熔池凝固
關注創建者：匿名 創建時間：2021-11-24
熔池凝固的實例教程
焊接缺陷的小解析
一、表面氣孔
1、現象
焊接過程中，熔池中的氣體未完全溢出熔池（一部分溢出），而熔池已經凝固，在焊縫表面形成孔洞。
2、原因分析
（1）焊接過程中由于防風措施不嚴格，熔池混入氣體；
（2）焊接材料沒有經過烘培或烘培不符合要求，焊絲清理不干凈，在焊接過程中自身產生氣體進入熔池；
（3）熔池溫度低，凝固時間短；
（4）焊件清理不干凈，雜質在焊接高溫時產生氣體進入熔池；
（5）電弧過長，氬弧焊時保護氣體流量過大或過小，保護效果不好等。
3、防治措施
（1）母材、焊絲按照要求清理干凈。
（2）焊條按照要求烘培。
（3）防風措施嚴格，無穿堂風等。
（4）選用合適的焊接線能量參數，焊接速度不能過快，電弧不能過長，正確掌握起弧、運條、息弧等操作要領。
（5）氬弧焊時保護氣流流量合適，氬氣純度符合要求。
4、治理措施
（1）焊接材料、母材打磨清理等嚴格按照規定執行；
（2）加強焊工練習，提高操作水平和操作經驗；
（3）對有表面氣孔的焊縫，機械打磨清除缺陷，必要時進行補焊。
二、內部氣孔
1、現象
在焊縫中出現的單個、條狀或群體氣孔，是焊縫內部最常見的缺陷。
2、原因分析
根本原因是焊接過程中，焊接本身產生的氣體或外部氣體進入熔池，在熔池凝固前沒有來得及溢出熔池而殘留在焊縫中。
展開 采取一些冶金措施，如采用低含氣量的材料對熔池進行稀釋、添加其它元素提高氫在鎂中的固溶度、引入能抑制或減少氫在熔池凝固過程中以氣泡形式大量析出（形成穩定化合物）的元素，可能是防止壓鑄鎂合金焊接氣孔的有效方法。
來源：制造工藝前沿
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制造工藝前沿
采取一些冶金措施，如采用低含氣量的材料對熔池進行稀釋、添加其它元素提高氫在鎂中的固溶度、引入能抑制或減少氫在熔池凝固過程中以氣泡形式大量析出（形成穩定化合物）的元素，可能是防止壓鑄鎂合金焊接氣孔的有效方法。
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圖 7 單晶高能束修復基礎原理框架
Fig. 7 Fundamental framework of single-crystal repair by high energy beam
從構建的基礎原理框架可以看出，熔池溫度場對CET有著極為重要的影響，它同時決定熔池幾何形狀和凝固前沿溫度梯度，進而影響Ghkl和Vhkl這2個關鍵凝固參數的大小和分布。在外部熱源和供給材料(基材、粉材)相互作用下，熔池內部傳熱、傳質和熔體流動等行為最終決定了熔池的溫度分布，而這些熔池行為則與熱源和材料等修復工藝參數密切相關。為此，需要厘清“修復工藝-熔池特性-凝固組織”之間的內在關聯。通過“修復工藝-凝固組織”關聯，調控熔池溫度場分布，尋找適合單晶定向外延生長的工藝窗口；通過“熔池特性-凝固組織”關聯，發展修復過程監測和閉環調控系統，保證單晶連續穩定生長。
2 修復工藝-凝固組織關聯
美國橡樹嶺國家實驗室自1989年起開展了一系列單晶材料焊接修復研究[29-37]，初步證明在合適的焊接參數下熔池內凝固組織可以實現單晶定向生長，為后續發展單晶高能束增材修復提供大量借鑒和指導。
2.1 高能束增材修復技術發展現狀
高能束增材修復技術是20世紀80年代中期發展起來的基于數字化離散堆積思想的新型材料成形技術，與焊接修復相比，增材修復具有熱影響區小、精度高、不受零件結構和材料限制等一系列優點，特別適合于復雜型面部件的快速修復。
展開 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。
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熔池凝固的最新內容
preheating temperature
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110355
Center for Adaptive System Engineering, ShanghaiTech University
上海科技大學智造系統工程中心
一、研究背景
? 基板預熱如何影響IN738熔池的凝固行為
一是溫度梯度，在加熱過程中，熔池邊界處的固體材料受熱向外膨脹，而由于溫度梯度的存在，上述膨脹受到周圍較低溫度材料的限制，從而在熔池邊界處的高溫固體材料內產生壓應力，隨著熱源的移動，之前形成的熔池快速冷卻、凝固，熔池材料產生收縮并受到周圍材料的限制，產生拉應力。
為此，需要厘清“修復工藝-熔池特性-凝固組織”之間的內在關聯。通過“修復工藝-凝固組織”關聯，調控熔池溫度場分布，尋找適合單晶定向外延生長的工藝窗口；通過“熔池特性-凝固組織”關聯，發展修復過程監測和閉環調控系統，保證單晶連續穩定生長。
氣孔形成主要是由于在高激光功率和低掃描速度下產生的小孔效應，形成較深的熔池，隨著熔池向前移動和熔池凝固，蒸氣來不及析出，形成氣孔。可以使用較大的激光輸入能量，但不蒸發鎂合金，合理地降低熔融金屬的動態粘度，保證熔融金屬的充分擴散，減少粉體飛濺，從而改善層間的潤濕性，減少構件中的氣孔。鎂的沸點和熔點之間只有440℃，導致SLM過程中鎂合金的劇烈蒸發，出現粉體飛濺，元素燒損等問題。
一、什么是熱裂紋
熱裂紋是在高溫和熔池凝固過程中產生的裂紋，是焊接過程中最常見的裂紋類型，從低碳鋼、低合金高強度鋼，到奧氏體不銹鋼、鋁合金和鎳基合金等都有產生焊接熱裂紋的可能。熱裂紋最常見于焊縫中心，屬于結晶裂紋，其形成過程主要與低熔點共晶物和拉應力有關。
(2)氣孔的形成機理
常溫固態金屬中氣體的溶解度只有高溫液態金屬中氣體溶解度的幾十分之一至幾百分之一,熔池金屬在凝固過程中,有大量的氣體要從金屬中逸出來。當凝固速度大于氣體逸出速度時,就形成氣孔。
(3)產生氣孔的主要原因
母材或填充金屬表面有銹、油污等,焊條及焊劑未烘干會增加氣孔量,因為銹、油污及焊條藥皮、焊劑中的水分在高溫下分解為氣體,增加了高溫金屬中氣體的含量。
Schaeffler 圖
Espy 圖
WRC-1992 圖
3.3.1 不同鐵素體預測圖的比較
3.4不同鐵素體測量方法比較
四、奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體的控制
1、除了焊材成分設計（即前面提到的Creq/Nieq比）；
2、還有焊接過程的控制：
① 電弧的高低、保護氣體的種類會顯著影響熔敷金屬的N含量，進而影響焊縫鐵素體含量；
② 焊接參數及工藝的控制，會直接影響熔池溫度和焊縫凝固速度
3）焊接加熱和冷卻參數的變化,影響熔池金屬的凝固、相變過程,并影響熱影響區金屬顯微組織的轉變,因而焊縫和焊接熱影響區的組織與性能也都與熱的作用有關。
4）由于焊接各部位經受不均勻的加熱和冷卻,從而造成不均勻的應力狀態,產生不同程度的應力變形和應變。
5）在焊接熱作用下,受冶金、應力因素和被焊金屬組織的共同影響,可能產生各種形態的裂紋及其他冶金欠缺。
八、氣孔
1、現象
氣孔是焊接熔池中氣體在凝固時未能逸出，而殘留在焊縫中所形成的空穴。
對熔池演化和凝固動力學的高速成像，揭示了貝塞爾光束穩定熔池湍流和增加熔池凝固時間的獨特機制，這是由于降低了熱梯度。
