01 Introducció
En la fabricació de components grans com ara trens d'alta-velocitat, construcció naval i equips energètics, la soldadura de plaques gruixudes és un dels processos clau. Tanmateix, a causa de les limitacions en la precisió del mecanitzat, els errors de muntatge i la deformació tèrmica durant el procés de soldadura, la bretxa de soldadura sovint canvia. Quan la bretxa entre les plaques és petita, és probable que es produeixi una penetració incompleta o ondulacions de l'arrel, mentre que els grans buits tendeixen a provocar un col·lapse de la soldadura. La investigació actual es basa majoritàriament en condicions de buit constant, i els estudis sobre soldadura amb buits variables manquen relativament. En particular, en la soldadura híbrida làser-arc, aconseguir tant la supressió de les ondulacions en petits buits com una bona capacitat de pont sota grans buits segueix sent un repte en les aplicacions d'enginyeria. Aquest estudi se centra en l'acer degradat de 12 mm-de gruix, amb l'objectiu d'aclarir la formació de soldadura i els mecanismes de supressió de defectes durant la soldadura híbrida làser-arc oscil·lant en condicions de buit variable, proporcionant suport teòric i de procés per a la soldadura de plaques gruixudes amb espais variables i promoure l'aplicació industrial i l'adopció de la tecnologia de soldadura híbrida làser-arc oscil·lant.
02 Visió general del text complet
Aquest estudi aborda els reptes de les gepes de l'arrel i la capacitat de pont insuficient en la soldadura híbrida d'arc-làser de buit variable-de planxa d'acer gruixuda i investiga sistemàticament el mecanisme pel qual els làsers oscil·lants afecten el procés de soldadura. El material de base experimental era acer resistent a la intempèrie S355J2W de 12 mm de gruix. Es va construir un sistema de soldadura híbrid utilitzant un làser de fibra TruDisk-10002 (potència màxima 10 kW, longitud d'ona 1070 nm) en combinació amb un equip de soldadura per arc, amb un espai de muntatge variable contínuament (0 - 3 mm) establert al llarg de tota la costura de soldadura per simular les condicions de producció{17} variables que es troben habitualment. Durant l'estudi, la potència del làser (6,5 kW), la velocitat de soldadura (16 mm/s) i la velocitat d'alimentació del filferro (10 m/min) es van mantenir constants, amb els paràmetres d'oscil·lació làser (amplitud, freqüència) com a variables centrals controlades en els experiments. La fotografia d'alta-velocitat es va utilitzar per registrar de manera sincrònica el comportament de la piscina fosa i la morfologia de l'arc a la part davantera i posterior de la soldadura. A més, es va utilitzar la caixa d'eines PIVlab de MATLAB per dur a terme anàlisis de correlació creuada-en les imatges d'alta velocitat de la piscina fosa, extreint quantitativament el camp de velocitat del metall líquid i el camp de vorticitat durant la formació de geps. Aquest mètode converteix les dades de visualització del flux en paràmetres físics quantificables (velocitat, vorticitat), proporcionant un suport de dades sòlid per revelar el mecanisme de formació de gepa. Pel que fa a l'anàlisi de la morfologia de l'arc, els investigadors van avaluar amb precisió l'efecte del làser oscil·lant sobre el comportament de l'arc calculant la desviació estàndard de l'angle de deflexió de l'arc. En última instància, amb paràmetres d'oscil·lació d'1,5 mm d'amplitud i 200 Hz de freqüència, es va aconseguir una bona formació de soldadura sense geps ni col·lapse en un rang de buit variable de 0-2,5 mm. Una anàlisi exhaustiva va indicar que el tancament del forat de la clau condueix a la formació de gepa de l'arrel, mentre que el làser oscil·lant suprimeix eficaçment la formació de gepa estabilitzant el forat de la clau, millorant la fluïdesa de la piscina fosa i augmentant la tensió superficial a la cua de la piscina fosa.
La figura 03 il·lustra una comparació directa de l'impacte decisiu de diferents paràmetres d'oscil·lació en la formació de soldadures de buit-variable. Sense oscil·lació làser, es produeix una gepa de l'arrel en un petit espai (1 mm) i, a mesura que augmenta el buit, apareix un col·lapse de la superfície, cosa que indica una mala adaptabilitat al buit. Canviar els paràmetres d'oscil·lació làser millora la formació del costat frontal-, però la part posterior encara té gepes o la soldadura es fa més estreta. Els paràmetres finals són una amplitud d'1,5 mm i una freqüència de 200 Hz. Dins de tot el rang de buit-variable, s'aconsegueixen soldadures excel·lents sense geps ni col·lapses a banda i banda, cosa que demostra el paper clau d'optimitzar els paràmetres d'oscil·lació.
Figura 1. Formació de soldadura sota diferents paràmetres de soldadura. L'amplada de la soldadura varia de 0 mm a 3 mm al llarg de la direcció de soldadura: (a) Sense oscil·lació; (b) Amplitud d'oscil·lació 1 mm, freqüència 100 Hz; (c) Amplitud d'oscil·lació 1,5 mm, freqüència 100 Hz; (d) Amplitud d'oscil·lació 1,5 mm, freqüència 200 Hz.
La figura 2 mostra que dins d'un cicle, sense oscil·lació, l'arc es desvia irregularment cap a l'esquerra i la dreta, mentre que amb un làser oscil·lant, l'arc es manté centrat de manera estable, amb una forma completa i estable, sense mostrar una deflexió lateral significativa. Això demostra que en condicions sense làser oscil·lant, la gran bretxa en si és la causa fonamental de la inestabilitat de la forma de l'arc. L'arc tendeix a buscar el camí conductor més proper (és a dir, la paret lateral de la ranura), donant lloc a un escalfament desigual. La introducció d'un làser oscil·lant, independentment de si els paràmetres són òptims, pot suprimir en gran mesura la deflexió lateral de l'arc i mantenir-lo estable al centre de la soldadura.
Figura 2. Morfologia de la soldadura a diferents velocitats de soldadura: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
La figura 3 quantifica el grau de deflexió de l'arc. Sense oscil·lació làser, la desviació estàndard de l'angle de deflexió és de 23,6 graus, cosa que indica una fluctuació severa de l'arc; després d'utilitzar làser oscil·lant, la desviació estàndard cau a 3,5 graus, amb una millora de l'estabilitat en un 85,2%. Això proporciona proves de dades que "el làser oscil·lant pot estabilitzar significativament l'arc".
Figura 3. Mesura dels angles de deflexió de l'arc sis vegades sota un espai de 2,5 mm: (a) Diagrama esquemàtic dels angles de deflexió de l'arc; (b) Grau de deflexió de l'arc sota diferents paràmetres. La diferència entre 1 i 2 representa el grau de deflexió de l'arc.
La figura 4 il·lustra que durant el procés de soldadura, el metall fos flueix cap al forat de la pany en forma d'ones, fent que el forat de la clau fluctuï violentament i s'enfonsi. L'oscil·lació làser pot millorar la convecció tèrmica a la piscina fosa, formant vòrtexs prop del forat de la pany. El metall fos flueix des del forat de la pany fins a la seva cua, esmorteint l'impacte de les gotes i mantenint el forat de la clau obert de manera estable. Això indica que els làsers oscil·lants poden estabilitzar el procés de soldadura alterant el camp de flux de la piscina fosa.
Figura 4. Flux de la piscina de fusió des del temps T0 fins a T0 + 2.7 ms en condicions de buit zero: (a) Sense oscil·lació làser; (b) Amplitud 1 mm, freqüència 100 Hz; (c) Amplitud 1,5 mm, freqüència 200 Hz. Les fletxes grogues i verdes indiquen els vòrtexs generats pel làser oscil·lant i la direcció del flux del metall fos, respectivament; les línies blanques i taronges indiquen el forat i les gotes foses, respectivament.
La figura 5 il·lustra el comportament dinàmic del metall fos a la piscina de soldadura sota paràmetres d'oscil·lació no -optimitzats (amplitud 1 mm, freqüència 100 Hz) a mesura que s'està formant la gepa de l'arrel, avançant l'estudi dels defectes de soldadura des de l'observació morfològica macroscòpica a un nou nivell d'anàlisi quantitativa de dinàmica de fluids. La distribució vectorial de velocitat mostra la direcció i la magnitud del flux de metall fos dins de la piscina de soldadura, mentre que el camp de velocitat mostra de manera més intuïtiva la distribució espacial de la velocitat del flux. Al mateix temps, existeixen alts valors de vorticitat a la regió de formació de la gepa, que indiquen un fort flux de rotació o cisalla del líquid allà. Aquest patró de flux rotacional afavoreix l'acumulació i el creixement inestable de metall fos, que és un camp de flux típic de la formació de gepa.
Figura 5. Resultats de la velocimetria d'imatge de partícules en diferents moments durant la formació de la gepa de l'arrel: (a) distribució vectorial de velocitat; (b) distribució del camp de velocitat; (c) distribució del camp de vorticitat. Les línies discontínues grogues i blanques indiquen el contorn de la gepa.
04 Resum: aquest estudi aborda els reptes de la indústria dels geps d'arrel i la capacitat de pont-sufficiente de la bretxa en la soldadura híbrida d'arc-làser-gap variable-de placa gruixuda. Mitjançant experiments sistemàtics combinats amb tècniques de diagnòstic avançades com ara imatges d'alta -velocitat i velocimetria d'imatges de partícules, es va revelar el mecanisme de supressió de defectes del làser oscil·lant. Els resultats indiquen que amb paràmetres d'oscil·lació optimitzats, el làser, en augmentar i estabilitzar el forat de la clau, millora significativament el canal conductor de l'arc, reduint el grau de deflexió de l'arc en un 85,2%, estabilitzant així el comportament de l'arc. Al mateix temps, el làser oscil·lant altera el camp de flux de la piscina de fosa, formant un vòrtex estable i mantenint l'obertura del forat de la pany, aconseguint, finalment, soldadures d'alta-qualitat lliures de geps i col·lapses en un rang de buit variable de 0-2,5 mm. Aquest estudi no només aprofundeix en la comprensió teòrica dels mecanismes de formació i supressió de defectes de soldadura des d'una perspectiva de dinàmica de fluids, sinó que també proporciona un esquema de procés fiable i una base teòrica per resoldre els reptes de soldadura de buits variables en la fabricació de components grans, que és d'un valor significatiu per promoure l'aplicació de la tecnologia de soldadura híbrida làser-arc en els principals projectes d'enginyeria.
