Al-Cu合金焊接熔池凝固枝晶動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)機(jī)制的相場(chǎng)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(duì)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(gè)高度非線性、各場(chǎng)耦合以及高溫動(dòng)態(tài)演變的過程，很難通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，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(dòng)態(tài)條件下熔池凝固枝晶全過程生長(zhǎng)定量的、機(jī)理性的研究未曾有過報(bào)道。所以本文基于定量計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)相場(chǎng)(

2、PF)法對(duì)熔池凝固過程中線性生長(zhǎng)不穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)、一次枝晶動(dòng)態(tài)演變過程和二次枝晶動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)展開定量研究。
　　首先對(duì)穩(wěn)態(tài)條件下定向凝固的定量相場(chǎng)模型(Quantitative phase field Model)進(jìn)行改進(jìn)，將控制條件轉(zhuǎn)變?yōu)榕c多個(gè)變量相關(guān)的函數(shù)，使改進(jìn)的PF模型能夠模擬各種非穩(wěn)態(tài)條件下的枝晶生長(zhǎng)，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(diǎn)的常規(guī)做法，枝晶從聯(lián)生結(jié)晶開始生長(zhǎng)，初始時(shí)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(zhǎng)的連續(xù)性即歷史相關(guān)性。此外，研究了熔池動(dòng)態(tài)凝固邊界條件，建立了溫度梯度和推進(jìn)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(shí)間和熔池位置等相關(guān)參量，通過計(jì)算機(jī)求解并耦合到PF模型中。
　　基于Warren-Longer理論，針對(duì)動(dòng)態(tài)條件下線性不穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)過程建立了解析模型，通過該模型可以預(yù)測(cè)凝固線性生長(zhǎng)階段平面晶界面無(wú)限小擾動(dòng)不穩(wěn)定的歷史演變過程，以及界面形態(tài)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

4、。運(yùn)用解析計(jì)算、PF模擬和實(shí)驗(yàn)三種方法研究了Al-Cu合金焊接熔池凝固過程中線性生長(zhǎng)階段的枝晶生長(zhǎng)。結(jié)果表明，通過解析計(jì)算獲得的界面失穩(wěn)的臨界時(shí)刻和臨界波長(zhǎng)與PF模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。此外，研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)熔池凝固線性生長(zhǎng)結(jié)果如界面形狀、界面失穩(wěn)特征以及溶質(zhì)場(chǎng)分布的影響規(guī)律。
　　焊縫組織中的一次枝晶間距對(duì)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(dòng)態(tài)演變規(guī)律及影響枝晶間距的因素。枝晶生長(zhǎng)從非線性生長(zhǎng)階段開始

5、時(shí)便進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)時(shí)期，少數(shù)競(jìng)爭(zhēng)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(duì) 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(zhǎng)的歷史相關(guān)性對(duì)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(jìn)速度、溫度梯度及其各自的動(dòng)態(tài)變化過程等有關(guān)，而且與線性生長(zhǎng)的結(jié)果如界面形態(tài)、失穩(wěn)間距以及形成的溶質(zhì)場(chǎng)分布等相關(guān)。
　　二次枝晶的生長(zhǎng)相對(duì)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(zhǎng)研究對(duì)PF模型的要求更高。本文首先對(duì)PF模型研究二次枝晶生長(zhǎng)規(guī)律的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明PF模型可以實(shí)現(xiàn)更小微觀尺度的二次枝晶生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)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(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。值得指出的是，在熔池凝固的動(dòng)態(tài)條件下，某一瞬時(shí)產(chǎn)生的二次枝晶間距要大于利用該瞬時(shí)的生長(zhǎng)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