CN113192573A - 熔池流动行为可视化分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种熔池流动行为可视化分析方法，熔池流动行为可视化分析方法，包括选择物理化学性质相近、互相固溶度大、但耐蚀性差异大的材料作为焊接的母材和元素分布材料，根据熔池形状和尺寸在熔池不同位置预置元素分布材料，通过激冷冻结某一时刻元素分布材料在熔池中分布状态，金相观察直观清晰呈现元素分布，最后综合分析不同位置的元素分布情况，获得完整的熔池内部流动行为。本发明整个过程操作简单、结果清晰，能够精确反映实际焊接过程中的熔池流动行为。

Description

熔池流动行为可视化分析方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种熔池流动行为可视化分析方法。
背景技术
激光焊、电弧焊、激光-电弧复合焊、电阻焊等熔焊过程中，在热源作用下部分母材和焊丝熔化形成熔池，凝固后形成焊缝。其中，熔池流动行为是影响焊缝质量的关键因素，焊缝成形以及各种缺陷均与熔池流动行为密切相关。因此，研究焊接过程中的熔池流动行为对于深刻理解焊接物理机制、优化工艺参数和提升焊缝质量具有重要意义。
但在实际焊接过程中，由于熔池是非透明的，因此，仅能通过高速摄像等技术手段观察熔池表面流动行为，而对于熔池内部流动行为则没有好的手段进行观察。目前，对于熔池内部流动行为的研究主要采用数值模拟的手段，但模型建立过程中需要对复杂的焊接过程进行大量的假设和简化处理，因此模拟结果仅能反映熔池内部流动大体趋势，且结果准确性受模型处理的影响较大。目前对于熔池流动行为观察仍然存在很大局限性，现有技术手段不能直观清晰有效地呈现熔池流动行为。
发明内容
本发明提供一种熔池流动行为可视化分析方法，用以解决目前对于熔池流动行为观察仍然存在很大局限性，现有技术手段不能直观清晰有效地呈现熔池流动行为的问题，整个过程操作简单、结果清晰，能够精确反映实际焊接过程中的熔池流动行为。
本发明提供一种熔池流动行为可视化分析方法，包括如下步骤：
选择母材和元素分布材料，其中，所述母材和所述元素分布材料物理化学性质相近、互相固溶度大、且耐蚀性差异大；
对所述母材进行焊接，焊接过程中获取熔池表面形状，焊后解剖焊缝进行金相分析获得熔宽、熔深尺寸；
根据熔池形状和尺寸确定所述元素分布材料的安装位置，然后在所述母材的所述安装位置沿垂直焊接方向开孔；
将所述元素分布材料填充入所述孔中，保证所述元素分布材料能够熔化并随熔池流动进入熔池中；
焊接熔池到达元素分布材料安装位置时，对熔池进行冻结；
将每个所述元素分布材料安装位置下的焊缝，根据需要从不同的截面进行取样，进行电解腐蚀获得实际的元素分布情况，即为此处的熔池流动行为。
根据本发明的一个实施例，所述将每个所述元素分布材料安装位置下的焊缝，根据需要从不同的截面进行取样，进行电解腐蚀获得实际的元素分布情况，即为此处的熔池流动行为，之后还包括综合不同位置、不同截面的所述熔池流动行为，获得完整的熔池流动过程。
根据本发明的一个实施例，所述对所述母材进行焊接，焊接过程中获取熔池表面形状，具体包括焊接过程中采用高速摄像获得熔池表面形状。
根据本发明的一个实施例，所述根据熔池形状和尺寸确定所述元素分布材料的安装位置，然后在所述母材的所述安装位置沿垂直焊接方向开孔的步骤中，所述孔为直径为0.5mm～1.0mm的圆形贯通孔或者边长为0.5mm～1.0mm的方形贯通孔，或者所述孔为在所述母材表面开设的深度为0.5mm～1.0mm的圆形孔或者方形孔。
根据本发明的一个实施例，所述焊接熔池到达元素分布材料安装位置时，对熔池进行冻结的步骤中，通过液氮激冷装置冻结熔池。
根据本发明的一个实施例，选择纯铁或低碳钢作为母材，选择镍作为元素分布材料。
根据本发明的一个实施例，所述将所述元素分布材料填充入所述孔中，具体为将所述元素分布材料以粉末或者块体形式填充入所述孔中。
根据本发明的一个实施例，所述将每个所述元素分布材料安装位置下的焊缝，根据需要从不同的截面进行取样，具体包括截取焊缝纵截面和横截面。
根据本发明的一个实施例，所述熔池流动行为可视化分析方法适用于电弧焊、激光焊、激光电弧复合焊或电阻焊。
根据本发明的一个实施例，所述熔池流动行为可视化分析方法适用于对接、角接、搭接类型的接头。
本发明提供的熔池流动行为可视化分析方法，通过选择物理化学性质相近、互相固溶度大、但耐蚀性差异大的材料作为焊接的母材和元素分布材料，根据熔池形状和尺寸在熔池不同位置预置元素分布材料，通过激冷冻结某一时刻元素分布材料在熔池中分布状态，金相观察直观清晰呈现元素分布，最后综合分析不同位置的元素分布情况，获得完整的熔池内部流动行为。该方法适用于几乎所有的熔焊方法以及接头类型，整个过程操作简单、结果清晰，能够精确反映实际焊接过程中的熔池流动行为，为揭示焊接物理机制、优化工艺参数和提升焊缝质量提供试验依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个具体实施例的示意图，其中，示出了焊接方向，且A-A剖面是沿焊接方向，B-B剖面是垂直于焊接方向；
图2是本发明点焊时元素分布材料安装位置示意图；
图3是图2的A-A剖视图；
图4是图2的C向俯视图；
图5是本发明移动焊时元素分布材料安装位置示意图；
图6是图5的A-A剖视图；
图7是图5的B-B剖视图；
图8是图5的C向俯视图；
图9是本发明实施例提供的熔池流动行为可视化分析方法的流程图；
附图标记：
1、母材；2、元素分布材料；3、焊接热源；4、液氮激冷装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于各种熔焊方法，焊接过程中的熔池流动行为是影响焊缝质量的关键因素。但由于焊接时熔池为非透明的，因此仅能对熔池表面流动行为进行观察；对于熔池内部流动行为只能通过数值模拟仿真、原位X射线观察、特征谱线采集等手段间接获得熔池内部流动行为，存在模型和系统搭建复杂、计算精度差别明显、外部因素干扰流动等问题。目前仍然没有一种简单直观清晰的熔池流动行为观察方法。
为了解决上述技术问题，结合图1和图9所示，本发明提供一种熔池流动行为可视化分析方法，包括如下步骤：
S10、选择母材1和元素分布材料2，其中，所述母材1和所述元素分布材料2物理化学性质相近、互相固溶度大、且耐蚀性差异大。
如可选择铁/镍材料体系，即可选择纯铁或者低碳钢作为母材1，选择镍作为元素分布材料2；也可以选择其他满足以上要求的材料体系。
选择铁/镍材料体系作为试验材料，例如选择低碳钢作为母材1，选择镍作为元素分布材料2。这主要基于以下原因：一是铁和镍物理化学性质相近，熔点也接近，在液相和凝固过程中可以互溶，这保证了镍的传输完全由熔池流动决定，避免了由于在凝固过程中生成化合物或者形成共晶、包晶等组织导致的成分集中问题而影响元素的实际分布。二是可以容易地观察到镍在低焊缝中的分布，由于纯铁或者低碳钢本身的耐蚀性较差，而镍的加入可以提高焊缝的耐蚀性；焊缝中镍元素分布的不同，焊缝不同位置的耐蚀性也不同，因此就可以通过金相观察焊缝不同位置的腐蚀情况从而直接呈现镍元素在焊缝中的分布。
S20、采用焊接热源3对所述母材1进行焊接，具体地，焊接热源3采用所选熔焊方法和工艺参数在一定尺寸的母材1上进行焊接，焊接过程中获取熔池表面形状，例如采用高速摄像等手段获得熔池表面形状，焊后解剖焊缝进行金相分析获得熔宽、熔深尺寸，以确定所述元素分布材料的安装位置。
以所用母材1为低碳钢板材为例，选择尺寸为长100mm×宽20mm×高20mm，设定一定的电流电压参数进行焊接，焊接完成后测量焊缝表面熔宽及尺寸，金相解剖后测量焊缝截面形状及熔深。
S30、根据熔池形状和尺寸确定所述元素分布材料2的安装位置，然后在所述安装位置沿垂直焊接方向在所述母材1上开孔。
S40、将所述元素分布材料2填充入所述孔中，然后采用步骤S20中的工艺参数进行焊接，或者对工艺参数根据元素分布材料2的安装位置进行微调，保证所述元素分布材料2能够熔化并随熔池流动进入熔池中。
S50、焊接熔池到达元素分布材料2安装位置时，对熔池进行冻结。
S60、将每个所述元素分布材料2安装位置下的焊缝，根据需要从不同的截面进行取样，进行电解腐蚀获得实际的元素分布情况，即为此处的熔池流动行为。
本实施例通过选择物理化学性质相近、互相固溶度大、但耐蚀性差异大的材料作为焊接的母材1和元素分布材料2，根据熔池形状和尺寸在熔池不同位置预置元素分布材料2，通过激冷冻结某一时刻元素分布材料2在熔池中分布状态，金相观察直观清晰呈现元素分布，最后综合分析不同位置的元素分布情况，获得完整的熔池内部流动行为。该方法适用于几乎所有的熔焊方法以及接头类型，整个过程操作简单、结果清晰，能够精确反映实际焊接过程中的熔池流动行为，为揭示焊接物理机制、优化工艺参数和提升焊缝质量提供试验依据。
根据本发明的一个实施例，所述将每个所述元素分布材料2安装位置下的焊缝，根据需要从不同的截面进行取样，进行电解腐蚀获得实际的元素分布情况，即为此处的熔池流动行为的步骤之后，还包括步骤S70：综合不同位置、不同截面的所述熔池流动行为，获得完整的熔池流动过程。
根据本发明的一个实施例，所述对所述母材1进行焊接，焊接过程中获取熔池表面形状，具体可在焊接过程中采用高速摄像获得熔池表面形状。
根据本发明的一个实施例，所述根据熔池形状和尺寸确定所述元素分布材料2的安装位置，然后在所述安装位置沿垂直焊接方向在所述母材1上开孔的步骤中，所述孔为直径为0.5mm～1.0mm的圆形贯通孔或者边长为0.5mm～1.0mm的方形贯通孔，或者所述孔为在所述母材表面开设的深度为0.5mm～1.0mm的圆形孔或者方形孔。
根据本发明的一个实施例，所述焊接熔池到达元素分布材料2安装位置时，对熔池进行冻结的步骤中，具体可以通过液氮激冷装置4冻结熔池，或者也可以采用其他激冷手段。
根据本发明的一个实施例，步骤S40中，具体可以将所述元素分布材料2以粉末或者块体形式填充入所述孔中。
根据本发明的一个实施例，所述将每个所述元素分布材料2安装位置下的焊缝，根据需要从不同的截面进行取样，具体可以包括截取焊缝纵截面和横截面。
根据本发明的一个实施例，所述熔池流动行为可视化分析方法适用于电弧焊、激光焊、激光电弧复合焊或电阻焊等熔焊方法。
根据本发明的一个实施例，所述熔池流动行为可视化分析方法适用于对接、角接、搭接类型等所有类型的接头。
下面给出一个具体的实施例1，如图2至图4：
步骤S10、选择铁/镍材料体系作为试验材料，其中选择低碳钢作为母材1，选择镍作为元素分布材料2。
步骤S20、所用母材1为低碳钢板材，尺寸为长100mm×宽20mm×高20mm；设定一定的电流电压参数进行焊接，焊接完成后测量焊缝表面熔宽及尺寸，金相解剖后测量焊缝截面形状及熔深。
步骤S30、按照所获得的焊缝横截面形状及尺寸，在图2所标示位置在母材1上开直径0.5mm的圆形贯通孔。
步骤S40、将镍粉填充入贯通孔中并压实，两端采用粘接剂或者点焊方式密封。
步骤S50、按照既定电流电压进行电弧点焊，焊接过程中可观察熔池变化情况，当达到元素分布材料2位置时开启液氮激冷装置4冻结熔池。
步骤S60、依次焊接不同元素分布材料2安装位置的母材1，对不同焊缝进行取样，然后进行电解腐蚀获得镍元素在焊缝中的分布情况，即为此处的熔池流动行为。
步骤S70、综合不同位置、不同截面的熔池流动行为，获得低碳钢电弧点焊时完整的熔池流动过程。
实施例2：
结合图1和图5至图8，研究低碳钢移动电弧焊时熔池流动行为，操作步骤同上，仅元素分布材料2根据图5中所示位置进行安装。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种熔池流动行为可视化分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择母材和元素分布材料，其中，所述母材和所述元素分布材料物理化学性质相近、互相固溶度大、且耐蚀性差异大；
对所述母材进行焊接，焊接过程中获取熔池表面形状，焊后解剖焊缝进行金相分析获得熔宽、熔深尺寸；
根据熔池形状和尺寸确定所述元素分布材料的安装位置，然后在所述母材的所述安装位置沿垂直焊接方向开孔；
将所述元素分布材料填充入所述孔中，保证所述元素分布材料能够熔化并随熔池流动进入熔池中；
焊接熔池到达元素分布材料安装位置时，对熔池进行冻结；
将每个所述元素分布材料安装位置下的焊缝，根据需要从不同的截面进行取样，进行电解腐蚀获得实际的元素分布情况，即为此处的熔池流动行为。
2.根据权利要求1所述的熔池流动行为可视化分析方法，其特征在于，所述将每个所述元素分布材料安装位置下的焊缝，根据需要从不同的截面进行取样，进行电解腐蚀获得实际的元素分布情况，即为此处的熔池流动行为，之后还包括综合不同位置、不同截面的所述熔池流动行为，获得完整的熔池流动过程。
3.根据权利要求1所述的熔池流动行为可视化分析方法，其特征在于，所述对所述母材进行焊接，焊接过程中获取熔池表面形状，具体包括焊接过程中采用高速摄像获得熔池表面形状。
4.根据权利要求1所述的熔池流动行为可视化分析方法，其特征在于，所述根据熔池形状和尺寸确定所述元素分布材料的安装位置，然后在所述母材的所述安装位置沿垂直焊接方向开孔的步骤中，所述孔为直径为0.5mm～1.0mm的圆形贯通孔或者边长为0.5mm～1.0mm的方形贯通孔，或者所述孔为在所述母材表面开设的深度为0.5mm～1.0mm的圆形孔或者方形孔。
5.根据权利要求1所述的熔池流动行为可视化分析方法，其特征在于，所述焊接熔池到达元素分布材料安装位置时，对熔池进行冻结的步骤中，通过液氮激冷装置冻结熔池。
6.根据权利要求1所述的熔池流动行为可视化分析方法，其特征在于，选择纯铁或低碳钢作为母材，选择镍作为元素分布材料。
7.根据权利要求1所述的熔池流动行为可视化分析方法，其特征在于，所述将所述元素分布材料填充入所述孔中，具体为将所述元素分布材料以粉末或者块体形式填充入所述孔中。
8.根据权利要求1所述的熔池流动行为可视化分析方法，其特征在于，所述将每个所述元素分布材料安装位置下的焊缝，根据需要从不同的截面进行取样，具体包括截取焊缝纵截面和横截面。
9.根据权利要求1-8任一项所述的熔池流动行为可视化分析方法，其特征在于，所述熔池流动行为可视化分析方法适用于电弧焊、激光焊、激光电弧复合焊或电阻焊。
10.根据权利要求1-8任一项所述的熔池流动行为可视化分析方法，其特征在于，所述熔池流动行为可视化分析方法适用于对接、角接、搭接类型的接头。
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