519.6:621.791.05+544.015.4 Исследование влияния смачиваемости и концентрации модифицирующих наночастиц на структуру шва при лазерной сварке алюминиевого сплава

Исаев В. И. (ИТПМ), Черепанов А. Н. (ИТПМ), Шапеев В. П. (ИТПМ/Новосибирский государственный университет)

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА, СПЛАВ АЛЮМИНИЯ, НАНОРАЗМЕРНЫЕ ТУГОПЛАВКИЕ ЧАСТИЦЫ, МОДИФИЦИРОВАНИЕ, СВАРОЧНЫЙ ШОВ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ


doi: 10.18698/2309-3684-2023-1-8191


Предложена самосогласованная термокинетическая модель кристаллизации бинарного сплава в сварочном шве, модифицированного наноразмерными инокуляторами, введенными в сварочную ванну при лазерной сварке. Сформулированная комплексная модель процесса сварки однородных металлов описывает теплофизические процессы формирования макроскопических параметров сварного шва, его структуру в зависимости от режимов сварки и свойств наномодифицирующих порошков (краевого угла смачиваемости, концентрации модифицирующей добавки). Она основана на теплофизической модели воздействия лазерного излучения на металл при лазерной сварке металлических пластин, дополненной неравновесной моделью гетерогенного зарождения и роста кристаллической фазы на введенных в сварочную ванну модифицирующих наночастицах в процессе остывания и кристаллизации расплава в сварочном шве. Применением метода коллокации и наименьших квадратов проведено численное моделирование сварки встык пластин из бинарного сплава алюминия. Приведены поле температуры в изделии в процессе сварки, форма поперечного сечения шва, совпадающая с формой поперечного сечения сварочной ванны, и количественные характеристики его кристаллической структуры, полученные в результате моделирования. Исследовано влияние краевого угла смачивания наночастиц расплавом и их массовой концентрации на характерный размер кристаллического зерна в сварочном шве.


Сабуров В.П., Еремин Е.Н., Черепанов А.Н., Миннеханов Г.Н. Модифицирование сталей и сплавов дисперсными инокуляторами. Омск, Изд-во ОмГТУ, 2002, 212 с.
Москвичев В.В., Крушенко Г.Г., Буров А.Е. и др. Нанопорошковые технологии в машиностроении. Красноярск, СФУ, 2013, 185 с.
Lazarova R., Gaydarova V., Manchev M., Manolov V., Petrov R.H., Davidkov A., Alexeev A. Microstructure and mechanical properties of P265GH cast steel after modification with TiCN particles. Materials and Design, 2011, vol. 32, iss. 5, pp. 2734–2741.
Седельников В., Полубояров В. Влияние нанопорошков на свойства вяжущих и литых заготовок. Saarbrucken, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014, 187 с.
Галевский Г.В., Руднева В.В., Юркова Е.К. Наноматериалы и нанотехнологии: оценки, тенденции, прогнозы. Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия, 2007, No 2, c. 73–76.
Троцан А.И., Бродецкий И.Л., Каверинский В.В. Модифицирование железо-углеродистых расплавов дисперсными порошками. Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing, 2012, 188 с.
Lazarova R., Bojanova N., Dimitrova R., Manolov V., Panov I. Influence of nanoparticles introducing in the melt of aluminum alloys on castings microstructure and properties. International Journal of Metalcasting, 2016, vol. 10. no. 4, pp. 466–476.
Полищук В.А. Математическое моделирование процессов сварки. Научно-методический электронный журнал «Концепт», 2014, т. 20, с. 356–360.
Голубев В.С. Анализ моделей динамики глубокого проплавления материалов лазерным излучением. Препринт No83 ИПЛИТ РАН, 1999, с. 199–220.
Kar A., Mazumder J. Mathematical modeling of key‐hole laser welding. Journal of Applied Physics, 1995, vol. 78, pp. 6353–6360.
Черепанов А.Н., Шапеев В.П. Численное исследование процесса сварки тонких металлических пластин. Вычислительные технологии, 2009, т. 14, No 3, с. 93–103.
Isaev V.I., Cherepanov A.N., Shapeev V.P. Numerical study of heat modes of laser welding of dissimilar metals with an intermediate insert. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, vol. 99, pp. 711–720.
Cherepanov A.N., Cherepanova V.K., Bublik V.V. Effect of nanodisperse powders on the spreading and crystallization of a metal drop on a porous substrate. Journal of Physics: Condensed Matter, 2022, vol. 34, no. 34, art. no. 344006.
Cherepanov A., Cherepanova V., Manolov V. Heterogeneous nucleation and growth of a solid in a nanomodified alloy. Journal of Crystal Growth, 2019, vol. 527, art. no. 125251.
Fletcher N.H. Size effect in heterogeneous nucleation. The Journal of Chemical Physics, 1958, vol. 29, iss. 3, pp. 572–576.
Tolman R.C. The effect of droplet size on surface tension. The Journal of Chemical Physics, 1949, vol. 17, iss. 3, pp. 333–337.
Christian J.W. The theory of transformations in metals and alloys. Pergamon Press, Oxford, 1981, 1200 p.
Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Москва, Атомиздат, 1968, 484 с.
Beletsky V.M., Krivov G.A. Aluminum alloys. Composition, properties, technology, application. Kiev, Cominteh, 2005, 365 p.
Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: справочник. Москва, Металлургия, 1989, 382 с.
Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др. Физические величины: справочник. Москва, Энергоатомиздат, 1991, 1231 c.


Исаев В.И., Черепанов А.Н., Шапеев В.П. Исследование влияния смачиваемости и концентрации модифицирующих наночастиц на структуру шва при лазерной сварке алюминиевого сплава. Математическое моделирование и численные методы, 2023, No 1, с. 81–91.


Работа поддержана грантом Российского научного фонда по проекту No 23-21-00499


Скачать статью

Количество скачиваний: 167