英国莱斯特大学Nature子刊丨金属增材制造过程熔池内部的流动行为

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前言

在金属的熔焊或增材制造过程中，局部热输入会通过形成熔池引起从固体到液体的快速和连续的相变，然后是从液体到固体的相变。熔池的形成和控制是基于融合的先进制造工艺的关键要素之一。熔焊过程中形成的熔池凝固形成高完整性产品中的粘合接头，例如汽车、船舶、跨大陆输油管道和大多数其他大型金属结构。增材制造技术同样基于连续创建小型熔池的概念。在这些先进的制造工艺中，正确控制熔池是必不可少的，以避免可能导致严重的人道主义、经济和环境破坏的灾难性故障。在制造过程中，可以根据制造方法选择电弧、火焰、等离子体、激光或电子束作为加热源。冷却时，熔融金属熔池以与原始材料不同的微观结构凝固。在焊接中，新凝固的材料通常称为熔合区。在增材制造的情况下，整个组件可以被视为连续融合区或沉积物的集合。液体熔池的流动动力学和几何演变与随后的增材制造和焊接材料的机械性能密切相关。因此，增材制造部件或焊接接头以及整个结构或功能部件的寿命和性能，可以显着地由熔池的几何演变和流动动力学决定。

几种基本的物理现象是熔池流体流动的主要控制因素；包括浮力、电磁（洛伦兹）力、等离子/电弧阻力和表面张力效应。主要作用力可能受所采用的热源或所加工材料的特征影响。对于钢，有人认为表面张力驱动的马兰戈尼力主导熔池流动，是确定凝固接头形状和渗透的关键。它还可能对最终残余应力产生影响，并且可以导致焊接接头或增材成型部件的缺陷。

英国莱斯特大学的研究人员采用高能同步加速器显微射线照相技术来观察金属合金制造过程中熔池的形成和流动动力学。将相应图像用于量化原位熔池内的形态演变和流动动力学。结果表明，通过调整表面活性元素来控制内部熔体流动，可以优化广泛使用的电弧焊和新兴的电弧增材制造技术。相关研究以 “Revealing internal flow behaviour in arc welding and additive manufacturing of metals” 为题发表在《Nature Communications》期刊上。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-018-07900-9

论文正文

2.1 原位X射线摄像技术

在Diamond Light Source的I12(JEEP)光束线上进行了原位实验。使用钨极惰性气体(TIG)焊接设备产生电弧在实心钢筋中形成熔池。实验装置如图1所示，通过发射高通量同步加速器白光束以透过熔池。熔融区域的X射线照片如图1的底部图像所示，使用快速CMOS相机以1或2kHz帧速率捕获的，覆盖视场中的整个熔融区域。

钨(W)和钽(Ta)颗粒（尺寸约为50µm）被用作示踪剂，通过研究它们的时空分布来可视化熔池中的流动。由于它们的高熔点，颗粒在熔池中保持固态足够长的时间，以便对其进行跟踪。在快速熔化过程开始之前，将颗粒放置在样品表面的顶部。随着熔池开始形成，颗粒被浸入熔融金属中并随其流动而移动。与样品材料的铁和其他构成元素相比，W和Ta颗粒表现出显着更高的X射线衰减。因此，熔池中的那些固体颗粒在投影图像中看起来比周围的液态金属更暗，如图1中的示例射线照片所示。虽然这些颗粒可能会影响凝固熔合区的微观结构，但它们的影响微不足道。与表征的高动态流动速度相比，下沉速度对液体熔池中流动模式和速度的影响可以忽略不计。

图1 实验装置的示意图和示例射线照片，示例图片中可观察到作为示踪剂的关键元素

2.2 熔池形态演化

对熔池流动动力学进行量化，以合理化图2中观察到的形态演变。利用实验的最大时间分辨率（1ms）来捕捉熔池中的快速流动动力学。对于低S钢，流动动力学如图3所示。彩色线表示示踪粒子的行进路径。在80ms的时间跨度内（跨越80个连续帧）跟踪示踪粒子，在点燃电弧后分别从熔化开始后的约1秒和约2秒开始。流动模式观察表明，熔池形状演变主要由流动特性决定。在图3所示的两个时间实例（~1s和~2s）中，示踪剂粒子在熔池的左半部分遵循逆时针路径，在熔池横截面的右半部分遵循顺时针路径，即熔池上部有向外流动，下部有向内流动。因此，热源下温度最高的液态金属被水平对流输送，远离熔池中心朝向其横向末端。这促进了图2和3中所描绘的浅而宽的熔池的生长。

图2 熔池形态随时间演化的定量分析

图3 熔池流体流动。使用1ms时间分辨率（可用的最大时间分辨率）跟踪示踪粒子

来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2023-03-19