01 Uvod
Varjenje debelih plošč je eden ključnih procesov pri proizvodnji velikih komponent, kot so vlaki-za visoke hitrosti, ladjedelništvo in energetska oprema. Zaradi omejitev natančnosti obdelave, napak pri montaži in toplotne deformacije med postopkom varjenja pa se zvarna reža pogosto spreminja. Ko je reža med ploščama majhna, je verjetno, da bo prišlo do nepopolne penetracije ali koreninskih valov, medtem ko velike reže ponavadi povzročijo kolaps zvara. Sedanje raziskave večinoma temeljijo na pogojih stalne vrzeli, študij o varjenju s spremenljivo vrzeljo pa je relativno malo. Zlasti pri hibridnem varjenju z laserjem in oblokom ostaja doseganje zatiranja valovanja pod majhnimi režami in dobre zmožnosti premostitve pod velikimi režami izziv v inženirskih aplikacijah. Ta študija se osredotoča na 12 mm-debelo jeklo, ki je odporno na vremenske vplive, s ciljem razjasniti tvorbo zvarov in mehanizme za odpravo napak med hibridnim varjenjem z nihajočim laserjem in oblokom v pogojih spremenljive vrzeli, zagotavljati teoretično in procesno podporo za varjenje debelih plošč s spremenljivimi režami ter spodbujati nadaljnjo industrijsko uporabo in sprejetje tehnologije hibridnega varjenja z nihajočim laserjem in oblokom.
02 Pregled celotnega besedila
Ta študija obravnava izzive koreninskih grbin in nezadostne zmožnosti premostitve pri hibridnem obločnem varjenju z-laserjem-debele jeklene plošče s spremenljivo režo in sistematično raziskuje mehanizem, s katerim nihajoči laserji vplivajo na postopek varjenja. Eksperimentalni osnovni material je bilo 12 mm debelo trpežno jeklo S355J2W. Hibridni varilni sistem je bil izdelan z laserjem z vlakni TruDisk-10002 (največja moč 10 kW, valovna dolžina 1070 nm) v kombinaciji z opremo za obločno varjenje, z nenehno spreminjajočo se montažno režo (0 - 3 mm), nastavljeno vzdolž celotnega zvara, da simulira spremenljive-pogoje reže, ki se običajno pojavljajo v dejansko proizvodnjo. Med študijo so bile moč laserja (6,5 kW), hitrost varjenja (16 mm/s) in hitrost podajanja žice (10 m/min) konstantne, pri čemer so bili parametri laserskega nihanja (amplituda, frekvenca) glavni nadzorovani spremenljivki v poskusih. -Hitra fotografija je bila uporabljena za sinhrono snemanje obnašanja bazena staline in morfologije obloka na sprednji in zadnji strani zvara. Poleg tega je bila uporabljena zbirka orodij PIVlab v MATLAB za izvedbo navzkrižne{20}}korelacijske analize na hitrih posnetkih staljenega bazena, pri čemer so kvantitativno izločili polje hitrosti tekoče kovine in polje vrtinčenja med nastajanjem grbin. Ta metoda pretvori podatke vizualizacije toka v merljive fizikalne parametre (hitrost, vrtinčenje), kar zagotavlja trdno podatkovno podporo za razkrivanje mehanizma nastanka grbine. Kar zadeva analizo morfologije obloka, so raziskovalci natančno ocenili učinek oscilirajočega laserja na obnašanje obloka z izračunom standardne deviacije kota odklona obloka. Končno je bilo pri parametrih nihanja amplitude 1,5 mm in frekvence 200 Hz doseženo dobro oblikovanje zvara brez grbin ali zrušitev v razponu spremenljive vrzeli 0-2,5 mm. Izčrpna analiza je pokazala, da zaprtje ključavnice povzroči nastanek koreninske grbine, medtem ko oscilacijski laser učinkovito zavira nastajanje grbe s stabilizacijo ključavnice, izboljša fluidnost bazena staline in poveča površinsko napetost na repu bazena staline.
Slika 03 ponazarja neposredno primerjavo odločilnega vpliva različnih parametrov nihanja na tvorbo spremenljivih-razpornih zvarov. Brez laserske oscilacije se pri majhni reži (1 mm) pojavi koreninska grba, z večanjem reže pa se pojavi kolaps površine, kar kaže na slabo prilagodljivost reže. Spreminjanje parametrov laserskega nihanja izboljša oblikovanje sprednje-strani, vendar ima zadnja stran še vedno grbine ali pa se zvar zoži. Končni parametri so amplituda 1,5 mm in frekvenca 200 Hz. Znotraj celotnega spremenljivega razpona-razpona so na obeh straneh doseženi odlični zvari brez grbin ali zrušitev, kar dokazuje ključno vlogo optimizacije parametrov nihanja.
Slika 1. Tvorba zvara pri različnih varilnih parametrih. Širina zvara se spreminja od 0 mm do 3 mm vzdolž smeri varjenja: (a) Brez nihanja; (b) amplituda nihanja 1 mm, frekvenca 100 Hz; (c) amplituda nihanja 1,5 mm, frekvenca 100 Hz; (d) Amplituda nihanja 1,5 mm, frekvenca 200 Hz.
Slika 2 prikazuje, da se v enem ciklu, brez nihanja, lok neenakomerno odkloni v levo in desno, medtem ko z nihajnim laserjem ostane lok stabilno centriran, s polno in stabilno obliko in ne kaže pomembnega stranskega odklona. To dokazuje, da je v pogojih brez oscilirajočega laserja velika vrzel sama temeljni vzrok za nestabilnost oblike loka. Oblok teži k iskanju najbližje prevodne poti (tj. stranske stene utora), kar povzroči neenakomerno segrevanje. Uvedba oscilacijskega laserja, ne glede na to, ali so parametri optimalni, lahko močno zmanjša stranski odklon obloka in ga ohrani stabilnega v središču zvara.
Slika 2. Morfologija vara pri različnih hitrostih varjenja: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
Slika 3 kvantificira stopnjo upogiba loka. Brez laserskega nihanja je standardna deviacija odklonskega kota 23,6 stopinje, kar kaže na močno nihanje loka; po uporabi oscilirajočega laserja standardna deviacija pade na 3,5 stopinje, stabilnost pa se izboljša za 85,2 %. To zagotavlja podatke, ki dokazujejo, da lahko 'oscilacijski laser znatno stabilizira lok.'
Slika 3. Merjenje kotov odklona loka šestkrat pod režo 2,5 mm: (a) Shematski diagram kotov odklona loka; (b) Stopnja upogiba loka pod različnimi parametri. Razlika med 1 in 2 predstavlja stopnjo upogiba loka.
Slika 4 prikazuje, da med postopkom varjenja staljena kovina teče proti ključavnici v obliki valov, zaradi česar ključavnica močno niha in se zruši. Lasersko nihanje lahko poveča toplotno konvekcijo v bazenu staline in tvori vrtince blizu ključavnice. Staljena kovina teče od okrog ključavnice do njenega repa, ublaži udarce kapljic in ohranja ključavnico stabilno odprto. To kaže, da lahko oscilacijski laserji stabilizirajo varilni proces s spreminjanjem pretočnega polja bazena staline.
Slika 4. Tok bazena taline od časa T0 do T0 + 2.7 ms pri pogojih ničelne vrzeli: (a) Brez laserskega nihanja; (b) amplituda 1 mm, frekvenca 100 Hz; (c) Amplituda 1,5 mm, frekvenca 200 Hz. Rumena in zelena puščica označujeta vrtince, ki jih ustvarja nihajoči laser, oziroma smer toka staljene kovine; bele in oranžne črte označujejo ključavnico oziroma staljene kapljice.
Slika 5 ponazarja dinamično obnašanje staljene kovine v zvarnem bazenu pri ne-optimiziranih parametrih nihanja (amplituda 1 mm, frekvenca 100 Hz), ko nastaja koreninska grba, s čimer napreduje preučevanje varilnih napak od makroskopskega morfološkega opazovanja do nove ravni kvantitativne analize dinamike tekočin. Porazdelitev vektorja hitrosti prikazuje smer in velikost toka staljene kovine znotraj zvarnega bazena, medtem ko polje hitrosti bolj intuitivno prikazuje prostorsko porazdelitev hitrosti toka. Hkrati obstajajo visoke vrednosti vrtinčenja v območju nastajanja grbe, kar kaže na močan rotacijski ali strižni tok tekočine tam. Ta rotacijski vzorec toka spodbuja kopičenje in nestabilno rast staljene kovine, kar je tipično polje toka, značilno za nastanek grbe.
Slika 5. Rezultati velocimetrije slike delcev v različnih trenutkih med nastankom koreninske grbe: (a) porazdelitev vektorja hitrosti; (b) porazdelitev polja hitrosti; (c) porazdelitev polja vrtinčnosti. Rumene in bele črtkane črte označujejo konturo grbe.
04 Povzetek: Ta študija obravnava industrijske izzive koreninskih grbin in nezadostne zmožnosti{1}}premostitve vrzeli pri hibridnem-laserskem{3}}obločnem varjenju s spremenljivo debelimi ploščami. S sistematičnimi poskusi v kombinaciji z naprednimi diagnostičnimi tehnikami, kot sta slikanje z visoko-hitrostjo in velocimetrija slike delcev, je bil razkrit mehanizem zatiranja napak nihajnega laserja. Rezultati kažejo, da pri optimiziranih parametrih nihanja laser s povečanjem in stabilizacijo ključavnice bistveno izboljša prevodni kanal obloka, zmanjša stopnjo upogiba obloka za 85,2 %, s čimer stabilizira obnašanje obloka. Hkrati oscilirajoči laser spremeni polje toka bazena taline, tvori stabilen vrtinec in ohranja odprtost ključavnice, s čimer na koncu doseže visoko{9}}kakovostne zvare brez grbin in zrušitve v razponu spremenljive vrzeli 0-2,5 mm. Ta študija ne poglablja le teoretičnega razumevanja nastajanja in zatiranja varilnih napak z vidika dinamike tekočin, temveč zagotavlja tudi zanesljivo procesno shemo in teoretično osnovo za reševanje spremenljivih-izzivov varjenja z režami pri proizvodnji velikih komponent, kar je zelo pomembno za spodbujanje uporabe tehnologije hibridnega varjenja z laserskim oblokom pri večjih inženirskih projektih.
