Al-Cu合金焊接熔池凝固枝晶動態(tài)生長機制的相場研究.pdf

1、焊接熔池凝固組織演變過程中形成的晶粒尺寸和成分分布對焊縫的力學(xué)性能產(chǎn)生直接影響。然而熔池的凝固是一個高度非線性、各場耦合以及高溫動態(tài)演變的過程，很難通過傳統(tǒng)的實驗方法對其進行觀測，數(shù)值模擬成為研究熔池凝固的主要方法。目前焊接接頭組織演變的數(shù)值模擬研究多集中于形態(tài)學(xué)或者單一過程的枝晶演變方面，基于的假設(shè)條件過多而獲得的模擬結(jié)果失真，而關(guān)于動態(tài)條件下熔池凝固枝晶全過程生長定量的、機理性的研究未曾有過報道。所以本文基于定量計算機模擬技術(shù)相場(

2、PF)法對熔池凝固過程中線性生長不穩(wěn)定動力學(xué)、一次枝晶動態(tài)演變過程和二次枝晶動態(tài)生長動力學(xué)展開定量研究。
　　首先對穩(wěn)態(tài)條件下定向凝固的定量相場模型(Quantitative phase field Model)進行改進，將控制條件轉(zhuǎn)變?yōu)榕c多個變量相關(guān)的函數(shù)，使改進的PF模型能夠模擬各種非穩(wěn)態(tài)條件下的枝晶生長，大大拓展了其應(yīng)用范圍。設(shè)置合理的初始條件，摒棄預(yù)設(shè)種子點的常規(guī)做法，枝晶從聯(lián)生結(jié)晶開始生長，初始時刻過冷度為零，固液界面近

3、似為平面，保證了熔池凝固的整體性和枝晶生長的連續(xù)性即歷史相關(guān)性。此外，研究了熔池動態(tài)凝固邊界條件，建立了溫度梯度和推進速度的系列耦合方程組，其中包括了熔池形狀參數(shù)、焊接工藝參數(shù)、凝固時間和熔池位置等相關(guān)參量，通過計算機求解并耦合到PF模型中。
　　基于Warren-Longer理論，針對動態(tài)條件下線性不穩(wěn)定的動力學(xué)過程建立了解析模型，通過該模型可以預(yù)測凝固線性生長階段平面晶界面無限小擾動不穩(wěn)定的歷史演變過程，以及界面形態(tài)的運動規(guī)律

4、。運用解析計算、PF模擬和實驗三種方法研究了Al-Cu合金焊接熔池凝固過程中線性生長階段的枝晶生長。結(jié)果表明，通過解析計算獲得的界面失穩(wěn)的臨界時刻和臨界波長與PF模擬結(jié)果和實驗結(jié)果吻合良好。此外，研究了焊接工藝參數(shù)對熔池凝固線性生長結(jié)果如界面形狀、界面失穩(wěn)特征以及溶質(zhì)場分布的影響規(guī)律。
　　焊縫組織中的一次枝晶間距對接頭性能有重要影響，因此本文集中研究了熔池中一次枝晶的動態(tài)演變規(guī)律及影響枝晶間距的因素。枝晶生長從非線性生長階段開始

5、時便進入競爭生長時期，少數(shù)競爭存活的胞晶發(fā)展為一次枝晶。通過改變焊接工藝參數(shù)探索了焊接功率和焊接速度對 Al-Cu合金焊縫組織一次枝晶間距的影響。研究表明，一次枝晶間距與焊接功率和焊接速度分別成正相關(guān)和反相關(guān)的關(guān)系。分析了枝晶生長的歷史相關(guān)性對一次枝晶間距影響的一般規(guī)律。一次枝晶間距不但與推進速度、溫度梯度及其各自的動態(tài)變化過程等有關(guān)，而且與線性生長的結(jié)果如界面形態(tài)、失穩(wěn)間距以及形成的溶質(zhì)場分布等相關(guān)。
　　二次枝晶的生長相對于一

6、次枝晶來說尺度更小，產(chǎn)生頻率更高，尤其是在焊接熔池中，所以二次枝晶生長研究對PF模型的要求更高。本文首先對PF模型研究二次枝晶生長規(guī)律的可行性進行驗證，結(jié)果表明PF模型可以實現(xiàn)更小微觀尺度的二次枝晶生長動力學(xué)計算。然后利用該模擬過程研究了Al-Cu合金焊接熔池近熔合線區(qū)域二次枝晶生長動力學(xué)。值得指出的是，在熔池凝固的動態(tài)條件下，某一瞬時產(chǎn)生的二次枝晶間距要大于利用該瞬時的生長條件作為穩(wěn)態(tài)條件的定向凝固產(chǎn)生的二次枝晶間距，根據(jù)噪聲放大理論