01 Introduzione
Nella produzione di componenti di grandi dimensioni come treni ad alta-velocità, costruzioni navali e apparecchiature energetiche, la saldatura di lamiere spesse è uno dei processi chiave. Tuttavia, a causa delle limitazioni nella precisione della lavorazione, degli errori di assemblaggio e della deformazione termica durante il processo di saldatura, lo spazio di saldatura spesso cambia. Quando lo spazio tra le piastre è piccolo, è probabile che si verifichino penetrazioni incomplete o increspature della radice, mentre spazi ampi tendono a provocare il collasso della saldatura. La ricerca attuale si basa principalmente su condizioni di gap costanti e gli studi sulla saldatura con gap variabili sono relativamente carenti. In particolare, nella saldatura ibrida laser-arco, ottenere sia la soppressione delle ondulazioni in piccoli spazi sia una buona capacità di bridging in grandi spazi rimane una sfida nelle applicazioni ingegneristiche. Questo studio si concentra sull'acciaio resistente agli agenti atmosferici di 12 mm-di spessore, con l'obiettivo di chiarire i meccanismi di formazione della saldatura e di soppressione dei difetti durante la saldatura ibrida laser-arco oscillante in condizioni di gap variabile, fornendo supporto teorico e di processo per la saldatura di piastre spesse con gap variabili e promuovendo l'ulteriore applicazione industriale e l'adozione della tecnologia di saldatura ibrida laser-arco oscillante.
02 Panoramica del testo completo
Questo studio affronta le sfide legate ai rilievi radicali e all'insufficiente capacità di colmare nella saldatura ibrida ad arco-laser-con gap variabile di piastre di acciaio spesse e analizza sistematicamente il meccanismo attraverso il quale i laser oscillanti influenzano il processo di saldatura. Il materiale di base sperimentale era acciaio resistente agli agenti atmosferici S355J2W di 12 mm di spessore. È stato costruito un sistema di saldatura ibrido utilizzando un laser a fibra TruDisk-10002 (potenza massima 10 kW, lunghezza d'onda 1070 nm) in combinazione con apparecchiature per saldatura ad arco, con uno spazio di assemblaggio a variazione continua (0 - 3 mm) impostato lungo l'intero cordone di saldatura per simulare le condizioni di spazio variabile- comunemente riscontrate nella produzione effettiva. Durante lo studio, la potenza del laser (6,5 kW), la velocità di saldatura (16 mm/s) e la velocità di avanzamento del filo (10 m/min) sono state mantenute costanti, con i parametri di oscillazione del laser (ampiezza, frequenza) come variabili principali controllate negli esperimenti. È stata utilizzata la fotografia ad alta-velocità per registrare in modo sincrono il comportamento del bagno di fusione e la morfologia dell'arco sui lati anteriore e posteriore della saldatura. Inoltre, il toolbox PIVlab in MATLAB è stato utilizzato per eseguire analisi di correlazione incrociata-sulle immagini ad alta velocità della piscina fusa, estraendo quantitativamente il campo di velocità del metallo liquido e il campo di vorticità durante la formazione di gobbe. Questo metodo converte i dati di visualizzazione del flusso in parametri fisici quantificabili (velocità, vorticità), fornendo un solido supporto dati per rivelare il meccanismo di formazione della gobba. Per quanto riguarda l'analisi della morfologia dell'arco, i ricercatori hanno valutato con precisione l'effetto del laser oscillante sul comportamento dell'arco calcolando la deviazione standard dell'angolo di deflessione dell'arco. Alla fine, con parametri di oscillazione di ampiezza di 1,5 mm e frequenza di 200 Hz, è stata ottenuta una buona formazione di saldatura senza gobbe o collassi attraverso un intervallo di gap variabile da 0 a 2,5 mm. Un'analisi approfondita ha indicato che la chiusura del buco della serratura porta alla formazione di gobbe radicali, mentre il laser oscillante sopprime efficacemente la formazione di gobbe stabilizzando il buco della serratura, migliorando la fluidità del bagno fuso e aumentando la tensione superficiale sulla coda del bagno fuso.
La Figura 03 illustra un confronto diretto dell'impatto decisivo di diversi parametri di oscillazione sulla formazione di saldature a gap variabile-. Senza l'oscillazione del laser, si verifica una gobba radicale in corrispondenza di un piccolo spazio (1 mm) e quando lo spazio aumenta, appare il collasso della superficie, indicando una scarsa adattabilità dello spazio. La modifica dei parametri di oscillazione del laser migliora la formazione del lato anteriore-, ma il lato posteriore presenta ancora delle gobbe o la saldatura diventa più stretta. I parametri finali sono un'ampiezza di 1,5 mm e una frequenza di 200 Hz. Nell'intero intervallo di spazi variabili-si ottengono saldature eccellenti senza gobbe o collassi su entrambi i lati, a dimostrazione del ruolo chiave dell'ottimizzazione dei parametri di oscillazione.
Figura 1. Formazione della saldatura con diversi parametri di saldatura. La larghezza della saldatura varia da 0 mm a 3 mm lungo la direzione di saldatura: (a) Nessuna oscillazione; (b) Ampiezza di oscillazione 1 mm, frequenza 100 Hz; (c) Ampiezza di oscillazione 1,5 mm, frequenza 100 Hz; (d) Ampiezza di oscillazione 1,5 mm, frequenza 200 Hz.
La Figura 2 mostra che all'interno di un ciclo, senza oscillazione, l'arco devia irregolarmente a sinistra e a destra, mentre con un laser oscillante, l'arco rimane stabilmente centrato, con una forma piena e stabile, senza mostrare alcuna deflessione laterale significativa. Ciò dimostra che in condizioni senza laser oscillante, l’ampio divario stesso è la causa fondamentale dell’instabilità della forma dell’arco. L'arco tende a cercare il percorso conduttivo più vicino (cioè la parete laterale della scanalatura), determinando un riscaldamento non uniforme. L'introduzione di un laser oscillante, indipendentemente dal fatto che i parametri siano ottimali, può sopprimere notevolmente la deflessione laterale dell'arco e mantenerlo stabile al centro della saldatura.
Figura 2. Morfologia della saldatura a diverse velocità di saldatura: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
La Figura 3 quantifica il grado di deflessione dell'arco. Senza oscillazione del laser, la deviazione standard dell'angolo di deflessione è di 23,6 gradi, indicando una grave fluttuazione dell'arco; dopo aver utilizzato il laser oscillante, la deviazione standard scende a 3,5 gradi, con un miglioramento della stabilità dell'85,2%. Ciò fornisce la prova dei dati che "il laser oscillante può stabilizzare in modo significativo l'arco".
Figura 3. Misurazione degli angoli di deflessione dell'arco sei volte sotto uno spazio di 2,5 mm: (a) Diagramma schematico degli angoli di deflessione dell'arco; (b) Grado di deflessione dell'arco in base a diversi parametri. La differenza tra 1 e 2 rappresenta il grado di deflessione dell'arco.
La Figura 4 illustra che durante il processo di saldatura, il metallo fuso scorre verso il buco della serratura sotto forma di onde, facendo fluttuare violentemente il buco della serratura e facendolo collassare. L'oscillazione del laser può migliorare la convezione termica nella piscina fusa, formando vortici vicino al buco della serratura. Il metallo fuso scorre dal buco della serratura alla coda, ammortizzando l'impatto delle goccioline e mantenendo il buco della serratura stabilmente aperto. Ciò indica che i laser oscillanti possono stabilizzare il processo di saldatura alterando il campo di flusso del bagno di fusione.
Figura 4. Flusso del bagno di fusione dal tempo T0 al tempo T0 + 2.7 ms in condizioni di gap zero: (a) Nessuna oscillazione del laser; (b) Ampiezza 1 mm, frequenza 100 Hz; (c) Ampiezza 1,5 mm, frequenza 200 Hz. Le frecce gialle e verdi indicano rispettivamente i vortici generati dal laser oscillante e la direzione del flusso del metallo fuso; le linee bianche e arancioni indicano rispettivamente il buco della serratura e le goccioline fuse.
La Figura 5 illustra il comportamento dinamico del metallo fuso nel bagno di saldatura con parametri di oscillazione non-ottimizzati (ampiezza 1 mm, frequenza 100 Hz) mentre si forma il gibbo della radice, facendo avanzare lo studio dei difetti di saldatura dall'osservazione morfologica macroscopica a un nuovo livello di analisi fluidodinamica quantitativa. La distribuzione del vettore di velocità mostra la direzione e l'entità del flusso di metallo fuso all'interno del bagno di saldatura, mentre il campo di velocità mostra in modo più intuitivo la distribuzione spaziale della velocità del flusso. Allo stesso tempo, nella regione di formazione della gobba esistono valori elevati di vorticità, che indicano un forte flusso rotazionale o di taglio del liquido in quella zona. Questo modello di flusso rotazionale favorisce l'accumulo e la crescita instabile del metallo fuso, che è un tipico campo di flusso caratteristico della formazione di gobbe.
Figura 5. Risultati della velocimetria dell'immagine delle particelle in diversi momenti durante la formazione del gibbo radicale: (a) distribuzione del vettore di velocità; (b) distribuzione del campo di velocità; (c) distribuzione del campo di vorticità. Le linee tratteggiate gialle e bianche indicano il contorno della gobba.
04 Riepilogo: questo studio affronta le sfide del settore relative ai rilievi radicali e all'insufficiente capacità di colmare gli spazi-nella saldatura ibrida ad arco-laser con spazi variabili-di piastre spesse. Attraverso esperimenti sistematici combinati con tecniche diagnostiche avanzate come l'imaging ad alta-velocità e la velocimetria delle immagini delle particelle, è stato rivelato il meccanismo di soppressione dei difetti del laser oscillante. I risultati indicano che con parametri di oscillazione ottimizzati, il laser, allargando e stabilizzando il buco della serratura, migliora significativamente il canale conduttivo dell'arco, riducendo il grado di deflessione dell'arco dell'85,2%, stabilizzando così il comportamento dell'arco. Allo stesso tempo, il laser oscillante altera il campo di flusso del bagno di fusione, formando un vortice stabile e mantenendo l'apertura del buco della serratura, ottenendo infine saldature di alta-qualità prive di gobbe e collassi in un intervallo variabile di 0-2,5 mm. Questo studio non solo approfondisce la comprensione teorica dei meccanismi di formazione e soppressione dei difetti di saldatura dal punto di vista della dinamica dei fluidi, ma fornisce anche uno schema di processo affidabile e una base teorica per risolvere le sfide della saldatura con gap variabile-nella produzione di componenti di grandi dimensioni, il che è di notevole valore per promuovere l'applicazione della tecnologia di saldatura ibrida laser-arco nei principali progetti di ingegneria.
