موسسه فناوری هاربین|تجزیه و تحلیل و بهبود پایداری فرآیند در جوشکاری پرکننده سیم لیزری تحت نوسان پرتو لیزر

01 معرفی مقاله:

فولاد زنگ نزن آستنیتی به دلیل خواص مکانیکی عالی و مقاومت در برابر خوردگی به طور گسترده در زمینه های حیاتی مانند انرژی هسته ای، کشتی سازی و مخازن تحت فشار استفاده می شود. برای ساخت اجزای ساختاری صفحه‌ای ضخیم در این زمینه‌ها، جوش لیزری با انرژی{3} بالا مزایایی نسبت به جوشکاری قوس الکتریکی سنتی دارد، مانند حرارت ورودی کمتر و سرعت جوش بیشتر، که به بهبود عملکرد اتصال کمک می‌کند. با این حال، جوشکاری سیم لیزری سنتی هنگام استفاده از جوشکاری با شکاف ضخیم-صفحه باریک- با چالش های قابل توجهی مواجه است. از یک طرف، برای دستیابی به نفوذ عمیق، فرآیند جوشکاری معمولاً از حالت "سوراخ کلید" استفاده می کند، اما این سوراخ کلید عمیق و باریک بسیار ناپایدار است، مستعد فروپاشی و گیر افتادن گاز است که منجر به تعداد زیادی عیوب تخلخل در جوش می شود. از سوی دیگر، در حالی که استفاده از حالت پایدارتر "رسانش گرما" می‌تواند تخلخل را کاهش دهد، عمق نفوذ آن بسیار کم است و در نتیجه راندمان جوش پایین‌تر است و برای تکمیل جوش{9} ضخیم ورق نیاز به پاس‌های جوش بیشتری دارد. این نه تنها گرمای ورودی تجمعی و تنش پسماند را افزایش می‌دهد، بلکه ممکن است منجر به عدم همجوشی در دیواره‌های جانبی شیار به دلیل انرژی متمرکز لیزر شود. بنابراین، نحوه جلوگیری موثر از عیوب مانند تخلخل و عدم همجوشی و در عین حال اطمینان از پایداری جوش، یک گلوگاه فنی است که باید فوراً در زمینه جوشکاری لیزر ضخیم{12}}به آن پرداخته شود. برای رفع چالش های فوق، فناوری نوسان پرتو لیزر، به عنوان یک روش پیشرفته کنترل انرژی، پتانسیل بالایی از خود نشان می دهد. با ایجاد نوسان پرتو لیزر در فرکانس بالا در طول مسیر جوشکاری، توزیع انرژی لیزر را می توان به طور فعال کنترل کرد و رفتار دینامیک سیال حوضچه مذاب را می توان بهبود بخشید، در نتیجه بر پایداری فرآیند جوشکاری و تشکیل جوش تأثیر مثبت می گذارد.

02 خلاصه متن کامل:

این مطالعه به طور شهودی اثرات قابل توجه فناوری نوسان را نشان می‌دهد: با معرفی فرکانس و دامنه نوسان، منافذ متراکم که معمولاً در روش‌های سنتی یافت می‌شوند، به طور موثری حتی تا حد حذف کامل سرکوب می‌شوند. با این حال، ارزش این تحقیق بسیار فراتر از این است. ماهیت آن در-افشای عمیق مکانیسم‌های فیزیکی زیربنایی از طریق تکنیک‌های پیشرفته مانند عکاسی با سرعت{2}}بالا نهفته است. این مطالعه نشان داد که فناوری نوسان فرآیند جوشکاری را از دو طریق تغییر شکل می دهد. ابتدا، «سوراخ کلید» عمیق‌تر و شدیداً در حال نوسان را به یک کانال مذاب گسترده‌تر، پایدارتر و طولانی‌تر تبدیل می‌کند. این نه تنها تشکیل حباب در منبع را کاهش می دهد، بلکه مهمتر از آن، مسیرهای فرار کافی به سمت بالا را برای حباب هایی که قبلاً تشکیل شده اند فراهم می کند. ثانیاً، نوسان با فرکانس بالا، یک اثر همزن گردابی قوی در حوضچه مذاب ایجاد می‌کند. این عمل هم زدن، از یک طرف، گرما را به طور مساوی به دیواره های شیار توزیع می کند، و مشکل همجوشی ناقص را به طور کامل حل می کند. از سوی دیگر، مانند یک همزن عمل می کند، به طور فعال حوضچه مذاب را به هم می زند، به جدا شدن حباب ها از جلوی انجماد و سرعت بخشیدن به دفع آنها کمک می کند. علاوه بر این، این جریان حوضچه مذاب قوی، ریزساختار درز جوش را بهینه می‌کند، رشد دانه‌های ستونی درشت را قطع می‌کند و پالایش دانه را ارتقا می‌دهد، و پایه‌ای را برای دستیابی به خواص مکانیکی برتر ایجاد می‌کند. در نهایت، آماده‌سازی موفقیت‌آمیز اتصالات جوش آزاد با ضخامت 40 میلی‌متر، که با نتایج آزمایش‌های غیرمخرب نشان داده می‌شود، حلقه بسته کامل این فناوری را از تئوری تا عمل به شدت تأیید می‌کند، و راه‌حل‌های فرآیندی و راهنمایی‌های نظری ارزشمندی را برای کاربرد مهندسی جوشکاری لیزر صفحه ضخیم ارائه می‌کند.

03 تجزیه و تحلیل تصویر و متن
شکل 1 به وضوح پیکربندی سیستم آزمایشی مورد استفاده در این مطالعه را نشان می‌دهد، که یک نمودار شماتیک از اصل جوشکاری باریک-لیزر نوسانی با شکاف-است. چندین جزء اصلی با جزئیات به تصویر کشیده شده است: یک سر لیزر با قدرت{4}بالا به صورت عمودی به سمت پایین تابش می کند، با پرتو لیزر آن بر روی یک قطعه کار صفحه ضخیم با یک شیار باریک-. یک مکانیسم تغذیه سیم دقیقاً سیم جوش را از کنار و جلو به ناحیه تعامل بین پرتو لیزر و حوضچه مذاب تغذیه می کند و فلز پرکننده را برای جوش فراهم می کند. به طور همزمان، یک نازل گاز محافظ به صورت هم محور یا جانبی گاز بی اثر را به بیرون می دمد تا از اکسید شدن فلز مذاب در دماهای بالا جلوگیری کند. یک دایره شماتیک بزرگ شده به وضوح نشان می دهد که نقطه لیزر، در حالی که در امتداد جهت جوش حرکت می کند، در طول یک مسیر از پیش تعیین شده در صفحه X-Y نیز متحمل حرکت تناوبی با فرکانس بالا-می شود.

شکل 2،

از طریق تصاویر بازرسی غیرمخرب اشعه ایکس-به صورت بصری نقش تعیین کننده نوسان پرتو لیزر را در سرکوب عیوب تخلخل نشان می دهد. این شکل معمولاً شامل چندین تصویر پرتو ایکس است که در کنار هم قرار گرفته‌اند و کیفیت داخلی جوش‌ها را در شرایط مختلف جوش مقایسه می‌کنند. نمونه پایه در سمت چپ (بدون نوسان) یک درز جوش پر از منافذ متراکم متعدد را نشان می دهد. این لکه‌های سیاه نشان می‌دهند که در حالت سنتی جوشکاری با نفوذ عمیق، مقدار زیادی گاز به دام می‌افتد و توسط فلز به سرعت جامد می‌شود که منجر به نقص‌های جدی می‌شود. با این حال، تصاویر سمت راست، نتایج را پس از اعمال پارامترهای مختلف نوسان نشان می دهند. ما به وضوح می‌توانیم مشاهده کنیم که با افزایش دامنه نوسان، تعداد منافذ در درز جوش به شدت کاهش می‌یابد و توزیع آنها پراکنده‌تر می‌شود. هنگامی که پارامترهای نوسان تا یک مقدار خاص بهینه می شوند، عیوب تخلخل در درز جوش تقریباً به طور کامل حذف می شوند و در نتیجه درز جوش متراکم و تمیز ایجاد می شود. نتیجه این است که نوسان پرتو لیزر یک وسیله بسیار موثر برای سرکوب عیوب تخلخل در جوشکاری لیزری با شکاف ضخیم{10}}صفحه باریک{11} است. این نشان می‌دهد که با کنترل منطقی توزیع انرژی، پایداری فرآیند جوشکاری را می‌توان به طور اساسی بهبود بخشید و یک مسیر فرآیندی حیاتی برای دستیابی به جوشکاری با کیفیت بالا فراهم می‌کند.

شکل 3 از فناوری دوربین با سرعت بالا برای ثبت و مقایسه رفتار دینامیکی "سوراخ کلید" روی سطح حوضچه مذاب در طول فرآیند جوشکاری استفاده می کند. این شکل معمولاً شامل دو مجموعه از تصاویر متوالی یا فریم های ویدیویی است. در شرایط غیر نوسانی، تصاویر نشان می‌دهند که دهانه سوراخ کلید بسیار باریک است و مورفولوژی آن بسیار ناپایدار است و نوسانات شدید، انقباضات مکرر و فروپاشی را نشان می‌دهد. این رفتار ناپایدار علت مستقیم تلاطم فلز مذاب، حباب گاز محافظ و تشکیل حباب است. در مقابل، پس از اعمال پارامترهای نوسان بهینه، مورفولوژی سوراخ کلید به طور اساسی تغییر می کند: دهانه آن به طور قابل توجهی گسترده تر و گردتر می شود و یک فرم نسبتاً پایدار را در طول فرآیند جوشکاری با طول عمر بسیار زیاد حفظ می کند.

شکل 4 نتیجه نهایی جوش لب به لب یک صفحه فولادی ضد زنگ با ضخامت 40 میلی متر را با استفاده از فرآیند جوشکاری نوسانی لیزری بهینه نشان می دهد. این تصویر یک عکس متالوگرافی مقطعی ماکروسکوپیک-از درز جوش صیقلی و حکاکی شده است که به طور کامل کل ناحیه اتصال را از پایین به بالا نشان می دهد. تصویر نشان می‌دهد که درز جوش، که توسط ده‌ها لایه مهره‌های جوش تشکیل می‌شود، به اتصال متالورژیکی کاملی با مورب‌های فلز پایه در دو طرف، بدون هیچ گونه عیب قابل مشاهده مانند عدم همجوشی، آخال‌های سرباره یا ترک می‌رسد. هر لایه مهره جوش یکنواخت و متراکم است، با انتقال صاف بین لایه ها. مهمتر از همه، همراه با نتایج بازرسی اشعه ایکس، ثابت می کند که هیچ نقص حجمی مانند منافذ در درز جوش در کل ضخامت آن وجود ندارد. این امر با موفقیت تأیید می‌کند که فناوری نوسان پرتو لیزر نه تنها در جوشکاری تک پاس عملکرد عالی دارد، بلکه می‌تواند با موفقیت در جوشکاری چندلایه و چند{11}ورق‌های ضخیم با الزامات بسیار سخت استفاده شود. این نشان می‌دهد که این فناوری دارای یک پنجره فرآیند پایدار و تکرارپذیری خوب است، دارای پتانسیل بالایی برای حل مشکلات عمده کاربرد مهندسی است، و نشان‌دهنده تبدیل موفقیت‌آمیز نتایج تحقیقات آزمایشگاهی به محلول جوشکاری صفحه ضخیم قابل اعتماد و با کیفیت{13}}است.

04 نتیجه گیری:

این مقاله به طور سیستماتیک اثربخشی قابل توجه فناوری نوسان پرتو لیزر را در رسیدگی به عیوب کلیدی (تخلخل و عدم همجوشی) در جوشکاری باریک-سیم شکاف-جوشکاری فولاد ضد زنگ 316L با ضخامت 40 میلی متر توضیح داده و تأیید می کند. در مواجهه با چالش‌های جوشکاری سنتی با نفوذ عمیق، که از تخلخل قابل‌توجهی به دلیل ناپایداری سوراخ کلید و عدم همجوشی ناشی از انرژی متمرکز رنج می‌برد، این مطالعه نشان می‌دهد که ارائه نوسان دایره‌ای پرتو لیزر با فرکانس بالا می‌تواند به طور کامل عیوب تخلخل در درز جوش را از بین ببرد و کیفیت جوش را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. ارزش اصلی در تجزیه و تحلیل مکانیکی عمیق آن نهفته است. این مطالعه با استفاده از{9}}عکاسی با سرعت بالا، نشان می‌دهد که فناوری نوسان، حالت جوشکاری را از یک سوراخ کلید عمیق و ناپایدار که مستعد فرو ریختن است به یک حوضچه مذاب باز گسترده، کم عمق، پایدار و طولانی‌تر تبدیل می‌کند. این کانال مذاب پایدار اساساً گیر افتادن گاز را کاهش می دهد و مسیرهای فرار و زمان کافی را برای حباب هایی که به طور تصادفی ایجاد می شوند فراهم می کند، بنابراین به طور موثر حوضچه مذاب را تصفیه می کند. همزمان، نوسان با فرکانس{13}بالا یک اثر همزن گردابی قوی در حوضچه مذاب ایجاد می‌کند. این جریان فلز مذاب فعال نه تنها گرما را به طور یکنواخت در دیواره های جانبی شیار توزیع می کند و خطر عدم همجوشی را برطرف می کند، بلکه حرکت رو به بالا حباب های باقیمانده را از طریق هم زدن تسریع می بخشد. علاوه بر این، این میدان جریان قوی رشد مداوم دانه‌های ستونی درشت را در طول انجماد مختل می‌کند، باعث ایجاد دانه‌های هم محور در ناحیه مرکز جوش، دستیابی به پالایش دانه‌ها، و پایه‌گذاری برای بهبود خواص مکانیکی اتصال می‌شود.