Изследване на стабилността на динамичния процес на лазерно-дъгово композитно заваряване въз основа на преходното поведение на капката стопилка

Лазерно-дъгово композитно заваряване
Професор Peilei Zhang от Училището по материалознание и инженерство към Шанхайския университет за инженерство и технологии (USET), заедно с учени от Университета на Уоруик, Шанхайския университет Jiao Tong и Университета за наука и технологии Jiangsu (JUST), публикуваха документ, озаглавен "Изследователски статус на стабилност в динамичния процес на лазерно-дъгово хибридно заваряване" в списание Coatings. Лазерно-дъгово хибридно заваряване на базата на поведение при пренос на капки: преглед".
01 Въведение
Лазерно-дъговото хибридно заваряване използва както лазерен източник на топлина, така и източник на топлина с електрическа дъга в една и съща област, а синергичният ефект на двата източника на топлина в една и съща вана от стопилка води до увеличаване на скоростта на заваряване и дълбочината на топене, както и като увеличаване на способността за преодоляване на пропуски и стабилност на процеса. Тази статия описва текущото състояние на изследване на технологията за лазерно-дъгово композитно заваряване по отношение на поведението на прехода на капките, режима на преход на капките и анализа на силата на капките. Чрез систематично подреждане на научните статии и инженерните приложения, принципът на работа, техническите предимства, инженерните приложения и проучванията за стабилност на динамичния процес на заваряване на лазерно-дъгово композитно заваряване са систематично очертани. Накрая са обобщени проблемите пред бъдещето на лазерно-дъговата хибридна заваръчна технология.
Лазерно-дъгово хибридно заваряване
02 Преглед
Тази статия прави преглед на основните концепции и характеристики на преходното поведение на капчици за лазерно-дъгово композитно заваряване, включително режима на преход на капката и анализ на силата на капката. Акцентът е поставен върху взаимното физическо взаимодействие между лазера и дъгата и ефекта на комбинирания лазерно-дъгов източник на топлина върху стабилността на заваръчния шев. Поведението при преход при падане на стопилка предоставя информация за стабилността на процеса на заваряване, характеристиките на поведението на дъгата, ефективността на топене, характеристиките на процеса като дим и пръски при заваряване и металургичните характеристики на заваряването и др., което се характеризира с интуитивност и видимост и става незаменим източник и начин за получаване на информация в заваръчната информационна технология. В процеса на лазерно-дъгово композитно заваряване режимът на преход от металните капчици към разтопения басейн, размерът на капките, честотата на прехода и стабилността зависят от свойствата на заваръчния материал, параметрите на заваряване, защитния газ, лазерната енергия, разстоянието между светлинните проводници и други фактори, и в крайна сметка подложени на различни сили като гравитация, електромагнитна сила, сила на плазмения поток, повърхностно напрежение, сила на металните пари и друга интегрирана роля, както е показано на фигура 1.

Фигура 1 Схематична диаграма на композитен анализ на силата на заваряване на капки
Лазерно-дъгово хибридно заваряване
03 Графичен анализ
Разстоянието между нишките е ключов фактор при определяне дали лазерът и източникът на топлина на дъгата са оптимално свързани. Разстоянието между нишките има значителен ефект върху дълбочината на топене, режима на преход на капката и стабилността на процеса на заваряване. Изследователите са открили, че когато разстоянието между нишките е малко, дъгата пречи на стабилността на ключалката и стабилността на капковия преход е силно повлияна от лазера. Облъчването на лазерния лъч върху разпръснатите капчици възпрепятства енергията на лазерния лъч, което води до плитка дълбочина на заваръчния шев, както е показано на Фиг. 2. В допълнение, увеличаването на разстоянието между нишките доведе до неравномерно движение на разтопен метал, водещо до пропадане на ключалката, тъй като както и предварително втвърден метал, предотвратявайки централния разтопен метал от запълване на зоната на върха на заварката, което в крайна сметка води до дефект при захапване.
Относителното разположение на източниците на топлина на лазера и дъгата в посоката на заваряване има решаващ ефект върху лазерно-дъговото композитно заваряване. Някои изследователи и учени смятат, че режимът с лазерно насочване е по-добър от режима с дъгово насочване. Те вярват, че режимът с лазерно насочване води до по-стабилен процес на заваряване, по-добро образуване на заваръчен шев, по-малко порьозност и дефекти от пръски, както и по-добро проникване и по-здрави заварки. Въпреки това, други изследователи смятат, че режимът с насочване по дъга е по-добър от режима с лазерно насочване. Те вярват, че в сравнение с UHP режима с лазерно насочване, UHP режимът с насочване на дъгата създава стабилни характеристики на дъгата и поток от стопилка, а ъгълът между радиуса на разтопените капчици и заваръчната повърхност създава по-голяма движеща сила, която насърчава отделяне на разтопените капки и подобрява стабилността на процеса на заваряване, с по-малко пръски от заваръчния шев и по-стабилно оформяне на заваръчния шев.
Значението на защитния газ трябва да се има предвид както при единично лазерно заваряване, така и при електродъгово заваряване. При лазерното заваряване, защитният газ е ефективно средство за елиминиране на ефектите на плазмено екраниране, подобряване на стабилността на процеса на заваряване и реализиране на заваряване чрез дълбок синтез. При електродъгово заваряване, защитният газ е ключовият фактор за реализиране на стабилно изгаряне на дъгата и определяне на разпределението на топлинния стълб на дъгата и режима на преход на разтопената капка. Изследователите смятат, че добавянето на 30% He подобрява комбинирания ефект на лазера и дъгата, а режимът на преход на капка стопилка се променя от нестабилен преход на струя към стабилен преход на струя и подобрява степента на съвпадение на прехода на въртящата се струя и импулсния цикъл на дъгата, с по-малко флуктуация на формата на вълната на дъгата, по-добро оформяне на заваръчния шев и по-малко дефекти при заваряване. В допълнение, изследователите смятат, че обемният процент He за подобряване на дълбочината на заваряване на заваръчния шев и инхибиране на дефектите на порьозността трябва да бъде 50%. Ефективната плътност на мощността на лазера се увеличава с увеличаването на обемния процент He, което допринася за увеличаване на дълбочината на заваръчния шев. Дефектите на порьозността на заваръчните шевове бяха ефективно потиснати, тъй като стабилността на малките отвори беше подобрена при използване на смес Ar-He.
Тъй като добавянето на лазер към електродъгово заваряване причинява промени в морфологията на дъгата и морфологията на разтопения басейн, което води до промени в силата на дъгата, електромагнитното поле и повърхностното напрежение на разтопения басейн, промените в тези фактори ще доведат директно до промени в преходните характеристики на разтопената капчица. Комбинирайки предимствата на дълбокото топене на лазерното заваряване и мостовата производителност на електродъговото заваряване, много изследователи и учени обърнаха внимание на преходното поведение на разтопените капки при лазерно-дъгово композитно заваряване. Те вярват, че добавянето на лазер има както стимулиращ, така и инхибиращ ефект върху прехода на капките. В режимите на преход на късо съединение и капка, лазерът насърчава прехода на капка, докато лазерът възпрепятства прехода на капка в режим на преход на струя. Големината и посоката на електромагнитните и плазмените сили, действащи върху капчиците, са от решаващо значение за повлияване на преходното поведение на капчиците. Големината и посоката на електромагнитните и плазмените сили се трансформират поради промяната на разпределението на тока в разтопената капка, което се причинява от лазерно индуцираната плазма с нисък йонизационен потенциал.

04 Заключение и перспектива
Лазерно-дъговото композитно заваряване е нов тип метод за обработка на заваряване, който комбинира два източника на топлина с напълно различни механизми за пренос на енергия и физични свойства и в същото време действа в позицията на обработка, взаимодействието между различни източници на топлина и взаимодействието между източникът на топлина и детайлът да генерират достатъчно топлина за завършване на процеса на заваряване. Като нов тип ефективен източник на топлина за заваряване, той може да даде пълноценно използване на съответните предимства на двата източника на топлина, но също така да компенсира техните недостатъци. Лазерно и електродъгово заваряване с инертен газ / активен газ (MIG / MAG) е най-обещаващият композитен режим на заваряване, има спешна нужда от допълнително проучване на физическия механизъм на композитния източник на топлина. Междувременно поведението на прехода на капка стопилка също е много важно в процеса на заваряване на композитни материали. Поведението на прехода на капките може да предостави точна информация за процеса на заваряване и ефективно да определи стабилността на процеса на заваряване.
С непрекъснатото развитие на строителните машини, дебелината на плочата също се увеличава. За да се отговори на стабилността на заваряването на дебели плочи, скосяването на дебели плочи е от съществено значение. Поради сложността на скосяването на дебелата плоча, стабилността на дъгата в процеса на заваряване също е засегната до известна степен, което води до генериране на заваръчни дефекти. В същото време генерирането на дефекти е тясно свързано с преходното поведение на капката стопилка. При високомощното лазерно-дъгово композитно заваряване генерирането на заваръчни дефекти е неизбежно. Оптимизацията и напредъкът на технологията за числена симулация преодолява ограниченията на анализа на дефектите и осигурява солидна теоретична основа за по-нататъшното развитие на иновативни процеси. Поради големия брой параметри на процеса при лазерно-дъгово композитно заваряване, прозорецът на параметрите на процеса непрекъснато се стеснява, за да се получи най-доброто образуване на заваръчен шев, а промяната на параметрите на процеса също има голямо влияние върху характеристиките на прехода на разтопения капчица. Следователно, непрекъснатото изследване на параметрите на процеса е от голямо значение за режима на преход на капка стопилка при лазерно-дъгово композитно заваряване.