01 Introducción al artículo
Actualmente, se presta poca atención a las razones por las que el espaciado de los cables en la soldadura híbrida por arco láser-causa defectos de soldadura, especialmente en la soldadura de placas gruesas, donde la inestabilidad de la formación de placas gruesas es mayor y es más probable que se produzcan defectos de soldadura. Para comprender mejor la influencia del espaciado de los cables en la formación de defectos en la soldadura híbrida de placas gruesas, este estudio utilizó soldadura híbrida láser de alambre-de alta-velocidad y alta-potencia-para soldar placas de acero marino AH36 de 12 mm de espesor. Se utilizó una cámara de alta-velocidad para observar la transferencia de gotas y el flujo del charco fundido, y se emplearon simulaciones numéricas para estudiar el comportamiento específico del flujo del charco fundido. Esto aclara el mecanismo por el cual el espaciado de los alambres afecta la formación de defectos en la soldadura híbrida de alambre-láser.
02 Descripción general del artículo:
La soldadura híbrida por arco láser-(LAHW), como método de unión ampliamente prospectivo, ha atraído una gran atención en las uniones de placas gruesas de la construcción naval. Como uno de los parámetros de soldadura más críticos en la soldadura híbrida por arco láser-, el espacio entre el rayo láser y el arco puede afectar significativamente el efecto de acoplamiento entre el láser y el arco, especialmente en condiciones de soldadura láser de alta-potencia y alta-velocidad. Por lo tanto, explorar el efecto del espaciado de haces en la soldadura tiene una importancia teórica importante para futuras investigaciones y producción industrial. Este artículo utiliza fotografías de alta-velocidad del proceso de soldadura para analizar el impacto del espaciamiento de los haces en la transferencia de gotas y la estabilidad del flujo del baño fundido, y combina la simulación numérica para examinar el mecanismo de formación de defectos de soldadura. Los resultados muestran que una separación adecuada entre haces puede lograr soldaduras bien-formadas sin defectos de soldadura obvios. Cuando la separación entre haces es demasiado estrecha, el efecto de acoplamiento excesivo entre el láser y el arco provoca una transferencia inestable de gotas y un flujo de charco fundido, lo que provoca defectos de soldadura como salpicaduras y socavados. Cuando la separación entre vigas es demasiado grande, el efecto de acoplamiento de las dos fuentes de calor se debilita, el refuerzo de soldadura disminuye y pueden ocurrir defectos de porosidad.
03 Análisis Gráfico:
A partir de las imágenes de la morfología de la superficie de soldadura y la morfología de la sección transversal- bajo diferentes espaciamientos de rayos láser (Figura 1), se puede ver que la formación de la superficie de soldadura varía significativamente con diferentes espaciamientos de rayos láser, mientras que la morfología de la sección transversal-de las soldaduras bajo diferentes espaciamientos es similar, y todas aparecen en forma de copa-. Cuando la separación del rayo láser es de 4 mm, no hay defectos de soldadura evidentes y la formación de la soldadura es óptima.
Como se puede ver en la Figura 2, a medida que el espacio entre las fibras ópticas aumenta gradualmente de 0 mm a 8 mm, la frecuencia de las transiciones de cortocircuito primero disminuye y luego aumenta.
Como se puede ver en la Figura 3, cuando se utiliza soldadura MAG pura, en el modo de transición del chorro, la dirección de la transición del chorro es a lo largo de la línea retrasada de la punta del alambre. Cuando se añade láser para la soldadura híbrida, el ángulo de desviación de la transición del chorro cambia significativamente.
En el cuadro estadístico de la Figura 5, se puede ver que la frecuencia de las transiciones de cortocircuito-inicialmente disminuye y luego aumenta. La magnitud del ángulo de desviación de la transición del chorro disminuye gradualmente a medida que la distancia entre las fibras ópticas aumenta de 0 mm a 4 mm. Cuando la separación entre fibras aumenta aún más hasta 6-8 mm, el efecto del láser sobre el ángulo de desviación de la transición del chorro desaparece gradualmente.
Como se puede ver en la Figura 6, parte de los defectos por salpicaduras surgen de transiciones de cortocircuito inestables-. En T+5.9 ms, el puente de metal fundido sufre un fenómeno de "ruptura de cuello", formando muchas salpicaduras finas.
Como se puede ver en la Figura 7, debido a la influencia de las fuerzas del vapor de metal dentro del ojo de la cerradura y el impacto causado por la transición de las gotas, en la posición trasera del ojo de la cerradura, el metal fundido en la superficie del baño de soldadura fluye demasiado rápido y se desprende del baño, formando defectos por salpicaduras.
A partir de los resultados de la simulación numérica en la Figura 8, se puede ver que bajo los efectos combinados del láser y el arco, la temperatura del metal fundido cerca del centro del baño fundido es mayor y el caudal es más rápido. Esto hace que el metal fundido se acumule hacia el centro de la piscina. A medida que la soldadura se enfría, el metal fundido en ambos lados continúa moviéndose hacia la región media bajo la influencia de la fuerza de Marangoni, lo que resulta en la formación de defectos socavados en ambos lados de la soldadura.
Como puede verse en la Figura 9, cuando el espacio entre los filamentos es demasiado grande, el efecto de precalentamiento del arco se debilita, el efecto de calentamiento del láser en la parte inferior del ojo de la cerradura se reduce y la estabilidad del agujero se deteriora. Debido a que no se transfiere suficiente energía al fondo de la soldadura, la mitad inferior del ojo de cerradura se vuelve inestable y no puede permanecer continuamente abierta, lo que dificulta el escape de las burbujas de gas internas y, en última instancia, produce defectos de porosidad.
03 Resumen y perspectivas
Este artículo utiliza soldadura híbrida MAG-láser-de alta potencia en acero AH36 de 12 mm de espesor para estudiar la formación de soldadura, la transición de gotas y el comportamiento del flujo del charco fundido. Además, se analiza el efecto del espaciado de los cables láser en el proceso de soldadura y el mecanismo de formación de defectos de soldadura. Las principales conclusiones son las siguientes: (1) Cuando la potencia del láser es de 9,5 kW, la velocidad de alimentación del alambre es de 10 m/min, la velocidad de soldadura es de 1,8 m/min y la separación entre los alambres del láser es de 4 mm, se logra la mejor formación de soldadura, con un refuerzo de soldadura de 0,28 mm y un ancho de soldadura de 5,02 mm, sin defectos como cortes, salpicaduras o porosidad. (transición de chorro + cortocircuito-). A medida que aumenta el espacio entre los cables del láser, la frecuencia de transición del cortocircuito primero disminuye y luego aumenta. Cuando el espaciado de los cables del láser es 0, 2, 4, 6 y 8 mm, la frecuencia de transición del cortocircuito es 161 Hz, 124 Hz, 95 Hz, 116 Hz y 138 Hz, respectivamente. El ángulo de desviación de la transición del chorro disminuye al aumentar la separación entre cables. Cuando el espaciado de los cables es superior a 6 mm, el ángulo de deflexión ya no se ve afectado por el espaciado de los cables, lo que es consistente con la soldadura MAG simple.(3) Las salpicaduras se forman principalmente sobre el ojo de la cerradura del láser y en la parte posterior del baño fundido. La transición de gotas de cortocircuito-induce estrechamiento y ruptura del puente de metal líquido, formando múltiples gotas de metal pequeñas, que se ven influenciadas aún más por el vapor de metal expulsado del ojo de la cerradura, lo que resulta en salpicaduras. Además, el charco fundido se ve afectado por la columna de vapor y la fuerza de impacto de la transición de las gotas, lo que provoca un aumento en la velocidad del flujo del metal fundido en la parte trasera. Cuando el metal fundido fluye diagonalmente hacia arriba a una velocidad de 0,3 m/s, parte del metal fundido se separa del charco, formando salpicaduras. (4) La formación de defectos socavados está estrechamente relacionada con el flujo del charco fundido. El metal fundido en el área-soplada por gas y alrededor del ojo de la cerradura fluye continuamente hacia atrás, lo que hace que la parte trasera de la piscina se eleve. A medida que el área de soldadura se solidifica gradualmente, bajo la fuerza de Marangoni, el metal fundido en los lados relativamente más fríos de la soldadura fluye hacia el centro caliente, dejando insuficiente metal fundido en el pie de la soldadura y dando como resultado defectos de socavación.(5) Cuando el espaciado entre los cables láser es demasiado grande, es probable que se produzca porosidad dentro de la soldadura. El efecto de acoplamiento entre el láser y el arco se debilita significativamente, lo que hace que los baños fundidos del láser y del arco estén casi separados, lo que reduce la energía transmitida al fondo de la soldadura. Esto disminuye la estabilidad en el fondo del ojo de cerradura, lo que dificulta que las burbujas escapen del charco fundido y, en última instancia, forman defectos de porosidad a medida que la soldadura se enfría y solidifica.
