01 Введение в статью:
Аустенитная нержавеющая сталь широко используется в таких важных областях, как атомная энергетика, судостроение и изготовление сосудов под давлением, благодаря своим превосходным механическим свойствам и коррозионной стойкости. При производстве толстых-пластинчатых конструктивных элементов в этих областях лазерная сварка с высокой-энергией-плотностью имеет преимущества перед традиционной дуговой сваркой, например, более низкое тепловложение и более высокую скорость сварки, что помогает улучшить характеристики соединения. Однако традиционная лазерная сварка сталкивается с серьезными проблемами при сварке толстых-листов с узким-зазором. С одной стороны, для достижения глубокого провара в процессе сварки обычно используют режим «замочной скважины», однако эта глубокая и узкая «замочная скважина» крайне неустойчива, склонна к смятию и газовыделению, что приводит к большому количеству дефектов пористости в сварном шве. С другой стороны, хотя использование более стабильного режима «теплопроводности» может уменьшить пористость, глубина его проникновения слишком мала, что приводит к низкой эффективности сварки и требует большего количества проходов сварки для завершения сварки толстых -листов. Это не только увеличивает совокупное тепловложение и остаточное напряжение, но также может привести к несплавлению боковых стенок канавок из-за концентрированной энергии лазера. Поэтому вопрос о том, как эффективно избежать таких дефектов, как пористость и непровар, при обеспечении стабильности сварки, является техническим узким местом, которое необходимо срочно устранить в области лазерной сварки толстых -листов. Для решения вышеперечисленных проблем большой потенциал демонстрирует технология генерации лазерного луча, как передовой метод управления энергией. Заставляя лазерный луч колебаться с высокой частотой вдоль траектории сварки, можно активно контролировать распределение лазерной энергии и улучшать гидродинамические характеристики расплавленной ванны, что положительно влияет на стабильность процесса сварки и формирование сварного шва.
02 Полное текстовое резюме:
Это исследование интуитивно демонстрирует значительные эффекты технологии колебаний: с введением частоты и амплитуды колебаний плотные поры, обычно встречающиеся в традиционных методах, эффективно подавляются, вплоть до полного устранения. Однако ценность этого исследования выходит далеко за рамки этого; его суть заключается в-глубоком раскрытии основных физических механизмов с помощью передовых методов, таких как высокоскоростная-фотосъемка. Исследование показало, что колебательная технология меняет процесс сварки двумя способами. Во-первых, он преобразует изначально глубокую, сильно колеблющуюся «замочную скважину» в более широкий, более стабильный и долговечный-канал расплава. Это не только уменьшает образование пузырьков в источнике, но, что более важно, обеспечивает достаточные пути выхода вверх для уже образовавшихся пузырьков. Во-вторых, высокочастотные колебания вызывают сильный вихревой эффект перемешивания в ванне расплава. Такое перемешивающее действие, с одной стороны, равномерно распределяет тепло по боковым стенкам канавок, полностью решая проблему неполного проваривания; с другой стороны, он действует как мешалка, активно перемешивая ванну расплава, помогая пузырькам отделяться от фронта затвердевания и ускоряя их вытеснение. Кроме того, этот сильный поток расплавленной ванны оптимизирует микроструктуру сварного шва, прерывая рост крупных столбчатых зерен и способствуя измельчению зерен, закладывая основу для достижения превосходных механических свойств. Наконец, успешная подготовка бездефектных-сварных соединений толщиной 40 мм, подтвержденная результатами не-неразрушающего контроля, убедительно подтверждает полный замкнутый цикл этой технологии от теории к практике, обеспечивая неоценимое теоретическое руководство и технологические решения для инженерного применения лазерной сварки толстых листов.
03 Анализ изображений и текста
На рисунке 1 наглядно показана конфигурация экспериментальной системы, использованная в этом исследовании, которая представляет собой принципиальную схему сварки с подачей с узкой -лазерной осциллирующей проволокой-. Подробно изображены несколько основных компонентов: мощная лазерная головка-облучает вертикально вниз, при этом ее лазерный луч фокусируется на толстой пластине с узкой- канавкой; механизм подачи проволоки точно подает сварочную проволоку сбоку и спереди в зону взаимодействия лазерного луча и ванны расплава, обеспечивая присадочный металл для сварного шва; одновременно сопло защитного газа коаксиально или сбоку выдувает инертный газ, чтобы предотвратить окисление расплавленного металла при высоких температурах. Увеличенный схематический круг наглядно иллюстрирует, что лазерное пятно, двигаясь вдоль направления сварки, также совершает высокочастотное периодическое движение по заданной траектории в плоскости X-Y.
Рисунок 2,
с помощью не-рентгеновских изображений-контроля визуально выявляется решающая роль колебаний лазерного луча в подавлении дефектов пористости. Этот рисунок обычно состоит из нескольких рядом расположенных рентгеновских изображений, на которых сравнивается внутреннее качество сварных швов при различных условиях сварки. На базовом образце слева (без колебаний) виден сварной шов, заполненный многочисленными плотными порами. Эти черные пятна демонстрируют, что при традиционном режиме сварки с глубоким проваром большое количество газа захватывается быстро затвердевающим металлом, что приводит к серьезным дефектам. Однако изображения справа показывают результаты после применения различных параметров колебаний. Хорошо видно, что с увеличением амплитуды колебаний количество пор в сварном шве резко уменьшается, а их распределение становится более редким. При оптимизации параметров колебаний до определенного значения дефекты пористости в сварном шве практически полностью устраняются, в результате чего сварной шов получается плотным и чистым. Сделан вывод, что генерация лазерного луча является чрезвычайно эффективным средством подавления дефектов пористости при лазерной сварке толстых-листов с узким-зазором. Это демонстрирует, что за счет рационального управления распределением энергии можно существенно улучшить стабильность сварочного процесса, обеспечивая решающий путь для достижения высокого-качества сварки.
На рис. 3 используется технология высокоскоростной-камеры для съемки и сравнения динамического поведения «замочной скважины» на поверхности ванны расплава во время процесса сварки. Этот рисунок обычно включает в себя два набора последовательных изображений или видеокадров. Изображения показывают, что в условиях отсутствия-колебаний отверстие замочной скважины очень узкое, а его морфология крайне нестабильна, проявляются сильные колебания, частые сжатия и разрушения. Такое нестабильное поведение является прямой причиной турбулентности расплавленного металла, увлечения защитного газа и образования пузырьков. Напротив, после применения оптимизированных параметров колебаний морфология замочной скважины фундаментально меняется: ее отверстие становится значительно шире и округлее, она сохраняет относительно стабильную форму на протяжении всего процесса сварки и значительно увеличивает срок службы.
На рис. 4 показан окончательный результат стыковой сварки пластины из нержавеющей стали толщиной 40 мм с использованием оптимизированного процесса лазерной колебательной сварки. Это изображение представляет собой макроскопическую металлографическую фотографию поперечного-среза полированного и протравленного сварного шва, полностью отображающую всю площадь соединения снизу вверх. На изображении видно, что сварной шов, образованный десятками слоев наплавленных валиков, обеспечивает идеальное металлургическое соединение со скосами основного металла с обеих сторон, без каких-либо видимых дефектов, таких как непровары, шлаковые включения или трещины. Каждый слой наплавленного валика однородный и плотный, с плавными переходами между слоями. Что еще более важно, в сочетании с результатами рентгеновского контроля это доказывает отсутствие объемных дефектов, таких как поры, внутри сварного шва по всей его толщине. Это успешно подтверждает, что технология генерации лазерного луча не только превосходно работает при однопроходной сварке, но также может успешно применяться для много-слойной и многопроходной сварки толстых листов с чрезвычайно высокими требованиями. Это указывает на то, что технология имеет стабильный технологический диапазон и хорошую повторяемость, обладает большим потенциалом для решения крупных инженерных прикладных задач, а также знаменует собой успешное преобразование результатов лабораторных исследований в надежное и-качественное решение для сварки толстых листов.
04 Вывод:
В этой статье систематически рассматривается и подтверждается значительная эффективность технологии колебаний лазерного луча при устранении основных дефектов (пористость и непровар) при сварке с узким-проволокой-подачей нержавеющей стали 316L толщиной 40 мм. Столкнувшись с проблемами традиционной сварки с глубоким проплавлением, которая страдает от значительной пористости из-за нестабильности замочной скважины и отсутствия плавления, вызванного концентрированной энергией, это исследование показывает, что введение высокочастотных круговых колебаний лазерного луча может полностью устранить дефекты пористости в сварном шве и значительно улучшить качество сварки. Основная ценность заключается в-углубленном механистическом анализе. Исследование с помощью высокоскоростной-фотосъемки показало, что технология колебаний превращает режим сварки из глубокой, нестабильной замочной скважины, склонной к обрушению, в широкую, неглубокую, стабильную и более продолжительную-открытую ванну расплава. Этот стабильный канал расплава существенно снижает захват газа и обеспечивает достаточные пути и время выхода для любых случайно образовавшихся пузырьков, тем самым эффективно очищая ванну расплава. Одновременно высокочастотные колебания вызывают сильный вихревой эффект перемешивания в ванне расплава. Этот активный поток расплавленного металла не только более равномерно распределяет тепло по боковым стенкам канавок, устраняя риск непровара, но также ускоряет движение вверх остаточных пузырьков за счет перемешивания. Кроме того, это сильное поле течения нарушает непрерывный рост крупных столбчатых зерен во время затвердевания, способствуя образованию равноосных зерен в области центра сварного шва, достигая измельчения зерен и закладывая основу для улучшения механических свойств соединения.
