气孔是铝合金激光焊接过程中最常见的缺陷之一。气孔不仅会减小焊缝的有效承载面积,造成应力集中,而且会降低焊缝的强度、韧性、疲劳性能,甚至会成为裂纹源而导致焊缝开裂。为了探索焊接过程中气孔的形成演变机理并动态地再现熔池凝固过程中组织和气孔的竞争生长,数值模拟方法成为一种重要的分析手段。本文采用元胞自动机方法,在凝固过程枝晶生长动力学的基础上,研究气孔形成与演变机理,构建了三维焊接熔池凝固过程枝晶生长与气孔演变耦合模型,实现了铝铜合金激光焊接熔池凝固过程三维枝晶生长与气孔演变的耦合模拟。首先,本文进行了铝铜合金激光焊接实验,通过对比焊后工件的外形及熔透性,设计了合理的焊接工艺。通过热电偶测温、金相观察等实验手段,完成了硬度测试和抗拉性能测试,获取了焊接过程温度场、气孔率与气孔分布。随后,运用元胞自动机方法,构建了三维焊接熔池凝固过程枝晶生长模型。模型充分考虑了三维系统枝晶尖端的溶质守恒,并引入了与枝晶尖端生长速度相关的动力学过冷度,反映了焊接熔池凝固结晶过程的物理本质。提出了“随机取向角度”规则,用于模拟二维与三维系统中不同择优取向的枝晶生长,完善了元胞自动机中的取向演变法则。运用所建立的模型对铝铜合金激光焊接凝固过程进行了求解计算,模拟了焊接熔池中心等轴晶与熔池边缘柱状晶的生长过程,再现了焊接熔池凝固过程中的枝晶形态演变特征和溶质浓度分布特点。进一步针对不同形核数量与不同择优取向的柱状晶之间的竞争生长进行了模拟分析,研究了初始过冷度、冷却速度对枝晶生长过程的影响。结果表明,增大初始过冷度会明显增加枝晶生长速度,而在较大的初始过冷度下结晶形态不会随过冷度的变化而变化。当无过冷度条件下,结晶形态会随冷却速度的增大而从胞状晶向胞状树枝晶、树枝晶转变。枝晶在其生长择优取向与最大温度梯度方向相一致的条件下才有可能持续生长,竞争生长过程不仅发生在不同取向的柱状晶之间,也发生在相同取向的柱状晶之间。将气孔演变几何参数拓展到三维系统,基于西韦茨定律和理想气体状态方程,构建了三维气孔形核与演变模型。在已建立的三维枝晶生长模型的基础上,进一步构建了三维焊接熔池凝固过程枝晶生长与气孔演变耦合模型。通过程序设计和求解,完成了凝固过程三维等轴晶与气孔、柱状晶与气孔耦合模拟,获得了凝固过程中枝晶形态与气孔形态演变。进一步分析了溶质浓度分布与氢浓度分布规律,随着枝晶的形核与生长,固/液界面前沿排出的溶质及氢影响了模拟区域内溶质场和氢浓度场分布,导致等轴晶附近的溶质浓度和氢浓度升高。当液相中的氢浓度升高直至达到气孔形核条件时,气孔开始形核与生长并吸收一定的氢,模拟区域中的氢浓度在一定程度上满足动态平衡。同时,研究了初始氢浓度与冷却速度对枝晶生长和气孔演变耦合模拟结果的影响,并基于不同的柱状晶形核情况和择优生长情况,对熔池内多柱状晶与气孔耦合演变过程进行了模拟。结果表明,气孔形核不仅发生在相邻的柱状晶之间,也发生在柱状晶生长前沿。气孔受到枝晶生长的影响较大,同时气孔的存在也会阻碍枝晶的生长。初始氢浓度越大,气孔越容易形核与长大。将获得的实验结果同模拟结果进行了对比,结果表明,在枝晶生长与气孔演变耦合模拟中,随着冷却速度的增加,气孔形核数量增加,平均气孔尺寸下降,气孔率下降。模拟结果与实验结果吻合良好。