01 Увод
У производњи великих компоненти као што су-брзи возови, бродоградња и енергетска опрема, заваривање дебелих плоча је један од кључних процеса. Међутим, због ограничења у тачности обраде, грешака у монтажи и термичке деформације током процеса заваривања, зазор у заваривању се често мења. Када је размак између плоча мали, вероватно ће доћи до непотпуног продора или таласања корена, док велики размаци имају тенденцију да доведу до колапса шава. Садашња истраживања се углавном заснивају на условима константног зазора, а студије о заваривању са променљивим зазорима релативно недостају. Конкретно, код хибридног заваривања ласер-лучним заваривањем, постизање и супресије таласања испод малих размака и добре способности премошћавања под великим празнинама остаје изазов у инжењерским апликацијама. Ова студија се фокусира на челик дебљине 12 мм- који је отпоран на атмосферске утицаје, са циљем да разјасни механизме формирања шава и сузбијања дефеката током осцилационог ласерско-лучног хибридног заваривања у условима променљивог зазора, пружајући теоријску и процесну подршку за заваривање дебелих плоча са променљивим зазорима и промовишући даљу индустријску примену и усвајање технологије осциловања ласерског заваривања бр.бр.
02 Преглед пуног текста
Ова студија се бави изазовима избочина корена и недовољне способности премошћавања у хибридном заваривању са варијабилним -ласерским размаком-дебелих челичних плоча- и систематски истражује механизам помоћу којег осцилујући ласери утичу на процес заваривања. Експериментални основни материјал био је челик С355Ј2В дебљине 12 мм. Хибридни систем заваривања је конструисан коришћењем ласера са влакнима ТруДиск-10002 (максимална снага 10 кВ, таласна дужина 1070 нм) у комбинацији са опремом за електролучно заваривање, са континуално променљивим размаком за монтажу (0 - 3 мм) постављеним дуж целог променљивог шава{17} који се симулира у стварним условима заваривања како би се симулирали{17} производње. Током студије, снага ласера (6,5 кВ), брзина заваривања (16 мм/с) и брзина додавања жице (10 м/мин) су одржаване константним, са параметрима осциловања ласера (амплитуда, фреквенција) као главним контролисаним варијаблама у експериментима. -Фотографија велике брзине је коришћена за синхроно снимање понашања растопљеног базена и морфологије лука на предњој и задњој страни вара. Поред тога, ПИВлаб алатни оквир у МАТЛАБ-у је коришћен да изврши унакрсну-анализу корелације на брзим сликама растопљеног базена, квантитативно издвајајући поље брзине течног метала и поље вртложења током формирања грбина. Овај метод претвара податке визуелизације тока у физичке параметре који се могу мерити (брзина, вртложност), пружајући солидну подршку подацима за откривање механизма формирања грба. Што се тиче анализе морфологије лука, истраживачи су прецизно проценили ефекат осцилационог ласера на понашање лука тако што су израчунали стандардну девијацију угла отклона лука. Коначно, под параметрима осцилације од 1,5 мм амплитуде и фреквенције 200 Хз, постигнуто је добро формирање шава без избочина или колапса у променљивом опсегу зазора од 0-2,5 мм. Свеобухватна анализа је показала да затварање кључаонице доводи до формирања корена, док осцилујући ласер ефикасно сузбија формирање грба тако што стабилизује кључаоницу, побољшава флуидност растопљеног базена и повећава површински напон на репу растопљеног базена.
Слика 03 илуструје директно поређење одлучујућег утицаја различитих параметара осциловања на формирање променљивих-завара. Без ласерске осцилације, на малом размаку (1 мм) настаје избочина корена, а како се јаз повећава, појављује се површински колапс, што указује на лошу прилагодљивост јаза. Промена параметара ласерске осцилације побољшава формирање предње-стране, али задња страна и даље има избочине или шав постаје ужи. Коначни параметри су амплитуда од 1,5 мм и фреквенција од 200 Хз. У оквиру читавог опсега променљивих{10}}размака, одлични завари без грбина или колапса се постижу са обе стране, што показује кључну улогу оптимизације параметара осциловања.
Слика 1. Формирање шава под различитим параметрима заваривања. Ширина шава варира од 0 мм до 3 мм дуж правца заваривања: (а) Нема осцилација; (б) амплитуда осцилације 1 мм, фреквенција 100 Хз; (ц) амплитуда осцилације 1,5 мм, фреквенција 100 Хз; (д) амплитуда осцилације 1,5 мм, фреквенција 200 Хз.
Слика 2 показује да се у оквиру једног циклуса, без осциловања, лук неправилно скреће улево и удесно, док са осцилујућим ласером лук остаје стабилно центриран, пуног и стабилног облика, не показујући значајније бочно скретање. Ово показује да је у условима без осцилирајућег ласера сам велики зазор основни узрок нестабилности облика лука. Лук тежи најближој проводној путањи (тј. бочној страни жлеба), што доводи до неравномерног загревања. Увођење осцилационог ласера, без обзира на то да ли су параметри оптимални, може у великој мери да потисне бочни отклон лука и да га задржи стабилним у центру вара.
Слика 2. Морфологија завара при различитим брзинама заваривања: (а) 1,5 м/мин (б) 1,8 м/мин (ц) 2,1 м/мин.
Слика 3 квантификује степен отклона лука. Без ласерске осцилације, стандардна девијација угла скретања је 23,6 степени, што указује на јаку флуктуацију лука; након употребе осцилирајућег ласера, стандардна девијација пада на 3,5 степена, уз побољшање стабилности за 85,2%. Ово пружа доказ података да „осцилујући ласер може значајно да стабилизује лук“.
Слика 3. Мерење углова скретања лука шест пута под размаком од 2,5 мм: (а) Шематски дијаграм углова скретања лука; (б) Степен отклона лука под различитим параметрима. Разлика између 1 и 2 представља степен отклона лука.
Слика 4 илуструје да током процеса заваривања, растопљени метал тече ка кључаоници у облику таласа, узрокујући да кључаоница снажно флуктуира и колапсира. Ласерско осциловање може побољшати топлотну конвекцију у растопљеном базену, формирајући вртлоге у близини кључаонице. Истопљени метал тече од око кључаонице до њеног репа, ублажавајући удар капљица и одржавајући кључаоницу стабилно отвореном. Ово указује да осцилирајући ласери могу стабилизовати процес заваривања мењајући поље протока растопљеног базена.
Слика 4. Проток базена талине од времена Т0 до Т0 + 2.7 мс у условима нултог зазора: (а) Нема ласерских осцилација; (б) амплитуда 1 мм, фреквенција 100 Хз; (ц) Амплитуда 1,5 мм, фреквенција 200 Хз. Жуте и зелене стрелице означавају вртлоге које генерише осцилујући ласер и смер протока растопљеног метала, респективно; беле и наранџасте линије означавају кључаоницу и растопљене капљице, респективно.
Слика 5 илуструје динамичко понашање растопљеног метала у базену за заваривање под не-оптимизованим параметрима осциловања (амплитуда 1 мм, фреквенција 100 Хз) како се формира грба корена, унапређујући проучавање дефеката заваривања са макроскопског морфолошког посматрања на нови ниво квантитативне анализе течности. Расподела вектора брзине показује смер и величину тока растопљеног метала унутар завареног базена, док поље брзине интуитивније приказује просторну дистрибуцију брзине протока. У исто време, високе вредности вртложења постоје у региону формирања грба, што указује на снажан ротациони или смичући ток течности тамо. Овај ротациони образац струјања промовише акумулацију и нестабилан раст растопљеног метала, што је типично поље протока карактеристично за формирање грба.
Слика 5. Резултати брзинске слике честица у различитим тренуцима током формирања корена: (а) дистрибуција вектора брзине; (б) расподела поља брзине; (ц) расподела поља вртложења. Жуте и беле испрекидане линије означавају контуру грба.
04 Резиме: Ова студија се бави индустријским изазовима избочина корена и недовољне способности-премошћивања зазора код хибридног заваривања са променљивом дебљом плочом{2}}ласерским заваривањем-. Кроз систематске експерименте комбиноване са напредним дијагностичким техникама као што су брзо{5}}сликавање и брзина слике честица, откривен је механизам за сузбијање дефекта осцилирајућег ласера. Резултати показују да под оптимизованим параметрима осциловања, ласер, повећањем и стабилизацијом кључаонице, значајно побољшава проводни канал лука, смањујући степен отклона лука за 85,2%, чиме се стабилизује понашање лука. У исто време, осцилујући ласер мења поље протока у базену талине, формирајући стабилан вртлог и одржавајући отвореност кључаонице, на крају постижући -квалитетне заварене спојеве без грбина и колапса у променљивом опсегу зазора од 0-2,5 мм. Ова студија не само да продубљује теоријско разумевање формирања дефекта и механизама за сузбијање заваривања из перспективе динамике флуида, већ такође пружа поуздану шему процеса и теоријску основу за решавање изазова заваривања са променљивим{13}}размаком у производњи великих компоненти, што је од значајне вредности за промовисање примене технологије ласерско-лучног хибридног заваривања у великим инжењерским пројектима.
