
• 代理人: 陳傳林

本發明一種焊接金屬微觀組織結晶形態演變的凝固參數閾值計算方法，基于Nd:YAG脈沖激光點焊的脈沖閉合波形特性，提出“凝固進程百分比”的概念，度量實驗焊點與模擬焊點的凝固進程，搭建實驗焊點微觀組織演變與模擬焊點凝固參數變化的對應關系，進而獲取焊接金屬微觀組織結晶形態演變的凝固參數閾值，建立焊接微觀組織調控的凝固參數閾值評價體系，對于研究焊接金屬微觀組織結晶形態演變的G/R轉變閾值，以及建立焊接微觀組織演變的閾值評價體系具有重要理論意義。

技術領域

本發明涉及焊接技術領域，特別涉及一種焊接金屬微觀組織結晶形態演變的凝固參數閾值計算方法。

背景技術

焊接金屬微觀組織晶粒類型主要包括：柱狀晶和等軸晶兩大類。柱狀晶形態呈柱狀，性能具有明顯的方向性，易生成焊接裂紋，其結晶形態主要有胞狀結晶和柱狀結晶等；等軸晶粒在各方向上尺寸差別較小，力學性能較好。焊接金屬微觀組織結晶行為影響焊接組織結晶形態，進而影響焊接接頭的力學性能。在焊接熔池凝固及冷卻進程中，受焊接熔池溫度場動態變化的影響，焊接熔池液-固界面上的凝固參數，如：溫度梯度(G)和凝固速度(R)等，均在不斷變化，凝固參數的計算數值(G/R)也隨之變化，進而改變焊接熔池的液-固界面上的成分過冷程度，使得焊接金屬微觀組織結晶形態發生改變。

目前，關于焊接金屬微觀組織結晶形態演變的研究屬于定性范疇，即：隨G/R減小，結晶形態由胞狀晶→柱狀晶→等軸晶轉變；暫無焊接金屬微觀組織結晶形態演變的凝固參數(G/R)閾值計算方法，而無法建立焊接微觀組織調控的凝固參數閾值評價體系，使其便于定量評判焊接工藝參數對微觀組織調控效果。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的問題，創造性構思了一種焊接金屬微觀組織結晶形態演變的凝固參數閾值計算方法，基于Nd:YAG脈沖激光點焊的脈沖閉合波形特性，度量實驗焊點與模擬焊點的凝固進程，搭建實驗焊點微觀組織演變與模擬焊點凝固參數變化的對應關系，進而獲取焊接金屬微觀組織結晶形態演變的凝固參數閾值。

實現本發明的技術方案是：焊接金屬微觀組織結晶形態演變的凝固參數閾值計算方法，其特征是，它包括以下步驟：

1)在焊接母材上，利用Nd:YAG脈沖激光點焊機發射單束脈沖激光輻射焊接母材，進行激光自熔點焊；

2)通過改變Nd:YAG脈沖激光點焊機發射單束脈沖激光的脈沖閉合波形，調整激光自熔焊點熔池液固界面凝固參數，改變成分過冷程度，實現激光自熔焊點微觀組織結晶的形態演變，形成激光自熔焊點；

3)利用掃描電子顯微鏡，測量步驟2)中所述激光自熔焊點橫截面上胞狀晶區、柱狀晶區和等軸晶區的晶區長度，依據各晶區長度與晶區總長度比值，計算結晶形態轉變點對應的凝固進程百分比S(L)；

4)采用ANSYS軟件，建立脈沖激光自熔點焊的二維軸對稱模型，模擬計算激光焊點熔池液固界面凝固參數，即溫度梯度G和凝固速度R的計算數值G/R與凝固進程百分比S(t)的函數關系；

5)在步驟4)所述脈沖激光自熔點焊的二維軸對稱模型的液固界面凝固參數計算數值，隨凝固進程百分比的變化曲線上，取與實驗焊點結晶形態轉變點的凝固進程百分比S(L)，所對應的焊接金屬微觀組織結晶形態演變的凝固參數閾值。

進一步，在步驟2)中，所述的脈沖閉合波形為矩形脈沖波形和陡降恒定緩冷式脈沖波形，其中陡降恒定緩冷式脈沖波形即在矩形主波段后，依次附加“陡降波段”和“緩降波段”。

進一步，在步驟3)中，所述的結晶形態轉變點對應的凝固進程百分比S(L)為：在熔池表面中心與該點連線方向上，液-固界面的移動距離L₀與總距離L的比值。

進一步，在步驟4)中，所述的凝固進程百分比S(t)為：某一時刻，液-固界面的移動時間t₀與凝固總時間t的比值。