01
Основні моменти паперу
Лазери над-високої-потужності дозволяють зварювати-за один прохід товсті-компоненти, пропонуючи такі переваги, як висока ефективність і низька вартість; однак поява горбистих дефектів перешкоджає їх практичному застосуванню. У цьому дослідженні пропонується метод усунення дефектів горбистості на основі текстурування поверхні поверхонь стикового-з’єднання, успішно досягаючи високо{6}}якісного однопрохідного-зварювання нержавіючої сталі товщиною 20 мм. Було створено модель обчислювальної гідродинаміки (CFD), що включає особливості мікроструктури поверхні, і її результати моделювання продемонстрували хорошу узгодженість з експериментальними даними. Текстурування поверхні має два основні прямі ефекти: воно сприяє розширенню басейну розплаву та посилює поглинання енергії лазера, таким чином полегшуючи перехід замкової щілини з не-проникаючого стану в проникаючий. Розплавлений метал біля стінок замкової щілини демонструє вищі тангенціальні швидкості, одночасно перешкоджаючи низхідному потоку розплаву; крім того, відсутність зони низької-швидкості на дні басейну розплаву забезпечує стягнення розплаву-натягу-зворотного-розплаву, тим самим пригнічуючи утворення горбистих дефектів. Отримані зварні шви мають більш дрібне зерно та більшу частку низько{18}}кутових меж зерен, демонструючи чудову міцність на розтягнення та подовження. Зміни в мікроструктурі зварного шва викликані більш інтенсивними термічними циклами, які зазнає ванна розплаву, тоді як поліпшення механічних властивостей в першу чергу пояснюється покращеною якістю формування зварного шва. Цей метод не потребує додаткового допоміжного обладнання під час процесу зварювання, пропонуючи багатообіцяюче рішення для промислового застосування над-високо-потужного лазерного зварювання за один-прохід у виробництві товстих-компонентів.
02
**Огляд повного тексту**
Вирішуючи проблеми, пов’язані з над-високо-потужним-лазерним однопрохідним зварюванням товстих листів-зокрема, його сприйнятливість до дефектів «горбистості», незважаючи на його високу ефективність і низьку вартість, а також залежність існуючих методів придушення від додаткового допоміжного обладнання-це дослідження пропонує метод мікро-структурування поверхні для поперечні-перерізи-стикового з’єднання, використовуючи аустенітну нержавіючу сталь 316L товщиною 20 мм як експериментальний матеріал. Поверхневі мікро{11}}структури з різними параметрами були виготовлені за допомогою імпульсного лазерного сканування сіткою (позначеного як P-0 для не-контрольної групи, де всі параметри були встановлені на нуль; і від P-1 до P-4 для мікро-структурованих груп, кожна з яких мала проміжок сканування 0,1 мм, але відрізняються потужністю лазера та частотою імпульсів). Крім того, була створена CFD-модель, що включає особливості мікро-структури поверхні, і дослідження проводилося з використанням комплексного набору методів, включаючи лазерну конфокальну мікроскопію, дифракцію зворотного розсіювання електронів (EBSD), випробування на розтяг і високо-швидкісне формування зображень. Експериментальні результати демонструють, що група параметрів P-2 (потужність лазера: 90 Вт; частота імпульсів: 100 Гц) ефективно пригнічує дефекти горбистості, завдяки чому досягається високо{31}}якісне-зварювання за один прохід. Основний механізм включає мікро-структурування поверхні, що сприяє розширенню ванни розплаву та поглинанню лазерної енергії, таким чином полегшуючи перехід замкової щілини з не-проникаючого стану в проникаючий. Цей перехід призводить до збільшення тангенціальної швидкості розплавленого металу біля стінок замкової щілини, гальмування низхідного потоку розплаву та усунення зон низької -швидкості на дні басейну розплаву. Одночасно мікроструктура зварного шва демонструє подрібнення зерна та зменшену частку низько{41}}кутових меж зерен; отже, міцність на розрив і подовження досягають 96% і 65% значень основного металу відповідно. Цей метод не потребує додаткового допоміжного обладнання, забезпечує високу гнучкість і універсальність і забезпечує життєздатне рішення для промислового застосування надпотужного лазерного зварювання товстих пластин. Однак у дослідженні також визнаються певні обмеження, такі як вимога до додаткового етапу обробки та відсутність чітко визначеної кореляції між конкретними матеріалами та оптимальною шорсткістю поверхні, що вказує на необхідність подальших досліджень і вдосконалень у майбутньому.
03
Візуальний аналіз
На малюнку 1 показано, що поверхня зразка P-0 (a, f) не має жодної мікроструктури, виглядає абсолютно гладкою та плоскою. Зразок P-1 (b, g)-оброблений із застосуванням низької потужності та високої швидкості сканування (45 Вт, 150 Гц)-характеризується шаховими,-лусками-риб’ячої луски (Ra=6.23 мкм). Зразок P-2 (c, h)-оброблений при 90 Вт і 100 Гц-відображає безперервні брижі-канавки (Ra=10.43 мкм) без супутніх бризок. Зразки P-3 (d, i) і P-4 (e, j) - оброблені при більш високому рівні потужності (120 Вт) - демонструють значення Ra, що досягають 20,48 мкм і 26,43 мкм відповідно, характеризуються наявністю глибоких канавок і частинок бризок. Ці результати демонструють, що мікроструктури групи P-2 мають помірну шорсткість; ця конфігурація ефективно забезпечує поглинання енергії лазера, одночасно уникаючи надмірних зазорів, тим самим закладаючи міцну основу для придушення дефектів горбистості. Навпаки, зразок P-0, який не пройшов структурування поверхні, не може досягти цього корисного ефекту.
04
Резюме
У цьому дослідженні пропонується метод мікро-структурування поверхні стикових з’єднань, завдяки якому успішно досягається придушення «горбових» дефектів під час одно-прохідного над-високо-лазерного зварювання нержавіючої сталі 316L товщиною 20 мм. Такий підхід дозволяє виготовляти високо{7}}якісні з’єднання без необхідності використання додаткового допоміжного обладнання. У цьому методі використовується імпульсний лазер для виготовлення мікро-структур помірної шорсткості на поверхні суглоба (з стиковим зазором у діапазоні від 1/15 до 2/15 діаметра лазерної плями). З одного боку, це сприяє розширенню зварювальної ванни та посилює поглинання лазерної енергії, тим самим полегшуючи перехід замкової щілини із закритого стану в стабільний, повністю проникаючий стан. З іншого боку, використовуючи ефект Марангоні, він збільшує тангенціальну швидкість розплавленого металу біля стінок замкової щілини, тим самим перешкоджаючи низхідному потоку розплаву та усуваючи зони низької -швидкості на дні зварювальної ванни, істотно зменшуючи накопичення розплаву в основі. Крім того, мікро-структурування поверхні піддає зварний шов вищим піковим температурам і подовжує час перебування при підвищених температурах, що призводить до подрібнення зерна. Зрештою, це призводить до поліпшення механічних властивостей, при цьому міцність на розрив і подовження з’єднання досягають 96% і 65% значень основного металу відповідно. Порівняно з традиційними методами-такими як-вакуумні або електромагнітні методи-цей підхід забезпечує виняткову гнучкість і широке застосування; теоретично він підходить для з'єднання довгих швів і криволінійних поверхонь різної товщини матеріалу. Однак залишаються певні обмеження, включаючи вимогу додаткових етапів обробки та відсутність чітко визначених кореляцій між конкретними матеріалами та їх оптимальними параметрами шорсткості поверхні; отже, майбутні дослідження мають зосередитися на подальшій оптимізації ефективності процесу мікро-структурування.
