01 Uvod
U proizvodnji velikih komponenti kao što su -brzi vozovi, brodogradnja i energetska oprema, zavarivanje debelih ploča je jedan od ključnih procesa. Međutim, zbog ograničenja u preciznosti obrade, grešaka pri montaži i termičke deformacije tokom procesa zavarivanja, zavareni razmak se često mijenja. Kada je razmak između ploča mali, vjerovatno će doći do nepotpunog prodora ili mreškanja korijena, dok veliki razmaci imaju tendenciju da dovedu do kolapsa šava. Trenutna istraživanja se uglavnom zasnivaju na uslovima konstantnog zazora, a studije o zavarivanju sa promjenjivim zazorima relativno nedostaju. Konkretno, u hibridnom zavarivanju laser-lučnim zavarivanjem, postizanje supresije talasanja ispod malih razmaka i dobre sposobnosti premošćavanja pod velikim prazninama ostaje izazov u inženjerskim aplikacijama. Ova studija se fokusira na čelik debljine 12 mm- koji je otporan na atmosferske uticaje, sa ciljem da razjasni mehanizme formiranja šavova i suzbijanja defekta tokom oscilirajućeg lasersko-lučnog hibridnog zavarivanja u uslovima promenljivog zazora, pružajući teorijsku i procesnu podršku za zavarivanje debelih ploča sa promenljivim razmacima, i promovišući dalju industrijsku primenu i usvajanje tehnologije oscilovanja laserskog zavarivanja.br.
02 Pregled punog teksta
Ova studija se bavi izazovima korijenskih izbočina i nedovoljne sposobnosti premošćivanja u hibridnom zavarivanju s promjenjivim -laserskim razmakom-lučnog zavarivanja debele čelične ploče i sistematski istražuje mehanizam pomoću kojeg oscilirajući laseri utječu na proces zavarivanja. Eksperimentalni osnovni materijal bio je čelik S355J2W debljine 12 mm. Hibridni sistem zavarivanja je konstruisan korišćenjem TruDisk-10002 lasera sa vlaknima (maksimalna snaga 10 kW, talasna dužina 1070 nm) u kombinaciji sa opremom za elektrolučno zavarivanje, sa kontinualno promenljivim montažnim razmakom (0 - 3 mm) postavljenim duž celog promenljivog šava za simulaciju{17} proizvodnja. Tokom istraživanja, snaga lasera (6,5 kW), brzina zavarivanja (16 mm/s) i brzina dodavanja žice (10 m/min) su održavane konstantnim, sa parametrima oscilacije lasera (amplituda, frekvencija) kao jezgrom kontrolisanih varijabli u eksperimentima. -Fotografija velike brzine je korištena za sinhrono snimanje ponašanja rastopljenog bazena i morfologije luka na prednjoj i stražnjoj strani šava. Dodatno, PIVlab alatni okvir u MATLAB-u je upotrijebljen za izvođenje unakrsne-korelacione analize na brzim slikama rastopljenog bazena, kvantitativno izdvajajući polje brzine tečnog metala i polje vrtloženja tokom formiranja grbina. Ova metoda pretvara podatke vizualizacije protoka u mjerljive fizičke parametre (brzina, vrtložnost), pružajući solidnu podršku podataka za otkrivanje mehanizma formiranja grba. Što se tiče analize morfologije luka, istraživači su precizno procijenili učinak oscilirajućeg lasera na ponašanje luka tako što su izračunali standardnu devijaciju ugla skretanja luka. Konačno, pod parametrima oscilacije od amplitude 1,5 mm i frekvencije 200 Hz, postignuto je dobro formiranje šava bez izbočina ili kolapsa u promjenjivom rasponu zazora od 0-2,5 mm. Sveobuhvatna analiza je pokazala da zatvaranje ključaonice dovodi do formiranja korijenske izbočine, dok oscilirajući laser efikasno suzbija formiranje grba stabilizirajući ključaonicu, poboljšavajući fluidnost rastopljenog bazena i povećavajući površinsku napetost na repu otopljenog bazena.
Slika 03 ilustruje direktno poređenje odlučujućeg uticaja različitih parametara oscilovanja na formiranje varijabilnih-zavara. Bez laserske oscilacije, na malom razmaku (1 mm) nastaje izbočina korijena, a kako se jaz povećava, pojavljuje se površinski kolaps, što ukazuje na lošu prilagodljivost jaza. Promjena parametara laserske oscilacije poboljšava formiranje prednje-strane, ali stražnja strana i dalje ima izbočine ili zavar postaje uži. Konačni parametri su amplituda od 1,5 mm i frekvencija od 200 Hz. Unutar cijelog raspona varijabilnog-razmaka, odlični zavari bez grbina ili kolapsa postižu se s obje strane, što pokazuje ključnu ulogu optimizacije parametara oscilacije.
Slika 1. Formiranje šava pod različitim parametrima zavarivanja. Širina šava varira od 0 mm do 3 mm duž pravca zavarivanja: (a) Nema oscilacija; (b) amplituda oscilacije 1 mm, frekvencija 100 Hz; (c) amplituda oscilacije 1,5 mm, frekvencija 100 Hz; (d) Amplituda oscilacije 1,5 mm, frekvencija 200 Hz.
Slika 2 pokazuje da se unutar jednog ciklusa, bez oscilovanja, luk nepravilno skreće ulijevo i udesno, dok kod oscilirajućeg lasera luk ostaje stabilno centriran, punog i stabilnog oblika, ne pokazujući značajnije bočno otklanjanje. Ovo pokazuje da je u uslovima bez oscilirajućeg lasera sam veliki zazor osnovni uzrok nestabilnosti oblika luka. Luk teži najbližoj provodnoj putanji (tj. bočnoj stijenci žlijeba), što rezultira neravnomjernim zagrijavanjem. Uvođenje oscilirajućeg lasera, bez obzira na to da li su parametri optimalni, može u velikoj mjeri suzbiti bočno otklon luka i održati ga stabilnim u središtu vara.
Slika 2. Morfologija zavara pri različitim brzinama zavarivanja: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
Slika 3 kvantificira stepen otklona luka. Bez laserske oscilacije, standardna devijacija ugla otklona je 23,6 stepeni, što ukazuje na jaku fluktuaciju luka; nakon upotrebe oscilirajućeg lasera, standardna devijacija pada na 3,5 stepena, uz poboljšanje stabilnosti za 85,2%. Ovo pruža dokaze podataka da 'oscilirajući laser može značajno stabilizirati luk'.
Slika 3. Merenje uglova otklona luka šest puta ispod razmaka od 2,5 mm: (a) Šematski dijagram uglova skretanja luka; (b) Stepen otklona luka pod različitim parametrima. Razlika između 1 i 2 predstavlja stepen otklona luka.
Slika 4 ilustruje da tokom procesa zavarivanja, rastopljeni metal teče prema ključaonici u obliku talasa, uzrokujući da ključaonica snažno fluktuira i kolapsira. Laserske oscilacije mogu poboljšati termičku konvekciju u rastopljenom bazenu, formirajući vrtloge u blizini ključaonice. Rastopljeni metal teče od oko ključaonice do njenog repa, ublažavajući udar kapljica i održavajući ključaonicu stabilno otvorenom. Ovo ukazuje da oscilirajući laseri mogu stabilizirati proces zavarivanja mijenjajući polje protoka rastopljenog bazena.
Slika 4. Protok bazena taline od vremena T0 do T0 + 2.7 ms u uslovima nultog razmaka: (a) Nema laserskih oscilacija; (b) amplituda 1 mm, frekvencija 100 Hz; (c) Amplituda 1,5 mm, frekvencija 200 Hz. Žute i zelene strelice označavaju vrtloge koje stvara oscilirajući laser i smjer toka rastopljenog metala; bijele i narandžaste linije označavaju ključaonicu i otopljene kapljice, respektivno.
Slika 5 ilustruje dinamičko ponašanje rastaljenog metala u bazenu za varenje pod ne-optimiziranim parametrima oscilovanja (amplituda 1 mm, frekvencija 100 Hz) kako se formira korijenska grba, čime se proučavanje defekata zavarivanja od makroskopskog morfološkog posmatranja na novi nivo kvantitativne analize fluida. Raspodjela vektora brzine pokazuje smjer i veličinu toka rastopljenog metala unutar zavarenog bazena, dok polje brzine intuitivnije prikazuje prostornu distribuciju brzine protoka. U isto vrijeme, visoke vrijednosti vrtloženja postoje u području formiranja grba, što ukazuje na snažan rotacijski ili posmični tok tečnosti tamo. Ovaj rotacijski obrazac strujanja potiče akumulaciju i nestabilan rast rastopljenog metala, što je tipično polje strujanja karakteristično za formiranje grba.
Slika 5. Rezultati brzinske slike čestica u različitim trenucima tokom formiranja korijenske grbe: (a) distribucija vektora brzine; (b) raspodjela polja brzine; (c) distribucija vrtložnog polja. Žute i bijele isprekidane linije označavaju konturu grba.
04 Sažetak: Ova studija bavi se industrijskim izazovima korijenskih izbočina i nedovoljne sposobnosti-premošćivanja zazora kod hibridnog zavarivanja s promjenjivim zavarivanjem debljih ploča-laserskim-lučnim zavarivanjem. Kroz sistematske eksperimente u kombinaciji s naprednim dijagnostičkim tehnikama kao što su brzo-slikanje i brzina slike čestica, otkriven je mehanizam suzbijanja defekta oscilirajućeg lasera. Rezultati pokazuju da pod optimizovanim parametrima oscilovanja, laser, povećanjem i stabilizacijom ključaonice, značajno poboljšava lučno provodni kanal, smanjujući stepen otklona luka za 85,2%, čime se stabilizuje ponašanje luka. U isto vrijeme, oscilirajući laser mijenja polje protoka u bazenu taline, formirajući stabilan vrtlog i održavajući otvorenost ključaonice, na kraju postižući-kvalitetne zavarene spojeve bez izbočina i kolapsa u rasponu promjenjivog razmaka od 0-2,5 mm. Ova studija ne samo da produbljuje teorijsko razumijevanje formiranja defekta i mehanizama suzbijanja zavarivanja iz perspektive dinamike fluida, već također pruža pouzdanu šemu procesa i teorijsku osnovu za rješavanje izazova zavarivanja s promjenjivim-razmakom u proizvodnji velikih komponenti, što je od značajne vrijednosti za promicanje primjene tehnologije lasersko-lučnog hibridnog zavarivanja u velikim projektima inženjeringa.
