01 Pengenalan
Dalam pembuatan komponen besar seperti-kereta api berkelajuan tinggi, pembinaan kapal dan peralatan tenaga, kimpalan plat tebal ialah salah satu proses utama. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh batasan dalam ketepatan pemesinan, ralat pemasangan, dan ubah bentuk haba semasa proses kimpalan, jurang kimpalan sering berubah. Apabila jurang antara plat adalah kecil, penembusan yang tidak lengkap atau riak akar berkemungkinan berlaku, manakala jurang yang besar cenderung mengakibatkan keruntuhan kimpalan. Penyelidikan semasa kebanyakannya berdasarkan keadaan jurang yang berterusan, dan kajian mengenai kimpalan dengan jurang berubah-ubah agak kurang. Khususnya, dalam kimpalan hibrid laser-arka, mencapai penindasan riak di bawah jurang kecil dan keupayaan merapatkan yang baik di bawah jurang yang besar kekal sebagai cabaran dalam aplikasi kejuruteraan. Kajian ini memfokuskan pada keluli luluhawa tebal 12 mm-, bertujuan untuk menjelaskan pembentukan kimpalan dan mekanisme penindasan kecacatan semasa kimpalan hibrid laser-arka berayun di bawah keadaan jurang berubah-ubah, menyediakan sokongan teori dan proses untuk kimpalan plat tebal dengan jurang berubah-ubah, dan mempromosikan aplikasi industri selanjutnya dan penggunaan teknologi kimpalan hibrid laser-arka berayun.
02 Gambaran Keseluruhan Teks Penuh
Kajian ini menangani cabaran bonggol akar dan keupayaan penyambung yang tidak mencukupi dalam pembolehubah plat keluli tebal-laser celah-kimpalan hibrid arka dan secara sistematik menyiasat mekanisme yang menggunakan laser berayun mempengaruhi proses kimpalan. Bahan asas eksperimen ialah keluli luluhawa S355J2W setebal 12 mm. Sistem kimpalan hibrid telah dibina menggunakan laser gentian TruDisk-10002 (kuasa maksimum 10 kW, panjang gelombang 1070 nm) dalam kombinasi dengan peralatan kimpalan arka, dengan jurang pemasangan yang berubah-ubah secara berterusan (0 - 3 mm) ditetapkan di sepanjang keseluruhan jahitan kimpalan untuk mensimulasikan pembolehubah{17}}jurang biasa yang dihadapi dalam keadaan jurang pengeluaran biasa. Semasa kajian, kuasa laser (6.5 kW), kelajuan kimpalan (16 mm/s), dan kelajuan suapan wayar (10 m/min) dikekalkan malar, dengan parameter ayunan laser (amplitud, kekerapan) sebagai pembolehubah terkawal teras dalam eksperimen. Fotografi berkelajuan tinggi-digunakan untuk merekodkan gelagat kolam cair dan morfologi arka secara serentak pada bahagian hadapan dan belakang kimpalan. Selain itu, kotak alat PIVlab dalam MATLAB digunakan untuk melakukan analisis korelasi silang-pada imejan berkelajuan tinggi kolam lebur, secara kuantitatif mengekstrak medan halaju logam cecair dan medan vortik semasa pembentukan bonggol. Kaedah ini menukar data visualisasi aliran kepada parameter fizikal yang boleh diukur (halaju, pusaran), menyediakan sokongan data pepejal untuk mendedahkan mekanisme pembentukan bonggol. Mengenai analisis morfologi arka, para penyelidik menilai dengan tepat kesan laser berayun pada tingkah laku arka dengan mengira sisihan piawai sudut pesongan arka. Akhirnya, di bawah parameter ayunan amplitud 1.5 mm dan frekuensi 200 Hz, pembentukan kimpalan yang baik tanpa bonggol atau keruntuhan dicapai merentasi julat jurang pembolehubah 0-2.5 mm. Analisis menyeluruh menunjukkan bahawa penutupan lubang kunci membawa kepada pembentukan bonggol akar, manakala laser berayun berkesan menekan pembentukan bonggol dengan menstabilkan lubang kunci, meningkatkan kecairan kolam lebur, dan meningkatkan ketegangan permukaan pada ekor kolam lebur.
Rajah 03 menggambarkan perbandingan langsung kesan penentu bagi parameter ayunan yang berbeza pada pembentukan kimpalan-pembolehubah. Tanpa ayunan laser, bonggol akar berlaku pada celah kecil (1 mm), dan apabila jurang bertambah, permukaan runtuh muncul, menunjukkan kebolehsuaian jurang yang lemah. Menukar parameter ayunan laser meningkatkan pembentukan sisi-depan, tetapi bahagian belakang masih mempunyai bonggol atau kimpalan menjadi lebih sempit. Parameter akhir ialah amplitud 1.5 mm dan frekuensi 200 Hz. Dalam keseluruhan julat-jurang pembolehubah, kimpalan cemerlang tanpa bonggol atau keruntuhan dicapai pada kedua-dua belah pihak, menunjukkan peranan utama untuk mengoptimumkan parameter ayunan.
Rajah 1. Pembentukan kimpalan di bawah parameter kimpalan yang berbeza. Lebar kimpalan berbeza dari 0 mm hingga 3 mm di sepanjang arah kimpalan: (a) Tiada ayunan; (b) Amplitud ayunan 1 mm, frekuensi 100 Hz; (c) Amplitud ayunan 1.5 mm, frekuensi 100 Hz; (d) Amplitud ayunan 1.5 mm, frekuensi 200 Hz.
Rajah 2 menunjukkan bahawa dalam satu kitaran, tanpa ayunan, arka membelok secara tidak teratur ke kiri dan kanan, manakala dengan laser berayun, arka kekal berpusat dengan stabil, dengan bentuk penuh dan stabil, tidak menunjukkan pesongan sisi yang ketara. Ini menunjukkan bahawa dalam keadaan tanpa laser berayun, jurang yang besar itu sendiri adalah punca asas ketidakstabilan bentuk arka. Arka cenderung mencari laluan konduktif terdekat (iaitu, dinding sisi alur), mengakibatkan pemanasan tidak sekata. Pengenalan laser berayun, tanpa mengira sama ada parameter adalah optimum, boleh menekan pesongan sisi arka dengan banyak dan memastikan ia stabil di tengah-tengah kimpalan.
Rajah 2. Morfologi kimpalan pada kelajuan kimpalan yang berbeza: (a) 1.5 m/min (b) 1.8 m/min (c) 2.1 m/min.
Rajah 3 mengukur tahap pesongan lengkok. Tanpa ayunan laser, sisihan piawai sudut pesongan ialah 23.6 darjah, menunjukkan turun naik arka yang teruk; selepas menggunakan laser berayun, sisihan piawai menurun kepada 3.5 darjah, dengan kestabilan bertambah baik sebanyak 85.2%. Ini memberikan bukti data bahawa 'laser berayun boleh menstabilkan arka dengan ketara.'
Rajah 3. Pengukuran sudut pesongan lengkok enam kali di bawah jurang 2.5 mm: (a) Gambarajah skematik sudut pesongan lengkok; (b) Darjah pesongan lengkok di bawah parameter yang berbeza. Perbezaan antara 1 dan 2 mewakili tahap pesongan lengkok.
Rajah 4 menggambarkan bahawa semasa proses kimpalan, logam cair mengalir ke arah lubang kunci dalam bentuk gelombang, menyebabkan lubang kunci itu turun naik dengan kuat dan runtuh. Ayunan laser boleh meningkatkan perolakan terma dalam kolam lebur, membentuk vorteks berhampiran lubang kunci. Logam cair mengalir dari sekeliling lubang kunci ke ekornya, melindungi kesan titisan dan memastikan lubang kunci terbuka secara stabil. Ini menunjukkan bahawa laser berayun boleh menstabilkan proses kimpalan dengan mengubah medan aliran kolam lebur.
Rajah 4. Aliran kolam cair dari masa T0 hingga T0 + 2.7 ms di bawah keadaan jurang sifar: (a) Tiada ayunan laser; (b) Amplitud 1 mm, frekuensi 100 Hz; (c) Amplitud 1.5 mm, frekuensi 200 Hz. Anak panah kuning dan hijau menunjukkan vorteks yang dihasilkan oleh laser berayun dan arah aliran logam cair, masing-masing; garisan putih dan oren masing-masing menunjukkan lubang kunci dan titisan cair.
Rajah 5 menggambarkan kelakuan dinamik logam lebur dalam kolam kimpalan di bawah-parameter ayunan yang tidak dioptimumkan (amplitud 1 mm, frekuensi 100 Hz) semasa bonggol akar terbentuk, memajukan kajian kecacatan kimpalan daripada pemerhatian morfologi makroskopik kepada tahap analisis dinamik bendalir kuantitatif yang baharu. Taburan vektor halaju menunjukkan arah dan magnitud aliran logam cair dalam kolam kimpalan, manakala medan halaju lebih intuitif memaparkan taburan spatial kelajuan aliran. Pada masa yang sama, nilai vortik yang tinggi wujud di kawasan pembentukan bonggol, menunjukkan aliran putaran atau ricih kuat cecair di sana. Corak aliran putaran ini menggalakkan pengumpulan dan pertumbuhan tidak stabil logam cair, yang merupakan ciri medan aliran tipikal pembentukan bonggol.
Rajah 5. Halaju imej zarah terhasil pada momen yang berbeza semasa pembentukan bonggol akar: (a) taburan vektor halaju; (b) taburan medan halaju; (c) taburan medan vortik. Garis putus-putus kuning dan putih menunjukkan kontur bonggol.
04 Ringkasan: Kajian ini menangani cabaran industri bonggol akar dan jurang yang tidak mencukupi-keupayaan merapatkan dalam pembolehubah plat tebal-laser jurang-kimpalan hibrid arka. Melalui eksperimen sistematik yang digabungkan dengan teknik diagnostik lanjutan seperti pengimejan-kelajuan tinggi dan halaju imej zarah, mekanisme penindasan kecacatan laser berayun telah didedahkan. Keputusan menunjukkan bahawa di bawah parameter ayunan yang dioptimumkan, laser, dengan membesarkan dan menstabilkan lubang kunci, meningkatkan saluran konduktif arka dengan ketara, mengurangkan tahap pesongan arka sebanyak 85.2%, dengan itu menstabilkan tingkah laku arka. Pada masa yang sama, laser berayun mengubah medan aliran kolam cair, membentuk pusaran yang stabil dan mengekalkan keterbukaan lubang kunci, akhirnya mencapai-kimpalan berkualiti tinggi tanpa bonggol dan runtuh dalam julat jurang pembolehubah 0-2.5 mm. Kajian ini bukan sahaja memperdalam pemahaman teori tentang pembentukan kecacatan kimpalan dan mekanisme penindasan daripada perspektif dinamik bendalir tetapi juga menyediakan skema proses yang boleh dipercayai dan asas teori untuk menyelesaikan cabaran kimpalan jurang pembolehubah{13}}dalam pembuatan komponen besar, yang mempunyai nilai penting untuk mempromosikan aplikasi teknologi kimpalan hibrid arka laser dalam projek kejuruteraan utama.
