01 Introducción
En la fabricación de componentes grandes, como trenes de alta-velocidad, construcción naval y equipos energéticos, la soldadura de placas gruesas es uno de los procesos clave. Sin embargo, debido a limitaciones en la precisión del mecanizado, errores de ensamblaje y deformación térmica durante el proceso de soldadura, la separación de soldadura a menudo cambia. Cuando el espacio entre las placas es pequeño, es probable que se produzca una penetración incompleta o ondulaciones de la raíz, mientras que los espacios grandes tienden a provocar el colapso de la soldadura. La investigación actual se basa principalmente en condiciones de separación constante, y son relativamente escasos los estudios sobre soldadura con separación variable. En particular, en la soldadura híbrida por arco láser, lograr tanto la supresión de ondulaciones en espacios pequeños como una buena capacidad de puenteo en espacios grandes sigue siendo un desafío en las aplicaciones de ingeniería. Este estudio se centra en acero resistente a la intemperie de 12 mm-de espesor, con el objetivo de aclarar la formación de soldadura y los mecanismos de supresión de defectos durante la soldadura híbrida con arco láser oscilante en condiciones de separación variable, brindando soporte teórico y de proceso para la soldadura de placas gruesas con separación variable y promoviendo una mayor aplicación industrial y adopción de la tecnología de soldadura híbrida con arco láser oscilante.
02 Descripción general del texto completo
Este estudio aborda los desafíos de las jorobas de raíz y la insuficiente capacidad de puenteo en la soldadura híbrida de arco{0}}láser-de separación variable de placas de acero gruesas e investiga sistemáticamente el mecanismo por el cual los láseres oscilantes afectan el proceso de soldadura. El material base experimental fue acero resistente a la intemperie S355J2W de 12 mm de espesor. Se construyó un sistema de soldadura híbrido utilizando un láser de fibra TruDisk-10002 (potencia máxima de 10 kW, longitud de onda de 1070 nm) en combinación con un equipo de soldadura por arco, con un espacio de ensamblaje que varía continuamente (0 - 3 mm) establecido a lo largo de toda la costura de soldadura para simular las condiciones de espacio variables-que se encuentran comúnmente en la producción real. Durante el estudio, la potencia del láser (6,5 kW), la velocidad de soldadura (16 mm/s) y la velocidad de alimentación del alambre (10 m/min) se mantuvieron constantes, con los parámetros de oscilación del láser (amplitud, frecuencia) como variables centrales controladas en los experimentos. Se utilizó fotografía de alta-velocidad para registrar sincrónicamente el comportamiento del baño fundido y la morfología del arco en los lados frontal y posterior de la soldadura. Además, se empleó la caja de herramientas PIVlab en MATLAB para realizar análisis de correlación cruzada en las imágenes de alta velocidad del charco fundido, extrayendo cuantitativamente el campo de velocidad del metal líquido y el campo de vorticidad durante la formación de jorobas. Este método convierte los datos de visualización del flujo en parámetros físicos cuantificables (velocidad, vorticidad), proporcionando soporte de datos sólido para revelar el mecanismo de formación de jorobas. En cuanto al análisis de la morfología del arco, los investigadores evaluaron con precisión el efecto del láser oscilante sobre el comportamiento del arco calculando la desviación estándar del ángulo de desviación del arco. En última instancia, bajo parámetros de oscilación de 1,5 mm de amplitud y 200 Hz de frecuencia, se logró una buena formación de soldadura sin jorobas ni colapsos en un rango de separación variable de 0-2,5 mm. Un análisis exhaustivo indicó que el cierre del ojo de la cerradura conduce a la formación de jorobas de la raíz, mientras que el láser oscilante suprime eficazmente la formación de jorobas al estabilizar el ojo de la cerradura, mejorar la fluidez del charco fundido y aumentar la tensión superficial en la cola del charco fundido.
La Figura 03 ilustra una comparación directa del impacto decisivo de diferentes parámetros de oscilación en la formación de soldaduras con separación variable-. Sin oscilación del láser, se produce una joroba de raíz en un espacio pequeño (1 mm) y, a medida que el espacio aumenta, aparece el colapso de la superficie, lo que indica una mala adaptabilidad del espacio. Cambiar los parámetros de oscilación del láser mejora la formación del lado frontal-, pero la parte trasera todavía tiene jorobas o la soldadura se vuelve más estrecha. Los parámetros finales son una amplitud de 1,5 mm y una frecuencia de 200 Hz. Dentro de todo el rango de separación variable-, se logran soldaduras excelentes sin jorobas ni colapsos en ambos lados, lo que demuestra el papel clave de la optimización de los parámetros de oscilación.
Figura 1. Formación de soldadura bajo diferentes parámetros de soldadura. El ancho de la soldadura varía de 0 mm a 3 mm a lo largo de la dirección de soldadura: (a) Sin oscilación; (b) Amplitud de oscilación 1 mm, frecuencia 100 Hz; (c) Amplitud de oscilación 1,5 mm, frecuencia 100 Hz; (d) Amplitud de oscilación 1,5 mm, frecuencia 200 Hz.
La Figura 2 muestra que dentro de un ciclo, sin oscilación, el arco se desvía irregularmente hacia la izquierda y hacia la derecha, mientras que con un láser oscilante, el arco permanece centrado de manera estable, con una forma completa y estable, sin mostrar una deflexión lateral significativa. Esto demuestra que en condiciones sin un láser oscilante, el gran espacio en sí es la causa fundamental de la inestabilidad de la forma del arco. El arco tiende a buscar el camino conductor más cercano (es decir, la pared lateral de la ranura), lo que produce un calentamiento desigual. La introducción de un láser oscilante, independientemente de que los parámetros sean óptimos, puede suprimir en gran medida la desviación lateral del arco y mantenerlo estable en el centro de la soldadura.
Figura 2. Morfología de la soldadura a diferentes velocidades de soldadura: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
La Figura 3 cuantifica el grado de desviación del arco. Sin oscilación del láser, la desviación estándar del ángulo de deflexión es de 23,6 grados, lo que indica una fluctuación severa del arco; Después de usar un láser oscilante, la desviación estándar cae a 3,5 grados y la estabilidad mejora en un 85,2%. Esto proporciona datos que demuestran que "el láser oscilante puede estabilizar significativamente el arco".
Figura 3. Medición de los ángulos de deflexión del arco seis veces en un espacio de 2,5 mm: (a) Diagrama esquemático de los ángulos de deflexión del arco; (b) Grado de desviación del arco bajo diferentes parámetros. La diferencia entre 1 y 2 representa el grado de desviación del arco.
La Figura 4 ilustra que durante el proceso de soldadura, el metal fundido fluye hacia el ojo de la cerradura en forma de ondas, lo que hace que el ojo de la cerradura fluctúe violentamente y colapse. La oscilación del láser puede mejorar la convección térmica en el charco fundido, formando vórtices cerca del ojo de la cerradura. El metal fundido fluye desde alrededor del ojo de la cerradura hasta su cola, amortiguando el impacto de las gotas y manteniendo el ojo de la cerradura abierto de manera estable. Esto indica que los láseres oscilantes pueden estabilizar el proceso de soldadura alterando el campo de flujo del baño fundido.
Figura 4. Flujo del baño de fusión desde el tiempo T0 hasta T0 + 2.7 ms en condiciones de espacio cero: (a) Sin oscilación del láser; (b) Amplitud 1 mm, frecuencia 100 Hz; (c) Amplitud 1,5 mm, frecuencia 200 Hz. Las flechas amarillas y verdes indican los vórtices generados por el láser oscilante y la dirección del flujo del metal fundido, respectivamente; Las líneas blancas y naranjas indican el ojo de la cerradura y las gotas fundidas, respectivamente.
La Figura 5 ilustra el comportamiento dinámico del metal fundido en el baño de soldadura bajo parámetros de oscilación no-optimizados (amplitud 1 mm, frecuencia 100 Hz) a medida que se forma la joroba de la raíz, lo que hace avanzar el estudio de los defectos de soldadura desde la observación morfológica macroscópica a un nuevo nivel de análisis cuantitativo de la dinámica de fluidos. La distribución del vector de velocidad muestra la dirección y magnitud del flujo de metal fundido dentro del baño de soldadura, mientras que el campo de velocidad muestra de manera más intuitiva la distribución espacial de la velocidad del flujo. Al mismo tiempo, en la zona de formación de jorobas existen valores elevados de vorticidad, lo que indica un fuerte flujo rotacional o de cizallamiento del líquido allí. Este patrón de flujo rotacional promueve la acumulación y el crecimiento inestable de metal fundido, que es un campo de flujo típico de la formación de jorobas.
Figura 5. Resultados de la velocimetría de imágenes de partículas en diferentes momentos durante la formación de la joroba de la raíz: (a) distribución del vector de velocidad; (b) distribución del campo de velocidad; (c) distribución del campo de vorticidad. Las líneas discontinuas amarillas y blancas indican el contorno de la joroba.
04 Resumen: Este estudio aborda los desafíos de la industria relacionados con los jorobas de raíz y la capacidad insuficiente de puenteo-de espacios en la soldadura híbrida de arco-láser-de espacio variable-de placas gruesas. Mediante experimentos sistemáticos combinados con técnicas de diagnóstico avanzadas, como imágenes de alta-velocidad y velocimetría de imágenes de partículas, se reveló el mecanismo de supresión de defectos del láser oscilante. Los resultados indican que bajo parámetros de oscilación optimizados, el láser, al agrandar y estabilizar el ojo de la cerradura, mejora significativamente el canal conductor del arco, reduciendo el grado de desviación del arco en un 85,2%, estabilizando así el comportamiento del arco. Al mismo tiempo, el láser oscilante altera el campo de flujo del baño de fusión, formando un vórtice estable y manteniendo la apertura del ojo de cerradura, logrando en última instancia soldaduras de alta-calidad libres de jorobas y colapsos en un rango de separación variable de 0-2,5 mm. Este estudio no solo profundiza la comprensión teórica de la formación de defectos de soldadura y los mecanismos de supresión desde una perspectiva de dinámica de fluidos, sino que también proporciona un esquema de proceso confiable y una base teórica para resolver los desafíos de la soldadura de espacio variable-en la fabricación de componentes grandes, lo cual es de gran valor para promover la aplicación de la tecnología de soldadura híbrida por arco láser en grandes proyectos de ingeniería.
