01 Вступ
У виробництві великих компонентів, таких як високо-швидкісні поїзди, суднобудування та енергетичне обладнання, зварювання товстих пластин є одним із ключових процесів. Однак через обмеження в точності обробки, помилки складання та термічні деформації під час процесу зварювання зварний зазор часто змінюється. Коли зазор між пластинами невеликий, ймовірно, виникне неповне проварювання або хвилі кореня, тоді як великі зазори, як правило, призводять до розпаду зварного шва. Сучасні дослідження здебільшого базуються на умовах постійного зазору, а досліджень щодо зварювання зі змінними зазорами відносно бракує. Зокрема, у лазерно-дуговому гібридному зварюванні досягнення як придушення пульсацій при малих зазорах, так і хорошої здатності перемикання за великих зазорів залишається проблемою в інженерних додатках. У цьому дослідженні зосереджено 12-мм -зварювальної сталі з метою з’ясування механізмів утворення зварних швів і придушення дефектів під час осцилюючого лазерно-дугового гібридного зварювання в умовах змінного зазору, забезпечення теоретичної та технологічної підтримки зварювання товстих листів зі змінними зазорами, а також сприяння подальшому промисловому застосуванню та прийняттю коливальної лазерно-дугової гібридної технології зварювання.
02 Повний огляд тексту
У цьому дослідженні розглядаються проблеми гібридного лазерного-дугового зварювання зі змінним зазором-дугового-зварювання товстої сталевої пластини, а також систематично досліджується механізм, за допомогою якого осцилюючі лазери впливають на процес зварювання. Експериментальним базовим матеріалом була вивітрювана сталь S355J2W товщиною 12 мм. Гібридна зварювальна система була створена за допомогою волоконного лазера TruDisk-10002 (максимальна потужність 10 кВт, довжина хвилі 1070 нм) у поєднанні з обладнанням для дугового зварювання з безперервно змінним монтажним зазором (0 - 3 мм), встановленим уздовж усього зварювального шва, щоб імітувати змінні-умови зазору, які зазвичай зустрічаються в фактичне виробництво. Під час дослідження потужність лазера (6,5 кВт), швидкість зварювання (16 мм/с) і швидкість подачі дроту (10 м/хв) підтримувалися постійними, а параметри лазерних коливань (амплітуда, частота) були основними контрольованими змінними в експериментах. Високо{19}}зйомку використовували для синхронного запису поведінки розплавленої ванни та морфології дуги на передній і задній сторонах зварного шва. Крім того, набір інструментів PIVlab у MATLAB використовувався для виконання крос-кореляційного аналізу на високошвидкісних зображеннях купи розплаву, кількісного виділення поля швидкості рідкого металу та поля завихреності під час утворення горбів. Цей метод перетворює дані візуалізації потоку у кількісно вимірювані фізичні параметри (швидкість, завихреність), забезпечуючи надійну підтримку даних для виявлення механізму утворення горба. Щодо аналізу морфології дуги, дослідники точно оцінили вплив осцилюючого лазера на поведінку дуги шляхом розрахунку стандартного відхилення кута відхилення дуги. Зрештою, за параметрів коливань амплітуди 1,5 мм і частоти 200 Гц було досягнуто хороше утворення зварного шва без горбів або колапсу в діапазоні змінного зазору 0-2,5 мм. Всебічний аналіз показав, що закриття замкової щілини призводить до утворення горба кореня, тоді як осцилюючий лазер ефективно пригнічує утворення горба, стабілізуючи замкову щілину, покращуючи текучість басейну розплаву та збільшуючи поверхневий натяг у хвості басейну розплаву.
На малюнку 03 показано пряме порівняння вирішального впливу різних параметрів коливань на формування зварних швів зі змінним-зазором. Без лазерної осциляції при невеликому зазорі (1 мм) виникає горбистість кореня, а зі збільшенням зазору з’являється згортання поверхні, що вказує на погану адаптованість зазору. Зміна параметрів лазерних коливань покращує формування передньої- сторони, але на задній стороні все ще є горби або зварний шов стає вужчим. Кінцевими параметрами є амплітуда 1,5 мм і частота 200 Гц. У всьому діапазоні змінного-зазору з обох боків досягаються чудові зварні шви без горбистості чи колапсу, що демонструє ключову роль оптимізації параметрів коливань.
Рисунок 1. Формування зварного шва при різних параметрах зварювання. Ширина зварного шва змінюється від 0 мм до 3 мм уздовж напрямку зварювання: (а) відсутність коливань; (б) Амплітуда коливань 1 мм, частота 100 Гц; (в) Амплітуда коливань 1,5 мм, частота 100 Гц; (г) Амплітуда коливань 1,5 мм, частота 200 Гц.
На малюнку 2 показано, що протягом одного циклу без коливань дуга відхиляється нерівномірно вліво та вправо, тоді як за допомогою осцилюючого лазера дуга залишається стабільно центрованою, має повну та стабільну форму, не демонструючи значного бічного відхилення. Це демонструє, що за умов відсутності осцилюючого лазера великий зазор сам по собі є основною причиною нестабільності форми дуги. Дуга має тенденцію шукати найближчий провідний шлях (тобто бічну стінку канавки), що призводить до нерівномірного нагрівання. Введення осцилюючого лазера, незалежно від того, чи є параметри оптимальними, може значно пригнічувати бічні відхилення дуги та підтримувати її стабільність у центрі зварного шва.
Рисунок 2. Морфологія зварного шва при різних швидкостях зварювання: (а) 1,5 м/хв (б) 1,8 м/хв (в) 2,1 м/хв.
Рисунок 3 кількісно визначає ступінь відхилення дуги. Без лазерного коливання стандартне відхилення кута відхилення становить 23,6 градуса, що вказує на сильні коливання дуги; після використання осцилюючого лазера стандартне відхилення падає до 3,5 градусів, стабільність покращується на 85,2%. Це надає дані, які свідчать про те, що «осцилюючий лазер може значно стабілізувати дугу».
Рисунок 3. Вимірювання кутів відхилення дуги шість разів під зазором 2,5 мм: (а) Схематична діаграма кутів відхилення дуги; (b) Ступінь відхилення дуги за різних параметрів. Різниця між 1 і 2 представляє ступінь відхилення дуги.
На малюнку 4 показано, що під час процесу зварювання розплавлений метал тече до замкової щілини у вигляді хвиль, викликаючи різкі коливання та руйнування замкової щілини. Лазерне коливання може посилити теплову конвекцію в розплавленому басейні, утворюючи вихори біля замкової щілини. Розплавлений метал тече навколо замкової щілини до її хвоста, пом’якшуючи удари крапель і утримуючи замкову щілину стабільно відкритою. Це вказує на те, що осцилюючі лазери можуть стабілізувати процес зварювання, змінюючи поле потоку ванни розплаву.
Рисунок 4. Потік басейну розплаву від часу T0 до T0 + 2.7 мс за умов нульового зазору: (a) відсутність лазерних коливань; (b) Амплітуда 1 мм, частота 100 Гц; (c) Амплітуда 1,5 мм, частота 200 Гц. Жовта та зелена стрілки вказують відповідно на вихори, створені коливальним лазером, і напрямок потоку розплавленого металу; білі та помаранчеві лінії позначають замкову щілину та розплавлені краплі відповідно.
Рисунок 5 ілюструє динамічну поведінку розплавленого металу у зварювальній ванні за не-оптимізованих параметрів коливань (амплітуда 1 мм, частота 100 Гц) під час формування кореневого горба, що просуває дослідження дефектів зварювання від макроскопічного морфологічного спостереження до нового рівня кількісного аналізу гідродинаміки. Розподіл вектора швидкості показує напрямок і величину потоку розплавленого металу всередині зварювальної ванни, тоді як поле швидкості більш інтуїтивно відображає просторовий розподіл швидкості потоку. У той же час високі значення завихреності існують в області формування горба, що вказує на сильний обертальний або зсувний потік рідини там. Така обертальна схема потоку сприяє накопиченню та нестабільному зростанню розплавленого металу, що є типовим полем потоку, характерним для утворення горба.
Рисунок 5. Результати велосиметрії зображень частинок у різні моменти формування кореневого горба: (а) розподіл вектора швидкості; (b) розподіл поля швидкостей; (в) розподіл поля завихренності. Жовті та білі пунктирні лінії позначають контур горба.
04 Підсумок: у цьому дослідженні розглядаються галузеві проблеми, пов’язані з горбистістю коренів і недостатньою здатністю{1}}усунення зазорів у гібридному-лазерному{3}}дуговому зварюванні зі змінним{2}}зазором товстої пластини. Завдяки систематичним експериментам у поєднанні з передовими методами діагностики, такими як високошвидкісна візуалізація та велосиметрія зображень частинок, було виявлено механізм придушення дефектів коливального лазера. Результати показують, що за оптимізованих параметрів коливань лазер, розширюючи та стабілізуючи замкову щілину, значно покращує провідний канал дуги, зменшуючи ступінь відхилення дуги на 85,2%, тим самим стабілізуючи поведінку дуги. У той же час осцилюючий лазер змінює поле потоку розплавленої ванни, утворюючи стабільний вихор і зберігаючи відкритість замкової щілини, в кінцевому підсумку досягаючи високо{9}}якісних зварних швів без горбів і згортання в діапазоні змінного зазору 0-2,5 мм. Це дослідження не тільки поглиблює теоретичне розуміння механізмів утворення та придушення дефектів зварювання з точки зору динаміки рідини, але й забезпечує надійну схему процесу та теоретичну основу для вирішення проблем із зварюванням-зазорами у виробництві великих компонентів, що має важливе значення для сприяння застосуванню технології лазерно-дугового гібридного зварювання у великих інженерних проектах.
