01 Введение
При производстве крупных компонентов, таких как-скоростные поезда, судостроение и энергетическое оборудование, сварка толстых листов является одним из ключевых процессов. Однако из-за ограничений точности обработки, ошибок сборки и термической деформации в процессе сварки сварочный зазор часто изменяется. Когда зазор между пластинами небольшой, вероятно возникновение неполного провара или волнистости корня, тогда как большие зазоры обычно приводят к разрушению сварного шва. Текущие исследования в основном основаны на условиях постоянного зазора, а исследования сварки с переменным зазором относительно недостаточны. В частности, при гибридной лазерно-дуговой сварке достижение как подавления пульсаций при небольших зазорах, так и хорошей перекрывающей способности при больших зазорах остается проблемой в инженерных приложениях. Настоящее исследование посвящено атмосферостойкой стали толщиной 12 мм- с целью выяснения механизмов образования сварных швов и подавления дефектов при осциллирующей лазерно-дуговой гибридной сварке в условиях переменного зазора, обеспечения теоретической и технологической поддержки сварки толстых листов с переменными зазорами, а также содействия дальнейшему промышленному применению и внедрению технологии осциллирующей лазерно-дуговой гибридной сварки.
02 Полнотекстовый обзор
В этом исследовании рассматриваются проблемы, связанные с корневыми выступами и недостаточной способностью перекрытия при гибридной -лазерной-дуговой сварке толстых стальных пластин с переменным зазором, а также систематически исследуется механизм, с помощью которого осциллирующие лазеры влияют на процесс сварки. В качестве экспериментального основного материала использовалась атмосферостойкая сталь S355J2W толщиной 12 мм. Гибридная сварочная система была построена с использованием волоконного лазера TruDisk-10002 (максимальная мощность 10 кВт, длина волны 1070 нм) в сочетании с оборудованием для дуговой сварки с плавно меняющимся монтажным зазором (0 - 3 мм), установленным вдоль всего сварного шва для имитации условий переменного-зазора, обычно встречающихся в реальном производстве. В ходе исследования мощность лазера (6,5 кВт), скорость сварки (16 мм/с) и скорость подачи проволоки (10 м/мин) поддерживались постоянными, а параметры лазерных колебаний (амплитуда, частота) использовались в качестве основных контролируемых переменных в экспериментах. Для синхронной регистрации поведения ванны расплава и морфологии дуги на передней и задней сторонах сварного шва использовалась высокоскоростная-фотосъемка. Кроме того, набор инструментов PIVlab в MATLAB использовался для выполнения кросс-корреляционного анализа высокоскоростных изображений ванны расплава, количественно извлекая поле скоростей жидкого металла и поле завихренности во время образования горбов. Этот метод преобразует данные визуализации потока в измеримые физические параметры (скорость, завихренность), обеспечивая надежную поддержку данных для выявления механизма образования горбов. Что касается анализа морфологии дуги, исследователи точно оценили влияние осциллирующего лазера на поведение дуги, рассчитав стандартное отклонение угла отклонения дуги. В конечном итоге при параметрах колебаний амплитудой 1,5 мм и частоте 200 Гц было достигнуто хорошее формирование сварного шва без горбов и смятий в диапазоне переменного зазора 0–2,5 мм. Комплексный анализ показал, что закрытие замочной скважины приводит к образованию корневого горба, тогда как осциллирующий лазер эффективно подавляет образование горба за счет стабилизации замочной скважины, улучшения текучести ванны расплава и увеличения поверхностного натяжения в хвосте ванны расплава.
На рисунке 03 показано прямое сравнение решающего влияния различных параметров колебаний на формирование сварных швов с переменным-зазором. Без лазерной осцилляции при небольшом зазоре (1 мм) возникает корневой горб, а по мере увеличения зазора появляется разрушение поверхности, что указывает на плохую адаптируемость зазора. Изменение параметров лазерной генерации улучшает формирование передней-стороны, но на обратной стороне все равно остаются горбы или сварной шов становится уже. Конечные параметры — амплитуда 1,5 мм и частота 200 Гц. Во всем диапазоне переменного-зазора с обеих сторон достигаются превосходные сварные швы без выступов и смятий, что демонстрирует ключевую роль оптимизации параметров колебаний.
Рис. 1. Формирование сварного шва при различных параметрах сварки. Ширина сварного шва варьируется от 0 мм до 3 мм в направлении сварки: а) колебания отсутствуют; (б) Амплитуда колебаний 1 мм, частота 100 Гц; (в) Амплитуда колебаний 1,5 мм, частота 100 Гц; (г) Амплитуда колебаний 1,5 мм, частота 200 Гц.
На рисунке 2 показано, что в течение одного цикла без колебаний дуга неравномерно отклоняется влево и вправо, тогда как при использовании осциллирующего лазера дуга остается стабильно центрированной, с полной и стабильной формой, не проявляя значительного бокового отклонения. Это показывает, что в условиях отсутствия осциллирующего лазера большой зазор сам по себе является фундаментальной причиной нестабильности формы дуги. Дуга стремится найти ближайший проводящий путь (т. е. боковую стенку канавки), что приводит к неравномерному нагреву. Введение осциллирующего лазера, независимо от того, являются ли параметры оптимальными, позволяет значительно подавить боковое отклонение дуги и сохранить ее устойчивость в центре сварного шва.
Рисунок 2. Морфология сварного шва при различных скоростях сварки: (а) 1,5 м/мин (б) 1,8 м/мин (в) 2,1 м/мин.
На рисунке 3 количественно представлена степень отклонения дуги. Без лазерной генерации стандартное отклонение угла отклонения составляет 23,6 градуса, что указывает на серьезные колебания дуги; после использования осциллирующего лазера стандартное отклонение падает до 3,5 градусов, а стабильность улучшается на 85,2%. Это доказывает, что «колебательный лазер может значительно стабилизировать дугу».
Рис. 3. Шестикратное измерение углов отклонения дуги при зазоре 2,5 мм: а — принципиальная схема углов отклонения дуги; (б) Степень отклонения дуги при различных параметрах. Разница между 1 и 2 представляет собой степень отклонения дуги.
На рисунке 4 показано, что во время процесса сварки расплавленный металл течет к замочной скважине в виде волн, заставляя замочную скважину сильно колебаться и разрушаться. Лазерные колебания могут усилить тепловую конвекцию в ванне расплава, образуя вихри возле замочной скважины. Расплавленный металл течет вокруг замочной скважины к ее хвостовой части, смягчая удар капель и удерживая замочную скважину стабильно открытой. Это указывает на то, что осциллирующие лазеры могут стабилизировать процесс сварки, изменяя поле течения ванны расплава.
Рис. 4. Течение ванны расплава от времени T0 до T0 + 2.7 мс в условиях нулевого зазора: (a) отсутствие лазерных колебаний; (б) Амплитуда 1 мм, частота 100 Гц; (в) Амплитуда 1,5 мм, частота 200 Гц. Желтые и зеленые стрелки указывают вихри, создаваемые осциллирующим лазером, и направление потока расплавленного металла соответственно; белые и оранжевые линии обозначают замочную скважину и расплавленные капли соответственно.
На рисунке 5 показано динамическое поведение расплавленного металла в сварочной ванне при не-оптимизированных параметрах колебаний (амплитуда 1 мм, частота 100 Гц) при формировании корневого горба, что выводит исследование дефектов сварки из макроскопического морфологического наблюдения на новый уровень количественного анализа гидродинамики. Распределение вектора скорости показывает направление и величину потока расплавленного металла внутри сварочной ванны, тогда как поле скорости более интуитивно отображает пространственное распределение скорости потока. В то же время в области образования горба существуют высокие значения завихренности, что указывает на сильное вращательное или сдвиговое течение жидкости там. Такая ротационная картина течения способствует накоплению и неустойчивому росту расплавленного металла, что является типичным полем течения, характерным для образования горбов.
Рис. 5. Результаты измерения скорости изображения частиц в разные моменты формирования корневого горба: (а) распределение вектора скорости; (б) распределение поля скорости; (в) Распределение поля завихренности. Желтые и белые пунктирные линии обозначают контур горба.
04 Краткое описание: В этом исследовании рассматриваются отраслевые проблемы, связанные с корневыми выступами и недостаточной способностью-перекрывать зазоры при гибридной-лазерной-дуговой гибридной сварке толстых листов с переменным зазором. Благодаря систематическим экспериментам в сочетании с передовыми методами диагностики, такими как высокоскоростная-визуализация и велосиметрия изображений частиц, был обнаружен механизм подавления дефектов осциллирующего лазера. Результаты показывают, что при оптимизированных параметрах колебаний лазер, расширяя и стабилизируя замочную скважину, значительно расширяет проводящий канал дуги, уменьшая степень отклонения дуги на 85,2%, тем самым стабилизируя поведение дуги. В то же время осциллирующий лазер изменяет поле течения ванны расплава, образуя стабильный вихрь и поддерживая открытость замочной скважины, в конечном итоге обеспечивая высокое-качество сварных швов без горбов и смятий в диапазоне переменного зазора 0-2,5 мм. Это исследование не только углубляет теоретическое понимание механизмов формирования и подавления сварочных дефектов с точки зрения гидродинамики, но также обеспечивает надежную технологическую схему и теоретическую основу для решения проблем сварки с переменным зазором при производстве крупных компонентов, что имеет важное значение для продвижения применения технологии лазерно-дуговой гибридной сварки в крупных инженерных проектах.
