多元合金高温熔池固-液界面热扩散行为

The welding process is usually subjected to a continuous heating and cooling cycle with inherent complexities, such as large material property variation, phase transformation and complex boundary condition, combined with heat and mass transfer coupling..Under thermal cycling condition, thermal diffusion characteristic of multi-element on solid-liquid interface at high temperature is studied to carry out heat and mass transmission where the multi-field drive force and phase transformation of alloy is coupled. The key problems of the application will be solved "heat and mass transfer mechanism of multi-alloy with multi-field drive force at high temperature molten pool"..Considering the Marangoni effect, the heat transfer mathematical model filling layer by layer in molten pool is established to study the flow behavior and the evolution of the molten pool for welding process and to get the movement rule of the solid-liquid interface..Single element and alloy diffusion melting layer thickness, and distribution of the element content will be achieved by experimental research on preparing solid-liquid free diffusion couple under different conditions. .The heat diffusion coefficient of multiple-alloy elements and the coupling parameters can be calculated by using correlation coefficient method. The dominant factor of the heat diffusion in molten pool and phase transformation rule will be found out..This study would be provided important theoretical support for improving the diffusion quality of the weld fusion zone. The semi-empirical formula attained in the research will be used to predict the element components of the heat affected zone (HAZ) and the molten pool.

焊接过程是一个复杂的、非平衡的、强非线性的耦合热质传递过程，具有快速连续加热冷却的特点。对热循环条件下固-液界面多元素高温热扩散及耦合作用特性的研究是以揭示多场耦合驱动的能质传输与合金物相转化为目标，本申请将围绕"多元合金高温熔池多场耦合热质传输机制"这一关键科学问题，建立考虑Marangoni效应的逐层填充熔池传热数学模型，研究熔池内金属熔体的流动行为和熔池的演变规律，获得固-液界面的移动规律。通过制备固-液自由扩散偶研究不同熔池条件下单一元素的扩散-溶解层的厚度、生长规律与元素含量；实验研究固-液界面多元素高温热扩散耦合行为，使用关联系数法解析多元合金元素热扩散的耦合作用表征参数，揭示熔池金属元素热扩散的主导因素，开展高温熔池固-液界面能质传输与合金物相转化规律、热循环条件下高温熔池的溶质扩散规律等方面的研究，为焊缝与熔合区的品质调控、成分预测和工艺优化提供重要的理论支撑。

焊接过程是一个复杂的、非平衡的、强非线性的耦合热质传递过程，具有快速连续加热冷却的特点。对热循环条件下固-液界面多元素高温热扩散及耦合作用特性的研究以揭示多场耦合驱动的能质传输与合金物相转化为目标。本课题围绕"多元合金高温熔池多场耦合热质传输机制"这一关键科学问题，完成了以下工作：使用Fluent建立了考虑浮力、Marongoni力和洛伦兹力的逐层填充熔池传热数学模型，分析发现洛伦兹力和Marongoni力是影响熔池传热传质的最主要因素；在定量分析熔池受力与熔敷金属材料参量的关系后发现，焊接材料表面张力对熔池形状影响最为显著；为描述熔池金属的混合情况提出熔合比的概念，采用VOF模型模拟了焊接过程中焊缝区域内各区域熔合比的变化，结果表明焊接方式和焊炬摆动形式对元素扩散和元素的最终分布形式有很大影响，当焊炬无摆动时，熔池元素在熔池内分布不均，但焊缝中心区域S、P、Si等有害元素含量较少；当焊炬摆动时，熔池元素分布均匀，S、P、Si等有害元素在熔池中心有一定的分布；使用有限元软件ANSYS中的APDL语言进行编程，采用单元生死技术逐层激活单元，并且对其施加热生成率，模拟高强度管线钢中的多层多道焊过程，结果表明，随着焊接热输入的增加，熔深和熔宽在不断增加，但增加的幅度在不断减少；采用焊接温度热循环曲线，避免使用平均冷却速度计算固态相变时间计算晶粒尺寸，提高了焊接接头组织预测的准确性；通过扩散实验获得了Al-Fe二元合金固-固扩散层生长规律，固-液界面扩散层溶解层生长规律以及Al的扩散浓度分布，得到了固-液扩散溶解层生长动力学模型。这些研究为焊缝与熔合区的品质调控、成分预测和工艺优化提供重要的理论支撑。第一作者和通讯作者在International Journal of Heat and Mass Transfer等国际期刊发表3篇SCI检索文章，在《材料导报》、《工程热物理学报》等国内期刊发表4篇文章，参加第十五届国际传热大会并口头报告（2篇），获得省部级科技进步一等奖1项，申请发明专利2项、授权1项，获得软件著作权1项。