01 Introduksjon
Ved produksjon av store komponenter som høyhastighetstog, skipsbygging og energiutstyr, er sveising av tykke plater en av nøkkelprosessene. På grunn av begrensninger i maskineringsnøyaktighet, monteringsfeil og termisk deformasjon under sveiseprosessen, endres imidlertid sveisegapet ofte. Når gapet mellom platene er lite, vil det sannsynligvis oppstå ufullstendig penetrering eller rotkrusninger, mens store gap har en tendens til å resultere i sveisekollaps. Nåværende forskning er for det meste basert på konstante gapforhold, og studier på sveising med variable gap er relativt mangelfulle. Spesielt i laser-buehybridsveising er det fortsatt en utfordring i ingeniørapplikasjoner å oppnå både krusningsundertrykkelse under små mellomrom og god brodannende evne under store gap. Denne studien fokuserer på 12 mm-tykt forvitringsstål, med sikte på å klargjøre sveisedannelsen og defektundertrykkelsesmekanismene under oscillerende laser-buehybridsveising under variable gapforhold, gi teoretisk og prosessstøtte for tykk platesveising med variable gap, og fremme den videre industrielle anvendelsen og bruken av oscillerende laser-buehybridsveisingsteknologi.
02 Fulltekstoversikt
Denne studien tar for seg utfordringene med rotpukler og utilstrekkelig brodannende evne i tykk stålplate variabel-gap laser-buehybridsveising og undersøker systematisk mekanismen som oscillerende lasere påvirker sveiseprosessen med. Det eksperimentelle grunnmaterialet var 12 mm tykt S355J2W forvitringsstål. Et hybrid sveisesystem ble konstruert ved bruk av en TruDisk-10002 fiberlaser (maksimal effekt 10 kW, bølgelengde 1070 nm) i kombinasjon med buesveiseutstyr, med et kontinuerlig varierende monteringsgap (0 - 3 mm) satt langs hele sveisesømmen for å simulere de faktiske variable produksjonsforholdene{17} Under studien ble lasereffekt (6,5 kW), sveisehastighet (16 mm/s) og trådmatingshastighet (10 m/min) holdt konstant, med laseroscillasjonsparametere (amplitude, frekvens) som kjernekontrollerte variabler i eksperimentene. Høyhastighetsfotografering ble brukt til å synkront registrere oppførselen til smeltet basseng og buemorfologien på for- og baksiden av sveisen. I tillegg ble PIVlab-verktøykassen i MATLAB brukt til å utføre kryss-korrelasjonsanalyse på høyhastighetsbilder av det smeltede bassenget, og kvantitativt trekke ut det flytende metallhastighetsfeltet og virvelfeltet under dannelsen av pukler. Denne metoden konverterer strømningsvisualiseringsdata til kvantifiserbare fysiske parametere (hastighet, virvle), og gir solid datastøtte for å avsløre mekanismen for pukkeldannelse. Når det gjelder analysen av buemorfologi, vurderte forskerne nøyaktig effekten av den oscillerende laseren på bueoppførselen ved å beregne standardavviket til bueavbøyningsvinkelen. Til syvende og sist, under oscillasjonsparametere på 1,5 mm amplitude og 200 Hz frekvens, ble det oppnådd god sveiseformasjon uten pukler eller kollaps over et variabelt gapområde på 0-2,5 mm. Omfattende analyse indikerte at lukkingen av nøkkelhullet fører til rotpukkeldannelse, mens den oscillerende laseren effektivt undertrykker pukkeldannelsen ved å stabilisere nøkkelhullet, forbedre flytende flyt i smeltet basseng og øke overflatespenningen ved halen av smeltebassenget.
Figur 03 illustrerer en direkte sammenligning av den avgjørende innvirkningen av forskjellige oscillasjonsparametere på dannelsen av sveiser med variabelt -gap. Uten laseroscillasjon oppstår en rotpukkel ved et lite gap (1 mm), og når gapet øker, vises overflatekollaps, noe som indikerer dårlig gaptilpasningsevne. Endring av laseroscillasjonsparametrene forbedrer forsiden-sideformasjonen, men baksiden har fortsatt pukler eller sveisen blir smalere. De siste parametrene er en amplitude på 1,5 mm og en frekvens på 200 Hz. Innenfor hele det variable{10}}gapområdet oppnås utmerkede sveiser uten pukler eller kollaps på begge sider, noe som viser nøkkelrollen til å optimalisere oscillasjonsparametere.
Figur 1. Sveisedannelse under ulike sveiseparametere. Sveisebredden varierer fra 0 mm til 3 mm langs sveiseretningen: (a) Ingen oscillasjon; (b) Oscillasjonsamplitude 1 mm, frekvens 100 Hz; (c) Oscillasjonsamplitude 1,5 mm, frekvens 100 Hz; (d) Oscillasjonsamplitude 1,5 mm, frekvens 200 Hz.
Figur 2 viser at i løpet av en syklus, uten oscillasjon, bøyer buen seg uregelmessig til venstre og høyre, mens med en oscillerende laser forblir buen stabilt sentrert, med en full og stabil form, og viser ingen signifikant sideavbøyning. Dette viser at under forhold uten en oscillerende laser, er selve det store gapet den grunnleggende årsaken til ustabilitet i bueformen. Buen har en tendens til å søke den nærmeste ledende banen (dvs. sideveggen til sporet), noe som resulterer i ujevn oppvarming. Innføringen av en oscillerende laser, uavhengig av om parametrene er optimale, kan i stor grad undertrykke den laterale avbøyningen av buen og holde den stabil i midten av sveisen.
Figur 2. Sveisemorfologi ved forskjellige sveisehastigheter: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
Figur 3 kvantifiserer graden av bueavbøyning. Uten laseroscillasjon er standardavviket for avbøyningsvinkelen 23,6 grader, noe som indikerer alvorlig buesvingning; etter bruk av oscillerende laser, synker standardavviket til 3,5 grader, med stabilitet som forbedres med 85,2 %. Dette gir databevis på at "oscillerende laser kan stabilisere lysbuen betydelig."
Figur 3. Måling av bueavbøyningsvinkler seks ganger under et 2,5 mm gap: (a) Skjematisk diagram av bueavbøyningsvinkler; (b) Grad av bueavbøyning under forskjellige parametere. Forskjellen mellom 1 og 2 representerer graden av bueavbøyning.
Figur 4 illustrerer at under sveiseprosessen strømmer smeltet metall mot nøkkelhullet i form av bølger, noe som får nøkkelhullet til å svinge voldsomt og kollapse. Lasersvingning kan forbedre termisk konveksjon i det smeltede bassenget, og danne virvler nær nøkkelhullet. Smeltet metall strømmer fra rundt nøkkelhullet til halen, og demper støt fra dråper og holder nøkkelhullet stabilt åpent. Dette indikerer at oscillerende lasere kan stabilisere sveiseprosessen ved å endre strømningsfeltet til det smeltede bassenget.
Figur 4. Smeltebassengstrøm fra tid T0 til T0 + 2.7 ms under nullgapforhold: (a) Ingen laseroscillasjon; (b) Amplitude 1 mm, frekvens 100 Hz; (c) Amplitude 1,5 mm, frekvens 200 Hz. Gule og grønne piler indikerer virvlene generert av den oscillerende laseren og strømningsretningen til det smeltede metallet, henholdsvis; hvite og oransje linjer indikerer henholdsvis nøkkelhullet og smeltede dråper.
Figur 5 illustrerer den dynamiske oppførselen til det smeltede metallet i sveisebassenget under ikke-optimerte oscillasjonsparametere (amplitude 1 mm, frekvens 100 Hz) mens rotpukkelen dannes, og fremmer studiet av sveisedefekter fra makroskopisk morfologisk observasjon til et nytt nivå av kvantitativ væskedynamikkanalyse. Hastighetsvektorfordelingen viser retningen og størrelsen på den smeltede metallstrømmen i sveisebassenget, mens hastighetsfeltet mer intuitivt viser den romlige fordelingen av strømningshastigheten. Samtidig eksisterer det høye virvelverdier i pukkelformasjonsområdet, noe som indikerer sterk rotasjons- eller skjærstrøm av væsken der. Dette rotasjonsstrømningsmønsteret fremmer akkumulering og ustabil vekst av smeltet metall, som er et typisk strømningsfelt som er karakteristisk for pukkeldannelse.
Figur 5. Partikkelbildehastighetsmåling resultater ved forskjellige øyeblikk under rotpukkeldannelse: (a) hastighetsvektorfordeling; (b) hastighetsfeltfordeling; (c) virvelfeltfordeling. Gule og hvite stiplede linjer indikerer konturen av pukkelen.
04 Sammendrag: Denne studien tar for seg bransjeutfordringene med rothumper og utilstrekkelig gap-bridging-evne i tykk plate variabel-gap laser-buehybridsveising. Gjennom systematiske eksperimenter kombinert med avanserte diagnostiske teknikker som høy-avbildning og partikkelbildehastighet, ble defektundertrykkelsesmekanismen til oscillerende laser avslørt. Resultatene indikerer at under optimaliserte oscillasjonsparametere, forbedrer laseren, ved å forstørre og stabilisere nøkkelhullet, den lysbueledende kanalen betydelig, reduserer graden av bueavbøyning med 85,2 %, og stabiliserer dermed bueoppførselen. Samtidig endrer den oscillerende laseren strømningsfeltet for smeltebassenget, danner en stabil virvel og opprettholder nøkkelhullets åpenhet, og oppnår til slutt sveiser av høy-kvalitet fri for pukler og kollapser i et variabelt gap på 0-2,5 mm. Denne studien utdyper ikke bare den teoretiske forståelsen av dannelses- og undertrykkelsesmekanismer for sveisedefekter fra et fluiddynamisk perspektiv, men gir også et pålitelig prosessskjema og teoretisk grunnlag for å løse de variable -gap-sveiseutfordringene i produksjon av store komponenter, som er av betydelig verdi for å fremme bruken av laserbuehybridsveiseteknologi i store ingeniørprosjekter.
