熔池的案例
手弧焊如何控制熔池的溫度？
在焊接實習教學中，學生在焊條電弧焊實習操作時，經常出現(xiàn)焊瘤、燒穿、未焊透，內凹、夾渣，成形不良等缺陷，分析產生這些缺陷的原因，主要是學生在焊接操作過程中，不善于觀察熔池溫度的變化，沒有有效地控制熔池的溫度而產生上述缺陷。
熔池溫度，直接影響焊接質量，熔池溫度高、熔池較大、鐵水流動性好，易于熔合，但過高時，鐵水易下淌，單面焊雙面成形的背面易燒穿，形成焊瘤，成形也難控制，且接頭塑性下降，彎曲易開裂。熔池溫度低時，熔池較小，鐵水較暗，流動性差，易產生未焊透，未熔合，夾渣等缺陷。
熔池溫度與焊接電流、焊條直徑、焊條角度、電弧燃燒時間等有著密切關系，針對有關因素采取以下措施來控制熔池溫度。
1.焊接電流與焊條直徑：根據(jù)焊縫空間位置、焊接層次來選用焊接電流和焊條直徑，開焊時，選用的焊接電流和焊條直徑較大，立、橫仰位較小。
如12mm平板對接平焊的封底層選用φ3.2mm的焊條，焊接電流：80-85A，填充，蓋面層選用φ4.0mm的焊條。焊接電流：165-175A，合理選擇焊接電流與焊條直徑，易于控制熔池溫度，是焊縫成形的基礎。
2.運條方法：圓圈形運條熔池溫度高于月牙形運條溫度，月牙形運條溫度又高于鋸齒形運條的熔池溫度，在12mm平焊封底層，采用鋸齒形運條，并且用擺動的幅度和在坡口兩側的停頓，有效的控制了熔池溫度，使熔孔大小基本一致，坡口根部未形成焊瘤和燒穿的機率有所下降，未焊透有所改善，使乎板對接平焊的單面焊接雙面成形不再是難點。
展開 增材案例，基于自定義材料參數(shù)調試的熔池尺寸分析
圖1 自定義材料參數(shù)調試流程
第一步：用戶需按格式要求提前準備好如下文件：
1）熔池實驗測量結果文件，按要求進行不同激光功率、掃描速度組合下的成形實驗，完成后測量熔池寬度和深度；
2）計算輸入的初始材料參數(shù)文件，包含初始的吸收系數(shù)因子、穿透深度因子等；
3）材料隨溫度變化的熱物性參數(shù)文件，包括熱傳導系數(shù)、比熱容、密度等；
第二步：導入材料調優(yōu)器進行計算，并得到熔池特征寬度文件和用于計算吸收系數(shù)和穿透深度的調優(yōu)數(shù)據(jù)文件；
第三步：基于調優(yōu)數(shù)據(jù)文件，線性擬合，得到新的激光吸收系數(shù)因子及穿透系數(shù)因子；
第四步：形成自定義材料需要輸入的材料參數(shù)計算輸入文件、材料屬性參數(shù)文件、熔池特征寬度文件，并上傳到軟件材料庫中，完成自定義材料輸入。
基于自定義材料參數(shù)調試的熔池尺寸計算
基于自定義材料參數(shù)調試的流程，對某材料進行了自定義輸入，進行了材料熔池尺寸計算，并與實驗結果進行對比，具體如下：
1）自定義某材料
圖2 自定義材料輸入
2）熔池尺寸計算
基于激光功率、掃描速率、層厚等工藝參數(shù)輸入，進行單道掃描熔池尺寸計算，下表中為H13仿真時輸入的工藝參數(shù)。
3）仿真與實驗測量結果對比
將仿真計算結果（不含調試時已使用的數(shù)據(jù)）與實驗熔池尺寸測量結果進行對比，仿真與實驗測量在趨勢一致，數(shù)值偏差在10%之內。H13材料預熱600℃的仿真結果如下圖所示。
此外，針對400℃的預熱情況也進行了仿真結果對比，數(shù)值偏差也在10%之內。針對高溫材料，目前自定義材料參數(shù)調試功能也能較好地支持，針對某高溫材料，仿真偏差可控制在15%之內。
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基于自定義材料參數(shù)調試的熔池尺寸計算
基于自定義材料參數(shù)調試的流程，對某材料進行了自定義輸入，進行了材料熔池尺寸計算，并與實驗結果進行對比，具體如下：
1）自定義某材料
圖2 自定義材料輸入
2）熔池尺寸計算
基于激光功率、掃描速率、層厚等工藝參數(shù)輸入，進行單道掃描熔池尺寸計算，下表中為H13仿真時輸入的工藝參數(shù)。
3）仿真與實驗測量結果對比
將仿真計算結果（不含調試時已使用的數(shù)據(jù)）與實驗熔池尺寸測量結果進行對比，仿真與實驗測量在趨勢一致，數(shù)值偏差在10%之內。
增材專欄 l 選區(qū)激光熔化SLM金屬3D打印的熔池及單道熔覆層仿真分析
圖4：激光功率對熔池及單道熔覆層的影響，來源安世亞太
僅針對圖4所分析工況可以看出：
（1）隨激光功率的增加，打印熔池變寬且加長；
（2）隨激光功率增加，熔池的熔深也增加，熔深的增加增大了上一層打印層（或基板）的重熔區(qū)，最終使得兩層之間孔隙減少。
激光掃描速度的影響分析
本文在其他制備參數(shù)一致的條件下對比了不同激光掃描速度下熔池及單道熔覆層的形態(tài)，某工況下的對比結果見圖5。
圖5：激光掃描速度對熔池及單道熔覆層的影響，來源安世亞太
僅針對圖5所分析工況可以看出：
（1）隨激光掃描速度的增加，打印熔池變窄且加長；
（2）相應工況下隨激光掃描速度的增加，熔池由連續(xù)逐漸變得不連續(xù)且出現(xiàn)明顯的球化，球化的出現(xiàn)使得熔覆層表面變得不平整；
（3）隨激光掃描速度的增加，熔池的熔深減小，熔深的減小使得上一層打印層（或基板）的重熔區(qū)變薄，最終使得兩層之間孔隙增加。
鋪粉層厚的影響分析
本文在其他制備參數(shù)一致的條件下對比了不同鋪粉層厚下熔池及單道熔覆層的形態(tài)，某工況下的對比結果見圖6。
圖6：鋪粉層厚對熔池及單道熔覆層的影響，來源安世亞太
僅針對圖6所分析工況可以看出：
（1）隨鋪粉層厚的增加，打印熔池稍有變窄及加長；
（2）在相應工況下，隨鋪粉層厚的增加，熔池由連續(xù)逐漸變得不連續(xù)出現(xiàn)明顯的球化，球化的出現(xiàn)使得熔覆層表面變得不平整；
（3）隨鋪粉層厚的增加，使得上一層打印層（或基板）的重熔區(qū)變薄，最終使得兩層之間孔隙增加。
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增材專欄 l 選區(qū)激光熔化SLM金屬3D打印的熔池及單道熔覆層仿真分析
圖4：激光功率對熔池及單道熔覆層的影響，來源安世亞太
僅針對圖4所分析工況可以看出：
（1）隨激光功率的增加，打印熔池變寬且加長；
（2）隨激光功率增加，熔池的熔深也增加，熔深的增加增大了上一層打印層（或基板）的重熔區(qū)，最終使得兩層之間孔隙減少。
激光掃描速度的影響分析
本文在其他制備參數(shù)一致的條件下對比了不同激光掃描速度下熔池及單道熔覆層的形態(tài)，某工況下的對比結果見圖5。
圖5：激光掃描速度對熔池及單道熔覆層的影響，來源安世亞太
僅針對圖5所分析工況可以看出：
（1）隨激光掃描速度的增加，打印熔池變窄且加長；
（2）相應工況下隨激光掃描速度的增加，熔池由連續(xù)逐漸變得不連續(xù)且出現(xiàn)明顯的球化，球化的出現(xiàn)使得熔覆層表面變得不平整；
（3）隨激光掃描速度的增加，熔池的熔深減小，熔深的減小使得上一層打印層（或基板）的重熔區(qū)變薄，最終使得兩層之間孔隙增加。
鋪粉層厚的影響分析
本文在其他制備參數(shù)一致的條件下對比了不同鋪粉層厚下熔池及單道熔覆層的形態(tài)，某工況下的對比結果見圖6。
圖6：鋪粉層厚對熔池及單道熔覆層的影響，來源安世亞太
僅針對圖6所分析工況可以看出：
（1）隨鋪粉層厚的增加，打印熔池稍有變窄及加長；
（2）在相應工況下，隨鋪粉層厚的增加，熔池由連續(xù)逐漸變得不連續(xù)出現(xiàn)明顯的球化，球化的出現(xiàn)使得熔覆層表面變得不平整；
（3）隨鋪粉層厚的增加，使得上一層打印層（或基板）的重熔區(qū)變薄，最終使得兩層之間孔隙增加。
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圖1 自定義材料參數(shù)調試流程
第一步：用戶需按格式要求提前準備好如下文件：
1）熔池實驗測量結果文件，按要求進行不同激光功率、掃描速度組合下的成形實驗，完成后測量熔池寬度和深度；
2）計算輸入的初始材料參數(shù)文件，包含初始的吸收系數(shù)因子、穿透深度因子等；
3）材料隨溫度變化的熱物性參數(shù)文件，包括熱傳導系數(shù)、比熱容、密度等；
第二步：導入材料調優(yōu)器進行計算，并得到熔池特征寬度文件和用于計算吸收系數(shù)和穿透深度的調優(yōu)數(shù)據(jù)文件；
第三步：基于調優(yōu)數(shù)據(jù)文件，線性擬合，得到新的激光吸收系數(shù)因子及穿透系數(shù)因子；
第四步：形成自定義材料需要輸入的材料參數(shù)計算輸入文件、材料屬性參數(shù)文件、熔池特征寬度文件，并上傳到軟件材料庫中，完成自定義材料輸入。
基于自定義材料參數(shù)調試的熔池尺寸計算
基于自定義材料參數(shù)調試的流程，對某材料進行了自定義輸入，進行了材料熔池尺寸計算，并與實驗結果進行對比，具體如下：
1）自定義某材料
圖2 自定義材料輸入
2）熔池尺寸計算
基于激光功率、掃描速率、層厚等工藝參數(shù)輸入，進行單道掃描熔池尺寸計算，下表中為H13仿真時輸入的工藝參數(shù)。
3）仿真與實驗測量結果對比
將仿真計算結果（不含調試時已使用的數(shù)據(jù)）與實驗熔池尺寸測量結果進行對比，仿真與實驗測量在趨勢一致，數(shù)值偏差在10%之內。
展開 李應紅院士|渦輪葉片高能束增材再制造修復技術：理論、工藝、熔池、組織、缺陷及性能
在極高的表面溫度梯度條件下，馬蘭戈尼流是主要的對流模式，驅動流體由熔池溫度最高的中心位置向四周流動。
熔池流場有利于促進傳熱傳質，進而改變熔池形狀以及凝固前沿界面的溫度梯度。根據(jù)經典的Rosenthal傳熱模型，快速移動熔池的溫度場呈“淚滴”狀分布，熔池底部區(qū)域等溫線密集，溫度梯度最大。但在馬蘭戈尼效應作用下，熔池表面的大量熱量將隨對流傳至底部，顯著降低熔池底部的溫度梯度[28]。此外，課題組在研究DED-L單晶搭接修復時發(fā)現(xiàn)，搭接效應導致熔池傾斜，熔體在重力作用下的流動削弱了豎向溫度梯度，促進雜晶形成[94]。
另一方面，熔體流動可能會造成枝晶破碎和元素偏析，增加枝晶尖端附近液相的形核密度。Acharya等[82]針對SLE單晶增材修復開展“溫度場-流場-凝固組織”關聯(lián)研究，結果表明：熔池內部“渦結構”(見圖 16(a))對流能打破枝晶生長，破碎的枝晶充當形核核子，促進雜晶形成。此外，在具有超高溫度梯度、超快冷卻速率和超小尺寸等特性的PBF熔池內部，劇烈的熱毛細對流導致凝固生長界面震蕩失穩(wěn)，形成獨特的亞晶粒胞狀/帶狀結構。相比PBF熔池，DED熔池的表面溫度梯度較低，熔體對流現(xiàn)象相對緩和。這種流場條件雖然不太可能造成枝晶破碎，但卻致使枝晶生長偏離初始方向[53]，形成小角度晶界(見圖 16(b))。有研究表明[95-96]，給熔池施加適當方向的外部電磁場，可以削弱熔體流動、提高外延生長趨勢。
圖 16 熔池流場
Fig. 16 Fluid field inside melt pool
3.3 熔池監(jiān)控
在單晶高能束修復過程中，由于持續(xù)熱輸入引起的熔池溫度變化不可避免。此外，熱源功率衰減、送粉/鋪粉不均勻和熔化道擾動等異常情況也會造成熔池擾動。
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圖4：激光功率對熔池及單道熔覆層的影響，來源安世亞太
僅針對圖4所分析工況可以看出：
（1）隨激光功率的增加，打印熔池變寬且加長；
（2）隨激光功率增加，熔池的熔深也增加，熔深的增加增大了上一層打印層（或基板）的重熔區(qū)，最終使得兩層之間孔隙減少。
激光掃描速度的影響分析
本文在其他制備參數(shù)一致的條件下對比了不同激光掃描速度下熔池及單道熔覆層的形態(tài)，某工況下的對比結果見圖5。
圖5：激光掃描速度對熔池及單道熔覆層的影響，來源安世亞太
僅針對圖5所分析工況可以看出：
（1）隨激光掃描速度的增加，打印熔池變窄且加長；
（2）相應工況下隨激光掃描速度的增加，熔池由連續(xù)逐漸變得不連續(xù)且出現(xiàn)明顯的球化，球化的出現(xiàn)使得熔覆層表面變得不平整；
（3）隨激光掃描速度的增加，熔池的熔深減小，熔深的減小使得上一層打印層（或基板）的重熔區(qū)變薄，最終使得兩層之間孔隙增加。
鋪粉層厚的影響分析
本文在其他制備參數(shù)一致的條件下對比了不同鋪粉層厚下熔池及單道熔覆層的形態(tài)，某工況下的對比結果見圖6。
圖6：鋪粉層厚對熔池及單道熔覆層的影響，來源安世亞太
僅針對圖6所分析工況可以看出：
（1）隨鋪粉層厚的增加，打印熔池稍有變窄及加長；
（2）在相應工況下，隨鋪粉層厚的增加，熔池由連續(xù)逐漸變得不連續(xù)出現(xiàn)明顯的球化，球化的出現(xiàn)使得熔覆層表面變得不平整；
（3）隨鋪粉層厚的增加，使得上一層打印層（或基板）的重熔區(qū)變薄，最終使得兩層之間孔隙增加。
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圖1 自定義材料參數(shù)調試流程
第一步：用戶需按格式要求提前準備好如下文件：
1）熔池實驗測量結果文件，按要求進行不同激光功率、掃描速度組合下的成形實驗，完成后測量熔池寬度和深度；
2）計算輸入的初始材料參數(shù)文件，包含初始的吸收系數(shù)因子、穿透深度因子等；
3）材料隨溫度變化的熱物性參數(shù)文件，包括熱傳導系數(shù)、比熱容、密度等；
第二步：導入材料調優(yōu)器進行計算，并得到熔池特征寬度文件和用于計算吸收系數(shù)和穿透深度的調優(yōu)數(shù)據(jù)文件；
第三步：基于調優(yōu)數(shù)據(jù)文件，線性擬合，得到新的激光吸收系數(shù)因子及穿透系數(shù)因子；
第四步：形成自定義材料需要輸入的材料參數(shù)計算輸入文件、材料屬性參數(shù)文件、熔池特征寬度文件，并上傳到軟件材料庫中，完成自定義材料輸入。
基于自定義材料參數(shù)調試的熔池尺寸計算
基于自定義材料參數(shù)調試的流程，對某材料進行了自定義輸入，進行了材料熔池尺寸計算，并與實驗結果進行對比，具體如下：
1）自定義某材料
圖2 自定義材料輸入
2）熔池尺寸計算
基于激光功率、掃描速率、層厚等工藝參數(shù)輸入，進行單道掃描熔池尺寸計算，下表中為H13仿真時輸入的工藝參數(shù)。
3）仿真與實驗測量結果對比
將仿真計算結果（不含調試時已使用的數(shù)據(jù)）與實驗熔池尺寸測量結果進行對比，仿真與實驗測量在趨勢一致，數(shù)值偏差在10%之內。H13材料預熱600℃的仿真結果如下圖所示。
展開 鎳基高溫合金IN738激光選區(qū)熔化中預熱溫度對熔池演化的影響 | FLOW-3D AM
五、研究結果 – 裂紋
凝固方式：邊緣由外向內/中線沿著掃描方向
裂紋更易從中心線處擴展產生
不同預熱下X/Y/Z矢量溫度梯度分布
六、研究結果 – 單道熔池凝固條件
隨著預熱溫度的增加，熔池邊緣的冷卻速率從200°C的2.2×10^6K/s減小到700°C下的5.3×10^5K/s，降低的冷卻速率導致更淺但更寬的熔池中較低的拉應力和減少的液化開裂敏感性。
200°C預熱條件下的溫度梯度從頭部的8.8×10^6K/m減少到尾部附近約5.3×10^6K/m的“黃色水平”。相比之下，700°C預熱條件下，溫度梯度減少到約3×10^6K/m的“青色水平”。如圖所示觀察到高預熱溫度增加了長度，形成了更均勻的熱場。
七、結論
FLOW-3D AM 軟件可以模擬預熱溫度對熔池演化的影響，并且可以提供非常詳細和可靠的熱/流信息。
展開 fluent焊接熔池模擬
【視頻教程】fluent系列培訓——焊接熔池模擬（steve_zheng）
講師：steve_zheng
擅長領域：CFD仿真
技術鄰檔案：http://www.yqgqt.org.cn/content/self
內容簡介：根據(jù)流體力學和傳熱學原理, 建立了TIG 焊瞬態(tài)熔池三維數(shù)值分析模型.電弧熱源模型采用典型的高斯熱源分布模型, 模型考慮熔池液態(tài)金屬對流傳熱、熔池外工件的固態(tài)導熱、焊接過程中的相變潛熱、熔池流體的紊流特性、材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度變化等因素.用enthalpy-porosity 方法處理工件熔化 凝固過程中的問題。
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附焊接熱過程與熔池形態(tài)下載
下載地址：焊接熱過程與熔池形態(tài)
激光粉床熔融過程中的殘余熱量對熔池幾何形狀的影響
進行金相分析以確定熔融模式，并觀察沿掃描方向不同區(qū)域橫向熔池邊界的變化。
FLOW-3D數(shù)值模擬：
第一層加工后的表面狀況會對第二層粉末堆積造成影響。
三、結論
本文進行了實驗和數(shù)值研究，以了解掃描長度對多道和多層制造過程中殘余熱量和熔池行為的影響。使用EOS M270制造了材質為IN625的多道樣品，掃描長度為0.5毫米，1毫米和1.5毫米。最初使用白光干涉儀測量表面輪廓。然后進行了金相學研究，揭示了橫向熔池剖面，并觀察了沿激光掃描方向的熔池形狀變化。另外，以熱流數(shù)值模型(FLOW-3D)進行分析，以了解樣品不同區(qū)域熔池差異的機理。
研究結果表明，掃描長度和掃描間距對熔池行為具有顯著影響。此外，第一層的表面輪廓會影響第二層的實際粉層厚度，并影響第二層的形貌。
展開 Fluent焊接熔池模擬基礎步驟（新手入門）
如果你想要在Fluent中模擬焊接熔池，并且需要編寫UDF來描述相關的物理過程，你可能需要考慮以下步驟：
了解焊接過程： 在著手編寫UDF之前，確保你對焊接過程的物理原理和相關的數(shù)學模型有足夠的了解。這包括熔池的溫度分布、流動情況等。
創(chuàng)建UDF： 使用Fluent中提供的UDF功能，編寫一個用戶自定義的函數(shù)，用于描述焊接熔池的行為。這可能包括溫度場、速度場、質量傳輸?shù)取?模型設置： 在Fluent中設置你的模型，包括幾何、網格、材料屬性等。確保你的模型設置與焊接過程的實際情況相符。
邊界條件： 使用你編寫的UDF來設置合適的邊界條件，以模擬焊接過程中的各種影響因素。
求解： 運行模擬并觀察結果。你可能需要調整模型參數(shù)和UDF以獲得符合實際情況的模擬結果。
以下是一個簡單的例子，展示了如何在Fluent中編寫一個簡單的UDF（假設你要模擬溫度場）：
展開 金屬板激光匙孔焊接中鈕扣孔缺陷的熔池分析 | FLOW-3D
Wire Based Laser Metal Deposition (LMD)
基于激光熔覆技術的焊接加工技術
零件是通過使用激光束熔化金屬絲而制成，是一種近凈成形方法
通過優(yōu)化激光功率、送絲速度和送絲方向，可以實現(xiàn)工藝穩(wěn)定性
金屬板激光匙孔焊接中鈕扣孔缺陷的熔池分析
Won-ik Cho, Peer Woizeschke, Analysis of molten pool behavior with buttonhole formation in laser keyhole welding of sheet metal, (2019) https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119528.
研究單位：Bremen Institute for Applied Beam Technology
研究動機：提高金屬板生產時的焊縫質量
問題描述：以擺動式激光進行焊接加工過程中，在激光束后方會形成類似鈕扣造型的孔洞，似乎會對熔池的穩(wěn)定性造成影響。類似孔洞的發(fā)生，會影響焊縫的表面質量
研究目標：希望了解該鈕扣型孔洞產生的原因
研究重點：利用FLOW-3D模擬不同條件下鈕扣孔的形成
通過CFD模擬，觀察了送絲和激光束擺動激光焊接中的鈕扣孔現(xiàn)象，得出以下結論：
紐扣孔在加工過程中持續(xù)產生
穩(wěn)定的鈕扣孔會減少熔池的運動
間隙尺寸 – 較大間隙是鈕扣孔形成的關鍵參數(shù)
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