01 Úvod
Pri výrobe veľkých komponentov, ako sú vysokorýchlostné{0}}vlaky, stavba lodí a energetické zariadenia, je zváranie hrubých plechov jedným z kľúčových procesov. Avšak kvôli obmedzeniam v presnosti obrábania, montážnym chybám a tepelnej deformácii počas procesu zvárania sa zvarová medzera často mení. Keď je medzera medzi doskami malá, pravdepodobne dôjde k neúplnému preniknutiu alebo zvlneniu koreňa, zatiaľ čo veľké medzery majú tendenciu viesť k zrúteniu zvaru. Súčasný výskum je väčšinou založený na podmienkach konštantných medzier a štúdie o zváraní s premenlivými medzerami relatívne chýbajú. Najmä pri hybridnom zváraní laserom a oblúkom zostáva dosiahnutie potlačenia zvlnenia pri malých medzerách a dobrej schopnosti premostenia pri veľkých medzerách výzvou v inžinierskych aplikáciách. Táto štúdia sa zameriava na 12 mm- hrubú zvetrávanú oceľ, ktorej cieľom je objasniť tvorbu zvarov a mechanizmy potláčania defektov počas oscilačného laserovo-oblúkového hybridného zvárania v podmienkach s premenlivou medzerou, poskytuje teoretickú a procesnú podporu pre zváranie hrubých plechov s premenlivými medzerami a podporuje ďalšie priemyselné využitie a prijatie oscilačnej laserovo-oblúkovej hybridnej technológie zvárania.
02 Prehľad v plnom znení
Táto štúdia sa zaoberá problémami koreňových hrbolčekov a nedostatočnou schopnosťou premostenia pri hybridnom oblúkovom zváraní s premenlivým-laserovým{1}}laserom s medzerou a systematicky skúma mechanizmus, ktorým oscilujúce lasery ovplyvňujú proces zvárania. Experimentálnym základným materiálom bola 12 mm hrubá oceľ S355J2W odolná voči poveternostným vplyvom. Hybridný zvárací systém bol skonštruovaný pomocou vláknového lasera TruDisk-10002 (maximálny výkon 10 kW, vlnová dĺžka 1070 nm) v kombinácii so zariadením na oblúkové zváranie s plynule sa meniacou montážnou medzerou (0 - 3 mm) nastavenou pozdĺž celého zvarového švu, aby sa simulovali premenlivé-podmienky medzery, ktoré sa bežne vyskytujú v skutočných výrobných podmienkach. Počas štúdie sa výkon lasera (6,5 kW), rýchlosť zvárania (16 mm/s) a rýchlosť podávania drôtu (10 m/min) udržiavali konštantné, pričom parametre oscilácie lasera (amplitúda, frekvencia) boli hlavnými kontrolovanými premennými v experimentoch. Vysokorýchlostná fotografia sa použila na synchrónne zaznamenanie správania roztaveného kúpeľa a morfológie oblúka na prednej a zadnej strane zvaru. Okrem toho bol súbor nástrojov PIVlab v MATLAB použitý na vykonanie krížovej korelačnej analýzy na vysokorýchlostnom zobrazení roztaveného bazéna, kvantitatívne extrahovanie rýchlostného poľa tekutého kovu a vírivého poľa počas vytvárania hrbov. Táto metóda konvertuje dáta vizualizácie toku na kvantifikovateľné fyzikálne parametre (rýchlosť, vírivosť), čím poskytuje solídnu dátovú podporu na odhalenie mechanizmu tvorby hrboľov. Pokiaľ ide o analýzu morfológie oblúka, výskumníci presne vyhodnotili vplyv oscilačného lasera na správanie oblúka výpočtom štandardnej odchýlky uhla vychýlenia oblúka. Nakoniec sa pri parametroch oscilácie 1,5 mm amplitúdy a frekvencii 200 Hz dosiahla dobrá tvorba zvaru bez hrboľov alebo kolapsu v premenlivom rozsahu medzery 0-2,5 mm. Komplexná analýza ukázala, že uzavretie kľúčovej dierky vedie k tvorbe koreňového hrbolčeka, zatiaľ čo oscilačný laser účinne potláča tvorbu hrbolčeka stabilizáciou kľúčovej dierky, zlepšením tekutosti roztaveného kúpeľa a zvýšením povrchového napätia na konci roztaveného kúpeľa.
Obrázok 03 ilustruje priame porovnanie rozhodujúceho vplyvu rôznych parametrov oscilácie na vytváranie premenlivých-zvarov medzier. Bez laserovej oscilácie sa v malej medzere (1 mm) vyskytuje hrbolček koreňa a keď sa medzera zväčšuje, objaví sa kolaps povrchu, čo naznačuje slabú adaptabilitu medzery. Zmenou parametrov oscilácie lasera sa zlepší formovanie prednej-strany, no zadná strana má stále hrbolčeky alebo sa zvar zúži. Konečné parametre sú amplitúda 1,5 mm a frekvencia 200 Hz. V rámci celého premenlivého rozsahu medzier{10}} sa na oboch stranách dosahujú vynikajúce zvary bez hrbolčekov alebo kolapsov, čo dokazuje kľúčovú úlohu optimalizácie parametrov oscilácie.
Obrázok 1. Tvorba zvaru pri rôznych parametroch zvárania. Šírka zvaru sa mení od 0 mm do 3 mm v smere zvárania: (a) Žiadna oscilácia; (b) Amplitúda oscilácie 1 mm, frekvencia 100 Hz; (c) amplitúda oscilácie 1,5 mm, frekvencia 100 Hz; (d) Amplitúda oscilácie 1,5 mm, frekvencia 200 Hz.
Obrázok 2 ukazuje, že v rámci jedného cyklu, bez oscilácie, sa oblúk nepravidelne vychyľuje doľava a doprava, zatiaľ čo pri oscilačnom lasere zostáva oblúk stabilne vycentrovaný, s plným a stabilným tvarom, nevykazuje žiadne výrazné bočné vychýlenie. To ukazuje, že v podmienkach bez oscilujúceho lasera je samotná veľká medzera základnou príčinou nestability tvaru oblúka. Oblúk má tendenciu hľadať najbližšiu vodivú cestu (tj bočnú stenu drážky), čo vedie k nerovnomernému zahrievaniu. Zavedenie oscilačného lasera bez ohľadu na to, či sú parametre optimálne, môže výrazne potlačiť bočné vychýlenie oblúka a udržať ho stabilný v strede zvaru.
Obrázok 2. Morfológia zvaru pri rôznych rýchlostiach zvárania: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
Obrázok 3 kvantifikuje stupeň vychýlenia oblúka. Bez oscilácie lasera je štandardná odchýlka uhla vychýlenia 23,6 stupňa, čo naznačuje vážne kolísanie oblúka; po použití oscilačného lasera klesne smerodajná odchýlka na 3,5 stupňa so zlepšením stability o 85,2 %. To poskytuje dôkaz o tom, že „oscilačný laser môže výrazne stabilizovať oblúk“.
Obrázok 3. Meranie uhlov vychýlenia oblúka šesťkrát pod medzerou 2,5 mm: (a) Schematický diagram uhlov vychýlenia oblúka; b) Stupeň vychýlenia oblúka pri rôznych parametroch. Rozdiel medzi 1 a 2 predstavuje stupeň vychýlenia oblúka.
Obrázok 4 znázorňuje, že počas procesu zvárania prúdi roztavený kov smerom ku kľúčovej dierke vo forme vĺn, čo spôsobuje prudké kolísanie kľúčovej dierky a jej zrútenie. Oscilácia lasera môže zvýšiť tepelnú konvekciu v roztavenom bazéne a vytvoriť víry v blízkosti kľúčovej dierky. Roztavený kov tečie z okolia kľúčovej dierky do jej chvosta, čím tlmí dopad kvapiek a udržuje kľúčovú dierku stabilne otvorenú. To naznačuje, že oscilačné lasery môžu stabilizovať zvárací proces zmenou prietokového poľa roztaveného kúpeľa.
Obrázok 4. Prietok taveniny od času T0 do T0 + 2.7 ms za podmienok nulovej medzery: (a) Žiadna laserová oscilácia; (b) amplitúda 1 mm, frekvencia 100 Hz; (c) Amplitúda 1,5 mm, frekvencia 200 Hz. Žlté a zelené šípky označujú víry generované oscilačným laserom a smer prúdenia roztaveného kovu; biele a oranžové čiary označujú kľúčovú dierku a roztavené kvapky.
Obrázok 5 ilustruje dynamické správanie roztaveného kovu vo zvarovom kúpeli pri neoptimalizovaných parametroch oscilácie (amplitúda 1 mm, frekvencia 100 Hz) pri vytváraní koreňového hrbolčeka, čím sa štúdium defektov zvárania posúva z makroskopického morfologického pozorovania na novú úroveň kvantitatívnej analýzy dynamiky tekutín. Rozloženie vektora rýchlosti ukazuje smer a veľkosť prúdenia roztaveného kovu vo zvarovom kúpeli, zatiaľ čo pole rýchlosti intuitívnejšie zobrazuje priestorové rozloženie rýchlosti prúdenia. Súčasne existujú vysoké hodnoty vírenia v oblasti tvorby hrboľov, čo naznačuje silné rotačné alebo šmykové prúdenie kvapaliny tam. Tento rotačný prúdový vzor podporuje hromadenie a nestabilný rast roztaveného kovu, čo je typické prúdové pole charakteristické pre tvorbu hrboľov.
Obrázok 5. Výsledky rýchlosti zobrazenia častíc v rôznych okamihoch tvorby koreňového hrbolčeka: (a) distribúcia vektora rýchlosti; b) rozloženie rýchlostného poľa; c) distribúcia vírivého poľa. Žlté a biele prerušované čiary označujú obrys hrbolčeka.
04 Zhrnutie: Táto štúdia sa zaoberá priemyselnými problémami súvisiacimi s koreňovými hrbolčekmi a nedostatočnou schopnosťou{1}}premosťovať medzery pri hybridnom oblúkovom zváraní s premenlivým-laserom s medzerou-. Prostredníctvom systematických experimentov v kombinácii s pokročilými diagnostickými technikami, ako je vysokorýchlostné zobrazovanie a velocimetria častíc, bol odhalený mechanizmus potláčania defektov oscilujúceho lasera. Výsledky naznačujú, že pri optimalizovaných parametroch oscilácie laser zväčšením a stabilizáciou kľúčovej dierky výrazne zlepšuje vodivý kanál oblúka, čím znižuje stupeň vychýlenia oblúka o 85,2 %, čím stabilizuje správanie oblúka. Oscilačný laser zároveň mení pole toku taveniny, vytvára stabilný vír a udržiava otvorenosť kľúčovej dierky, čím sa v konečnom dôsledku dosahujú vysokokvalitné zvary bez hrboľov a zborení v premenlivom rozsahu medzier 0-2,5 mm. Táto štúdia nielen prehlbuje teoretické chápanie mechanizmov tvorby defektov pri zváraní a mechanizmov ich potlačenia z hľadiska dynamiky tekutín, ale poskytuje aj spoľahlivú schému procesu a teoretický základ na riešenie problémov pri zváraní s premenlivými medzerami vo výrobe veľkých komponentov, čo má významnú hodnotu pre podporu aplikácie technológie hybridného zvárania laserovým oblúkom vo veľkých inžinierskych projektoch.
