01 Wprowadzenie
W produkcji dużych komponentów, takich jak-pociągi dużych prędkości, przemysł stoczniowy i sprzęt energetyczny, spawanie grubych blach jest jednym z kluczowych procesów. Jednak ze względu na ograniczenia w dokładności obróbki, błędy montażowe i odkształcenia termiczne podczas procesu spawania, szczelina spoiny często się zmienia. Gdy szczelina między płytami jest mała, prawdopodobne jest wystąpienie niepełnej penetracji lub zmarszczek grani, podczas gdy duże szczeliny zwykle powodują zapadnięcie się spoiny. Obecne badania opierają się głównie na warunkach stałej szczeliny, natomiast stosunkowo niewiele jest badań nad spawaniem ze zmiennymi szczelinami. W szczególności w przypadku spawania hybrydowego łukiem laserowym osiągnięcie zarówno tłumienia tętnień w przypadku małych szczelin, jak i dobrej zdolności mostkowania w przypadku dużych szczelin pozostaje wyzwaniem w zastosowaniach inżynieryjnych. Niniejsze badanie skupia się na stali odpornej na warunki atmosferyczne o grubości 12 mm-, a jego celem jest wyjaśnienie mechanizmów tworzenia spoin i tłumienia defektów podczas hybrydowego spawania oscylacyjnym łukiem laserowym w warunkach zmiennej szczeliny, zapewnienie wsparcia teoretycznego i procesowego dla spawania grubych blach ze zmiennymi szczelinami oraz promowanie dalszego zastosowania przemysłowego i przyjęcia technologii hybrydowego spawania oscylacyjnego lasera i łuku.
02 Przegląd pełnego tekstu
W tym badaniu podjęto wyzwania związane z garbami korzeniowymi i niewystarczającą zdolnością mostkowania podczas spawania hybrydowego-laserem-grubych blach ze zmiennym-przerwą{1}}łukiem i systematycznie badano mechanizm, dzięki któremu lasery oscylacyjne wpływają na proces spawania. Materiałem bazowym doświadczalnym była stal odporna na warunki atmosferyczne S355J2W o grubości 12 mm. Skonstruowano hybrydowy system spawania przy użyciu lasera światłowodowego TruDisk-10002 (maksymalna moc 10 kW, długość fali 1070 nm) w połączeniu ze sprzętem do spawania łukowego, ze stale zmieniającą się szczeliną montażową (0 - 3 mm) ustawioną wzdłuż całej spoiny w celu symulacji warunków zmiennych-szczelin powszechnie spotykanych w rzeczywistej produkcji. Podczas badania moc lasera (6,5 kW), prędkość spawania (16 mm/s) i prędkość podawania drutu (10 m/min) utrzymywano na stałym poziomie, przy czym głównymi zmiennymi kontrolowanymi w eksperymentach były parametry oscylacji lasera (amplituda, częstotliwość). Do synchronicznego zarejestrowania zachowania jeziorka stopionego i morfologii łuku po przedniej i tylnej stronie spoiny wykorzystano-szybką fotografię. Dodatkowo wykorzystano zestaw narzędzi PIVlab w programie MATLAB do przeprowadzenia-analizy korelacji krzyżowej na szybkich obrazach roztopionego jeziorka, ekstrahując ilościowo pole prędkości ciekłego metalu i pole wirowości podczas tworzenia się garbów. Metoda ta przekształca dane wizualizacji przepływu w wymierne parametry fizyczne (prędkość, wirowość), zapewniając solidne wsparcie danych w celu ujawnienia mechanizmu powstawania garbów. Jeśli chodzi o analizę morfologii łuku, badacze dokładnie ocenili wpływ lasera oscylacyjnego na zachowanie łuku, obliczając odchylenie standardowe kąta odchylenia łuku. Ostatecznie, przy parametrach oscylacji wynoszących amplitudę 1,5 mm i częstotliwość 200 Hz, uzyskano dobre tworzenie spoiny bez garbów i zapadania się w zmiennym zakresie szczeliny 0-2,5 mm. Kompleksowa analiza wykazała, że zamknięcie dziurki od klucza prowadzi do powstania garbu korzeniowego, podczas gdy laser oscylacyjny skutecznie zapobiega tworzeniu się garbu poprzez stabilizację dziurki od klucza, poprawę płynności roztopionego jeziorka i zwiększenie napięcia powierzchniowego na końcu roztopionego jeziorka.
Rysunek 03 ilustruje bezpośrednie porównanie decydującego wpływu różnych parametrów oscylacji na powstawanie spoin o zmiennej-szczelinie. Bez oscylacji lasera w małej szczelinie (1 mm) pojawia się garb korzeniowy, a w miarę zwiększania się szczeliny pojawia się zapadnięcie powierzchni, co wskazuje na słabą zdolność adaptacji szczeliny. Zmiana parametrów oscylacji lasera poprawia formowanie-przedniej strony, ale tylna strona nadal ma garby lub spoina staje się węższa. Ostatecznymi parametrami są amplituda 1,5 mm i częstotliwość 200 Hz. W całym zakresie zmiennych-szczelin po obu stronach uzyskuje się doskonałe spoiny bez garbów i zapadnięć, co pokazuje kluczową rolę optymalizacji parametrów oscylacji.
Rysunek 1. Tworzenie spoiny przy różnych parametrach spawania. Szerokość spoiny waha się od 0 mm do 3 mm wzdłuż kierunku spawania: (a) Brak oscylacji; (b) amplituda oscylacji 1 mm, częstotliwość 100 Hz; (c) amplituda oscylacji 1,5 mm, częstotliwość 100 Hz; (d) Amplituda oscylacji 1,5 mm, częstotliwość 200 Hz.
Rysunek 2 pokazuje, że w ciągu jednego cyklu, bez oscylacji, łuk odchyla się nieregularnie w lewo i w prawo, natomiast w przypadku lasera oscylacyjnego łuk pozostaje stabilnie wyśrodkowany, o pełnym i stabilnym kształcie, nie wykazując znaczących odchyleń bocznych. Pokazuje to, że w warunkach bez lasera oscylacyjnego sama duża szczelina jest podstawową przyczyną niestabilności kształtu łuku. Łuk ma tendencję do poszukiwania najbliższej ścieżki przewodzącej (tj. bocznej ściany rowka), co powoduje nierównomierne nagrzewanie. Wprowadzenie lasera oscylacyjnego, niezależnie od tego, czy parametry są optymalne, może w znacznym stopniu stłumić boczne ugięcie łuku i utrzymać jego stabilność w środku spoiny.
Rysunek 2. Morfologia spoiny przy różnych prędkościach spawania: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
Rysunek 3 przedstawia ilościowo stopień ugięcia łuku. Bez oscylacji lasera odchylenie standardowe kąta odchylenia wynosi 23,6 stopnia, co wskazuje na poważne wahania łuku; po zastosowaniu lasera oscylacyjnego odchylenie standardowe spada do 3,5 stopnia, a stabilność poprawia się o 85,2%. Dostarcza to danych potwierdzających, że „laser oscylacyjny może znacząco ustabilizować łuk”.
Rysunek 3. Sześciokrotny pomiar kątów odchylenia łuku w odstępie 2,5 mm: (a) Schematyczny diagram kątów odchylenia łuku; (b) Stopień ugięcia łuku przy różnych parametrach. Różnica między 1 a 2 oznacza stopień ugięcia łuku.
Rysunek 4 ilustruje, że podczas procesu spawania stopiony metal przepływa w kierunku dziurki od klucza w postaci fal, powodując gwałtowne wahania dziurki od klucza i zapadanie się. Oscylacje lasera mogą zwiększyć konwekcję cieplną w roztopionym jeziorku, tworząc wiry w pobliżu dziurki od klucza. Stopiony metal przepływa od dziurki od klucza do jej ogona, amortyzując uderzenie kropel i utrzymując dziurkę od klucza stabilnie otwartą. Wskazuje to, że lasery oscylacyjne mogą stabilizować proces spawania poprzez zmianę pola przepływu stopionego jeziorka.
Rysunek 4. Przepływ jeziorka stopionego od czasu T0 do T0 + 2.7 ms w warunkach zerowej szczeliny: (a) Brak oscylacji lasera; (b) Amplituda 1 mm, częstotliwość 100 Hz; (c) Amplituda 1,5 mm, częstotliwość 200 Hz. Żółte i zielone strzałki wskazują odpowiednio wiry generowane przez oscylujący laser i kierunek przepływu roztopionego metalu; białe i pomarańczowe linie wskazują odpowiednio dziurkę od klucza i stopione kropelki.
Rysunek 5 ilustruje dynamiczne zachowanie stopionego metalu w jeziorku spawalniczym przy-zoptymalizowanych parametrach oscylacji (amplituda 1 mm, częstotliwość 100 Hz) podczas tworzenia garbu graniowego, co pozwala na przejście badania defektów spawalniczych z makroskopowej obserwacji morfologicznej na nowy poziom ilościowej analizy dynamiki płynów. Rozkład wektora prędkości pokazuje kierunek i wielkość przepływu stopionego metalu w jeziorku spawalniczym, podczas gdy pole prędkości w bardziej intuicyjny sposób pokazuje przestrzenny rozkład prędkości przepływu. Jednocześnie w obszarze powstawania garbów występują wysokie wartości wirowości, wskazujące na silny przepływ rotacyjny lub ścinający cieczy w tym miejscu. Ten rotacyjny wzór przepływu sprzyja gromadzeniu się i niestabilnemu wzrostowi roztopionego metalu, co jest typową cechą pola przepływu charakterystyczną dla tworzenia się garbów.
Rysunek 5. Wyniki prędkościomierza obrazu cząstek w różnych momentach tworzenia garbu korzeniowego: (a) rozkład wektora prędkości; (b) rozkład pola prędkości; (c) rozkład pola wirowego. Żółte i białe przerywane linie wskazują kontur garbu.
04 Podsumowanie: Niniejsze badanie dotyczy wyzwań branżowych związanych z garbami graniowymi i niewystarczającą-możliwością mostkowania szczelin w spawaniu hybrydowym-laserowym-o zmiennym łuku grubych płyt. Dzięki systematycznym eksperymentom połączonym z zaawansowanymi technikami diagnostycznymi,-takimi jak obrazowanie z dużą szybkością i prędkośćmetria obrazu cząstek, odkryto mechanizm tłumienia defektów lasera oscylacyjnego. Wyniki wskazują, że przy zoptymalizowanych parametrach oscylacji laser powiększając i stabilizując dziurkę od klucza, znacząco poprawia kanał przewodzący łuk, zmniejszając stopień odchylenia łuku o 85,2%, stabilizując w ten sposób zachowanie łuku. Jednocześnie laser oscylacyjny zmienia pole przepływu jeziorka stopionego materiału, tworząc stabilny wir i utrzymując szerokość dziurki od klucza, ostatecznie uzyskując-spoiny wysokiej jakości, pozbawione garbów i zapadnięć przy zmiennym zakresie szczeliny 0-2,5 mm. To badanie nie tylko pogłębia teoretyczne zrozumienie mechanizmów powstawania i tłumienia defektów spawalniczych z punktu widzenia dynamiki płynów, ale także zapewnia niezawodny schemat procesu i podstawę teoretyczną do rozwiązywania problemów związanych ze spawaniem zmiennych-szczelin w produkcji dużych komponentów, co ma znaczącą wartość w promowaniu zastosowania technologii hybrydowego spawania łukiem laserowym w dużych projektach inżynieryjnych.
