电渣熔焊引弧与热封顶阶段工艺标准化研究：实验与数值模拟分析

推荐：针对电渣熔焊(ESFW)过程中熔焊区(FWZ)易出现冶金缺陷的问题，研究人员通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了引弧高度、预热温度、电极熔化速率及热封顶电参数等关键工艺参数。研究发现：当预热温度达700 K且引弧高度不超过初始渣层15 mm时，可消除底部未熔合缺陷；热封顶工艺虽延长局部凝固时间(LST)导致晶粒粗化，但能有效减少收缩孔洞并改善铬元素宏观偏析。该研究为大型高端装备快速制造提供了理论依据和实践指导。

　　

电渣熔焊(ESFW)作为从电渣重熔(ESR)技术发展而来的先进冶金工艺，为制造复杂形状或超大型特殊钢及高温合金设备提供了创新解决方案。这种技术将大型设备制造分解为小型部件生产后通过ESFW连接，但熔焊区(FWZ)存在的冶金缺陷严重制约其应用——底部区域频发未熔合(LOF)、夹渣和缩孔，顶部区域则因非平衡凝固产生脆性相(如Laves相)和显微组织不均匀性。其中引弧过程直接决定底部FWZ的初始熔合质量，热封顶过程则控制顶部区域的凝固与补缩，这两个关键工艺环节的优化成为提升ESFW连接质量的核心突破口。

为攻克这些难题，东北大学冶金学院的Haoran Xu、Baokuan Li等团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，通过多物理场耦合建模与实验验证相结合的方法，首次系统研究了ESFW引弧与热封顶阶段的工艺标准化问题。研究采用ANSYS Fluent 18.0建立包含电磁场、流体流动、传热、凝固/熔化和溶质传输的全耦合模型，通过有限体积法(FVM)求解控制方程。关键技术创新包括：采用体积分数(VOF)方法追踪渣-金界面，基于磁矢量势方程处理交流电磁场的时间平均效应，运用焓-孔隙度技术模拟枝晶区凝固行为，并开发了基于恒定电极熔化速率的动态电压调节算法。实验部分选用ZG04Cr13Ni5Mo超级马氏体不锈钢(成分：0.045C-12.5Cr-5.5Ni-1Mo)进行验证，通过EBSD(电子背散射衍射)分析晶粒尺寸与局部凝固时间的关联性。

在引弧工艺优化方面，研究发现：

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  当预热温度达700 K且引弧高度(80 mm)不超过初始渣层(95 mm)15 mm时，FWZ底部实现完全熔合，消除未熔合缺陷。数值模拟显示此时最大水平熔深达2.46 mm，而500 K预热条件下仅0.94 mm。

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  电流路径分析揭示渣池中焦耳热集中分布在渣-气界面下方20 mm区域，这一特征与ESFW高度无关，为引弧高度设计提供了理论依据。

热封顶工艺的影响表现为双重效应：

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  积极方面：有效减少收缩孔洞，在电极熔化速率<2.6 kg·min^-1时能将铬元素负偏析指数(低于-0.04)的发生率降至最低。

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  消极影响：使FWZ顶部局部凝固时间(LST)延长至445秒(2.904 kg·min^-1工况)，导致晶粒粗化。铬元素分布显示，热封顶加剧了FWZ中心的正偏析(峰值13.186%)，但将边缘区域铬含量维持在抗点蚀临界值11.5%以上。

微观组织调控方面取得突破性发现：

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  通过EBSD检测建立晶粒等效圆直径与LST的幂律关系：d=3.21×LST^0.18，其中中心轴区域平均晶粒尺寸(8.72-9.4 μm)显著大于边缘区域(7.73-8.45 μm)，与LST分布(262.4-278.8 s vs 68.4-192.8 s)呈正相关。

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  二次枝晶臂间距(SDAS)和马氏体板条束尺寸均随LST增加而增大，证实凝固时间对组织均匀性的决定性影响。

该研究构建了ESFW全流程工艺控制体系：开发了基于实时渣池温度监测的电压调节系统，使电极熔化速率波动控制在±2%内；提出的引弧高度设计准则(不超过初始渣层高度15 mm)和热封顶电参数曲线(终段恒压5V)可直接推广至其他几何尺寸部件生产。特别值得注意的是，研究强调顶部模具应近似绝热设计以防止渣皮形成，这一发现对实际生产具有重要指导价值。

这项工作的科学意义在于：首次通过多尺度建模揭示了ESFW过程中铬元素宏观偏析与局部凝固行为的耦合机制，建立的工艺-组织-性能关联模型为特种焊接材料设计提供了新思路。在工程应用层面，开发的恒定电极熔化速率控制技术显著提升了大型构件制造的重复性和可靠性，为水轮机转轮、核电压力容器等高端装备的快速成型提供了关键技术支撑。未来研究可进一步探索脉冲电流对枝晶破碎的影响，以及多组元渣系对元素偏析行为的调控作用。