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焊接条件对单晶焊接时杂散晶体形成的影响 J.M. Vitek *Metals and Ceramics Division, Oak Ridge National Laboratory, P.O. Box 2008, Oak Ridge, TN 37831-6096, USAReceived 8 July 2004; received in revised form 23 Agst 2004; accepted 24 August 2004Available online 22 October 2004摘 要 杂散晶体在镍基单晶高温合金焊缝凝固的时候会导致其机械性能的下降和开裂，根据原发性过冷的机制，在树突晶体生长前沿，对焊接条件（焊接速度和功率）在凝固过程中形成的杂散晶体倾向的影响进行了评估。考虑枝晶生长方向的影响，利用一个简单的几何三维热模型，根据焊接的条件和位置以确定杂散晶体的形成的程度。分析计算并描述了杂散晶体的形成程度、平均分布在整个凝固前的一个参数。加工图显示因为焊接速度，功率和方向杂散晶体形成变得严重起来。结果发现，低功率、高焊接速度的最佳选择可尽量减少杂散晶体形成可能性。晶体取向的影响在焊接的总体趋势形成杂散晶体最小，虽然基于方向局部变化是量化的。理论分析比较以前的实验工作，激光焊接镍基单晶和所有实验结果可在计算器上复制。本文由爱思唯尔公司代表Materialia发表.。关键词：激光焊接；镍合金；凝固；晶体生长；杂散晶体1.简介 为了实现涡轮发动机更高的效率和性能，发动机部件的合金的发展集中于微观结构的控制。本大多数现代地面和航空涡轮机使用单晶镍基合金的许多成分具有最大工作温度和高温度抗蠕变强度。这些部件都是极昂贵的，因此它是可取的开发技术可以修复缺陷铸件以及维修损坏，磨损，或破裂的服务组件。而一些焊接修复技术存在，这些程序没有达到性能修复部分相媲美那些在原始成分。目前的修复技术妥协的焊补区因为是多晶硅和修复焊接往往有显着不同的组成，导致一个微观结构（减少部分加强不同阶段）和相关的强度变化。主要的原因合金焊接时凝固形核与生长等轴晶时无法获得理想的性能修理单晶体元件。这些新的颗体被称为杂散晶体。生成的杂散颗体去除理想的单晶组织，此外，由此产生的晶界行为容易开裂路径传播。本文探讨的凝固在焊接条件作为一个功能的焊接条件以确定最佳焊接条件为避免杂散晶体的形成。J.M. Vitek / Acta Materialia 53 (2005) 5367 术语 a 常数Ak用于计算环的面积G 在凝固前任何给定的位置上热梯度Gd 沿枝晶的组成部分增长方向热梯度Gx Gy Gz xy z方向的热梯度部分热梯度方向 Vb 焊接速度 To 环境温度 r 径向YZ平面 Vn 凝固前正常速度Q 热功率Gr=0时熔池表面热梯度方向 K 热导率 热扩散率 No 成核密度的液体 负X方向和n方向的夹角任意位置n 向量与晶体生长方向的夹角n 材料参数n 单位方向向量 Vd 焊接速度x y z X Y Z平面 分散晶体的分布面积 方向的环形截面分散晶体平均值 X 方向和方向的部分的平均值当j=c时考虑树突生长方向 否则不考虑 在过去的十年左右，有许多研究树突状的单晶体在焊接条件凝固行为的文献。其中的一些研究表明，晶体取向在树突可确定一个几何模型，根据凝固前 4 , 5焊缝方向和位置，确定了枝晶生长方向。更多的研究已经说明杂散晶体在焊接79的形成原理。这些研究表明，就在凝固前的原发性过冷可导致等轴体子成核，如果这是不够广泛，单晶体凝固组织将取代多晶硅组织与许多杂散体子。在这项研究中，熔池的形状将根据焊接条件来确定。 先前建立的模型描绘了过冷度和杂散晶体在不同焊接条件下分布的程度，根据的熔池表面方向结合几何模型描述的枝晶生长方向的确定依赖杂散晶体形成焊接条件。分析得出具体关于在单晶焊接时杂散晶体最低的最佳焊接条件和焊接方向。2。数值分析程序2.1。计算焊缝形状尺寸多年来，许多数值模型已根据焊接条件描述了熔池的形状。作为模型的改进，他们包括了许多现象的影响最后的熔池形状。然而，比较这些进展，人们对此模型越来越苛刻。在这项研究中，准确度先进的模型已经牺牲，以便能够更加彻底地估算树突状增长的细节，以及它们如何影响焊接条件。因此，根据焊接条件，在凝固前简单的三维罗森塔尔方案已解决用于定义的熔池形状和热条件。温度是由下面的表达式：上面的公式中To是环境温度，Q是热功率Vb热扩散速率 热扩散率 。To为300K，Q和Vb是变化的，其他参数的值是表1给出了。由于这项研究的目的是材料参数所对应的镍基高温合金杂散体子形成。材料特性是基于JMatPro软件计算的ReneN5合金成分而且假定温度独立。一个单一的温度是用来确定凝固前温度（1640K）。因此，事实上的实际凝固时的温度范围被忽略，并影响和非平衡偏析凝固也被忽略。许多组合焊接速度、焊接功率检查如表2所示。三维罗氏方案有温度场对称焊接轴线性能。这种对称性已利用在随后分析杂散晶体形成，所述后来会更详细。图 1表 2焊接速度 功率 热输入量2.2。计算G、V、和w图1显示一个示意图的焊缝和许多相关变量定义使用分析。焊缝方向上是的X负方向与样品表面法线是沿着z轴正方向上的。由于3D罗森塔尔解决方案是对称的对焊缝方向,计算了x - y平面和剖面合成焊接进行旋转关于x轴屈服整个三维焊缝。图1显示的是一个具有代表性的凝固前沿位置。凝固前普通算法由单位向量n。n的方向可以被定义由这两个角度和,如图1。此外，对于XYZ轴，晶体方向相对应的基础材料的极易生成枝晶方向需要被指定。这些方向是通过试样得到的，其中一个枝晶生长方向， 100，同样显示如图。在凝固前任何给定的位置，六个不同的组其中之一001容易生长方向（例如， 100，100， 010，010， 001，001）将是最好的正常凝固前状态，这将是积极的枝晶生长方向的那个位置 4 , 5。之间的夹角凝固前正常和积极的枝晶生长方向的定义是瓦特，如图1所示。晶体取向该基地的材料，它定义了方向六个可能的枝晶生长方向，指定通过确定焊缝方向（负方向）和样品表面（平面）方面的晶体轴，即，为香港传奇和（中），分别。在大多数的这项研究中，七个不同的样品方向检查并列于表3。图 2熔池在X- Y平面示意图（Z= 0）。在左侧的大箭头表示焊接方向（沿负X轴）和原点代表点热源。 （一）计算熔池的剖面尺寸。 （二）平分凝固部分，离散部分，并计算热在每个部分的中心属性（X标记）。 （三）竟似逼近熔池剖面为直边部分（虚线）“X”用于整节。在实际计算中，熔池被分成至少10个部分，准确地代表曲池的形状。表 1计算时的材料参数参数参数值备注凝固前温度1640K热导率K温度范围1573-1673 K热扩散率在近似1573-1673K温度范围适合 因为内在对称性的三维罗森塔尔解决方案,这是必要的计算x - y平面内温度分布（z = 0）见图1。凝固前被确认为等温的1640 K。当时的焊缝进行细分分成相等的长度沿x轴,点最大宽度(例如,位置在开始给最终凝固熔池。图2显示一个示意图的焊缝(在x - y平面)。图2(a)展示了一个代表焊缝,图2(b)显示相同的焊缝分开在离散数据(3)的等长部分。在热条件和方向边缘焊缝中心之后,每节计算和这些价值观作为代表整个部分。在本质上,池就分裂了在离散数据的直边部分显示在图2(c)。考虑到树突成长方向,它需要识别的角度和在任何给定的位置和就在凝固前面。这是通过计算,Gx和Gz)作为一个函数的位置焊缝,如下表所列。0The solidification front in the XY plane (z = 0) and在凝固前沿的X - Y平面（Z = 0）for y 0 corresponds to locations, where u = 0. 对于Y0对应的位置，其中 = 0。At these在这些位置locations, the thermal gradient components in the X and位置 位置，在X的热梯度分量和Y directions are given by Gx and Gy0.Y方向是由GX和Gy0。These components这些组件were used to calculate the total thermal gradient, G,被用来计算总热梯度G，using the relation:使用关系：In the XY plane, since u = 0, the solidification front在X - Y平面的，因为 = 0，凝固前沿orientation is specified by only one angle, h.指定的方向是由只有一个角度，.The values的值of h and the solidification front normal velocity, Vn, can和凝固前的正常速度，VN，be calculated using the following realtion 4:计算使用下列计算式4： 0 When the 3D weld pool当三维熔池profile is considered, symmetry requires that jGj is independent个人资料被认为是对称要求JGJ是独立的of u.的Therefore, for u 6?因此，0, one can consider the0时，可以考虑Gr的Y - Z平面，径向渐变。0 yidan一旦 Gy and Gz are related by:Gy和Gz相关的公式：Once Gx, Gy and Gz are known, the solidification front一旦Gx，Gy和Gz是已知的，凝固前沿normal orientation can be identified since it is parallel正常的方向，因为它是平行的，可以认定to the total thermal gradient vector, G.总的热梯度向量G。The values of的值the misorientation angle between the front normal and前正常和取向差角a particular dendrite growth direction (w in Fig.一个特定的枝晶生长的方向（图1) can1中）可以被确定. 0This must be known in order to这必须是已知的，以evaluate the actual dendrite growth velocity (Vd) and评估实际的枝晶生长速度（Vd）the thermal gradient in the dendrite growth direction在枝晶生长方向的热梯度(Gd), which are given by:（Gd），这是由： 0，Y 0时。 点热源位于X = Y = 0。每个图焊接速度的变化，在池的形状除了图固定焊接电源。3（C），其中多个焊接功率也绘制。由此可以看出，与罗森塔尔三维模型，从源头上的距离熔池年底取决于电源后，但独立的焊接速度。但是，该长度熔池，从距离定义 最大宽度为池，随速度以及以来最大的位置 宽度随着焊接速度的改变的变化。熔池 以最低的功耗和焊接，形状近圆形 速度（图3（a），但变得更椭圆形 作为电力和/或速度增加。熔池 宽度，长度和宽度/长度比所有条件 列于表4。 面积的加权平均数计算？中列出 表5和6。表5列出的值吗？，其中晶体 销售影响被忽略，而表6列出了。 值吗？，样本的方向各不相同。 “ -值始终低于的。这是图 4，是策划与所有的焊接条件和样品取向。 不管哪一个是真实的相同的一般行为 被认为是焊接方向。值的吗？的绘制 作为焊接速度图的功能。 5为一个单一的焊接 方向和三个不同的焊接功率。它可 看到？普遍增加焊缝下降速度。唯一例外的是在 550 W焊缝，在哪里呢？首次增加略有 增加前减少在较高的焊接速度 速度。无论焊缝发现同样的趋势 方向。焊接电源的变化？的 - 如图所示。 6三个焊接速度和一个固定的方向。随焊接电源在所有速度。同样的趋势是发现分校是独立的焊缝方向研究与晶体取向的变化是最小的，如表6和图7中的几个选定的焊接条件。只有在最高焊接功率，相应的最大熔池尺寸有任何重大的程度与焊接方向。然而，如果，之前平均角和熔池表面区域（即，不同的地方），看到了一个非常清楚的影响焊接方向。这是显示表7，是一个函数的几个选择焊接方向。此外，值的是2特定值，相应的特异性环部分显示在图2（丙）。一个单一的焊接条件被认为是在表7中，但结果是代表所有焊缝的条件。表7显示的变化很明显的几种情况，如预期的。这是由于不断变化的程度排列之间的枝晶生长方向和凝固前正常以及事实上的活动枝晶生长方向的变化与美元。因此，在尽管对称的三维公司解决方案对X轴，从而导致凝固前正常速度和独立正常梯度，枝晶生长速度和温度梯度沿枝晶生长方向不同与美国结果表7还表明，变异是对称的关于=90焊接时方向对称对与平面（例 100，（001）11和0（00，1）。为一个非对称的焊接方向（案例 310 ，（001）表7），变异是对称的，=90。表 7根据变化的角度和值不同确定,对应不同的位置沿焊缝的长度,和方向抽样所有值在0.01m/s焊速和1000W的功率下得出这表明，杂散晶体形成倾向将不同的左侧与右侧的熔池的晶体学对称焊接取向。的值也改变焊接方向。因此，为 100，（001）方向，在位置=45.4，永远是1，而这是略低于其他方向=45.4。不同的由于方向通常是更大的较大值小时（靠近熔合线，在边缘的熔池）。在任何和，晶体取向可能导致重大的差异价值的铀，但这些差异几乎消除时，平均在整个熔池的评价。比如说呢。在=45.4， 100 ，（001）大于或等于 110，（001）在所有，但=74.8。同样，当比较 110，001）和 310，（001）=74.8定位焊缝，前者有较大的给=040但它有一个小,=140180。然而，平均后在整个表面，加州的三个方向表7是几乎相同的（0.37，0.35和0.37）。表7还表明，随着增加，对应为进一步从焊缝中心位置，的价值普遍下降，这表明杂散晶体的形成是不太可能。虽然这是正常的案例，有一些方向，在哪里可以减少只要一接近中心线（高=90）。这些特殊情况时发现，对齐的枝晶生长方向凝固前正常是最佳的在中线，和影响减少热梯度在中心是抵消了减少枝晶生长速度。这是更详细的讨论后。结果归纳在图8，在一系列的加工图显示的变化加大焊接功率和焊接速度显示。等高线图得出三个不同的方向，但一般性格的情节是相同的，不论方向。很显然，这些地块的最佳焊接条件，相应的最低值分校和最小的可能性，杂散晶体的形成，发现在低功耗和高焊接速度。低价值分校，这是理想情况保留单晶结构，焊接速度成为更为关键的变量自轮廓往往运行多个并行的动力轴。 4。讨论目前的定量分析研究影响焊接条件和初始焊接方向在趋势形成杂散晶体。后者的量是指在规定的总面积加权平均如果0无杂散晶体的形成未来的发展凝固前存在如果1，那么完全过渡到树突状生长，等轴增长预期（在文学 9 , 10，0 : 5为有效的临界限度圆柱形向等形晶体转变的）。讨论将被分成若干段地址如下：（一）可以很容易解释的结果？（二）如何做比较的结果与先前的研究？（三）什么是最佳焊接条件和焊接方向？和（四）其他重要的特征可能需要纳入未来的分析？4.1。解释结果增加的增加功率，相应的一个退化的结构，可以归因直接向下降梯度在更高的功率。根据式（8），虽然有一个复杂的依赖在克，可以看出，增加克做的少负因此导致较小的是还发现，在一般程度的晶体，杂散形成减少的焊接速度增加表5和6）。寻找再次在式（8），为五增加人们可能期望也增加。不过。随着速度的增加，也增加了梯度。在大多数情况下，有利的影响增加梯度超过弥补的有害影响的一个凝固前沿速度。这是由于事实上，是一个功能的比率G3.4/V 等这是更敏感的变化梯度比类似的变化速度。然而，一般有益效果是没有发现在增加速度最低的功率水平和低速度（见图3）。最初的，略有增加而增加速度，前扭转这一趋势在速度约为0.014我的1。虽然确切的原因，这种行为是不众所周知，这是怀疑是由于性质的焊接池形状。在550w速度低，池形状近圆形，宽/长比（表4）是非常接近1。双因素可能导致的增加在速度在550瓦低速度。首先，如果梯度不大幅度增加而五增加，然后，总价值将增加。二，在计算面，需要记住，较大的值，是焊缝附近中心线，那里是近0，凝固前速度是最大的（如式（3）和梯度是最低的。因此，作为部分的总面积对应小价值的增加，整体加权会增加平均。变异梯度在三个不同的固定值和分数总面积的相应小时 45作为一个功能焊接条件的计算和结果列于表8。可以看出，梯度往往不同缓慢增长速度小高，但是变化的速度梯度对速度大约是相同的所有速度在550w，和这是大致相同的低和高的功率。因此，特殊行为，在低转速550w 没有出现是由于一个不寻常的变化梯度以速度。然而，在550w低的焊接速度，面积分数相应小时 45比较大和仍然很大，直到速度约为0.014ms-1。因此，本节的焊缝中心线附近，在他的小及大，有着更为重要的影响的整体价值低速度与550瓦功率。这就解释了为什么增加增加速度可达速度约0.014ms-1。它被发现（见表5和表6），是一个加权平均是较低时，晶体方向是没有考虑到（即，数控总会真的，如发现。这个论点也意味着为获得一个现实的和准确的显示杂散晶体形成的倾向，数量加州必须而不是使用的联合国军司令部。影响的初步基础材料方向在杂晶形成倾向被发现最小的。这是显示在表6和图7，其中变化中的加州通常小于0.03的七不同的晶体取向的研究，和最大航程0.08。与此相反，一个功能焊接条件是高达0.59任何给定的方向。这一结果表明，所有方向，在某些部分的不结盟地区在焊接抵消不良一致的其他地区零件的焊接。在某些情况下，在焊接方向不是沿中轴线对称，低价值会发现一侧焊接，但这些抵消高价值在另一边的焊接。这表现在为表7 310，（001）方向在=74.8。右手边的焊接（90）因为是较低的。此外，也没有一个取向这些审查是一贯优于所有其他的。在 111，112是最坏的方向最通常，没有最好，但价值加州大学是唯一在这个方向稍差比在其他。因此，似乎没有择优取向为避免杂散晶体的形成。这是假设的这种看法可以扩展到所有可能的方向。焊接条件而不是方向应控制在最小的总体可能性杂散晶体的形成。4.2。 早期的研究结果比较以前的工作46】详细审查的变化枝晶生长方向和增长速度为功能定位和固化基材前面的方向。这些研究表明,当沿焊缝方向上是一个对称轴预期树突生长模式将会是相同的双方的焊缝。相比之下,对不对称、不对称的发展模式和方向发展速度进行了预测。实验结果验证了该模型的预测。同样的潜在的不对称在目前的研究中被发现。最近的研究已经检查了杂散晶体的形成开裂行为倾向,在激光焊缝在镍基单晶合金2。不同条件下,0.0042ms-1速度和420 W电力、0.0127ms-1速度和804 W功率0.0212ms-1速度和840 W功率充分渗透,几乎渗透3合金薄片样品ReneN5焊缝。 结果的原则从研究范围:(一)杂散晶体裂纹形成和相关的不对称对焊缝中心线(b)也没有裂缝几乎没有一个偏离的晶体被发现在0.0042/420赛季的焊缝而广泛的杂散体形成和几个裂缝被发现在另外两个探伤(c)杂散晶体和位于裂纹优先的一面焊接,(d)附近发现了杂散体中心线而不是融合线附近。这些结果可以进行比较和计算进行了阐述。只有一个定性比较,因为实验焊缝都渗透或者几乎焊透因此三维热条件目前用于分析不能完全有效。然而,研究的实验工作上面表面的激光焊接,并比较了这实验计算结果与三维在顶部表面只会会更有效。计算了的相同的焊接速度和功率的实验中使用工作。实质上，这意味着一个功率效率100%假设，这显然是高估。不过，这是假设的趋势，可以计算比较实验结果。实验焊缝是沿著0.141、0.217、0.966方向(0.925,0.376,0.051)平面。 实验分析了做一个平面内最高的0.05毫米的表面。在目前的计算,这个表面是庞大一流的表面,使= 0为正确的一半的熔池、180为左一半(见图1)。上表面(x - y平面上的图1),是不同的从90聚变线0的中心线回到90在对面的融合线。结果计算为同一方向和焊缝实验条件显示于表格9。只有充分考虑顶部表面平均并没有被采用。相反,值为左列一半( = 180)和正确的一半(= 0)的离散焊缝的区域焊接剖面(见图2),分别对应着不同的值。所引用的关键数据的文献9、10= 0.0066发作的分散晶体形成和 = 0.5完全替换一个柱状晶体结构结构。一般来说,计算预测的多流浪晶体比观察形成的试验研究。绝对值的可能不准确由于使用的材料常数（a，n，在方程式（7）和（8）以及暗含假设100%的功率效率。然而，如果考虑到的相对值，然后它被发现与计算与实验观察的结果一致。计算结果表明，将不会左右对称中心线，即，在值= 0和180是不相等。二，值 是在低功率（低速）焊接始终低于其他两个焊接。对于低功率焊接，很少达0.50以上的值，而值大于0.50得多在两个高功率条件下焊接。第三，两个更高的功率焊接，预测更广泛的杂散晶体形成，是一贯的高焊缝的右侧。这与实验观察一致的。最后，计算结果表明，是一贯中心线附近高（接近于0），再次与杂散晶体中心线附近的观测一致。奇怪的是，低功耗焊接，是在右侧较大值的 49，但在较低的值是较大上 左侧。大概是值低足以使整个低功率焊接，这种差异没有影响杂散晶体的形成，在低功率焊接的晶体。同样的行为被发现在较高的功率焊接，但这些焊缝更拉长。因此，相应的 50区是整个焊缝的小部分优先预测左侧杂散晶体形成的影响是最小的。 最近的另一项研究最佳工艺条件下的激光金属成形镍基单晶高温合金9。杂散晶体形成的程度是预测的基础上杂散晶体形成机制机制。的加工条件进行了检查，得出的结论是减少束功率是可取的，在这项研究中发现。焊接速度的影响较为复杂。结果发现，在高功率，增加梁的速度是有害的，而在低功率，不同速度是无关紧要的9。这些结果与本文不相一致，它一般被确定更高的速度，尤其是在更高的功率水平，能更好地预测。在两个分析可以解释不同的预测使用这两种方法的重要差异。在早期的工作中，参数G3.4 / V是用于监视的倾向，形成杂散晶体。然而，由于式。 （7），没有线性变化与G3.4 / V。因此，它是更好地使用变量，这直接关系到流浪晶体形成的程度比较直接的变量G3.4 / V。此外，早期的工作认为是一个简单的变量G3.4 /V平均计算的中心线。平均值通过中心线来估算，平均通过没有任何关于厚度在前面的凝固的方向中心线的平面。这是问题的原因有两个。这是有问题的有两个原因。第一,它是更适当的使用面积加权数做平均为目前的研究中一个简单的线性比平均水平。在以前的情况下,实际焊缝形状作考虑。甚至如果一个极限分析的基础上,增加一个中心线凝固前应注意的方向帐户,这样就焊缝的延伸率适当的考虑。第二,场均G3.4 /祝导致偏斜的结果。以上某一临界值G3.4 / V,形成杂散体和更高的价值G3.4 / V的不当会歪曲平均水平。这个问题是避免的参数使用。检查这个结论,提出了一种平均面积计算G3.4 / V)在本研究中。它被发现的这些结果的人,更分散,一致趋势不能被确认。原因是由于这样的事实,即平均G3.4 / V放太多了强调高价值G3.4 / V附近发现的融合线(或在熔池的底部如果只有平面被认为是中心线)。相反,使用一个面积加权数平均的变多了这个数量一致,大概是由于反映实际可能形成颗体。流浪这利用面积加权数平均也可以负责不同的预测有关焊接速度的影响。在高焊接速度变得相当长焊缝和更大的分数凝固前总表面相对应的低值,因此,在一般面积加权数平均小,会在高一个简单的平均速度相比。进一步实验是需要确定预测使用一个面积加权数平均的确是更多准确。 焊速 =85热梯度 =75热梯度 =45热梯度 45熔池部分表 84.3。什么是最佳的焊接条件和焊接方向？目前的结果提供了宝贵的见解用来预测最佳的焊接条件。在一般情况下，计算表明，低功耗和高速条件是可取的。对于各种条件下的在目前的工作进行检查，焊接速度0.42 m/s和550 W的功率是明确的条件此时是最小的（见表6）。在这样一个高的焊接速度，增加焊接功率到1000w对的影响是比较小的，但是不能加高太多，因为不完全熔化的影响。一个尚未列入考虑目前的研究是与不同焊接条件下应力水平，应力会导致开裂。在一般情况下，更高的速度焊缝产生更高的压力，所以有可能是速度的上限基于压力的考虑。此外，在高焊接速度，凝固速度会很高，这可能导致更广泛的非平衡凝固和分区。高速的后果分配行为却忽视了这研究。最后，在Ga“umann等的工作。 9有人建议，避免预热。虽然预热的效果是不检查目前的研究，很明显，预热将减少热梯度，这将是有害的杂散晶体形成倾向（它，实际上，能降低压力）。目前的工作还显