01 Introduktion
Vid tillverkning av stora komponenter som-höghastighetståg, skeppsbyggnad och energiutrustning är tjockplåtssvetsning en av nyckelprocesserna. Men på grund av begränsningar i bearbetningsnoggrannhet, monteringsfel och termisk deformation under svetsprocessen, förändras svetsgapet ofta. När gapet mellan plattorna är litet är det sannolikt att ofullständig penetrering eller rotkransningar uppstår, medan stora gap tenderar att resultera i svetskollaps. Nuvarande forskning bygger till största delen på konstanta spaltförhållanden och studier om svetsning med variabla spalter saknas relativt sett. Särskilt inom laser-båghybridsvetsning är det fortfarande en utmaning i tekniska tillämpningar att uppnå både rippeldämpning under små gap och god överbryggningsförmåga under stora gap. Den här studien fokuserar på 12 mm-tjockt väderbeständigt stål, i syfte att klargöra svetsbildningen och defektundertryckningsmekanismerna under oscillerande laser–båghybridsvetsning under förhållanden med variabelt mellanrum, tillhandahålla teoretiskt och processstöd för tjockplåtssvetsning med variabla gap, och främja ytterligare industriell tillämpning och införande av oscillerande laser–båghybridsvetsteknik.
02 Fulltextöversikt
Den här studien tar upp utmaningarna med rotpuckel och otillräcklig överbryggningsförmåga vid variabel -gap laser-båghybridsvetsning av stålplåt och undersöker systematiskt mekanismen genom vilken oscillerande lasrar påverkar svetsprocessen. Det experimentella basmaterialet var 12 mm tjockt S355J2W vittringsstål. Ett hybridsvetssystem konstruerades med hjälp av en TruDisk-10002 fiberlaser (maximal effekt 10 kW, våglängd 1070 nm) i kombination med bågsvetsutrustning, med ett kontinuerligt varierande monteringsgap (0 - 3 mm) inställt längs hela svetssömmen för att simulera de faktiska variabla produktionsförhållandena{17 för att simulera de faktiska variabla produktionsförhållandena{17} Under studien hölls lasereffekt (6,5 kW), svetshastighet (16 mm/s) och trådmatningshastighet (10 m/min) konstanta, med laseroscillationsparametrar (amplitud, frekvens) som kärnkontrollerade variabler i experimenten. Höghastighetsfotografering användes för att synkront registrera den smälta poolens beteende och bågmorfologin på fram- och baksidan av svetsen. Dessutom användes PIVlab-verktygslådan i MATLAB för att utföra korskorrelationsanalys på höghastighetsbilderna av den smälta poolen, och kvantitativt extrahera det flytande metallhastighetsfältet och virvelfältet under bildandet av puckel. Denna metod omvandlar flödesvisualiseringsdata till kvantifierbara fysiska parametrar (hastighet, virvel), vilket ger solid datastöd för att avslöja mekanismen för puckelbildning. När det gäller analysen av bågmorfologi, bedömde forskarna exakt effekten av den oscillerande lasern på bågens beteende genom att beräkna standardavvikelsen för bågavböjningsvinkeln. I slutändan, under oscillationsparametrar på 1,5 mm amplitud och 200 Hz frekvens, uppnåddes god svetsbildning utan puckel eller kollaps över ett variabelt gapintervall på 0-2,5 mm. Omfattande analys indikerade att stängningen av nyckelhålet leder till rotpuckelbildning, medan den oscillerande lasern effektivt undertrycker puckelbildning genom att stabilisera nyckelhålet, förbättra den smälta poolens fluiditet och öka ytspänningen vid den smälta poolens svans.
Figur 03 illustrerar en direkt jämförelse av den avgörande inverkan av olika oscillationsparametrar på bildningen av svetsar med variabel -gap. Utan laseroscillation uppstår en rotpuckel vid ett litet gap (1 mm), och när gapet ökar uppstår ytkollaps, vilket indikerar dålig gapanpassningsförmåga. Genom att ändra laseroscillationsparametrarna förbättras framsidan-, men baksidan har fortfarande pucklar eller svetsen blir smalare. De sista parametrarna är en amplitud på 1,5 mm och en frekvens på 200 Hz. Inom hela det variabla{10}}gapområdet uppnås utmärkta svetsar utan puckel eller kollaps på båda sidor, vilket visar nyckelrollen för att optimera svängningsparametrar.
Figur 1. Svetsbildning under olika svetsparametrar. Svetsbredden varierar från 0 mm till 3 mm längs svetsriktningen: (a) Ingen oscillation; (b) Oscillationsamplitud 1 mm, frekvens 100 Hz; (c) Oscillationsamplitud 1,5 mm, frekvens 100 Hz; (d) Oscillationsamplitud 1,5 mm, frekvens 200 Hz.
Figur 2 visar att inom en cykel, utan svängning, böjer bågen oregelbundet åt vänster och höger, medan med en oscillerande laser förblir bågen stabilt centrerad, med en fullständig och stabil form, utan att uppvisa någon betydande lateral avböjning. Detta visar att under förhållanden utan en oscillerande laser är det stora gapet i sig den grundläggande orsaken till bågformsinstabilitet. Bågen tenderar att söka den närmaste ledande banan (dvs spårets sidovägg), vilket resulterar i ojämn uppvärmning. Införandet av en oscillerande laser, oavsett om parametrarna är optimala, kan kraftigt undertrycka bågens laterala avböjning och hålla den stabil i mitten av svetsen.
Figur 2. Svetsmorfologi vid olika svetshastigheter: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
Figur 3 kvantifierar graden av bågböjning. Utan laseroscillation är standardavvikelsen för avböjningsvinkeln 23,6 grader, vilket indikerar kraftiga bågfluktuationer; efter användning av oscillerande laser sjunker standardavvikelsen till 3,5 grader, med stabiliteten förbättras med 85,2 %. Detta ger databevis för att "oscillerande laser avsevärt kan stabilisera bågen."
Figur 3. Mätning av bågavböjningsvinklar sex gånger under ett 2,5 mm gap: (a) Schematiskt diagram av bågavböjningsvinklar; (b) Grad av bågböjning under olika parametrar. Skillnaden mellan 1 och 2 representerar graden av bågböjning.
Figur 4 illustrerar att under svetsprocessen flyter smält metall mot nyckelhålet i form av vågor, vilket gör att nyckelhålet fluktuerar kraftigt och kollapsar. Laseroscillation kan förbättra termisk konvektion i den smälta poolen och bilda virvlar nära nyckelhålet. Smält metall flödar runt nyckelhålet till dess svans, vilket dämpar anslaget av droppar och håller nyckelhålet stabilt öppet. Detta indikerar att oscillerande lasrar kan stabilisera svetsprocessen genom att ändra flödesfältet i den smälta poolen.
Figur 4. Smältbassängens flöde från tid T0 till T0 + 2.7 ms under nollgapförhållanden: (a) Ingen laseroscillation; (b) Amplitud 1 mm, frekvens 100 Hz; (c) Amplitud 1,5 mm, frekvens 200 Hz. Gula och gröna pilar indikerar de virvlar som genereras av den oscillerande lasern respektive flödesriktningen för den smälta metallen; vita och orangea linjer indikerar nyckelhålet respektive de smälta dropparna.
Figur 5 illustrerar det dynamiska beteendet hos den smälta metallen i svetsbadet under icke-optimerade oscillationsparametrar (amplitud 1 mm, frekvens 100 Hz) när rotpuckeln bildas, vilket leder till studiet av svetsdefekter från makroskopisk morfologisk observation till en ny nivå av kvantitativ vätskedynamikanalys. Hastighetsvektorfördelningen visar riktningen och storleken på det smälta metallflödet i svetsbadet, medan hastighetsfältet mer intuitivt visar den rumsliga fördelningen av flödeshastigheten. Samtidigt finns höga virvelvärden i området för puckelbildning, vilket indikerar starkt rotations- eller skjuvflöde av vätskan där. Detta rotationsflödesmönster främjar ackumulering och instabil tillväxt av smält metall, vilket är ett typiskt flödesfält som är karakteristiskt för puckelbildning.
Figur 5. Partikelbildhastighet resulterar vid olika ögonblick under rotpuckelbildning: (a) hastighetsvektorfördelning; (b) hastighetsfältfördelning; (c) Virvelfältsfördelning. Gula och vita streckade linjer indikerar puckelns kontur.
04 Sammanfattning: Den här studien tar upp branschens utmaningar med rotpuckel och otillräcklig gap-överbryggningsförmåga i tjockplåtsvariabel-gap laser-båghybridsvetsning. Genom systematiska experiment kombinerat med avancerade diagnostiska tekniker som hög-avbildning och partikelbildhastighet, avslöjades defektundertryckningsmekanismen hos oscillerande laser. Resultaten indikerar att under optimerade oscillationsparametrar förbättrar lasern, genom att förstora och stabilisera nyckelhålet, avsevärt den ledande kanalen för ljusbågen, vilket minskar graden av bågböjning med 85,2 %, och stabiliserar därigenom bågens beteende. Samtidigt förändrar den oscillerande lasern smältbassängens flödesfält, bildar en stabil virvel och bibehåller nyckelhålets öppenhet, vilket slutligen uppnår hög-kvalitetssvetsar fria från puckel och kollapsar i ett variabelt gapintervall på 0-2,5 mm. Den här studien fördjupar inte bara den teoretiska förståelsen av mekanismer för bildande och undertryckande av svetsdefekter ur ett vätskedynamikperspektiv, utan ger också ett tillförlitligt processschema och en teoretisk grund för att lösa utmaningarna med variabla -gap-svetsning vid tillverkning av stora komponenter, vilket är av betydande värde för att främja tillämpningen av laserbågshybridsvetsteknik i stora konstruktionsprojekt.
