01 Εισαγωγή
Στην κατασκευή μεγάλων εξαρτημάτων, όπως τα τρένα υψηλής ταχύτητας, η ναυπηγική και ο ενεργειακός εξοπλισμός, η συγκόλληση παχιών πλακών είναι μία από τις βασικές διαδικασίες. Ωστόσο, λόγω περιορισμών στην ακρίβεια μηχανικής κατεργασίας, σφαλμάτων συναρμολόγησης και θερμικής παραμόρφωσης κατά τη διαδικασία συγκόλλησης, το διάκενο συγκόλλησης αλλάζει συχνά. Όταν το κενό μεταξύ των πλακών είναι μικρό, είναι πιθανό να εμφανιστούν ατελής διείσδυση ή κυματισμοί ρίζας, ενώ τα μεγάλα κενά τείνουν να έχουν ως αποτέλεσμα την κατάρρευση της συγκόλλησης. Η τρέχουσα έρευνα βασίζεται ως επί το πλείστον σε συνθήκες σταθερού διακένου και οι μελέτες για τη συγκόλληση με μεταβλητά κενά είναι σχετικά ελλιπείς. Ειδικότερα, στην υβριδική συγκόλληση τόξου λέιζερ, η επίτευξη τόσο της καταστολής κυματισμού κάτω από μικρά κενά όσο και της καλής ικανότητας γεφύρωσης κάτω από μεγάλα κενά παραμένει μια πρόκληση στις εφαρμογές μηχανικής. Αυτή η μελέτη εστιάζει σε χάλυβα πάχους 12 mm-, με στόχο να αποσαφηνίσει τον σχηματισμό συγκόλλησης και τους μηχανισμούς καταστολής ελαττωμάτων κατά τη συγκόλληση ταλαντευόμενου υβριδικού τόξου λέιζερ υπό συνθήκες μεταβλητού διακένου, παρέχοντας θεωρητική υποστήριξη και υποστήριξη διεργασιών για συγκόλληση παχύρρευστων πλακών με μεταβλητά κενά και προωθώντας την περαιτέρω υιοθέτηση και υιοθέτηση της τεχνολογίας laser-welding hybricillating περαιτέρω.
02 Επισκόπηση πλήρους κειμένου
Αυτή η μελέτη αντιμετωπίζει τις προκλήσεις των ριζικών εξογκωμάτων και της ανεπαρκούς ικανότητας γεφύρωσης στη συγκόλληση υβριδικού τόξου με μεταβλητό-λέιζερ διάκενου-παχιάς χαλύβδινης πλάκας και διερευνά συστηματικά τον μηχανισμό με τον οποίο τα ταλαντευόμενα λέιζερ επηρεάζουν τη διαδικασία συγκόλλησης. Το πειραματικό υλικό βάσης ήταν πάχους 12 mm S355J2W χάλυβας που προκάλεσε τις καιρικές συνθήκες. Κατασκευάστηκε ένα υβριδικό σύστημα συγκόλλησης χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ ινών TruDisk-10002 (μέγιστη ισχύς 10 kW, μήκος κύματος 1070 nm) σε συνδυασμό με εξοπλισμό συγκόλλησης τόξου, με ένα συνεχώς μεταβαλλόμενο διάκενο συναρμολόγησης (0 - 3 mm) που ρυθμίζεται κατά μήκος ολόκληρης της ραφής συγκόλλησης σε όλες τις συνθήκες στην πραγματική παραγωγή. Κατά τη διάρκεια της μελέτης, η ισχύς λέιζερ (6,5 kW), η ταχύτητα συγκόλλησης (16 mm/s) και η ταχύτητα τροφοδοσίας σύρματος (10 m/min) διατηρήθηκαν σταθερές, με τις παραμέτρους ταλάντωσης λέιζερ (πλάτος, συχνότητα) ως ελεγχόμενες μεταβλητές πυρήνα στα πειράματα. Η φωτογραφία υψηλής ταχύτητας{19}}χρησιμοποιήθηκε για τη σύγχρονη καταγραφή της συμπεριφοράς της λιμωμένης λίμνης και της μορφολογίας του τόξου στην μπροστινή και την πίσω πλευρά της συγκόλλησης. Επιπλέον, η εργαλειοθήκη PIVlab στο MATLAB χρησιμοποιήθηκε για την εκτέλεση ανάλυσης διασταυρούμενης{{20}συσχέτισης στις εικόνες υψηλής ταχύτητας της λιωμένης δεξαμενής, εξάγοντας ποσοτικά το πεδίο ταχύτητας του υγρού μετάλλου και το πεδίο στροβιλότητας κατά τη διάρκεια του σχηματισμού εξογκωμάτων. Αυτή η μέθοδος μετατρέπει τα δεδομένα οπτικοποίησης ροής σε μετρήσιμες φυσικές παραμέτρους (ταχύτητα, στροβιλότητα), παρέχοντας σταθερή υποστήριξη δεδομένων για την αποκάλυψη του μηχανισμού σχηματισμού καμπούρας. Όσον αφορά την ανάλυση της μορφολογίας του τόξου, οι ερευνητές αξιολόγησαν επακριβώς την επίδραση του ταλαντούμενου λέιζερ στη συμπεριφορά του τόξου υπολογίζοντας την τυπική απόκλιση της γωνίας εκτροπής τόξου. Τελικά, κάτω από παραμέτρους ταλάντωσης πλάτους 1,5 mm και συχνότητας 200 Hz, επιτεύχθηκε καλός σχηματισμός συγκόλλησης χωρίς εξογκώματα ή κατάρρευση σε ένα μεταβλητό εύρος διακένου 0-2,5 mm. Η ολοκληρωμένη ανάλυση έδειξε ότι το κλείσιμο της κλειδαρότρυπας οδηγεί σε σχηματισμό εξογκώματος ρίζας, ενώ το ταλαντευόμενο λέιζερ καταστέλλει αποτελεσματικά τον σχηματισμό καμπούρας σταθεροποιώντας την κλειδαρότρυπα, βελτιώνοντας τη ρευστότητα της λιωμένης πισίνας και αυξάνοντας την επιφανειακή τάση στην ουρά της λιωμένης δεξαμενής.
Το Σχήμα 03 απεικονίζει μια άμεση σύγκριση της καθοριστικής επίδρασης διαφορετικών παραμέτρων ταλάντωσης στον σχηματισμό μεταβλητών-συγκολλήσεων με διάκενο. Χωρίς ταλάντωση λέιζερ, εμφανίζεται ένα εξόγκωμα της ρίζας σε ένα μικρό διάκενο (1 mm) και καθώς αυξάνεται το διάκενο, εμφανίζεται η κατάρρευση της επιφάνειας, υποδηλώνοντας κακή προσαρμοστικότητα στο διάκενο. Η αλλαγή των παραμέτρων ταλάντωσης λέιζερ βελτιώνει τον σχηματισμό της μπροστινής-πλευρικής πλευράς, αλλά η πίσω πλευρά εξακολουθεί να έχει εξογκώματα ή η συγκόλληση γίνεται στενότερη. Οι τελικές παράμετροι είναι πλάτος 1,5 mm και συχνότητα 200 Hz. Εντός ολόκληρου του μεταβλητού{10}}εύρους διακένου, επιτυγχάνονται εξαιρετικές συγκολλήσεις χωρίς εξογκώματα ή κατάρρευση και στις δύο πλευρές, αποδεικνύοντας τον βασικό ρόλο της βελτιστοποίησης των παραμέτρων ταλάντωσης.
Σχήμα 1. Σχηματισμός συγκόλλησης κάτω από διαφορετικές παραμέτρους συγκόλλησης. Το πλάτος συγκόλλησης κυμαίνεται από 0 mm έως 3 mm κατά μήκος της κατεύθυνσης συγκόλλησης: (α) Χωρίς ταλάντωση. (β) Πλάτος ταλάντωσης 1 mm, συχνότητα 100 Hz. (γ) Πλάτος ταλάντωσης 1,5 mm, συχνότητα 100 Hz. (δ) Πλάτος ταλάντωσης 1,5 mm, συχνότητα 200 Hz.
Το σχήμα 2 δείχνει ότι μέσα σε έναν κύκλο, χωρίς ταλάντωση, το τόξο εκτρέπεται ακανόνιστα προς τα αριστερά και προς τα δεξιά, ενώ με ένα ταλαντευόμενο λέιζερ, το τόξο παραμένει σταθερά κεντραρισμένο, με πλήρες και σταθερό σχήμα, χωρίς σημαντική πλευρική απόκλιση. Αυτό δείχνει ότι υπό συνθήκες χωρίς ταλαντούμενο λέιζερ, το ίδιο το μεγάλο διάκενο είναι η θεμελιώδης αιτία της αστάθειας του σχήματος τόξου. Το τόξο τείνει να αναζητά την πλησιέστερη αγώγιμη διαδρομή (δηλαδή, το πλευρικό τοίχωμα του αυλακιού), με αποτέλεσμα την ανομοιόμορφη θέρμανση. Η εισαγωγή ενός ταλαντούμενου λέιζερ, ανεξάρτητα από το εάν οι παράμετροι είναι βέλτιστες, μπορεί να καταστείλει σε μεγάλο βαθμό την πλευρική εκτροπή του τόξου και να το διατηρήσει σταθερό στο κέντρο της συγκόλλησης.
Εικόνα 2. Μορφολογία συγκόλλησης σε διαφορετικές ταχύτητες συγκόλλησης: (α) 1,5 m/min (β) 1,8 m/min (γ) 2,1 m/min.
Το σχήμα 3 ποσοτικοποιεί τον βαθμό εκτροπής του τόξου. Χωρίς ταλάντωση λέιζερ, η τυπική απόκλιση της γωνίας εκτροπής είναι 23,6 μοίρες, υποδηλώνοντας έντονη διακύμανση τόξου. μετά τη χρήση ταλαντευόμενου λέιζερ, η τυπική απόκλιση πέφτει σε 3,5 μοίρες, με τη σταθερότητα να βελτιώνεται κατά 85,2%. Αυτό παρέχει στοιχεία δεδομένων ότι «το ταλαντούμενο λέιζερ μπορεί να σταθεροποιήσει σημαντικά το τόξο».
Σχήμα 3. Μέτρηση των γωνιών εκτροπής τόξου έξι φορές κάτω από διάκενο 2,5 mm: (α) Σχηματικό διάγραμμα γωνιών εκτροπής τόξου. (β) Βαθμός εκτροπής τόξου κάτω από διαφορετικές παραμέτρους. Η διαφορά μεταξύ 1 και 2 αντιπροσωπεύει τον βαθμό εκτροπής του τόξου.
Το Σχήμα 4 δείχνει ότι κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης, το λιωμένο μέταλλο ρέει προς την κλειδαρότρυπα με τη μορφή κυμάτων, προκαλώντας την έντονη διακύμανση και την κατάρρευση της κλειδαρότρυπας. Η ταλάντωση με λέιζερ μπορεί να ενισχύσει τη θερμική μεταφορά στη λιωμένη λίμνη, σχηματίζοντας στροβίλους κοντά στην κλειδαρότρυπα. Το λιωμένο μέταλλο ρέει από την κλειδαρότρυπα στην ουρά του, μειώνοντας την πρόσκρουση των σταγονιδίων και κρατώντας την κλειδαρότρυπα σταθερά ανοιχτή. Αυτό υποδεικνύει ότι τα ταλαντευόμενα λέιζερ μπορούν να σταθεροποιήσουν τη διαδικασία συγκόλλησης αλλάζοντας το πεδίο ροής της λιωμένης δεξαμενής.
Σχήμα 4. Ροή δεξαμενής τήγματος από το χρόνο T0 έως T0 + 2.7 ms υπό συνθήκες μηδενικού διακένου: (α) Χωρίς ταλάντωση λέιζερ. (β) Πλάτος 1 mm, συχνότητα 100 Hz. (γ) Πλάτος 1,5 mm, συχνότητα 200 Hz. Τα κίτρινα και πράσινα βέλη υποδεικνύουν τις δίνες που δημιουργούνται από το ταλαντούμενο λέιζερ και την κατεύθυνση ροής του τηγμένου μετάλλου, αντίστοιχα. Οι λευκές και πορτοκαλί γραμμές υποδεικνύουν την κλειδαρότρυπα και τα λιωμένα σταγονίδια, αντίστοιχα.
Το Σχήμα 5 απεικονίζει τη δυναμική συμπεριφορά του τηγμένου μετάλλου στη δεξαμενή συγκόλλησης κάτω από μη βελτιστοποιημένες παραμέτρους ταλάντωσης (πλάτος 1 mm, συχνότητα 100 Hz) καθώς σχηματίζεται το εξόγκωμα της ρίζας, προάγοντας τη μελέτη των ελαττωμάτων συγκόλλησης από τη μακροσκοπική μορφολογική μορφολογική ανάλυση σε ένα νέο επίπεδο ποσοδυναμικής ρευστού. Η διανυσματική κατανομή ταχύτητας δείχνει την κατεύθυνση και το μέγεθος της ροής του λιωμένου μετάλλου εντός της δεξαμενής συγκόλλησης, ενώ το πεδίο ταχύτητας εμφανίζει πιο διαισθητικά τη χωρική κατανομή της ταχύτητας ροής. Ταυτόχρονα, υπάρχουν υψηλές τιμές στροβιλότητας στην περιοχή σχηματισμού καμπούρας, υποδεικνύοντας έντονη περιστροφική ή διατμητική ροή του υγρού εκεί. Αυτό το μοτίβο περιστροφικής ροής προάγει τη συσσώρευση και την ασταθή ανάπτυξη τετηγμένου μετάλλου, το οποίο είναι ένα τυπικό πεδίο ροής χαρακτηριστικό του σχηματισμού καμπούρας.
Σχήμα 5. Η ταχυμετρία εικόνας σωματιδίων προκύπτει σε διαφορετικές στιγμές κατά τη διάρκεια του σχηματισμού καμπούρας της ρίζας: (α) κατανομή διανύσματος ταχύτητας. (β) κατανομή πεδίου ταχύτητας. (γ) κατανομή πεδίου στροβιλισμού. Οι κίτρινες και λευκές διακεκομμένες γραμμές υποδεικνύουν το περίγραμμα της καμπούρας.
04 Περίληψη: Αυτή η μελέτη αντιμετωπίζει τις βιομηχανικές προκλήσεις των ριζικών εξογκωμάτων και της ανεπαρκούς ικανότητας γεφύρωσης του χάσματος-στην συγκόλληση υβριδικού τόξου με μεταβλητή πλάκα πάχους-λέιζερ διάκενου-. Μέσω συστηματικών πειραμάτων σε συνδυασμό με προηγμένες διαγνωστικές τεχνικές όπως η απεικόνιση υψηλής-ταχύτητας και η ταχυμετρία εικόνας σωματιδίων, αποκαλύφθηκε ο μηχανισμός καταστολής ελαττωμάτων του ταλαντευόμενου λέιζερ. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι κάτω από βελτιστοποιημένες παραμέτρους ταλάντωσης, το λέιζερ, διευρύνοντας και σταθεροποιώντας την κλειδαρότρυπα, ενισχύει σημαντικά το αγώγιμο κανάλι τόξου, μειώνοντας τον βαθμό εκτροπής του τόξου κατά 85,2%, σταθεροποιώντας έτσι τη συμπεριφορά του τόξου. Ταυτόχρονα, το ταλαντευόμενο λέιζερ μεταβάλλει το πεδίο ροής της δεξαμενής τήγματος, σχηματίζοντας μια σταθερή δίνη και διατηρώντας το άνοιγμα της κλειδαρότρυπας, επιτυγχάνοντας τελικά υψηλής ποιότητας συγκολλήσεις χωρίς εξογκώματα και κατάρρευση σε μεταβλητό εύρος διακένου 0-2,5 mm. Αυτή η μελέτη όχι μόνο εμβαθύνει τη θεωρητική κατανόηση των μηχανισμών σχηματισμού και καταστολής ελαττωμάτων συγκόλλησης από τη σκοπιά της ρευστοδυναμικής, αλλά παρέχει επίσης ένα αξιόπιστο σχήμα διεργασίας και θεωρητική βάση για την επίλυση των προκλήσεων μεταβλητής συγκόλλησης με διάκενο στην κατασκευή μεγάλων εξαρτημάτων, η οποία είναι σημαντική για την προώθηση της εφαρμογής της υβριδικής τεχνολογίας συγκόλλησης με λέιζερ.
