Numerical Simulation of Molten Pool Morphology and Temperature Field Evolution of Nickel-based Superalloys During Arc Welding Repair

BAO Heming; WU Wenjie; WEI Shaoming; GUO Changming; ZHANG Xu; WANG Rong; ZHANG Qingyu; HUANG Chunjie

doi:10.15980/j.tzzz.T20250270

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Numerical Simulation of Molten Pool Morphology and Temperature Field Evolution of Nickel-based Superalloys During Arc Welding Repair

Research·Computer Application | 更新时间：2026-10-16

- Numerical Simulation of Molten Pool Morphology and Temperature Field Evolution of Nickel-based Superalloys During Arc Welding Repair
- Special Casting & Nonferrous Alloys Vol. 46, Issue 10, Pages: 1519-1530(2026)
- 作者机构：
  
  1.中国联合重型燃气轮机技术有限公司，北京 100061
  2.苏州大学金属材料与先进制造学院，苏州 215137
  3.西北工业大学陕西省摩擦焊接工程技术重点实验室，西安 710072
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.15980/j.tzzz.T20250270
  CLC： TG47;TG146.1⁺5
- Received：03 July 2025，
  
  Revised：2025-09-13，
  
  Accepted：30 September 2025，
  
  Published：20 October 2026
- 稿件说明：
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鲍鹤鸣，武文杰，魏绍明，等. 镍基高温合金电弧焊修复熔池形貌及温度场演变模拟［J］. 特种铸造及有色合金，2026，46（10）：1 519-1 530.

BAO H M，WU W J，WEI S M，et al. Numerical simulation of molten pool morphology and temperature field evolution of nickel-based superalloys during arc welding repair ［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2026，46（10）：1 519-1 530.
鲍鹤鸣，武文杰，魏绍明，等. 镍基高温合金电弧焊修复熔池形貌及温度场演变模拟［J］. 特种铸造及有色合金，2026，46（10）：1 519-1 530. DOI： 10.15980/j.tzzz.T20250270.

BAO H M，WU W J，WEI S M，et al. Numerical simulation of molten pool morphology and temperature field evolution of nickel-based superalloys during arc welding repair ［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2026，46（10）：1 519-1 530. DOI： 10.15980/j.tzzz.T20250270.

摘要

针对GH3536与GH4163镍基高温合金电弧焊修复过程中熔池内部温度场难以实现动态监测的问题，采用ANSYS Fluent仿真软件构建仿真模型，借助自定义函数重现实际修复运动过程中的试验场景，获取熔池内流场、温度场动态演变的模拟数据，并开展力学性能试验与分析。结果表明，两种合金的修复区域均呈现典型的“前高后低”特征：在焊接初始阶段，熔池表面温度波动较为显著，而随着熔深的增加，以热传导为主导的底部区域温度-时间曲线相对平滑。受黏度、热导率等热物性参数差异的影响，在相同修复工艺条件下，GH4163合金熔池尺寸更大，升温速率更快，但峰值温度低于GH3536合金熔池。随着焊接速度提高，熔池升温阶段缩短，峰值温度有所下降。焊接速度不宜过高，以保证熔覆层厚度和形貌的均匀性，进而确保修复件的服役性能。

Abstract

To address the difficulty in dynamically monitoring the internal temperature field within the molten pool of GH3536 and GH4163 nickel-based superalloys during arc welding repairs， a simulation model was constructed using ANSYS Fluent software. The experimental scenarios from actual repair motion were reproduced by customized functions to yield simulation data on dynamic evolution of flow and temperature fields within the molten pool， and mechanical performance tests were carried out and analyzed. The results reveal that both alloys are featured by " high-front， low-rear " feature in the repair zones. In the initial welding stage， significant fluctuations occur in the molten pool surface， while the temperature-time curve in the bottom region dominated by heat conduction becomes smooth as penetration depth rises. The size of molten pool in GH4163 alloy is larger with higher heating rate under identical repair conditions due to the differences in thermophysical properties such as viscosity and thermal conductivity， while the peak temperature is lower than that of GH3536 alloy. With welding speed increasing， the heating stage of the molten pool is shortened and the peak temperature is decreased， indicating moderate welding speed to ensure the uniformity of thickness and morphology of cladding layer， thereby guaranteeing the service performance of repaired component.

关键词

Keywords

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