دانشگاه جیائوتنگ جنوب غربی|مطالعه مکانیسم توانایی پل زدن شکاف و عیوب قوز در لیزر نوسانی ورق فولادی ضخیم-جوشکاری هیبریدی قوسی تحت شرایط شکاف مختلف

01 مقدمه

در ساخت قطعات بزرگ مانند قطارهای سریع-، کشتی سازی و تجهیزات انرژی، جوشکاری صفحات ضخیم یکی از فرآیندهای کلیدی است. با این حال، به دلیل محدودیت در دقت ماشینکاری، خطاهای مونتاژ و تغییر شکل حرارتی در طول فرآیند جوشکاری، شکاف جوش اغلب تغییر می کند. هنگامی که شکاف بین صفحات کوچک است، احتمال نفوذ ناقص یا موج‌های ریشه وجود دارد، در حالی که شکاف‌های بزرگ منجر به فروپاشی جوش می‌شوند. تحقیقات فعلی بیشتر بر اساس شرایط شکاف ثابت است و مطالعات در مورد جوشکاری با شکاف های متغیر نسبتاً کم است. به طور خاص، در جوشکاری هیبریدی قوس لیزری، دستیابی به هر دو سرکوب موجی تحت شکاف‌های کوچک و قابلیت پل زدن خوب در زیر شکاف‌های بزرگ یک چالش در کاربردهای مهندسی است. این مطالعه بر روی فولاد هوازده با ضخامت 12 میلی‌متر تمرکز دارد، با هدف شفاف‌سازی مکانیسم‌های تشکیل جوش و سرکوب عیب در طول جوشکاری هیبریدی لیزری-قوسی نوسانی تحت شرایط شکاف متغیر، ارائه پشتیبانی نظری و فرآیندی برای جوشکاری صفحه ضخیم با شکاف‌های متغیر، و ترویج کاربرد بیشتر فناوری جوشکاری لاسرول-هیبروس و پذیرش بیشتر.

02 نمای کلی متن کامل

این مطالعه به چالش‌های قوزهای ریشه و قابلیت پل زدن ناکافی در جوشکاری هیبریدی قوس متغیر ورق فولادی ضخیم-لیزر شکاف-می‌پردازد و به طور سیستماتیک مکانیسمی را بررسی می‌کند که توسط آن لیزرهای نوسانی بر فرآیند جوشکاری تأثیر می‌گذارند. مواد پایه آزمایشی فولاد هوازدگی S355J2W به ضخامت 12 میلی متر بود. یک سیستم جوشکاری هیبریدی با استفاده از یک لیزر فیبر TruDisk-10002 (حداکثر توان 10 کیلووات، طول موج 1070 نانومتر) در ترکیب با تجهیزات جوشکاری قوس الکتریکی، با یک شکاف مونتاژ متغیر ({10}} میلی‌متر) که در امتداد کل شرایط جوش متداول 7} درز متغیر است، ساخته شد. در تولید واقعی در طول مطالعه، توان لیزر (6.5 کیلووات)، سرعت جوشکاری (16 میلی‌متر بر ثانیه)، و سرعت تغذیه سیم (10 متر در دقیقه) با پارامترهای نوسان لیزر (دامنه، فرکانس) به عنوان متغیرهای کنترل‌شده هسته در آزمایش‌ها ثابت نگه داشته شدند. از عکاسی با سرعت بالا برای ثبت همزمان رفتار حوضچه مذاب و مورفولوژی قوس در دو طرف جلو و پشت جوش استفاده شد. علاوه بر این، جعبه ابزار PIVlab در MATLAB برای انجام تجزیه و تحلیل همبستگی متقابل بر روی تصاویر با سرعت بالا از حوضچه مذاب، استخراج کمی میدان سرعت فلز مایع و میدان گردابی در طول تشکیل قوزها استفاده شد. این روش داده‌های تجسم جریان را به پارامترهای فیزیکی قابل اندازه‌گیری (سرعت، گرداب) تبدیل می‌کند و پشتیبانی از داده‌های جامد را برای آشکار کردن مکانیسم تشکیل قوز فراهم می‌کند. با توجه به تجزیه و تحلیل مورفولوژی قوس، محققان دقیقاً با محاسبه انحراف معیار زاویه انحراف قوس، تأثیر لیزر نوسانی را بر رفتار قوس ارزیابی کردند. در نهایت، تحت پارامترهای نوسان دامنه 1.5 میلی متر و فرکانس 200 هرتز، تشکیل جوش خوب بدون برآمدگی یا فروپاشی در محدوده شکاف متغیر 0-2.5 میلی متر به دست آمد. تجزیه و تحلیل جامع نشان داد که بسته شدن سوراخ کلید منجر به تشکیل قوز ریشه می شود، در حالی که لیزر نوسانی با تثبیت سوراخ کلید، بهبود سیالیت حوضچه مذاب و افزایش کشش سطحی در دم حوضچه مذاب، به طور موثر تشکیل قوز را سرکوب می کند.

شکل 03 یک مقایسه مستقیم از تاثیر تعیین کننده پارامترهای مختلف نوسان بر تشکیل جوش‌های متغییر{1} را نشان می‌دهد. بدون نوسان لیزر، قوز ریشه در یک شکاف کوچک (1 میلی متر) رخ می دهد و با افزایش شکاف، فروپاشی سطح ظاهر می شود که نشان دهنده سازگاری ضعیف شکاف است. تغییر پارامترهای نوسان لیزر، شکل‌گیری ضلع جلویی-را بهبود می‌بخشد، اما قسمت پشتی همچنان برآمدگی دارد یا جوش باریک‌تر می‌شود. پارامترهای نهایی دامنه 1.5 میلی متر و فرکانس 200 هرتز هستند. در کل محدوده شکاف متغیر، جوش‌های عالی بدون برآمدگی یا فروریختگی در هر دو طرف حاصل می‌شود که نقش کلیدی بهینه‌سازی پارامترهای نوسان را نشان می‌دهد.

شکل 1. تشکیل جوش تحت پارامترهای مختلف جوشکاری. عرض جوش از 0 تا 3 میلی متر در جهت جوش تغییر می کند: (الف) بدون نوسان. (ب) دامنه نوسان 1 میلی متر، فرکانس 100 هرتز. (ج) دامنه نوسان 1.5 میلی متر، فرکانس 100 هرتز. (د) دامنه نوسان 1.5 میلی متر، فرکانس 200 هرتز.

شکل 2 نشان می دهد که در یک چرخه، بدون نوسان، قوس به طور نامنظم به چپ و راست منحرف می شود، در حالی که با لیزر نوسانی، قوس به طور پایدار در مرکز باقی می ماند، با شکل کامل و پایدار، و هیچ انحراف جانبی قابل توجهی نشان نمی دهد. این نشان می‌دهد که در شرایط بدون لیزر نوسانی، شکاف بزرگ خود دلیل اصلی بی‌ثباتی شکل قوس است. قوس به دنبال نزدیکترین مسیر رسانا (یعنی دیواره جانبی شیار) است که منجر به گرمایش ناهموار می شود. معرفی یک لیزر نوسانی، صرف نظر از بهینه بودن پارامترها، می تواند تا حد زیادی انحراف جانبی قوس را سرکوب کرده و آن را در مرکز جوش ثابت نگه دارد.

شکل 2. مورفولوژی جوش در سرعت های مختلف جوشکاری: (الف) 1.5 متر در دقیقه (ب) 1.8 متر در دقیقه (ج) 2.1 متر در دقیقه.

شکل 3 میزان انحراف قوس را نشان می دهد. بدون نوسان لیزر، انحراف استاندارد زاویه انحراف 23.6 درجه است که نشان دهنده نوسان شدید قوس است. پس از استفاده از لیزر نوسانی، انحراف استاندارد به 3.5 درجه کاهش می یابد، با ثبات 85.2٪ بهبود می یابد. این شواهد داده ای را ارائه می دهد که "لیزر نوسانی می تواند به طور قابل توجهی قوس را تثبیت کند."

شکل 3. اندازه گیری زوایای انحراف قوس شش بار زیر یک شکاف 2.5 میلی متری: (الف) نمودار شماتیک زوایای انحراف قوس. (ب) درجه انحراف قوس تحت پارامترهای مختلف. تفاوت بین 1 و 2 نشان دهنده درجه انحراف قوس است.
شکل 4 نشان می دهد که در طول فرآیند جوشکاری، فلز مذاب به صورت امواج به سمت سوراخ کلید جریان می یابد و باعث نوسان شدید سوراخ کلید و فروریختن آن می شود. نوسان لیزری می تواند همرفت حرارتی را در حوضچه مذاب افزایش دهد و گرداب هایی را در نزدیکی سوراخ کلید ایجاد کند. فلز مذاب از اطراف سوراخ کلید به سمت دم آن جریان می یابد و از برخورد قطرات جلوگیری می کند و سوراخ کلید را به طور پایدار باز نگه می دارد. این نشان می دهد که لیزرهای نوسانی می توانند فرآیند جوشکاری را با تغییر میدان جریان حوضچه مذاب تثبیت کنند.

شکل 4. جریان حوضچه مذاب از زمان T0 تا T{2}} ms تحت شرایط شکاف صفر: (الف) بدون نوسان لیزر. (ب) دامنه 1 میلی متر، فرکانس 100 هرتز. (ج) دامنه 1.5 میلی متر، فرکانس 200 هرتز. فلش های زرد و سبز به ترتیب گرداب های تولید شده توسط لیزر نوسانی و جهت جریان فلز مذاب را نشان می دهند. خطوط سفید و نارنجی به ترتیب سوراخ کلید و قطرات مذاب را نشان می دهند.

شکل 5 رفتار دینامیکی فلز مذاب در حوضچه جوش را تحت پارامترهای نوسانی غیربهینه (دامنه 1 میلی متر، فرکانس 100 هرتز) در حین شکل گیری قوز ریشه نشان می دهد و مطالعه عیوب جوشکاری را از تجزیه و تحلیل مورفولوژیکی ماکروسکوپی و مشاهدات کمی دینامیکی سیالات به سطح جدیدی می رساند. توزیع بردار سرعت جهت و بزرگی جریان فلز مذاب را در حوضچه جوش نشان می دهد، در حالی که میدان سرعت به طور شهودی توزیع فضایی سرعت جریان را نشان می دهد. در همان زمان، مقادیر گردابه بالایی در ناحیه تشکیل قوز وجود دارد که نشان‌دهنده جریان چرخشی یا برشی قوی مایع در آنجا است. این الگوی جریان چرخشی باعث تجمع و رشد ناپایدار فلز مذاب می شود که یک مشخصه میدان جریان معمولی در تشکیل قوز است.

شکل 5. سرعت سنجی تصویر ذرات در لحظات مختلف در طول تشکیل قوز ریشه نتیجه می شود: (الف) توزیع بردار سرعت. (ب) توزیع میدان سرعت. (ج) توزیع میدان گردابی. خطوط بریده بریده زرد و سفید کانتور قوز را نشان می دهد.

04 خلاصه: این مطالعه به چالش‌های صنعت مربوط به قوزهای ریشه و شکاف ناکافی-قابلیت پل زدن در جوشکاری هیبریدی قوس متغییر صفحه ضخیم{2}}لیزر شکاف{3}}می‌پردازد. از طریق آزمایش‌های سیستماتیک همراه با تکنیک‌های تشخیصی پیشرفته مانند تصویربرداری با سرعت بالا و سرعت سنجی تصویر ذرات، مکانیسم سرکوب نقص لیزر نوسانی آشکار شد. نتایج نشان می دهد که تحت پارامترهای نوسان بهینه، لیزر با بزرگ کردن و تثبیت سوراخ کلید، کانال رسانای قوس را به طور قابل توجهی افزایش می دهد و درجه انحراف قوس را تا 85.2٪ کاهش می دهد و در نتیجه رفتار قوس را تثبیت می کند. در عین حال، لیزر نوسانی میدان جریان حوضچه مذاب را تغییر می‌دهد، گردابی پایدار تشکیل می‌دهد و باز بودن سوراخ کلید را حفظ می‌کند و در نهایت به جوش‌هایی با کیفیت بالا بدون قوز و فروپاشی در محدوده شکاف متغیر 0-2.5 میلی‌متر می‌رسد. این مطالعه نه تنها درک نظری شکل‌گیری و مکانیسم‌های سرکوب عیب جوشکاری را از منظر دینامیک سیالات عمیق‌تر می‌کند، بلکه یک طرح فرآیند قابل اعتماد و مبنای نظری برای حل چالش‌های جوشکاری متغییر-در تولید قطعات بزرگ ارائه می‌کند، که برای ارتقای کاربرد فناوری جوشکاری لیزری هیبری ارزش قابل توجهی دارد.