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        《哈爾濱工業大學》 2014年
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        Al-Cu合金焊接熔池凝固枝晶動態生長機制的相場研究

        鄭文健  
        【摘要】: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性能產生直接影響。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演變的過程,很難通過傳統的實驗方法對其進行觀測,數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值模擬研究多集中于形態學或者單一過程的枝晶演變方面,基于的假設條件過多而獲得的模擬結果失真,而關于動態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相場(PF)法對熔池凝固過程中線性生長不穩定動力學、一次枝晶動態演變過程和二次枝晶動態生長動力學展開定量研究。首先對穩態條件下定向凝固的定量相場模型(Quantitative phase field Model)進行改進,將控制條件轉變為與多個變量相關的函數,使改進的PF模型能夠模擬各種非穩態條件下的枝晶生長,大大拓展了其應用范圍。設置合理的初始條件,摒棄預設種子點的常規做法,枝晶從聯生結晶開始生長,初始時刻過冷度為零,固液界面近似為平面,保證了熔池凝固的整體性和枝晶生長的連續性即歷史相關性。此外,研究了熔池動態凝固邊界條件,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、焊接工藝參數、凝固時間和熔池位置等相關參量,通過計算機求解并耦合到PF模型中。基于Warren-Longer理論,針對動態條件下線性不穩定的動力學過程建立了解析模型,通過該模型可以預測凝固線性生長階段平面晶界面無限小擾動不穩定的歷史演變過程,以及界面形態的運動規律。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。結果表明,通過解析計算獲得的界面失穩的臨界時刻和臨界波長與PF模擬結果和實驗結果吻合良好。此外,研究了焊接工藝參數對熔池凝固線性生長結果如界面形狀、界面失穩特征以及溶質場分布的影響規律。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演變規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時便進入競爭生長時期,少數競爭存活的胞晶發展為一次枝晶。通過改變焊接工藝參數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和反相關的關系。分析了枝晶生長的歷史相關性對一次枝晶間距影響的一般規律。一次枝晶間距不但與推進速度、溫度梯度及其各自的動態變化過程等有關,而且與線性生長的結果如界面形態、失穩間距以及形成的溶質場分布等相關。二次枝晶的生長相對于一次枝晶來說尺度更小,產生頻率更高,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律的可行性進行驗證,結果表明PF模型可以實現更小微觀尺度的二次枝晶生長動力學計算。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域二次枝晶生長動力學。值得指出的是,在熔池凝固的動態條件下,某一瞬時產生的二次枝晶間距要大于利用該瞬時的生長條件作為穩態條件的定向凝固產生的二次枝晶間距,根據噪聲放大理論,造成這種現象的根本原因是前者的尖端速率小于后者,使前者二次枝晶生長最初的擾動波群中波長大的被選擇放大,造成二次枝晶的平均間距較大。通過本文所建立的焊接熔池凝固的相場模型實現了Al-Cu合金熔池全過程凝固過程中各種形態枝晶的動態生長機制的定量研究,豐富了焊接熔池凝固理論,為熔池凝固微觀應力的演變、焊接缺陷的產生機理的研究以及對實際焊接工程指導奠定基礎。
        【學位授予單位】:哈爾濱工業大學
        【學位級別】:博士
        【學位授予年份】:2014
        【分類號】:TG44

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