01 Sissejuhatus
Suurte komponentide, nagu{0}}kiirrongide, laevaehituse ja energiaseadmete tootmisel on paksude plaatide keevitamine üks võtmeprotsesse. Kuid piirangute tõttu töötlemistäpsuses, montaaživigade ja keevitusprotsessi ajal tekkivate termiliste deformatsioonide tõttu muutub keevisõmbluse vahe sageli. Kui plaatide vahe on väike, tekib tõenäoliselt mittetäielik läbitungimine või juurte lainetus, samas kui suured vahed põhjustavad keevisõmbluse kokkuvarisemist. Praegused uuringud põhinevad valdavalt konstantsetel vahetingimustel ning muutuvate vahedega keevitamise uuringuid on suhteliselt vähe. Eelkõige on laser-kaare hübriidkeevitusel insenerirakendustes endiselt väljakutseks nii pulsatsiooni summutamise saavutamine väikeste vahede korral kui ka hea sillamisvõime saavutamine suurte vahede korral. See uuring keskendub 12 mm -paksusele ilmastikukindlale terasele, mille eesmärk on selgitada keevisõmbluse moodustumist ja defektide summutamise mehhanisme võnkuva laser-kaare hübriidkeevituse ajal muutuva pilu tingimustes, pakkudes teoreetilist ja protsessilist tuge muutuvate vahedega paksude plaatide keevitamiseks ning edendada edasist tööstuslikku kasutamist ja laser-osc-hibriidkeevitustehnoloogia kasutuselevõttu.
02 Täisteksti ülevaade
Selles uuringus käsitletakse paksu terasplaadi muutuva{0}}vahelaser-hübriidkaarkeevituse probleeme, mis on seotud juureküüride ja ebapiisava sillamisvõimega, ning uuritakse süstemaatiliselt mehhanismi, mille abil võnkuvad laserid keevitusprotsessi mõjutavad. Katse alusmaterjaliks oli 12 mm paksune S355J2W ilmastikukindel teras. Hübriidkeevitussüsteem konstrueeriti, kasutades TruDisk-10002 kiudlaserit (maksimaalne võimsus 10 kW, lainepikkus 1070 nm) koos kaarkeevitusseadmetega, pidevalt muutuva montaaživahega (0 - 3 mm) kogu tegelikus keevisõmbluses, et simuleerida tavapäraste keevisõmbluste -} muutuvaid tingimusi. Uuringu käigus hoiti laseri võimsust (6,5 kW), keevituskiirust (16 mm/s) ja traadi etteandmise kiirust (10 m/min) konstantsena, kusjuures katsetes olid kontrollitavateks muutujateks laseri võnkeparameetrid (amplituud, sagedus). Kiiret fotograafiat kasutati sulavanni käitumise ja kaare morfoloogia sünkroonseks salvestamiseks keevisõmbluse esi- ja tagaküljel. Lisaks kasutati MATLABis PIVlabi tööriistakasti, et teostada sulabasseini kiirete kujutiste rist-korrelatsioonianalüüsi, ekstraheerides kvantitatiivselt vedela metalli kiirusvälja ja keerisevälja kühmude moodustumise ajal. See meetod teisendab voolu visualiseerimise andmed kvantifitseeritavateks füüsikalisteks parameetriteks (kiirus, pööris), pakkudes kindlat andmetuge küüru moodustumise mehhanismi paljastamiseks. Kaare morfoloogia analüüsi osas hindasid teadlased täpselt võnkuva laseri mõju kaare käitumisele, arvutades välja kaare kõrvalekalde nurga standardhälbe. Lõppkokkuvõttes saavutati 1,5 mm amplituudi ja 200 Hz sagedusega võnkeparameetrite korral hea keevisõmbluse moodustumine ilma kühmude või kokkuvarisemiseta muutuva pilu vahemikus 0–2,5 mm. Põhjalik analüüs näitas, et võtmeaugu sulgemine põhjustab juureküüri moodustumist, samas kui võnkuv laser pärsib tõhusalt küüru teket, stabiliseerides võtmeauku, parandades sulabasseini voolavust ja suurendades pindpinevust sulabasseini sabas.
Joonis 03 illustreerib otsest võrdlust erinevate võnkeparameetrite otsustava mõju kohta muutuva -vahega keevisõmbluste tekkele. Ilma laservõnkumiseta tekib väikese vahe (1 mm) juures juureküür ja vahe suurenedes tekib pinna kokkuvarisemine, mis viitab tühimiku halvale kohanemisvõimele. Laseri võnkeparameetrite muutmine parandab esi{5}}külje moodustumist, kuid tagaküljel on endiselt kühmud või keevisõmblus muutub kitsamaks. Lõplikud parameetrid on amplituud 1,5 mm ja sagedus 200 Hz. Kogu muutuva{10}vahevahemiku piires saavutatakse mõlemal küljel suurepärased keevisõmblused ilma kühmude ja kokkuvarisemiseta, mis näitab võnkeparameetrite optimeerimise võtmerolli.
Joonis 1. Keevisõmbluse moodustumine erinevatel keevitusparameetritel. Keevisõmbluse laius varieerub keevitussuunas vahemikus 0 mm kuni 3 mm: (a) võnkumine puudub; b) võnke amplituud 1 mm, sagedus 100 Hz; c) võnke amplituud 1,5 mm, sagedus 100 Hz; (d) Võnkeamplituud 1,5 mm, sagedus 200 Hz.
Joonisel 2 on näidatud, et ühe tsükli jooksul, ilma võnkumiseta, kaldub kaar ebaregulaarselt vasakule ja paremale, samas kui võnkuva laseri puhul jääb kaar stabiilselt tsentreeritud, täieliku ja stabiilse kujuga, mis ei näita olulist külgsuunalist kõrvalekallet. See näitab, et ilma võnkuva laserita tingimustes on suur vahe ise kaare kuju ebastabiilsuse peamine põhjus. Kaar kipub otsima lähimat juhtivat teed (st soone külgseina), mille tulemuseks on ebaühtlane kuumenemine. Võnkuva laseri kasutuselevõtt, olenemata sellest, kas parameetrid on optimaalsed, võib oluliselt maha suruda kaare külgsuunalist läbipainet ja hoida seda stabiilsena keevisõmbluse keskel.
Joonis 2. Keevisõmbluse morfoloogia erinevatel keevituskiirustel: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
Joonisel 3 on kvantifitseeritud kaare läbipainde aste. Ilma laservõnkumiseta on läbipaindenurga standardhälve 23,6 kraadi, mis näitab tugevat kaare kõikumist; pärast võnkuva laseri kasutamist langeb standardhälve 3,5 kraadini, stabiilsus paraneb 85,2%. See annab tõendeid selle kohta, et võnkuv laser võib kaare märkimisväärselt stabiliseerida.
Joonis 3. Kaare läbipaindenurkade kuuekordne mõõtmine 2,5 mm vahe all: (a) Kaare läbipaindenurkade skemaatiline diagramm; b) kaare läbipainde aste erinevate parameetrite korral. Erinevus 1 ja 2 vahel näitab kaare läbipainde astet.
Joonis 4 illustreerib, et keevitusprotsessi ajal voolab sulametall lainete kujul võtmeaugu poole, põhjustades võtmeauku tugevat kõikumist ja kokkuvarisemist. Laservõnkumine võib suurendada termilist konvektsiooni sulabasseinis, moodustades võtmeaugu lähedal keeriseid. Sulametall voolab lukuaugu ümbert selle sabasse, pehmendades tilkade mõju ja hoides võtmeaugu stabiilselt avatuna. See näitab, et võnkuvad laserid võivad keevitusprotsessi stabiliseerida, muutes sulabasseini vooluvälja.
Joonis 4. Sulamisbasseini vool ajast T0 kuni T0 + 2.7 ms nullvahe tingimustes: (a) Laservõnkumine puudub; b) amplituud 1 mm, sagedus 100 Hz; (c) Amplituud 1,5 mm, sagedus 200 Hz. Kollased ja rohelised nooled näitavad vastavalt võnkuva laseri tekitatud keeriseid ja sulametalli voolusuunda; valged ja oranžid jooned tähistavad vastavalt võtmeauku ja sulapiisku.
Joonis 5 illustreerib sulametalli dünaamilist käitumist keevisvannis mitte-optimiseeritud võnkeparameetrite korral (amplituud 1 mm, sagedus 100 Hz), kui juure moodustub, mis viib keevitusdefektide uurimise makroskoopilisest morfoloogilisest vaatlusest vedelike kvantitatiivse dünaamilise analüüsi uuele tasemele. Kiirusevektori jaotus näitab sulametalli voolu suunda ja suurust keevisvannis, samas kui kiirusväli näitab intuitiivsemalt voolukiiruse ruumilist jaotust. Samal ajal on küüru moodustumise piirkonnas kõrged keerise väärtused, mis viitavad seal oleva vedeliku tugevale pöörlevale või nihkevoolule. See pöörlev voolumuster soodustab sulametalli kogunemist ja ebastabiilset kasvu, mis on tüüpiline küüru moodustumisele iseloomulik vooluväli.
Joonis 5. Osakeste kujutise kiiruse mõõtmise tulemused juureküüri moodustumise erinevatel hetkedel: (a) kiirusvektori jaotus; b) kiirusvälja jaotus; c) keeristevälja jaotus. Kollased ja valged katkendlikud jooned näitavad küüru kontuuri.
04 Kokkuvõte: Selles uuringus käsitletakse tööstuse probleeme, mis on seotud juureküüride ja ebapiisava vahe-sillamisvõimega paksuplaadiga muutuva-vahega laser-hübriidkaarkeevitusel. Süstemaatiliste katsete abil, mis on kombineeritud täiustatud diagnostikatehnikatega, nagu kiire{5}}pildistamine ja osakeste kujutise kiiruse mõõtmine, paljastati võnkuva laseri defektide summutamise mehhanism. Tulemused näitavad, et optimeeritud võnkeparameetrite korral suurendab laser võtmeauku suurendades ja stabiliseerides oluliselt kaare juhtivust kanalit, vähendades kaare läbipainde astet 85, 2%, stabiliseerides seeläbi kaare käitumist. Samal ajal muudab võnkuv laser sulamisbasseini vooluvälja, moodustades stabiilse keerise ja säilitades võtmeaukude avatuse, saavutades lõpuks kvaliteetsed keevisõmblused ilma kühmudeta ja kokkuvarisemise muutuvas vahemikus 0-2,5 mm. See uuring mitte ainult ei süvenda teoreetilist arusaamist keevitusdefektide tekkest ja summutamise mehhanismidest vedeliku dünaamika vaatenurgast, vaid pakub ka usaldusväärse protsessiskeemi ja teoreetilise aluse suurte komponentide tootmises tekkivate varieeruvate{13}vahekeevitusprobleemide lahendamiseks, millel on oluline väärtus laserkaare hübriidkeevitustehnoloogia rakendamise edendamisel suurtes inseneriprojektides.
