Page 187 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第五章 焊接与热处理工艺仿真技术

五、扩散焊与电子束焊的多尺度建模

（一）扩散焊的多尺度建模
分子动力学建模：可用于探究扩散焊界面原子的扩散行为。例如，构建
Fe（100）/W（100）界面结构模型，运用分子动力学方法模拟 1123~1323K 时 Fe/W

界面处原子扩散，能够观测到原子扩散状况，算出扩散系数，得出 Fe/W 界面呈
现显著的非对称扩散现象等结论，为扩散连接界面组织调控提供理论支撑。

宏微观结合建模：可把分子动力学和经典扩散理论相融合来预测扩散层厚度。
有研究提出一种分层多尺度办法，借助分子动力学模型考量横向超声振动对扩散
层演化的影响，将超声振动在原子层面的作用假定为提供界面热能和原子的机械
运动，对不同超声速度下的扩散率进行数值积分，进而计算出焊接界面扩散层厚
度，结果显示温度、压力和超声速度会对扩散层厚度产生影响。

基于微观组织的有限元建模：通过微观组织图开展二维建模，并依托
COMSOL Multiphysics 软件进行数值模拟，能够分析扩散焊中间层宽度以及组织
中粗大 Si 相对梯度高硅铝合金热应力的影响。建模时需依据一些基本假设，如

假定材料性能各向同性、不考虑组织随温度变化等，以简化模型。
（二）电子束焊的多尺度建模
能量分布建模：依据热过程理论，考虑被焊接材料特性以及电子束焊接工艺
技术参数，构建数学模型，可模拟电子束引入时的能量分布。利用 MATLAB 软
件对模型进行仿真，能得到不同材料在不同厚度下的温度分布图，有助于优化焊

接工艺，获取更稳定的焊缝质量，减少根部缺陷。
熔池动力学建模：为真实重现电子束焊接过程中瞬态小孔熔池的动力学演变
过程，可采用基于二次电子吸收修正电子束功率密度，基于电子束传输路径确定

能量加载位置的方式，构建电子束焊仿真模型。通过求解包含质量方程、动量方
程和能量方程的控制方程组，获取焊件温度场和熔池流动场，再应用界面捕获算
法追踪熔池实时形貌，从而预测焊缝的形貌及尺寸。
神经网络建模：以钛合金电子束焊为例，可通过设计正交试验，得到不同焊
接参数下的熔宽和熔深值，将其作为训练样本对神经网络进行训练，构建以熔宽

为输入、熔深为输出的 BP 神经网络模型。结合模糊控制器，可构建电子束焊熔
深控制系统模型，该模型具备良好的动态性能和稳态性能。

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