中文摘要：

本项目基于相场法的基本原理，针对镍基合金钨极氩弧焊熔池的凝固过程，开发一种新型的焊接熔池凝固过程微观模拟的多元多场耦合方法。该方法能够揭示焊接熔池凝固过程中微观组织及应力演变机理的科学问题，并通过宏观场变量调控其分布特征与规律。项目将建立熔池凝固过程的温度场、溶质场、应力场和相场的数学模型及其多场耦合模型，阐明焊接熔池凝固过程晶粒形核、生长的机制及应力场演变规律；通过在控制方程组中引入扰动项表征焊接工艺和材料组分对微观组织和应力场分布规律的影响机制；研究微观溶质再分配及溶质偏析的形成机理，揭示宏观量对其影响规律；开发网格自适应与计算区域动态调整的耦合算法，提高计算能力、扩大可模拟的尺度。该方法为量化分析和有效调控动态凝固条件下的焊缝微观组织形态和应力分布规律、获得良好的接头性能、以及控制焊接微观缺陷奠定理论和技术基础。

结论摘要：

焊接熔池凝固组织演变过程中晶粒尺寸和成分分布，以及伴随产生的应力应变、气孔与裂纹等缺陷对焊缝力学性能都 会产生直接影响。然而熔池凝固是一个高度非线性、多场耦合以及高温瞬态演变的过程，很难通过传统的实验方法对其进行观测，而且目前关于焊接接头组织演变的数值模拟研究大都处于理论探索阶段，大部分研究集中于形态学或者假设条件过多而获得的模拟结果，关于瞬态条件下熔池凝固枝晶全过程生长定量的、机理性的研究工作未曾报道。所以本项目基于一种先进的、定量的计算机模拟技术—相场法对熔池凝固过程中各阶段各种形态的枝晶生长动力学展开定量研究。 本项目通过改进稳态条件下定向凝固的定量相场模型，将控制条件转变为与多个变量相关的函数，使改进的相场模型能够模拟各种非稳态条件下的枝晶生长，有效拓展了其应用范围；推导了熔池瞬态凝固边界条件，获得了温度梯度和推进速度的系列耦合方程组，其中包括了熔池形状参数、焊接工艺参数、凝固时间和熔池位置等相关参量，通过计算机求解并耦合到相场模型中；针对瞬态条件下线性不稳定的动力学过程建立了解析模型，通过该模型可以预测凝固线性生长阶段平面晶界面无限小扰动不稳定的历史演变过程，以及界面形态的运动规律；对焊接熔池凝固过程中线性生长阶段的枝晶生长运用解析计算、相场模拟和实验三种方法进行研究，获得的界面失稳的临界时刻和临界波长与相场模拟结果和实验结果吻合良好；焊接功率和焊接速度分别于一次枝晶间距成正相关和反相关的关系，一次枝晶间距不仅与推进速度、温度梯度及其各自的瞬态变化过程等有关，而且还与线性生长的结果如界面形态、失稳间距以及形成的溶质场分布等有关；研究了焊接熔池近熔合线区域二次枝晶生长动力学，在熔池凝固的瞬态条件下，某一瞬时产生的二次枝晶间距要大于利用该瞬时的生长条件作为稳态条件的定向凝固产生的二次枝晶间距，根据噪声放大理论，造成这种现象的根本原因是前者的尖端速率小于后者，使前者二次晶生长最初的扰动波群中波长大的被选择放大，造成二次枝晶的平均间距较大。 因此，焊接熔池凝固过程模拟技术在微观尺度上再现了熔池组织的演变过程，能够推动焊接熔池凝固理论的深入发展，进一步揭示熔池中枝晶生长的机制。另外，组织演变的研究对熔池微观应力演变过程的探讨、焊缝缺陷的产生机理以及控制焊缝微观组织形态以获得良好的接头性能奠定坚实的理论基础。