局部热条件对激光束焊接中凝固模式的影响：一项基于实验的相场研究

《Materials & Design》：Influence of local thermal conditions on solidification pattern in laser beam welding: An experimentally aided phase-field study

　　

穆罕默德·乌马尔|艾哈迈德·埃尔莫加齐|安德烈·古梅纽克|纳西姆·巴基尔|丹尼尔·施奈德|布里塔·内斯特勒|迈克尔·雷特迈尔|迈克尔·施密特

摘要

激光束焊接（LBW）中的凝固裂纹受焊池边界处的局部热条件控制，然而整个熔融区的亚微米级微观结构响应仍知之甚少。本研究采用自动化相场（PF）仿真工作流程，并将其集成到Kadi4Mat研究数据管理平台中，对四元合金EN 1.4301（Fe–Cr–Ni–C）的树枝晶凝固过程进行了系统的、符合FAIR标准的参数研究。热条件（包括温度梯度、凝固速度和晶粒取向角）是从经过热电偶验证的ANSYS Fluent焊池模型中提取的，并作为输入数据用于2D和3D PACE3D相场仿真。研究范围涵盖了温度梯度从100到900 K/mm、凝固速度从5到40 mm/s以及晶粒取向角从<...>到<...>的区间。关键研究结果表明，温度梯度是一个关键参数，与凝固速度和晶粒取向角一起，共同决定了从胞状结构到树枝晶结构的形态转变、次级树枝晶臂的形成以及枝晶间液体的分布（连续薄膜与孤立液滴），这些因素各自对应不同的凝固裂纹风险路径。Kadi4Mat工作流程显著减少了手动预处理的工作量，同时确保了数据的可重复性和重用性。通过电子探针显微分析的定量验证表明，对焊缝表面上方树枝晶臂间距的预测误差在12%以内，对中部区域的预测误差在4%以内。