01 Bevezetés
A nagyméretű alkatrészek, például a{0}}nagysebességű vonatok, a hajóépítő és az energetikai berendezések gyártásában a vastaglemezek hegesztése az egyik kulcsfontosságú folyamat. A megmunkálási pontosság korlátai, az összeszerelési hibák és a hegesztési folyamat során fellépő termikus deformáció miatt azonban a hegesztési hézag gyakran változik. Ha a lemezek közötti rés kicsi, akkor valószínűleg hiányos behatolás vagy gyökérhullámok lépnek fel, míg a nagy hézagok hajlamosak a hegesztés összeomlásához. A jelenlegi kutatások többnyire az állandó hézagviszonyokra épülnek, a változó hézagokkal történő hegesztéssel kapcsolatos vizsgálatok pedig viszonylag hiányosak. Különösen a lézer-íves hibrid hegesztésnél továbbra is kihívást jelent a mérnöki alkalmazásokban a kis réseknél a hullámosság elnyomása és a nagy hézagok alatti jó áthidaló képesség elérése. Ez a tanulmány a 12 mm-vastagságú, időjárásálló acélra összpontosít, célja a hegesztési varratképződés és a hibaelnyomási mechanizmusok tisztázása a változó hézagviszonyok között végzett oszcilláló lézer-ív hibrid hegesztés során, elméleti és eljárási támogatást nyújt a változó hézagokkal végzett vastaglemez-hegesztéshez, valamint elősegíti a lézeres-oscillating hibrid hegesztési technológia további ipari alkalmazását és elfogadását.
02 Teljes szöveg áttekintése
Ez a tanulmány a vastag acéllemez változó -réslézer-ívhibrid hegesztésénél a gyökérpúpok és az elégtelen áthidaló képesség kihívásaival foglalkozik, és szisztematikusan vizsgálja azt a mechanizmust, amellyel az oszcilláló lézerek befolyásolják a hegesztési folyamatot. A kísérleti alapanyag 12 mm vastag S355J2W időjárásálló acél volt. Hibrid hegesztőrendszer készült egy TruDisk-10002 szálas lézerrel (maximális teljesítmény 10 kW, hullámhossz 1070 nm) ívhegesztő berendezéssel kombinálva, folyamatosan változó összeszerelési hézaggal (0 - 3 mm) a teljes hegesztési varrat mentén, az általánosan előforduló hegesztési körülmények között, hogy szimulálják a változó gyártási körülményeket. A vizsgálat során a lézerteljesítményt (6,5 kW), a hegesztési sebességet (16 mm/s) és a huzalelőtolási sebességet (10 m/perc) állandó szinten tartottuk, a lézerrezgés paraméterei (amplitúdó, frekvencia) voltak a magvezérelt változók a kísérletekben. Nagy sebességű fényképezést használtak az olvadt medence viselkedésének és ívmorfológiájának szinkron rögzítésére a hegesztés elülső és hátsó oldalán. Ezenkívül a MATLAB PIVlab eszköztárát használták az olvadt medence nagysebességű képeinek kereszt-korrelációs elemzésére, kvantitatívan kivonva a folyékony fém sebességmezőjét és örvénylő mezőjét a púpok kialakulása során. Ez a módszer az áramlási vizualizációs adatokat számszerűsíthető fizikai paraméterekké (sebesség, örvényesség) alakítja át, szilárd adattámogatást nyújtva a púpképződés mechanizmusának feltárásához. Az ívmorfológia elemzésével kapcsolatban a kutatók az ívelhajlási szög szórásának kiszámításával pontosan értékelték az oszcilláló lézer hatását az ív viselkedésére. Végül 1,5 mm-es amplitúdójú és 200 Hz-es frekvenciájú oszcillációs paraméterek mellett jó hegesztési varratképződést értek el dudorok vagy összeomlás nélkül a 0-2,5 mm-es változó réstartományban. Az átfogó elemzés azt mutatta, hogy a kulcslyuk bezárása gyökérpúp kialakulásához vezet, míg az oszcilláló lézer hatékonyan gátolja a dudorképződést azáltal, hogy stabilizálja a kulcslyukat, javítja az olvadt medence folyékonyságát és növeli a felületi feszültséget az olvadt medence végében.
A 03. ábra a különböző oszcillációs paraméterek változó -hézagú varratok kialakulására gyakorolt döntő hatásának közvetlen összehasonlítását mutatja be. Lézeres oszcilláció nélkül egy kis résnél (1 mm) gyökérpúp lép fel, és a rés növekedésével felületi összeomlás jelenik meg, ami rossz rés alkalmazkodóképességre utal. A lézerrezgés paramétereinek módosítása javítja az elülső oldal-képződést, de a hátsó oldalon továbbra is vannak púpok, vagy keskenyebb lesz a varrat. A végső paraméterek az 1,5 mm-es amplitúdó és a 200 Hz-es frekvencia. A teljes változó{10}}hézagtartományon belül mindkét oldalon kiváló hegesztési varratok érhetők el púpok vagy összeomlás nélkül, bizonyítva az oszcillációs paraméterek optimalizálásának kulcsszerepét.
1. ábra Hegesztési varratok kialakulása különböző hegesztési paraméterek mellett. A varrat szélessége 0 mm és 3 mm között változik a hegesztési irány mentén: (a) Nincs oszcilláció; (b) oszcillációs amplitúdó 1 mm, frekvencia 100 Hz; (c) oszcillációs amplitúdó 1,5 mm, frekvencia 100 Hz; (d) Oszcillációs amplitúdó 1,5 mm, frekvencia 200 Hz.
A 2. ábrán látható, hogy egy cikluson belül, rezgés nélkül, az ív szabálytalanul elhajlik balra és jobbra, míg oszcilláló lézerrel az ív stabilan középpontban marad, teljes és stabil alakú, nem mutat jelentős oldalirányú elhajlást. Ez azt mutatja, hogy oszcilláló lézer nélküli körülmények között maga a nagy rés az ív alakjának instabilitásának alapvető oka. Az ív hajlamos a legközelebbi vezető utat keresni (azaz a horony oldalfalát), ami egyenetlen felmelegedést eredményez. Az oszcilláló lézer bevezetése, függetlenül attól, hogy a paraméterek optimálisak-e, nagymértékben elnyomhatja az ív oldalirányú elhajlását, és stabilan tarthatja azt a varrat közepén.
2. ábra Hegesztési morfológia különböző hegesztési sebességeknél: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
A 3. ábra számszerűsíti az ívelhajlás mértékét. Lézeres oszcilláció nélkül az elhajlási szög szórása 23,6 fok, ami komoly ívingadozást jelez; oszcilláló lézer használata után a szórás 3,5 fokra csökken, a stabilitás 85,2%-kal javul. Ez adatokkal bizonyítja, hogy „az oszcilláló lézer jelentősen stabilizálja az ívet”.
3. ábra: ívelhajlási szögek hatszori mérése 2,5 mm-es rés alatt: (a) Az ívelhajlási szögek sematikus diagramja; (b) Az íveltérés mértéke különböző paraméterek mellett. Az 1 és 2 közötti különbség az ívelhajlás mértékét jelenti.
A 4. ábra szemlélteti, hogy a hegesztési folyamat során az olvadt fém hullámok formájában áramlik a kulcslyuk felé, ami a kulcslyuk heves ingadozását és összeesését okozza. A lézeres oszcilláció fokozhatja a termikus konvekciót az olvadt medencében, és örvényeket képezhet a kulcslyuk közelében. Az olvadt fém a kulcslyuk körül áramlik a farkába, tompítva a cseppek becsapódását, és stabilan nyitva tartja a kulcslyukat. Ez azt jelzi, hogy az oszcilláló lézerek stabilizálni tudják a hegesztési folyamatot az olvadt medence áramlási mezőjének megváltoztatásával.
4. ábra. Az olvadékmedence áramlása T0 időtől T0 + 2.7 ms-ig nulla rés körülmények között: (a) Nincs lézeroszcilláció; (b) amplitúdó 1 mm, frekvencia 100 Hz; (c) Amplitúdó 1,5 mm, frekvencia 200 Hz. A sárga és zöld nyilak jelzik az oszcilláló lézer által keltett örvényeket, illetve az olvadt fém áramlási irányát; fehér és narancssárga vonalak jelzik a kulcslyukat, illetve az olvadt cseppeket.
Az 5. ábra szemlélteti az olvadt fém dinamikus viselkedését a hegesztőmedencében nem-optimalizált rezgési paraméterek mellett (amplitúdó 1 mm, frekvencia 100 Hz), miközben a gyökérpúp kialakul, és a hegesztési hibák vizsgálatát a makroszkopikus morfológiai megfigyelésről a kvantitatív folyadékdinamikus elemzés új szintjére viszi. A sebességvektor-eloszlás mutatja az olvadt fém áramlásának irányát és nagyságát a hegesztőmedencén belül, míg a sebességmező intuitívabban jeleníti meg az áramlási sebesség térbeli eloszlását. Ugyanakkor a púpképződési tartományban magas örvényességi értékek vannak, ami a folyadék erős forgási vagy nyíróáramlását jelzi. Ez a forgó áramlási minta elősegíti az olvadt fém felhalmozódását és instabil növekedését, amely a púpképződés tipikus áramlási mezője.
5. ábra A részecskekép sebességmérési eredményei a gyökérpúp kialakulásának különböző pillanataiban: (a) sebességvektor eloszlás; b) sebességmező eloszlása; (c) örvénylőtér-eloszlás. Sárga és fehér szaggatott vonalak jelzik a púp körvonalát.
04 Összefoglalás: Ez a tanulmány a gyökérpúpok és az elégtelen rés-áthidaló képességgel kapcsolatos iparági kihívásokkal foglalkozik a vastaglemezes változó-réslézer-ívhibrid hegesztésben. Az olyan fejlett diagnosztikai technikákkal kombinált szisztematikus kísérletek révén, mint a nagy sebességű{5}}képalkotás és a részecskekép-sebességmérő, kiderült az oszcilláló lézer hibaelnyomó mechanizmusa. Az eredmények azt mutatják, hogy optimalizált oszcillációs paraméterek mellett a lézer a kulcslyuk megnagyobbításával és stabilizálásával jelentősen javítja az ívvezető csatornát, 85,2%-kal csökkenti az ívelhajlás mértékét, ezáltal stabilizálja az ív viselkedését. Ugyanakkor az oszcilláló lézer megváltoztatja az olvadékmedence áramlási mezőjét, stabil örvényt képezve és megőrizve a kulcslyuk nyitottságát, végül kiváló minőségű, púpoktól és összeeséstől mentes hegesztési varratokat eredményezve 0-2,5 mm-es változó réstartományban. Ez a tanulmány nemcsak elmélyíti a hegesztési hibaképződés és -elnyomási mechanizmusok elméleti megértését folyadékdinamikai szempontból, hanem megbízható folyamatsémát és elméleti alapot is nyújt a nagyméretű alkatrészek gyártásában jelentkező változó{13}}réshegesztési kihívások megoldásához, ami jelentős érték a lézeríves hibrid hegesztési technológia alkalmazásának előmozdítása szempontjából a nagy mérnöki projektekben.
