焊接熔池凝固

关于焊接熔池表面凝固速率测量的方法探究

摘要：随着我国经济的迅速发展，我国的工业取得了巨大的发展与进步。而在工业生产与测量中，进行对于焊接熔池表面温度与凝固速率的测量计算是必不可少的。目前状况下，国内对于其的测算方法基本上都是数值模拟法。这一方法主要是通过分析测算出相应的值，然而，在实际的情况中，往往出现选择的数学模型与实际的过程不完全符合，有事甚至差距过大。这样一来，其准确性就会大打折扣。我们研究的课题是：焊接熔池表面凝固速率测量的新方法分析。为了完成我们的课题研究，我们组织设计了一项工艺，可以进行低糖钢的激光点焊，可以较为清晰的显示出液态的熔池回缩凝固的整个过程。凭借这一设计，我们开展对于焊接熔池表面温度与凝固速率的测量计算以及相应的分析。对于其表面温度的测量，主要运用的是红外辐射测温法。而对于熔池表面的速率测量，主要是先对信息进行相应的提取与采集，抓住其特征，进行对于凝固速率的推算。然后进一步的进行工艺实验，验证熔池表面凝固速率与直径之间的相应关系。

关键词：焊接熔池 表面温度 凝固速率 红外测温法 低碳钢

1、红外线测温法

由于传统的数值模拟法存在一定的弊端，这一方法主要是通过分析测算出相应的值，然而，在实际的情况中，往往出现选择的数学模型与实际的过程不完全符合，有事甚至差距过大。因此，在我们的课题研究中，所采用的方法是红外线测温法。

1.1红外测温原理

运用红外线进行温度的测量，是一种非接触测量方法，也就是说测温的对象不会接触到测温的元件，其主要是通过热辐射来进行对于温度的测量的。

要想正确而有效的使用红外测温仪，就必须先对红外测温仪进行一定程度上的了解。主要了解其工作的原理、相应的技术指标、进行工作时所需要的环境以及条件以及对其的操作以及维修。红外测温仪的构成其实并不复杂，它主要是由几大部分组成的，分别是光学系统、光电探测器、信号放大器以及信号的处理、显示输出。各个部分有着不同的分工，进行着不同的工作。光学系统的主要作用是进行对于相应的红外辐射能量的聚集，而红外测温仪的光学零件以及其放置的位置决定了其视场是否广泛。当光学系统进行了一定程度上的红外能量聚集时，就会发生相应的能量转换，主要是红外能量转换成了电信号。而这一信号，就是好温度值的来源，这一信号经过红外测温仪内部的放大器以及相应的信号处理电路的处理，并进行了算法运算以及校正后，就会转化成相应的温度值。而红外测温仪的使用环境也需要进行考虑，因为温度、污染等都有可能对其正常工作进行一定的干扰，这样就会影响到所测值的精确性。

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关于焊接熔池表面凝固速率测量的方法探究

作者：王寿庆

来源：《中国科技纵横》2012年第17期

摘要：随着我国经济的迅速发展，我国的工业取得了巨大的发展与进步。而在工业生产与测量中，进行对于焊接熔池表面温度与凝固速率的测量计算是必不可少的。目前状况下，国内对于其的测算方法基本上都是数值模拟法。这一方法主要是通过分析测算出相应的值，然而，在实际的情况中，往往出现选择的数学模型与实际的过程不完全符合，有事甚至差距过大。这样一来，其准确性就会大打折扣。我们研究的课题是：焊接熔池表面凝固速率测量的新方法分析。为了完成我们的课题研究，我们组织设计了一项工艺，可以进行低糖钢的激光点焊，可以较为清晰的显示出液态的熔池回缩凝固的整个过程。凭借这一设计，我们开展对于焊接熔池表面温度与凝固速率的测量计算以及相应的分析。对于其表面温度的测量，主要运用的是红外辐射测温法。而对于熔池表面的速率测量，主要是先对信息进行相应的提取与采集，抓住其特征，进行对于凝固速率的推算。然后进一步的进行工艺实验，验证熔池表面凝固速率与直径之间的相应关系。

关键词：焊接熔池 表面温度 凝固速率 红外测温法 低碳钢

1、红外线测温法

由于传统的数值模拟法存在一定的弊端，这一方法主要是通过分析测算出相应的值，然而，在实际的情况中，往往出现选择的数学模型与实际的过程不完全符合，有事甚至差距过大。因此，在我们的课题研究中，所采用的方法是红外线测温法。

1.1红外测温原理

运用红外线进行温度的测量，是一种非接触测量方法，也就是说测温的对象不会接触到测温的元件，其主要是通过热辐射来进行对于温度的测量的。

要想正确而有效的使用红外测温仪，就必须先对红外测温仪进行一定程度上的了解。主要了解其工作的原理、相应的技术指标、进行工作时所需要的环境以及条件以及对其的操作以及维修。红外测温仪的构成其实并不复杂，它主要是由几大部分组成的，分别是光学系统、光电探测器、信号放大器以及信号的处理、显示输出。各个部分有着不同的分工，进行着不同的工作。光学系统的主要作用是进行对于相应的红外辐射能量的聚集，而红外测温仪的光学零件以及其放置的位置决定了其视场是否广泛。当光学系统进行了一定程度上的红外能量聚集时，就会发生相应的能量转换，主要是红外能量转换成了电信号。而这一信号，就是好温度值的来源，这一信号经过红外测温仪内部的放大器以及相应的信号处理电路的处理，并进行了算法运算以及校正后，就会转化成相应的温度值。而红外测温仪的使用环境也需要进行考虑，因为温度、污染等都有可能对其正常工作进行一定的干扰，这样就会影响到所测值的精确性。 龙源期刊网

焊接熔池结晶的一般规律

焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一

样，也是在过冷的液体金属中，首先形成晶核和晶核长大的

结晶过程。生核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低；

生核的动力学条件是自由能降低的程度。

从金属学的结晶理论可知：金属的结晶过程必须是液态

金属的温度降低到“理论结晶温度”以下才能进行。液态金

属缓慢冷却时，当温度降到某一点便开始结晶，直到全部结

晶成固态金属为止。在缓慢冷却条件下，结晶时由于放出“结

晶潜热”，补偿了热的损失，所以在冷却曲线上便出现了一个

水平台，平台对应的温度即为纯金属的“理论结晶温度”T。

在实际生产中，总是具有一定的冷却速度，有时甚至很大，

在这种情况下，纯金属的结晶过程在一定的温度过冷下才能

进行。T1低于T0过冷度，冷却速度越大，则所测得的实际

结晶温度越低，过冷度越大。

从图中还可以看出，液态金属座结晶开始到结晶完了是需要

一定时间，这就体金属中产生一批晶核，然后这些晶核就吸

附周围液体中的原子面成长，同时，还会有新的晶核不断从

液体金属中产生，长大，直到全部液体都转变为固体，最后

形成由许多外形不规则的晶粒所组成的多晶体。

结晶过程就是由晶核的产生和成长两个基本过程所组

成。

1、 生核

熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发晶核。

形成两种晶核都需要能量

1） 自发晶核

自发临界晶核所需的能量

23

316FrErб：新相与液相间的表面张力系数。 ΔFr：单位体积内液固两相自由能之

差。

2） 非自发形核 4coscos32316`323rFkE？

θ：非自发晶核的浸润角

见图3-3

θ=0℃ EK`=0

液相中早有悬浮的质点或现成表面。

它们本身就是晶核。

当θ=180°，EK`= EK自发晶核θ=0 ～180°时，EK`/

EK=0～1说明非自发形核所需能量小于自发晶核。θ角的大

小决定新相晶核与现成表面之间的表面张力。若新核与液相

中厚有现成表面固体粒子的晶体结构越相似表面张力越小，

试验研究ResearchPaper

2019

年第2

期304

不锈钢/T2

紫铜电子束焊接熔池

凝固行为及组织性能研究

郭顺1，2

，

彭勇1，2

，

周琦1，2

，

王克鸿1，2

，

崔崇1

（1．

南京理工大学，

南京210094；2．

受控电弧智能增材技术工信部重点实验室，

南京210094）

摘要：

采用电子束作为焊接热源，

通过调节功率输出及不同的焊接偏置，

研究了304

奥氏体不锈钢与T2

紫

铜熔化焊的熔池凝固行为及组织性能特征。

采用光学显微镜、

扫描电镜、

能谱、

拉伸等分析测试方法对接头特征进

行了表征，

其结果表明，304

不锈钢和T2

紫铜电子束焊接可获得良好的焊缝成形，

接头无明显气孔，

微裂纹等缺陷。

接头最高拉伸强度可达246MPa，

接近等强于铜基材。

束流偏置对接头强度具有很大影响，

铜侧偏置易引起铜侧热

影响区晶粒粗大，

钢侧偏置易引起熔合不良及热裂纹形成。

钢和铜之间不形成脆性金属间化合物，

焊缝的相组成

主要为ε相、

γ相及晶间α相。

关键词：

电子束焊接；304

不锈钢；

铜合金；

凝固行为；

力学性能

中图分类号：TG456．3

0

前言

随着现代工业技术的不断发展，

单一结构材料在

经过不断优化改进的同时也逐渐面临性能的瓶颈，

除

了需要满足常规的力学性能之外，

还有如高导热导电、

高温强度、

耐磨性、

耐腐蚀性、

低温韧性等多方面的性能

要求。

因此，

异种金属材料的复合结构正得到越来越广

泛的重视。

异种金属的复合结构可以兼有多种金属的优

点，

通过整合不同材料间的性能优势，

将具有不同性能表

现的材料连接为一个整体结构，

从而匹配工业生产应用，

提升产品综合性能。

异种金属的性能将超过单一的金

属结构，

并将具有广阔的发展前景［1－3］

。

然而，

在由单

一合金向异种材料组合的应用趋势背景下，

异种材料

连接是目前普遍的研究难点，

该研究的突破对于复合

结构材料的进一步发展具有重要的积极作用。

钢和铜作为常用的结构材料，

在现代制造工业中

占据了很大的应用比例。

钢材强度高、

塑韧性好、

结构

可靠、

并具有良好的加工特性；

铜材高导电、