01 Įvadas
Gaminant didelius komponentus, tokius kaip{0}}greitai traukiniai, laivų statyba ir energetikos įranga, storųjų plokščių suvirinimas yra vienas iš pagrindinių procesų. Tačiau dėl apdirbimo tikslumo apribojimų, surinkimo klaidų ir šiluminės deformacijos suvirinimo proceso metu suvirinimo tarpas dažnai keičiasi. Kai tarpas tarp plokščių mažas, gali susidaryti nepilnas įsiskverbimas arba šaknų raibuliavimas, o esant dideliems tarpams, suvirinimo siūlė gali subyrėti. Dabartiniai tyrimai daugiausia pagrįsti pastoviomis tarpų sąlygomis, o suvirinimo su kintamu tarpu tyrimų gana trūksta. Visų pirma, atliekant hibridinį suvirinimą lazeriu ir lanku, inžinerijos srityje tebėra iššūkis pasiekti ir pulsacijos slopinimą esant mažiems tarpams, ir gerą sujungimo galimybes esant dideliems tarpams. Šiame tyrime pagrindinis dėmesys skiriamas 12 mm-storio atmosferos poveikiui atspariam plienui, siekiant išsiaiškinti suvirinimo siūlių susidarymo ir defektų slopinimo mechanizmus svyruojantis lazerio ir lanko hibridinio suvirinimo kintamomis tarpo sąlygomis metu, suteikti teorinę ir technologinę paramą storų plokščių suvirinimui su kintamu tarpu ir skatinti tolesnį pramoninį pritaikymą ir hibridinio suvirinimo lazerinio suvirinimo technologija.
02 Visa teksto apžvalga
Šiame tyrime nagrinėjami iššūkiai, susiję su šaknų kauburėliais ir nepakankamu sujungimo pajėgumu, kai naudojamas kintamasis lankinis -tarpo lazerinis-lankinis suvirinimas, ir sistemingai tiriamas mechanizmas, kuriuo svyruojantys lazeriai veikia suvirinimo procesą. Eksperimentinė bazė buvo 12 mm storio atmosferos poveikiui atsparus plienas S355J2W. Hibridinė suvirinimo sistema buvo sukurta naudojant „TruDisk“-10002 pluošto lazerį (maksimali galia 10 kW, bangos ilgis 1070 nm) kartu su lankinio suvirinimo įranga, su nuolat kintančiu surinkimo tarpu (0 - 3 mm) išilgai visos faktinės suvirinimo siūlės, kad būtų imituojamos 7} kintamos gamybos sąlygos. Tyrimo metu lazerio galia (6,5 kW), suvirinimo greitis (16 mm/s) ir vielos padavimo greitis (10 m/min) buvo palaikomi pastovūs, o lazerio virpesių parametrai (amplitudė, dažnis) buvo pagrindiniai kontroliuojami eksperimentų kintamieji. Didelės spartos fotografija buvo naudojama sinchroniškai užfiksuoti išlydyto baseino elgseną ir lanko morfologiją priekinėje ir galinėje suvirinimo siūlės pusėse. Be to, MATLAB PIVlab įrankių rinkinys buvo naudojamas kryžminės-koreliacijos analizei atlikti išlydyto baseino didelės spartos vaizdams, kiekybiškai išskiriant skysto metalo greičio lauką ir sūkurio lauką formuojantis kauburiams. Šis metodas paverčia srauto vizualizacijos duomenis į kiekybiškai įvertinamus fizinius parametrus (greitį, sūkurumą), suteikdamas tvirtą duomenų pagrindą, leidžiantį atskleisti kauburių susidarymo mechanizmą. Kalbant apie lanko morfologijos analizę, mokslininkai tiksliai įvertino svyruojančio lazerio poveikį lanko elgsenai, apskaičiuodami standartinį lanko nukrypimo kampo nuokrypį. Galiausiai, esant 1,5 mm amplitudės ir 200 Hz dažnio virpesių parametrams, buvo pasiektas geras suvirinimo siūlių susidarymas be kauburių ar griuvimo kintamo tarpo diapazone nuo 0 iki 2,5 mm. Išsami analizė parodė, kad uždarius rakto skylutę susidaro šaknų kauburėlis, o svyruojantis lazeris veiksmingai slopina kauburėlių susidarymą, stabilizuodamas rakto skylutę, pagerindamas išlydyto baseino sklandumą ir padidindamas paviršiaus įtempimą išlydyto baseino uodegoje.
03 paveiksle parodytas tiesioginis skirtingų virpesių parametrų lemiamos įtakos formuojant kintamų -tarpų siūlių palyginimas. Be lazerio svyravimo prie nedidelio tarpelio (1 mm) susidaro šaknies kauburėlis, o padidėjus tarpui atsiranda paviršiaus griūtis, o tai rodo prastą tarpo prisitaikymą. Pakeitus lazerio virpesių parametrus pagerėja priekinės-pusės formavimasis, tačiau užpakalinėje pusėje vis tiek yra įdubimų arba suvirinimo siūlė susiaurėja. Galutiniai parametrai yra 1,5 mm amplitudė ir 200 Hz dažnis. Visame kintamo{10}tarpo diapazone abiejose pusėse pasiekiamos puikios suvirinimo siūlės be įdubimų ar įgriuvimų, o tai parodo pagrindinį virpesių parametrų optimizavimo vaidmenį.
1 pav. Suvirinimo siūlės formavimas esant skirtingiems suvirinimo parametrams. Suvirinimo siūlės plotis svyruoja nuo 0 mm iki 3 mm išilgai suvirinimo krypties: a) nėra svyravimų; b) virpesių amplitudė 1 mm, dažnis 100 Hz; c) virpesių amplitudė 1,5 mm, dažnis 100 Hz; (d) Virpesių amplitudė 1,5 mm, dažnis 200 Hz.
2 paveiksle parodyta, kad per vieną ciklą be virpesių lankas netaisyklingai pasislenka į kairę ir dešinę, o naudojant svyruojantį lazerį, lankas išlieka stabiliai centre, pilnas ir stabilios formos, nerodantis reikšmingo šoninio nuokrypio. Tai rodo, kad esant sąlygoms be svyruojančio lazerio, pats didelis tarpas yra pagrindinė lanko formos nestabilumo priežastis. Lankas linkęs ieškoti artimiausio laidžio kelio (ty griovelio šoninės sienelės), todėl šildomas netolygus. Nepriklausomai nuo to, ar parametrai yra optimalūs, įvedus svyruojantį lazerį, galima labai nuslopinti šoninį lanko įlinkį ir išlaikyti jį stabilų suvirinimo siūlės centre.
2 pav. Suvirinimo siūlės morfologija esant skirtingiems suvirinimo greičiams: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
3 paveiksle kiekybiškai parodytas lanko deformacijos laipsnis. Be lazerio virpesių standartinis nuokrypio kampo nuokrypis yra 23,6 laipsnio, o tai rodo didelį lanko svyravimą; panaudojus svyruojantį lazerį, standartinis nuokrypis sumažėja iki 3,5 laipsnio, o stabilumas pagerėja 85,2%. Tai rodo duomenų, kad „svyruojantis lazeris gali žymiai stabilizuoti lanką“.
3 pav. Lanko įlinkio kampų matavimas šešis kartus esant 2,5 mm tarpui: (a) Lanko nukrypimo kampų schema; b) lanko įlinkio laipsnis esant skirtingiems parametrams. Skirtumas tarp 1 ir 2 rodo lanko deformacijos laipsnį.
4 paveiksle parodyta, kad suvirinimo proceso metu išlydytas metalas bangų pavidalu teka link rakto skylutės, todėl rakto skylutė smarkiai svyruoja ir griūva. Lazerio virpesiai gali sustiprinti šiluminę konvekciją išlydytame baseine, sudarydami sūkurius šalia rakto skylutės. Išlydytas metalas teka iš aplink rakto skylutę į jos uodegą, sušvelnindamas lašelių poveikį ir laikydamas rakto skylutę stabiliai atidarytą. Tai rodo, kad svyruojantys lazeriai gali stabilizuoti suvirinimo procesą, pakeisdami išlydyto baseino srauto lauką.
4 pav. Lydymosi baseino srautas nuo laiko T0 iki T0 + 2.7 ms nulinio tarpo sąlygomis: (a) Nėra lazerio virpesių; b) amplitudė 1 mm, dažnis 100 Hz; c) amplitudė 1,5 mm, dažnis 200 Hz. Geltonos ir žalios rodyklės atitinkamai nurodo svyruojančio lazerio generuojamus sūkurius ir išlydyto metalo srauto kryptį; baltos ir oranžinės linijos atitinkamai nurodo rakto skylutę ir išsilydžiusius lašelius.
5 paveiksle pavaizduotas dinaminis išlydyto metalo elgesys suvirinimo vonelėje esant ne-optimizuotiems virpesių parametrams (amplitudė 1 mm, dažnis 100 Hz), kai formuojasi šaknies kauburėlis, todėl suvirinimo defektų tyrimas nuo makroskopinio morfologinio stebėjimo pereina į naują kiekybinės skysčio dinaminės analizės lygį. Greičio vektoriaus pasiskirstymas rodo išlydyto metalo srauto kryptį ir dydį suvirinimo baseine, o greičio laukas intuityviai rodo srauto greičio erdvinį pasiskirstymą. Tuo pačiu metu kupros formavimosi srityje yra didelės sūkurio vertės, o tai rodo stiprų skysčio sukimosi arba šlyties srautą. Šis besisukantis srauto modelis skatina išlydyto metalo kaupimąsi ir nestabilų augimą, kuris yra tipiškas tėkmės laukas, būdingas kauburių susidarymui.
5 paveikslas. Dalelių vaizdo greičio matavimo rezultatai skirtingais momentais formuojantis šaknies kauburiui: (a) greičio vektoriaus pasiskirstymas; b) greičio lauko pasiskirstymas; c) sūkurių lauko pasiskirstymas. Geltonos ir baltos brūkšninės linijos rodo kupros kontūrą.
04 Santrauka: Šiame tyrime nagrinėjami pramonės iššūkiai, susiję su šaknų kauburėliais ir nepakankamu tarpų-sujungimo gebėjimu storosios plokštės kintamo{2}}tarpo lazerinio{3}}lankinio hibridinio suvirinimo metu. Sistemingai eksperimentuojant su pažangiomis diagnostikos technikomis, tokiomis kaip didelės spartos vaizdavimas ir dalelių vaizdo greičio matavimas, buvo atskleistas svyruojančio lazerio defektų slopinimo mechanizmas. Rezultatai rodo, kad esant optimizuotiems virpesių parametrams, lazeris, padidindamas ir stabilizuodamas rakto skylutę, žymiai padidina lanko laidumo kanalą, sumažindamas lanko deformacijos laipsnį 85,2%, taip stabilizuodamas lanko elgesį. Tuo pačiu metu svyruojantis lazeris keičia lydalo baseino srauto lauką, sudarydamas stabilų sūkurį ir išlaikydamas rakto skylutės atvirumą, todėl galiausiai gaunamos aukštos-kokybės suvirinimo siūlės, kuriose nėra kauburių ir griūva kintamo 0-2,5 mm tarpo diapazone. Šis tyrimas ne tik pagilina teorinį supratimą apie suvirinimo defektų susidarymą ir slopinimo mechanizmus skysčių dinamikos požiūriu, bet ir suteikia patikimą proceso schemą bei teorinį pagrindą kintamiems-tarpo suvirinimo iššūkiams stambių komponentų gamyboje spręsti, o tai labai svarbu skatinant hibridinio suvirinimo lazerinio lanko technologiją taikyti dideliuose inžinerijos projektuose.
