01 Ievads
Lielu komponentu, piemēram,{0}}ātrvilcienu, kuģu būves un enerģijas iekārtu ražošanā, biezu plākšņu metināšana ir viens no galvenajiem procesiem. Tomēr, ņemot vērā apstrādes precizitātes ierobežojumus, montāžas kļūdas un termiskās deformācijas metināšanas procesā, metināšanas sprauga bieži mainās. Ja atstarpe starp plāksnēm ir maza, var rasties nepilnīga iespiešanās vai sakņu viļņošanās, savukārt lielas spraugas mēdz izraisīt metinājuma sabrukšanu. Pašreizējie pētījumi lielākoties balstās uz nemainīgiem spraugu apstākļiem, un salīdzinoši trūkst pētījumu par metināšanu ar mainīgām spraugām. Jo īpaši lāzera loka hibrīdmetināšanā joprojām ir izaicinājums inženierzinātnēs panākt gan pulsācijas slāpēšanu mazās spraugās, gan labu savienošanas spēju lielās spraugās. Šis pētījums ir vērsts uz 12 mm{7}}biezu tēraudu, kas izturīgs pret atmosfēras iedarbību, un tā mērķis ir noskaidrot metināšanas šuvju veidošanās un defektu novēršanas mehānismus svārstīgas lāzera-loka hibrīdmetināšanas laikā mainīgas spraugas apstākļos, nodrošinot teorētisku un procesu atbalstu biezu plākšņu metināšanai ar mainīgām spraugām, kā arī veicināt turpmāku rūpniecisku pielietojumu un lāzera hibrīda metināšanas tehnoloģiju ieviešanu.
02 Pilns teksta pārskats
Šajā pētījumā ir apskatītas problēmas, kas saistītas ar sakņu izciļņiem un nepietiekamu savienošanas spēju biezas tērauda plākšņu mainīgās -spraugas lāzera-loka hibrīda metināšanā, un sistemātiski pēta mehānismu, ar kuru oscilējošie lāzeri ietekmē metināšanas procesu. Eksperimentālais pamatmateriāls bija 12 mm biezs S355J2W atmosfēras tērauds. Hibrīda metināšanas sistēma tika uzbūvēta, izmantojot TruDisk-10002 šķiedru lāzeru (maksimālā jauda 10 kW, viļņa garums 1070 nm) kombinācijā ar loka metināšanas aprīkojumu ar nepārtraukti mainīgu montāžas atstarpi (0 - 3 mm), kas iestatīta gar visu faktisko metināšanas šuvi, lai simulētu 7} mainīgos ražošanas šuves apstākļus. Pētījuma laikā lāzera jauda (6,5 kW), metināšanas ātrums (16 mm/s) un stieples padeves ātrums (10 m/min) tika uzturēts nemainīgs, kā galvenos eksperimentos kontrolējot lāzera svārstību parametrus (amplitūdu, frekvenci). Tika izmantota liela ātruma fotografēšana, lai sinhroni reģistrētu izkausētā baseina uzvedību un loka morfoloģiju metināšanas šuves priekšpusē un aizmugurē. Turklāt MATLAB PIVlab rīkkopa tika izmantota, lai veiktu krusteniskās-korelācijas analīzi ātrdarbīgiem izkausēta baseina attēliem, kvantitatīvi ekstrahējot šķidrā metāla ātruma lauku un virpuļveida lauku, veidojot paugurus. Šī metode plūsmas vizualizācijas datus pārvērš kvantitatīvi nosakāmos fizikālos parametros (ātrums, virpuļspēja), nodrošinot stabilu datu atbalstu, lai atklātu kupras veidošanās mehānismu. Attiecībā uz loka morfoloģijas analīzi pētnieki precīzi novērtēja oscilējošā lāzera ietekmi uz loka uzvedību, aprēķinot loka novirzes leņķa standarta novirzi. Galu galā ar svārstību parametriem 1,5 mm amplitūda un 200 Hz frekvence tika panākta laba metinājuma veidošanās bez izciļņiem vai sabrukšanas mainīgā atstarpes diapazonā no 0 līdz 2,5 mm. Visaptveroša analīze liecināja, ka atslēgas cauruma aizvēršana noved pie sakņu izciļņa veidošanās, turpretim oscilējošais lāzers efektīvi nomāc izciļņu veidošanos, stabilizējot atslēgas caurumu, uzlabojot izkausētā baseina plūstamību un palielinot virsmas spraigumu izkausētā baseina astē.
03. attēlā ir parādīts dažādu svārstību parametru izšķirošās ietekmes uz mainīgo-spraugas metinājumu veidošanās tiešs salīdzinājums. Bez lāzera svārstībām pie nelielas spraugas (1 mm) rodas saknes kupris, un, spraugai palielinoties, parādās virsmas sabrukums, kas norāda uz sliktu spraugas pielāgošanās spēju. Lāzera svārstību parametru maiņa uzlabo priekšpuses{5}}puses veidošanos, bet aizmugurē joprojām ir izciļņi vai metinātā šuve kļūst šaurāka. Galīgie parametri ir 1,5 mm amplitūda un 200 Hz frekvence. Visā mainīgajā{10}}atstarpes diapazonā abās pusēs tiek panāktas lieliskas šuves bez izciļņiem vai sabrukšanas, parādot svārstību parametru optimizēšanas galveno lomu.
1. attēls. Metināšanas šuvju veidošanās pie dažādiem metināšanas parametriem. Metināšanas šuves platums svārstās no 0 mm līdz 3 mm metināšanas virzienā: a) nav svārstību; b) svārstību amplitūda 1 mm, frekvence 100 Hz; c) svārstību amplitūda 1,5 mm, frekvence 100 Hz; (d) Svārstību amplitūda 1,5 mm, frekvence 200 Hz.
2. attēlā parādīts, ka viena cikla laikā bez svārstībām loks neregulāri novirzās pa kreisi un pa labi, savukārt ar oscilējošu lāzeru loks paliek stabili centrēts, ar pilnu un stabilu formu, neuzrādot būtisku sānu novirzi. Tas parāda, ka apstākļos, kad nav oscilējoša lāzera, lielā sprauga pati par sevi ir galvenais loka formas nestabilitātes cēlonis. Lokam ir tendence meklēt tuvāko vadošo ceļu (ti, rievas sānu sienu), kā rezultātā rodas nevienmērīga karsēšana. Oscilējošā lāzera ieviešana neatkarīgi no tā, vai parametri ir optimāli, var ievērojami nomākt loka sānu novirzi un noturēt to stabili metinājuma šuves centrā.
2. attēls. Metināšanas šuves morfoloģija pie dažādiem metināšanas ātrumiem: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
3. attēlā ir norādīta loka novirzes pakāpe. Bez lāzera svārstībām novirzes leņķa standarta novirze ir 23,6 grādi, kas norāda uz stiprām loka svārstībām; pēc oscilējošā lāzera izmantošanas standarta novirze samazinās līdz 3,5 grādiem, stabilitātei uzlabojoties par 85,2%. Tas sniedz pierādījumus tam, ka "oscilējošais lāzers var ievērojami stabilizēt loku".
3. attēls. Loka novirzes leņķu mērīšana sešas reizes zem 2,5 mm atstarpes: (a) loka novirzes leņķu shematiska diagramma; b) loka novirzes pakāpe pie dažādiem parametriem. Atšķirība starp 1 un 2 norāda loka novirzes pakāpi.
4. attēlā parādīts, ka metināšanas procesa laikā izkusis metāls viļņu veidā plūst atslēgas cauruma virzienā, izraisot atslēgas cauruma spēcīgas svārstības un sabrukšanu. Lāzera svārstības var uzlabot termisko konvekciju izkusušajā baseinā, veidojot virpuļus pie atslēgas cauruma. Izkausēts metāls plūst no ap atslēgas caurumu līdz tā astei, amortizējot pilienu triecienu un turot atslēgas caurumu stabili atvērtu. Tas norāda, ka oscilējošie lāzeri var stabilizēt metināšanas procesu, mainot izkausētā baseina plūsmas lauku.
4. attēls. Kausējuma baseina plūsma no laika T0 līdz T0 + 2.7 ms nulles spraugas apstākļos: (a) Nav lāzera svārstību; b) amplitūda 1 mm, frekvence 100 Hz; (c) amplitūda 1,5 mm, frekvence 200 Hz. Dzeltenās un zaļās bultiņas norāda attiecīgi oscilējošā lāzera radītos virpuļus un izkausētā metāla plūsmas virzienu; baltas un oranžas līnijas norāda attiecīgi atslēgas caurumu un izkusušos pilienus.
5. attēlā ir parādīta izkausētā metāla dinamiskā uzvedība metināšanas baseinā pie ne-optimizētiem svārstību parametriem (amplitūda 1 mm, frekvence 100 Hz), kad veidojas saknes izciļņa, virzot metināšanas defektu izpēti no makroskopiskas morfoloģiskās novērošanas līdz jaunam kvantitatīvās šķidruma dinamiskās analīzes līmenim. Ātruma vektora sadalījums parāda izkausētā metāla plūsmas virzienu un lielumu metināšanas baseinā, savukārt ātruma lauks intuitīvāk parāda plūsmas ātruma telpisko sadalījumu. Tajā pašā laikā izciļņa veidošanās reģionā pastāv augstas virpuļspējas vērtības, kas norāda uz spēcīgu šķidruma rotācijas vai bīdes plūsmu tur. Šis rotācijas plūsmas modelis veicina izkausēta metāla uzkrāšanos un nestabilu augšanu, kas ir tipisks plūsmas lauks, kas raksturīgs kupru veidošanai.
5. attēls. Daļiņu attēla ātruma mērījumu rezultāti dažādos momentos sakņu kupra veidošanās laikā: (a) ātruma vektora sadalījums; b) ātruma lauka sadalījums; c) virpuļu lauka sadalījums. Dzeltenas un baltas punktētas līnijas norāda uz kupra kontūru.
04 Kopsavilkums: Šis pētījums pievēršas nozares izaicinājumiem, kas saistīti ar sakņu izciļņiem un nepietiekamu spraugu-pārlaiduma spēju biezu plākšņu mainīgo-spraugas lāzera{3}}loka hibrīda metināšanā. Izmantojot sistemātiskus eksperimentus, kas apvienoti ar progresīvām diagnostikas metodēm, piemēram, ātrgaitas{5}}attēlveidošanu un daļiņu attēla ātruma mērījumiem, tika atklāts oscilējošā lāzera defektu novēršanas mehānisms. Rezultāti liecina, ka pie optimizētiem svārstību parametriem lāzers, palielinot un stabilizējot atslēgas caurumu, ievērojami uzlabo loka vadošo kanālu, samazinot loka novirzes pakāpi par 85,2%, tādējādi stabilizējot loka uzvedību. Tajā pašā laikā oscilējošais lāzers maina kausējuma baseina plūsmas lauku, veidojot stabilu virpuli un saglabājot atslēgas caurumu atvērtību, galu galā iegūstot augstas-kvalitatīvas metinājuma šuves bez izciļņiem un sabrukšanas mainīgā atstarpes diapazonā 0-2,5 mm. Šis pētījums ne tikai padziļina teorētisko izpratni par metināšanas defektu veidošanos un novēršanas mehānismiem no šķidruma dinamikas viedokļa, bet arī sniedz uzticamu procesa shēmu un teorētisko bāzi mainīgu -spraugas metināšanas problēmu risināšanai lielu komponentu ražošanā, kam ir būtiska vērtība, lai veicinātu lāzera loka hibrīdmetināšanas tehnoloģiju pielietošanu lielos inženiertehniskajos projektos.
