多流场作用下焊接熔池中枝晶生长规律的研究

焊缝的微观组织对焊接接头的性能有着重要影响。焊接熔池温度高、对流运动剧烈等特点导致实时观察和检测焊接接头微观组织演变过程难以实现。本研究采用有限差分和元胞自动机相结合的技术，将一体化焊接电弧-熔池模型与改进的ZS模型相耦合，对焊接熔池内多种流场作用下的枝晶生长和微观偏析形成规律进行模拟研究，揭示熔池中四种驱动力- - 浮力、电磁力、表面张力和气体剪切力对焊缝枝晶生长的影响，最终建立氩弧下熔池中活性元素氧含量和焊接工艺参数（焊接速度、焊接电流和电弧长度）与焊缝凝固组织之间的定量关系。本研究的实施对于提出焊缝凝固组织控制工艺参数、推广焊接新工艺在工业中的应用具有重要意义。

液态熔池中金属液的对流是焊缝凝固过程中一个不可避免的现象，在焊接过程中，熔池内存在着由电弧力（气体剪切力）、电磁力、浮力和表面张力等多种驱动力引起的复杂对流运动，熔池中高速运动的金属液通过影响传热传质过程而对枝晶生长产生重要影响，进而影响焊缝凝固组织形貌和焊接接头性能。由于熔池尺寸小、温度高、焊接过程受弧光的干扰，导致实验观察焊接过程中液态熔池内对流运动和微观组织演化过程相当困难，采用计算机数值模拟技术日益受到关注。本课题将焊接电弧/熔池一体化模型与元胞自动机（CA）模型相耦合，建立了宏微观耦合模型，探讨了熔池中外延形核规律，研究了四种驱动力单独或共同作用时枝晶生长规律，分析了氩弧下活性元素氧含量和焊接工艺参数对熔池中枝晶生长的影响。主要结论如下：（1）建立的宏微观耦合模型考虑了熔池凝固过程中随机取向枝晶竞争生长（外延形核），使得该模型更加接近实际焊接过程。（2）凝固条件（最大温度梯度方向）对枝晶竞争生长具有选择作用，柱状晶形貌取决于不同枝晶簇之间的竞争过程。（3）母材晶粒尺寸和焊接工艺参数改变了枝晶竞争生长的外部条件，影响了熔池内凝固组织形貌。（4）揭示了熔池内四种驱动力引起的对流模式对枝晶生长的影响和相对重要性；四种驱动力中，表面张力引起的对流运动强度最强，决定了焊缝最终形貌和枝晶生长方向。（5）通过控制氧含量和焊接工艺参数来改变熔池中Marangoni对流方向（由外向变为内向），促进阳极斑点热向熔池底部传递，改变了熔池形貌和枝晶生长方向，获得了焊接工艺参数、活性元素氧含量和枝晶形貌的定量关系。