01 Inleiding
Bij de productie van grote componenten zoals hoge-snelheidstreinen, scheepsbouw en energieapparatuur is het lassen van dikke platen een van de belangrijkste processen. Als gevolg van beperkingen in de nauwkeurigheid van de bewerking, montagefouten en thermische vervorming tijdens het lasproces verandert de lasspleet echter vaak. Wanneer de opening tussen de platen klein is, is de kans groot dat er onvolledige penetratie of wortelrimpelingen optreden, terwijl grote openingen de neiging hebben om te resulteren in het bezwijken van de las. Huidig onderzoek is grotendeels gebaseerd op constante spleetomstandigheden, en studies over lassen met variabele spleten ontbreken relatief. Met name bij hybride laserbooglassen blijft het bereiken van zowel rimpelonderdrukking onder kleine openingen als een goed overbruggingsvermogen onder grote openingen een uitdaging in technische toepassingen. Deze studie richt zich op 12 mm- dik weervast staal, met als doel de lasvorming en defectonderdrukkingsmechanismen tijdens oscillerend laser-boog hybride lassen onder variabele spleetomstandigheden te verduidelijken, theoretische en procesondersteuning te bieden voor dikke plaatlassen met variabele spleten, en de verdere industriële toepassing en adoptie van oscillerende laser-boog hybride lastechnologie te bevorderen.
02 Volledig tekstoverzicht
Deze studie richt zich op de uitdagingen van wortelbulten en onvoldoende overbruggingsvermogen bij hybride booglassen met variabele -gap laser- dikke stalen platen en onderzoekt systematisch het mechanisme waarmee oscillerende lasers het lasproces beïnvloeden. Het experimentele basismateriaal was 12 mm dik S355J2W cortenstaal. Er werd een hybride lassysteem gebouwd met behulp van een TruDisk-10002 fiberlaser (maximaal vermogen 10 kW, golflengte 1070 nm) in combinatie met booglasapparatuur, met een continu variërende montageopening (0 - 3 mm) langs de gehele lasnaad om de variabele-openingsomstandigheden te simuleren die vaak voorkomen bij de daadwerkelijke productie. Tijdens het onderzoek werden het laservermogen (6,5 kW), de lassnelheid (16 mm/s) en de draadaanvoersnelheid (10 m/min) constant gehouden, met laseroscillatieparameters (amplitude, frequentie) als de belangrijkste gecontroleerde variabelen in de experimenten. Er werd hogesnelheidsfotografie gebruikt om het gedrag van het smeltbad en de boogmorfologie aan de voor- en achterkant van de las synchroon vast te leggen. Bovendien werd de PIVlab-toolbox in MATLAB gebruikt om kruiscorrelatieanalyses uit te voeren op de hogesnelheidsbeelden van het gesmolten zwembad, waarbij het snelheidsveld van vloeibaar metaal en het vorticiteitsveld kwantitatief werden geëxtraheerd tijdens de vorming van bulten. Deze methode zet stroomvisualisatiegegevens om in kwantificeerbare fysieke parameters (snelheid, vorticiteit) en biedt solide gegevensondersteuning voor het onthullen van het mechanisme van bultvorming. Wat betreft de analyse van de boogmorfologie hebben de onderzoekers nauwkeurig het effect van de oscillerende laser op het booggedrag beoordeeld door de standaardafwijking van de boogafbuighoek te berekenen. Uiteindelijk werd onder oscillatieparameters van 1,5 mm amplitude en 200 Hz frequentie een goede lasvorming zonder bulten of bezwijken bereikt over een variabel spleetbereik van 0-2,5 mm. Uitgebreide analyse gaf aan dat het sluiten van het sleutelgat leidt tot de vorming van wortelbulten, terwijl de oscillerende laser de bultvorming effectief onderdrukt door het sleutelgat te stabiliseren, de vloeibaarheid van het gesmolten zwembad te verbeteren en de oppervlaktespanning aan de staart van het gesmolten zwembad te verhogen.
Figuur 03 illustreert een directe vergelijking van de beslissende impact van verschillende oscillatieparameters op de vorming van lassen met variabele- tussenruimte. Zonder laseroscillatie treedt er een wortelbult op bij een kleine opening (1 mm), en naarmate de opening groter wordt, treedt instorting van het oppervlak op, wat wijst op een slecht aanpassingsvermogen van de opening. Het wijzigen van de laseroscillatieparameters verbetert de vorming van de voorkant-, maar de achterkant heeft nog steeds bulten of de las wordt smaller. De uiteindelijke parameters zijn een amplitude van 1,5 mm en een frequentie van 200 Hz. Binnen het gehele variabele-gapbereik worden aan beide zijden uitstekende lassen zonder bulten of instortingen bereikt, wat de sleutelrol aantoont van het optimaliseren van oscillatieparameters.
Figuur 1. Lasvorming onder verschillende lasparameters. De lasbreedte varieert van 0 mm tot 3 mm in de lasrichting: (a) Geen oscillatie; (b) Oscillatieamplitude 1 mm, frequentie 100 Hz; (c) Oscillatieamplitude 1,5 mm, frequentie 100 Hz; (d) Oscillatieamplitude 1,5 mm, frequentie 200 Hz.
Figuur 2 laat zien dat de boog binnen één cyclus, zonder oscillatie, onregelmatig naar links en rechts afbuigt, terwijl bij een oscillerende laser de boog stabiel gecentreerd blijft, met een volledige en stabiele vorm, zonder noemenswaardige laterale afbuiging. Dit toont aan dat onder omstandigheden zonder een oscillerende laser de grote opening zelf de fundamentele oorzaak is van instabiliteit van de boogvorm. De boog heeft de neiging het dichtstbijzijnde geleidende pad te zoeken (dwz de zijwand van de groef), wat resulteert in ongelijkmatige verwarming. De introductie van een oscillerende laser, ongeacht of de parameters optimaal zijn, kan de laterale afbuiging van de boog aanzienlijk onderdrukken en deze stabiel houden in het midden van de las.
Figuur 2. Lasmorfologie bij verschillende lassnelheden: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
Figuur 3 kwantificeert de mate van boogafbuiging. Zonder laseroscillatie is de standaardafwijking van de afbuighoek 23,6 graden, wat wijst op ernstige boogfluctuaties; na gebruik van een oscillerende laser daalt de standaardafwijking naar 3,5 graden, waarbij de stabiliteit met 85,2% verbetert. Dit levert gegevens op die aantonen dat 'oscillerende laser de boog aanzienlijk kan stabiliseren.'
Figuur 3. Meting van boogafbuighoeken zes keer onder een opening van 2,5 mm: (a) Schematisch diagram van boogafbuighoeken; (b) Mate van boogafbuiging onder verschillende parameters. Het verschil tussen 1 en 2 vertegenwoordigt de mate van boogafbuiging.
Figuur 4 illustreert dat tijdens het lasproces gesmolten metaal in de vorm van golven naar het sleutelgat stroomt, waardoor het sleutelgat hevig gaat schommelen en instorten. Laseroscillatie kan de thermische convectie in het gesmolten zwembad verbeteren, waardoor wervels nabij het sleutelgat ontstaan. Gesmolten metaal stroomt van rond het sleutelgat naar zijn staart, dempt de impact van druppels en houdt het sleutelgat stabiel open. Dit geeft aan dat oscillerende lasers het lasproces kunnen stabiliseren door het stromingsveld van het gesmolten zwembad te veranderen.
Figuur 4. Stroming van het smeltbad van tijd T0 tot T0 + 2.7 ms onder omstandigheden zonder tussenruimte: (a) Geen laseroscillatie; (b) Amplitude 1 mm, frequentie 100 Hz; (c) Amplitude 1,5 mm, frequentie 200 Hz. Gele en groene pijlen geven respectievelijk de wervelingen aan die worden gegenereerd door de oscillerende laser en de stroomrichting van het gesmolten metaal; witte en oranje lijnen geven respectievelijk het sleutelgat en de gesmolten druppels aan.
Figuur 5 illustreert het dynamische gedrag van het gesmolten metaal in het smeltbad onder niet-geoptimaliseerde oscillatieparameters (amplitude 1 mm, frequentie 100 Hz) terwijl de wortelbult zich vormt, waardoor de studie van lasdefecten wordt bevorderd van macroscopische morfologische observatie naar een nieuw niveau van kwantitatieve vloeistofdynamica-analyse. De snelheidsvectorverdeling toont de richting en omvang van de stroom gesmolten metaal in het smeltbad, terwijl het snelheidsveld intuïtiever de ruimtelijke verdeling van de stroomsnelheid weergeeft. Tegelijkertijd bestaan er hoge vorticiteitswaarden in het bultvormingsgebied, wat wijst op een sterke rotatie- of schuifstroming van de vloeistof daar. Dit roterende stromingspatroon bevordert de ophoping en onstabiele groei van gesmolten metaal, wat een typisch stromingsveld is dat kenmerkend is voor bultvorming.
Figuur 5. Snelheidsmetingsresultaten van deeltjesbeelden op verschillende momenten tijdens wortelbultvorming: (a) snelheidsvectorverdeling; (b) snelheidsveldverdeling; (c) verdeling van het vorticiteitsveld. Gele en witte stippellijnen geven de contouren van de bult aan.
04 Samenvatting: Deze studie richt zich op de industriële uitdagingen van wortelbulten en onvoldoende spleetoverbruggingsvermogen bij hybride booglassen met variabele -spleetlaser- met dikke platen. Door systematische experimenten in combinatie met geavanceerde diagnostische technieken zoals snelle beeldvorming en deeltjesbeeldsnelheidsmeting werd het defectonderdrukkingsmechanisme van oscillerende laser onthuld. De resultaten geven aan dat onder geoptimaliseerde oscillatieparameters de laser, door het sleutelgat te vergroten en te stabiliseren, het booggeleidingskanaal aanzienlijk verbetert, waardoor de mate van boogafbuiging met 85,2% wordt verminderd, waardoor het booggedrag wordt gestabiliseerd. Tegelijkertijd verandert de oscillerende laser het stromingsveld van het smeltbad, waardoor een stabiele draaikolk wordt gevormd en de sleutelgatopenheid behouden blijft, waardoor uiteindelijk hoogkwalitatieve lassen worden verkregen die vrij zijn van bulten en instortingen in een variabel spleetbereik van 0-2,5 mm. Deze studie verdiept niet alleen het theoretische inzicht in mechanismen voor het ontstaan en onderdrukken van lasfouten vanuit het perspectief van de vloeistofdynamica, maar biedt ook een betrouwbaar processchema en een theoretische basis voor het oplossen van de uitdagingen op het gebied van lasspleetlassen bij de productie van grote componenten, wat van grote waarde is voor het bevorderen van de toepassing van hybride laserbooglastechnologie in grote technische projecten.
