01 Johdanto
Suurten komponenttien, kuten{0}}nopeajunien, laivanrakennus- ja energialaitteiden valmistuksessa paksulevyn hitsaus on yksi tärkeimmistä prosesseista. Kuitenkin työstötarkkuuden rajoitusten, kokoonpanovirheiden ja hitsausprosessin aikaisten lämpömuodonmuutosten vuoksi hitsausrako muuttuu usein. Kun levyjen välinen rako on pieni, epätäydellinen tunkeutuminen tai juuren aaltoilu tapahtuu todennäköisesti, kun taas suuret raot johtavat yleensä hitsin romahtamiseen. Nykyinen tutkimus perustuu enimmäkseen vakiorakoolosuhteisiin, ja tutkimuksia hitsauksesta vaihtelevilla rakoilla on suhteellisen vähän. Erityisesti laserkaarihybridihitsauksessa sekä aaltoilun vaimennus pienissä rakoissa että hyvä siltauskyky suurissa rakoissa on edelleen haaste teknisissä sovelluksissa. Tämä tutkimus keskittyy 12 mm -paksuun säänkestävään teräkseen. Sen tavoitteena on selvittää hitsin muodostumista ja vikojen vaimennusmekanismeja värähtelevän laserkaarihybridihitsauksen aikana vaihtelevissa rakoolosuhteissa, tarjota teoreettista ja prosessitukea paksujen levyjen hitsaukseen vaihtelevilla rakoilla ja edistää teollista käyttöä ja hybridihitsausteknologian käyttöä.
02 Koko tekstin yleiskatsaus
Tässä tutkimuksessa käsitellään juurikyhmyjen ja riittämättömän siltauskyvyn haasteita paksun teräslevyn muuttuvassa{0}}rakolaser-kaarihybridihitsauksessa ja tutkitaan systemaattisesti mekanismia, jolla värähtelevät laserit vaikuttavat hitsausprosessiin. Kokeen pohjamateriaalina oli 12 mm paksu S355J2W säänkestävä teräs. Hybridihitsausjärjestelmä rakennettiin käyttämällä TruDisk-10002-kuitulaseria (maksimiteho 10 kW, aallonpituus 1070 nm) yhdessä kaarihitsauslaitteiston kanssa jatkuvasti vaihtelevalla kokoonpanovälillä (0 - 3 mm) koko hitsaussaumassa, mikä simuloi 7} vaihtelevaa tuotantoa. Tutkimuksen aikana laserin teho (6,5 kW), hitsausnopeus (16 mm/s) ja langansyöttönopeus (10 m/min) pidettiin vakiona, ja laservärähtelyparametrit (amplitudi, taajuus) olivat kokeiden ydinohjattuja muuttujia. Nopeaa{19}}valokuvausta käytettiin tallentamaan synkronisesti sulan altaan käyttäytyminen ja kaaren morfologia hitsin etu- ja takapuolella. Lisäksi MATLABin PIVlab-työkalupakkia käytettiin suorittamaan risti-korrelaatioanalyysi sulan altaan nopeille kuville, mikä erottaa kvantitatiivisesti nestemäisen metallin nopeuskentän ja pyörrekentän kohoumien muodostumisen aikana. Tämä menetelmä muuntaa virtauksen visualisointitiedot kvantifioitavissa oleviksi fysikaalisiksi parametreiksi (nopeus, pyörteet), mikä tarjoaa vankan datatuen kyhmyn muodostumismekanismin paljastamiseen. Mitä tulee valokaaren morfologian analyysiin, tutkijat arvioivat tarkasti värähtelevän laserin vaikutuksen kaaren käyttäytymiseen laskemalla kaaren taipumakulman keskihajonnan. Lopulta 1,5 mm:n amplitudin ja 200 Hz:n taajuuden värähtelyparametreilla saavutettiin hyvä hitsin muodostuminen ilman kohoumia tai romahtamista vaihtelevalla rakoalueella 0-2,5 mm. Kattava analyysi osoitti, että avaimenreiän sulkeminen johtaa juuren kyhmyn muodostumiseen, kun taas värähtelevä laser estää tehokkaasti kyhmyjen muodostumista stabiloimalla avaimenreikää, parantamalla sulan altaan juoksevuutta ja lisäämällä pintajännitystä sulan altaan pyrstössä.
Kuva 03 havainnollistaa suoraa vertailua eri värähtelyparametrien ratkaisevasta vaikutuksesta muuttuvien -rakosaumojen muodostumiseen. Ilman laservärähtelyä pienessä raossa (1 mm) syntyy juurikyhmyä, ja raon kasvaessa pinnan romahdus ilmaantuu, mikä osoittaa välin huonoa sopeutumiskykyä. Laservärähtelyparametrien muuttaminen parantaa etupuolen-muodostusta, mutta takapuolella on silti kohoumia tai hitsi kapenee. Lopulliset parametrit ovat amplitudi 1,5 mm ja taajuus 200 Hz. Koko muuttuva{10}rako-alueella saavutetaan erinomaiset hitsit ilman kohoumia tai painumaa molemmilla puolilla, mikä osoittaa värähtelyparametrien optimoinnin keskeisen roolin.
Kuva 1. Hitsin muodostuminen eri hitsausparametreilla. Hitsauksen leveys vaihtelee 0 mm:stä 3 mm:iin hitsaussuunnassa: (a) Ei värähtelyä; (b) Värähtelyamplitudi 1 mm, taajuus 100 Hz; (c) Värähtelyamplitudi 1,5 mm, taajuus 100 Hz; (d) Värähtelyamplitudi 1,5 mm, taajuus 200 Hz.
Kuva 2 osoittaa, että yhden jakson aikana ilman värähtelyä kaari poikkeaa epäsäännöllisesti vasemmalle ja oikealle, kun taas värähtelevässä laserissa kaari pysyy vakaasti keskitettynä, täyteläisenä ja vakaana, eikä siinä ole merkittävää sivusuuntaista taipumaa. Tämä osoittaa, että olosuhteissa, joissa ei ole värähtelevää laseria, suuri rako itsessään on perussyy kaaren muodon epävakaudelle. Valokaari pyrkii etsimään lähintä johtavaa polkua (eli uran sivuseinämää), mikä johtaa epätasaiseen lämpenemiseen. Värähtelevän laserin käyttöönotto, riippumatta siitä, ovatko parametrit optimaaliset, voi suuresti vaimentaa kaaren sivusuuntaista taipumaa ja pitää sen vakaana hitsin keskellä.
Kuva 2. Hitsauksen morfologia eri hitsausnopeuksilla: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
Kuva 3 ilmaisee kaaren taipuman asteen. Ilman laservärähtelyä poikkeutuskulman standardipoikkeama on 23,6 astetta, mikä osoittaa voimakasta kaaren vaihtelua; oskilloivan laserin käytön jälkeen standardipoikkeama putoaa 3,5 asteeseen ja stabiilisuus paranee 85,2 %. Tämä tarjoaa todisteita siitä, että "värähtelevä laser voi merkittävästi stabiloida kaaria".
Kuva 3. Valokaaripoikkeutuskulmien mittaus kuusi kertaa 2,5 mm:n raon alla: (a) Valokaaripoikkeutuskulmien kaavio; (b) Valokaarin taipumaaste eri parametreilla. Ero 1:n ja 2:n välillä edustaa kaaren taipumaastetta.
Kuva 4 havainnollistaa, että hitsausprosessin aikana sula metalli virtaa kohti avaimenreikää aaltojen muodossa aiheuttaen avaimenreiän voimakkaan heilahtelun ja romahtamisen. Laservärähtely voi tehostaa lämpökonvektiota sulassa altaassa muodostaen pyörteitä avaimenreiän lähelle. Sula metalli virtaa avaimenreiän ympäriltä sen pyrstölle vaimentaen pisaroiden iskua ja pitäen avaimenreiän vakaasti auki. Tämä osoittaa, että värähtelevät laserit voivat vakauttaa hitsausprosessia muuttamalla sulan altaan virtauskenttää.
Kuva 4. Sula-altaan virtaus ajankohdasta T0 arvoon T0 + 2.7 ms nollaraon olosuhteissa: (a) Ei laservärähtelyä; (b) Amplitudi 1 mm, taajuus 100 Hz; (c) Amplitudi 1,5 mm, taajuus 200 Hz. Keltaiset ja vihreät nuolet osoittavat värähtelevän laserin synnyttämiä pyörteitä ja sulan metallin virtaussuuntaa, vastaavasti; valkoiset ja oranssit viivat osoittavat avaimenreiän ja sulat pisarat, vastaavasti.
Kuva 5 havainnollistaa sulan metallin dynaamista käyttäytymistä hitsisulassa -optimoimattomissa värähtelyparametreissa (amplitudi 1 mm, taajuus 100 Hz), kun juurikyhmyä muodostuu. Tämä etenee hitsausvirheiden tutkimusta makroskooppisesta morfologisesta havainnosta kvantitatiivisen nesteanalyysin uudelle tasolle. Nopeusvektorijakauma näyttää sulan metallin virtauksen suunnan ja suuruuden hitsisulassa, kun taas nopeuskenttä näyttää intuitiivisemmin virtausnopeuden tilajakauman. Samanaikaisesti kyhmyn muodostumisalueella on korkeat pyörteet, jotka osoittavat nesteen voimakasta pyörimis- tai leikkausvirtausta siellä. Tämä pyörivä virtauskuvio edistää sulan metallin kerääntymistä ja epävakaata kasvua, mikä on tyypillinen kohoumalle tyypillinen virtauskenttä.
Kuva 5. Hiukkaskuvan nopeusmittaustulokset juuren kyhmyn muodostumisen eri hetkillä: (a) nopeusvektorijakauma; (b) nopeuskentän jakautuminen; (c) pyörteiden kentän jakautuminen. Keltaiset ja valkoiset katkoviivat osoittavat kyhmyn ääriviivat.
04 Yhteenveto: Tässä tutkimuksessa käsitellään alan haasteita, jotka liittyvät juuriköyhtymiin ja riittämättömään raon-siltauskykyyn paksulevyn muuttuvassa-rakolaser-kaarihybridihitsauksessa. Järjestelmällisillä kokeilla yhdistettynä kehittyneisiin diagnostisiin tekniikoihin, kuten nopeaan{5}}kuvaukseen ja hiukkaskuvan nopeusmittariin, värähtelevän laserin vikojen vaimennusmekanismi paljastettiin. Tulokset osoittavat, että optimoiduilla värähtelyparametreilla laser, suurentamalla ja stabiloimalla avaimenreikää, parantaa merkittävästi kaaren johtavaa kanavaa vähentäen kaaren taipuman astetta 85,2 %, mikä stabiloi kaaren käyttäytymistä. Samaan aikaan värähtelevä laser muuttaa sulaaltaan virtauskenttää muodostaen vakaan pyörteen ja säilyttäen avaimenreiän avoimuuden, jolloin saadaan loppujen lopuksi korkealaatuisia-hitsauksia, joissa ei ole kohoumia ja luhistua vaihtelevalla rakoalueella 0-2,5 mm. Tämä tutkimus ei ainoastaan syvennä teoreettista ymmärrystä hitsausvikojen muodostumisesta ja vaimennusmekanismeista nestedynamiikan näkökulmasta, vaan tarjoaa myös luotettavan prosessikaavion ja teoreettisen perustan suurten komponenttien valmistuksen muuttuvien -rakohitsauksen haasteiden ratkaisemiseksi, mikä on merkittävää arvoa laserkaarihybridihitsaustekniikan soveltamisen edistämisessä suurissa suunnitteluprojekteissa.
