01 บทนำ
ในการผลิตส่วนประกอบขนาดใหญ่ เช่น รถไฟความเร็วสูง- การต่อเรือ และอุปกรณ์ด้านพลังงาน การเชื่อมแผ่นหนาถือเป็นกระบวนการสำคัญอย่างหนึ่ง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดด้านความแม่นยำของเครื่องจักร ข้อผิดพลาดในการประกอบ และการเสียรูปเนื่องจากความร้อนในระหว่างกระบวนการเชื่อม ช่องว่างการเชื่อมจึงมักจะเปลี่ยนแปลง เมื่อช่องว่างระหว่างแผ่นมีขนาดเล็ก การเจาะที่ไม่สมบูรณ์หรือระลอกคลื่นของรากมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้น ในขณะที่ช่องว่างขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะส่งผลให้การเชื่อมพังทลาย การวิจัยในปัจจุบันส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของช่องว่างคงที่ และการศึกษาเกี่ยวกับการเชื่อมที่มีช่องว่างแปรผันยังค่อนข้างขาด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเชื่อมแบบไฮบริดด้วยเลเซอร์–อาร์ค การบรรลุทั้งการปราบปรามการกระเพื่อมภายใต้ช่องว่างขนาดเล็กและความสามารถในการเชื่อมโยงที่ดีภายใต้ช่องว่างขนาดใหญ่ยังคงเป็นความท้าทายในการใช้งานทางวิศวกรรม การศึกษานี้มุ่งเน้นไปที่เหล็กผุกร่อนหนา 12 มม.- โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อชี้แจงกลไกการเกิดรอยเชื่อมและกลไกการปราบปรามข้อบกพร่องในระหว่างการเชื่อมแบบไฮบริดด้วยเลเซอร์-อาร์คแบบสั่นภายใต้สภาวะช่องว่างที่แปรผัน โดยให้การสนับสนุนทั้งทางทฤษฎีและกระบวนการสำหรับการเชื่อมแผ่นหนาที่มีช่องว่างแบบแปรผัน และส่งเสริมการใช้งานทางอุตสาหกรรมเพิ่มเติมและการใช้เทคโนโลยีการเชื่อมแบบไฮบริดแบบเลเซอร์-อาร์คแบบสั่น
02 ภาพรวมข้อความแบบเต็ม
การศึกษานี้จัดการกับความท้าทายของโคนรากและความสามารถในการเชื่อมที่ไม่เพียงพอในการเชื่อม-เลเซอร์ช่องว่าง-อาร์กไฮบริดแบบแปรผันของแผ่นเหล็กหนา และตรวจสอบกลไกอย่างเป็นระบบที่เลเซอร์ออสซิลเลเตอร์ส่งผลต่อกระบวนการเชื่อม วัสดุฐานทดลองคือเหล็กผุกร่อน S355J2W หนา 12 มม. ระบบการเชื่อมแบบไฮบริดถูกสร้างขึ้นโดยใช้ไฟเบอร์เลเซอร์ TruDisk{11}}10002 (กำลังสูงสุด 10 kW ความยาวคลื่น 1070 นาโนเมตร) ร่วมกับอุปกรณ์เชื่อมอาร์ก โดยมีช่องว่างการประกอบที่แตกต่างกันอย่างต่อเนื่อง (0 - 3 มม.) ที่ตั้งไว้ตลอดแนวตะเข็บเชื่อมทั้งหมด เพื่อจำลอง-สภาวะช่องว่างที่แปรผันซึ่งมักพบในการผลิตจริง ในระหว่างการศึกษา กำลังเลเซอร์ (6.5 กิโลวัตต์) ความเร็วในการเชื่อม (16 มม./วินาที) และความเร็วการป้อนลวด (10 ม./นาที) คงที่ โดยมีพารามิเตอร์การสั่นของเลเซอร์ (แอมพลิจูด ความถี่) เป็นตัวแปรควบคุมหลักในการทดลอง การถ่ายภาพความเร็วสูง-ใช้เพื่อบันทึกพฤติกรรมของสระหลอมเหลวและสัณฐานวิทยาของส่วนโค้งที่ด้านหน้าและด้านหลังของแนวเชื่อมพร้อมกัน นอกจากนี้ กล่องเครื่องมือ PIVlab ใน MATLAB ยังถูกใช้เพื่อทำการวิเคราะห์ความสัมพันธ์ข้าม-กับภาพความเร็วสูงของสระหลอมเหลว โดยแยกสนามความเร็วของโลหะเหลวและสนามกระแสน้ำวนในเชิงปริมาณระหว่างการก่อตัวของโหนก วิธีนี้จะแปลงข้อมูลการแสดงภาพการไหลเป็นพารามิเตอร์ทางกายภาพเชิงปริมาณ (ความเร็ว ความหมุนวน) โดยให้การสนับสนุนข้อมูลที่มั่นคงสำหรับการเปิดเผยกลไกของการก่อตัวของโหนก เกี่ยวกับการวิเคราะห์สัณฐานวิทยาของส่วนโค้ง นักวิจัยได้ประเมินผลของเลเซอร์ที่สั่นต่อพฤติกรรมของส่วนโค้งได้อย่างแม่นยำ โดยการคำนวณค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของมุมโก่งส่วนโค้ง ในที่สุด ภายใต้พารามิเตอร์การสั่นที่แอมพลิจูด 1.5 มม. และความถี่ 200 เฮิร์ตซ์ ทำให้เกิดรอยเชื่อมที่ดีโดยไม่มีก้อนหรือการยุบตัวในช่วงช่องว่างแปรผันที่ 0-2.5 มม. การวิเคราะห์ที่ครอบคลุมบ่งชี้ว่าการปิดรูกุญแจทำให้เกิดการก่อตัวของโคนโคน ในขณะที่เลเซอร์ที่สั่นจะยับยั้งการเกิดโคกได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการรักษาเสถียรภาพของรูกุญแจ ปรับปรุงการไหลของสระหลอมเหลว และเพิ่มแรงตึงผิวที่ส่วนท้ายของสระหลอมเหลว
รูปที่ 03 แสดงการเปรียบเทียบโดยตรงของผลกระทบขั้นเด็ดขาดของพารามิเตอร์การแกว่งที่แตกต่างกันต่อการก่อตัวของรอยเชื่อมช่องว่างที่แปรผัน- หากไม่มีการแกว่งด้วยเลเซอร์ โคกรากจะเกิดขึ้นที่ช่องว่างเล็กๆ (1 มม.) และเมื่อช่องว่างเพิ่มขึ้น พื้นผิวจะพังทลายจะปรากฏขึ้น บ่งชี้ว่าการปรับตัวของช่องว่างไม่ดี การเปลี่ยนพารามิเตอร์การออสซิลเลชันของเลเซอร์จะปรับปรุงรูปแบบด้านหน้า- แต่ด้านหลังยังคงมีโหนกหรือรอยเชื่อมแคบลง พารามิเตอร์สุดท้ายคือแอมพลิจูด 1.5 มม. และความถี่ 200 Hz ภายในช่วงช่องว่างของตัวแปร-ทั้งหมด การเชื่อมที่ยอดเยี่ยมโดยไม่มีรอยพับหรือการยุบตัวสามารถทำได้ทั้งสองด้าน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงบทบาทสำคัญของการปรับพารามิเตอร์การสั่นให้เหมาะสม
รูปที่ 1 การสร้างรอยเชื่อมภายใต้พารามิเตอร์การเชื่อมที่แตกต่างกัน ความกว้างของการเชื่อมแตกต่างกันไปตั้งแต่ 0 มม. ถึง 3 มม. ตามทิศทางการเชื่อม: (a) ไม่มีการสั่น; (b) แอมพลิจูดของการสั่น 1 มม. ความถี่ 100 เฮิรตซ์ (c) แอมพลิจูดของการสั่น 1.5 มม. ความถี่ 100 เฮิรตซ์ (ง) แอมพลิจูดของการสั่น 1.5 มม. ความถี่ 200 เฮิรตซ์
รูปที่ 2 แสดงให้เห็นว่าภายในหนึ่งรอบ โดยไม่มีการสั่น ส่วนโค้งจะเบนไปทางซ้ายและขวาอย่างไม่ปกติ ในขณะที่เลเซอร์สั่น ส่วนโค้งจะยังคงอยู่ตรงกลางอย่างเสถียร โดยมีรูปร่างที่สมบูรณ์และมั่นคง ซึ่งไม่มีการโก่งตัวด้านข้างที่มีนัยสำคัญ สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าภายใต้สภาวะที่ไม่มีเลเซอร์สั่น ช่องว่างขนาดใหญ่เองเป็นสาเหตุพื้นฐานของความไม่มั่นคงของรูปร่างส่วนโค้ง ส่วนโค้งมีแนวโน้มที่จะแสวงหาเส้นทางนำไฟฟ้าที่ใกล้ที่สุด (เช่น แก้มยางของร่อง) ส่งผลให้ความร้อนไม่สม่ำเสมอ การใช้เลเซอร์ออสซิลเลเตอร์ ไม่ว่าพารามิเตอร์จะเหมาะสมที่สุดหรือไม่ก็ตาม สามารถระงับการโก่งตัวด้านข้างของส่วนโค้งได้อย่างมาก และรักษาความเสถียรที่กึ่งกลางของรอยเชื่อม
รูปที่ 2 สัณฐานวิทยาของการเชื่อมที่ความเร็วการเชื่อมต่างๆ: (a) 1.5 ม./นาที (b) 1.8 ม./นาที (c) 2.1 ม./นาที
รูปที่ 3 วัดระดับของการโก่งส่วนโค้ง หากไม่มีการสั่นด้วยเลเซอร์ ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของมุมโก่งคือ 23.6 องศา ซึ่งบ่งชี้ถึงความผันผวนของส่วนโค้งอย่างรุนแรง หลังจากใช้เลเซอร์ออสซิลเลทติ้ง ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานจะลดลงเหลือ 3.5 องศา โดยมีความเสถียรเพิ่มขึ้น 85.2% ข้อมูลนี้แสดงหลักฐานว่า 'เลเซอร์สั่นสามารถทำให้ส่วนโค้งมีความเสถียรได้อย่างมาก'
รูปที่ 3 การวัดมุมโก่งส่วนโค้งหกครั้งภายใต้ช่องว่าง 2.5 มม.: (a) แผนผังของมุมโก่งส่วนโค้ง; (b) ระดับการโก่งส่วนโค้งภายใต้พารามิเตอร์ที่ต่างกัน ความแตกต่างระหว่าง 1 และ 2 แสดงถึงระดับการโก่งส่วนโค้ง
รูปที่ 4 แสดงให้เห็นว่าในระหว่างกระบวนการเชื่อม โลหะหลอมเหลวจะไหลไปทางรูกุญแจในรูปคลื่น ทำให้รูกุญแจผันผวนอย่างรุนแรงและพังทลายลง การแกว่งด้วยเลเซอร์สามารถเพิ่มการพาความร้อนในสระหลอมเหลว ทำให้เกิดกระแสน้ำวนใกล้กับรูกุญแจ โลหะหลอมเหลวไหลจากรอบๆ รูกุญแจไปจนถึงหาง ช่วยลดแรงกระแทกจากหยดน้ำ และทำให้รูกุญแจเปิดออกได้อย่างมั่นคง สิ่งนี้บ่งชี้ว่าเลเซอร์สั่นสามารถทำให้กระบวนการเชื่อมมีความเสถียรโดยการเปลี่ยนสนามการไหลของสระหลอมเหลว
รูปที่ 4 การไหลของบ่อหลอมจากเวลา T0 ถึง T0 + 2.7 ms ภายใต้เงื่อนไขช่องว่างเป็นศูนย์: (a) ไม่มีการสั่นของเลเซอร์; (b) แอมพลิจูด 1 มม. ความถี่ 100 เฮิรตซ์ (ค) แอมพลิจูด 1.5 มม. ความถี่ 200 เฮิรตซ์ ลูกศรสีเหลืองและสีเขียวบ่งบอกถึงกระแสน้ำวนที่เกิดจากเลเซอร์ที่สั่นและทิศทางการไหลของโลหะหลอมเหลวตามลำดับ เส้นสีขาวและสีส้มบ่งบอกถึงรูกุญแจและหยดหลอมเหลวตามลำดับ
รูปที่ 5 แสดงให้เห็นพฤติกรรมไดนามิกของโลหะหลอมเหลวในสระเชื่อมภายใต้-พารามิเตอร์การแกว่งที่ไม่ได้ปรับให้เหมาะสม (แอมพลิจูด 1 มม. ความถี่ 100 เฮิรตซ์) ขณะที่โคกรากกำลังก่อตัว เป็นการยกระดับการศึกษาข้อบกพร่องในการเชื่อมจากการสังเกตทางสัณฐานวิทยาด้วยตาเปล่า ไปสู่ระดับใหม่ของการวิเคราะห์พลศาสตร์ของไหลเชิงปริมาณ การกระจายเวกเตอร์ความเร็วจะแสดงทิศทางและขนาดของการไหลของโลหะหลอมเหลวภายในสระเชื่อม ในขณะที่สนามความเร็วจะแสดงการกระจายเชิงพื้นที่ของความเร็วการไหลอย่างเป็นธรรมชาติ ในเวลาเดียวกัน มีค่าความหมุนวนสูงในบริเวณการก่อตัวของโหนก ซึ่งบ่งชี้ว่ามีการไหลแบบหมุนหรือแรงเฉือนที่รุนแรงของของเหลวในบริเวณนั้น รูปแบบการไหลแบบหมุนนี้ส่งเสริมการสะสมและการเติบโตที่ไม่เสถียรของโลหะหลอมเหลว ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของสนามการไหลทั่วไปของการก่อตัวของโคก
รูปที่ 5 ผลการวัดความเร็วของภาพอนุภาคในช่วงเวลาต่างๆ ในระหว่างการก่อตัวของโคกราก: (a) การกระจายเวกเตอร์ความเร็ว; (b) การกระจายสนามความเร็ว (c) การกระจายสนามกระแสน้ำวน เส้นประสีเหลืองและสีขาวบ่งบอกถึงรูปร่างของโคน
04 สรุป: การศึกษานี้กล่าวถึงความท้าทายในอุตสาหกรรมเรื่องโคนโคนและความสามารถในการเชื่อมต่อ-ช่องว่างที่ไม่เพียงพอในการเชื่อมอาร์กไฮบริดแบบแปรผัน-ด้วยเลเซอร์ช่องว่าง-แบบแผ่นหนา ด้วยการทดลองอย่างเป็นระบบรวมกับเทคนิคการวินิจฉัยขั้นสูง เช่น การสร้างภาพด้วยความเร็วสูง- และการวัดความเร็วของภาพอนุภาค กลไกการปราบปรามข้อบกพร่องของเลเซอร์ออสซิลเลเตอร์จึงถูกเปิดเผย ผลลัพธ์บ่งชี้ว่าภายใต้พารามิเตอร์การออสซิลเลชันที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม เลเซอร์โดยการขยายและทำให้รูกุญแจมีความเสถียร จะช่วยเพิ่มช่องทางนำอาร์กได้อย่างมาก โดยลดการโก่งตัวของอาร์คลง 85.2% ดังนั้นจึงทำให้พฤติกรรมของอาร์คมีความเสถียร ในเวลาเดียวกัน เลเซอร์ออสซิลเลเตอร์จะเปลี่ยนสนามการไหลของบ่อหลอมเหลว ก่อให้เกิดกระแสน้ำวนที่เสถียรและรักษาความเปิดของรูกุญแจ ทำให้เกิดรอยเชื่อมคุณภาพสูง-โดยปราศจากก้อนและการยุบตัวในช่วงช่องว่างที่เปลี่ยนแปลงได้ 0-2.5 มม. การศึกษานี้ไม่เพียงแต่ทำให้เข้าใจเชิงลึกมากขึ้นเกี่ยวกับการสร้างข้อบกพร่องในการเชื่อมและกลไกการปราบปรามจากมุมมองของพลศาสตร์ของไหล แต่ยังให้แผนกระบวนการที่เชื่อถือได้และเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการแก้ปัญหาความท้าทายในการเชื่อมช่องว่าง-แบบแปรผันในการผลิตชิ้นส่วนขนาดใหญ่ ซึ่งมีคุณค่าอย่างมากในการส่งเสริมการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการเชื่อมแบบไฮบริดด้วยเลเซอร์อาร์กในโครงการวิศวกรรมที่สำคัญ
