[发明专利]描述6xxx系铝合金熔化焊熔池中柱状晶形貌的方法

说明书

本发明公开了一种描述6xxx系铝合金熔化焊熔池中柱状晶形貌的方法，包括建立6xxx系铝合金的CA‑FD模型并初始化，在CA‑FD模型的计算区域中设置固相区域模拟熔池形貌；随着时间t的累加，通过解析法计算温度场随时间t的演化过程并储存温度数据，通过CA‑FD模型中的固相分数增加量公式计算固相分数增量并储存固相位置数据，通过CA‑FD模型中溶质扩散方程计算浓度场和溶质再分配，储存浓度数据，输出存储的数据；重复上述输出直到达到迭代终止条件，得到焊熔池中6xxx系铝合金的柱状晶形貌。本发明通过CA‑FD和解析法再现6xxx系铝合金焊接凝固时的枝晶生长现象，效率高，适用范围广，为优化焊接工艺提供依据。

技术领域

本发明涉及6xxx系铝合金熔焊分析技术领域，具体涉及一种描述6xxx系铝合金熔化焊熔池中柱状晶形貌的方法。

背景技术

6xxx系铝合金(成分为Al、Mg和Si，Al是溶剂，将Mg、Si溶质元素加入到液态的Al中凝固后成为6xxx系铝合金)由于其良好的综合性能，目前被广泛应用在交通运输、建筑等领域。在6xxx系铝合金的生产制造过程中，熔焊是连接的主要方式之一。在熔焊的过程中，6xxx系铝合金焊接的接头处会发生固-液-固复杂的相变，其中液相到固相的凝固过程会影响显微组织形貌，进而影响焊接接头处的力学性能。

因此，液相到固相的凝固过程是在熔焊过程中的重要一环。但是，现有技术中并没有对6xxx系铝合金凝固组织的演化过程的研究，并且在熔焊或者实验的过程中都很难实时观察到这一过程，不能为优化焊接工艺提供科学依据。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提出一种，通过计算机的数值模拟方法来再现6xxx系铝合金焊接凝固过程中的枝晶生长现象，为优化焊接工艺提供科学依据的一种描述6xxx系铝合金熔化焊熔池中柱状晶形貌的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种描述6xxx系铝合金熔化焊熔池中柱状晶形貌的方法，包括以下步骤：

步骤1：采用耦合元胞自动机-有限差分方法建立6xxx系铝合金的CA-FD模型并初始化模型参数，在CA-FD模型的计算区域中设置固相区域模拟熔池形貌；

步骤2：随着时间t的累加，温度场温度降低，通过解析法计算温度场随时间t的演化过程并储存温度数据；

步骤3：随着时间t的累加，柱状枝晶生长，通过热力学数据和CA-FD模型中的固相分数增加量公式计算固相分数增量，标记柱状枝晶的位置并储存固相位置数据；

步骤4：随着时间t的累加，固相中的溶质被排出到固液界面处，溶质被均匀分配到液相中，通过CA-FD模型中溶质扩散方程计算浓度场和溶质再分配，储存浓度数据，输出所述温度数据、固相位置数据和浓度数据；

步骤5：重复步骤2～步骤4，直到达到预设的迭代结束条件终止计算，得到焊熔池中6xxx系铝合金的柱状晶形貌。

进一步地，所述步骤2中温度场的计算方法为：

其中T为模拟区域的温度，T₀为初始温度，q为有效热功率，λ为热导率，v为焊接速度，a为导温系数，为当前点离热源中心的距离，x、y、z为当前点与热源中心的相对位置。

进一步地，所述步骤3中固相分数增加量Δf_α的计算公式为：

其中Δf_α为单个界面元胞的固相分数增加量，Δx是元胞尺寸，G是与相邻元胞状态有关的形状调节因子，Δt为一个时间步长，V_α为枝晶生长速度。

进一步地，所述与相邻元胞状态有关的形状调节因子G的计算公式为：