01 Giới thiệu
Trong quá trình sản xuất các bộ phận lớn như-tàu tốc độ cao, đóng tàu và thiết bị năng lượng, hàn tấm dày là một trong những quy trình quan trọng. Tuy nhiên, do hạn chế về độ chính xác gia công, lỗi lắp ráp, biến dạng nhiệt trong quá trình hàn nên khe hở mối hàn thường xuyên thay đổi. Khi khe hở giữa các tấm nhỏ, khả năng xuyên thấu không hoàn toàn hoặc gợn sóng ở gốc có thể xảy ra, trong khi khe hở lớn có xu hướng dẫn đến sụp đổ mối hàn. Nghiên cứu hiện tại chủ yếu dựa trên điều kiện khe hở không đổi và tương đối thiếu các nghiên cứu về hàn với khe hở thay đổi. Đặc biệt, trong hàn lai hồ quang laze, việc đạt được cả khả năng triệt tiêu gợn sóng dưới các khe hở nhỏ và khả năng bắc cầu tốt dưới các khe hở lớn vẫn là một thách thức trong các ứng dụng kỹ thuật. Nghiên cứu này tập trung vào thép chịu thời tiết dày 12 mm-, nhằm mục đích làm rõ sự hình thành mối hàn và cơ chế hạn chế khuyết tật trong quá trình hàn lai laser-hồ quang dao động trong các điều kiện khe hở thay đổi, cung cấp hỗ trợ về mặt lý thuyết và quy trình cho hàn tấm dày với các khe hở thay đổi, đồng thời thúc đẩy ứng dụng công nghiệp hơn nữa và áp dụng công nghệ hàn lai laser-hồ quang dao động.
02 Toàn văn Tổng quan
Nghiên cứu này đề cập đến những thách thức về bướu rễ và khả năng bắc cầu không đủ trong hàn kết hợp hồ quang laser có khoảng cách -khe hở laser{1}}có thể thay đổi được trên tấm thép dày và nghiên cứu một cách có hệ thống cơ chế mà các tia laser dao động ảnh hưởng đến quá trình hàn. Vật liệu nền thử nghiệm là thép phong hóa S355J2W dày 12 mm. Hệ thống hàn kết hợp được chế tạo bằng cách sử dụng tia laser sợi quang TruDisk{11}}10002 (công suất tối đa 10 kW, bước sóng 1070 nm) kết hợp với thiết bị hàn hồ quang, với khe lắp ráp thay đổi liên tục (0 - 3 mm) dọc theo toàn bộ đường hàn để mô phỏng các điều kiện khe hở thay đổi thường gặp trong sản xuất thực tế. Trong quá trình nghiên cứu, công suất laser (6,5 kW), tốc độ hàn (16 mm/s) và tốc độ cấp dây (10 m/phút) được giữ không đổi, với các thông số dao động laser (biên độ, tần số) làm biến số được kiểm soát cốt lõi trong các thí nghiệm. Chụp ảnh tốc độ cao được sử dụng để ghi lại đồng bộ hoạt động của bể nóng chảy và hình thái hồ quang ở mặt trước và mặt sau của mối hàn. Ngoài ra, hộp công cụ PIVlab trong MATLAB được sử dụng để thực hiện phân tích tương quan chéo trên hình ảnh tốc độ cao của bể nóng chảy, trích xuất định lượng trường vận tốc kim loại lỏng và trường xoáy trong quá trình hình thành các bướu. Phương pháp này chuyển đổi dữ liệu trực quan hóa dòng chảy thành các thông số vật lý có thể định lượng được (vận tốc, độ xoáy), cung cấp hỗ trợ dữ liệu vững chắc để tiết lộ cơ chế hình thành bướu. Về phân tích hình thái hồ quang, các nhà nghiên cứu đã đánh giá chính xác tác động của tia laser dao động đến hành vi hồ quang bằng cách tính độ lệch chuẩn của góc lệch hồ quang. Cuối cùng, với các thông số dao động có biên độ 1,5 mm và tần số 200 Hz, mối hàn có thể hình thành tốt mà không bị bướu hoặc xẹp trong phạm vi khe hở thay đổi từ 0-2,5 mm. Phân tích toàn diện chỉ ra rằng việc đóng lỗ khóa dẫn đến sự hình thành bướu ở rễ, trong khi tia laser dao động ngăn chặn sự hình thành bướu một cách hiệu quả bằng cách ổn định lỗ khóa, cải thiện tính lưu động của bể nóng chảy và tăng sức căng bề mặt ở đuôi bể nóng chảy.
Hình 03 minh họa sự so sánh trực tiếp về tác động quyết định của các thông số dao động khác nhau đến sự hình thành các mối hàn có khe hở-có thể thay đổi. Nếu không có sự dao động của tia laser, bướu rễ sẽ xuất hiện ở một khe hở nhỏ (1 mm) và khi khe hở tăng lên, bề mặt sẽ bị xẹp xuống, cho thấy khả năng thích ứng với khe hở kém. Việc thay đổi các tham số dao động laze sẽ cải thiện hình dạng mặt trước-nhưng mặt sau vẫn có các vết lồi lõm hoặc mối hàn trở nên hẹp hơn. Các thông số cuối cùng là biên độ 1,5 mm và tần số 200 Hz. Trong toàn bộ phạm vi khe hở có thể thay đổi, bạn có thể đạt được các mối hàn tuyệt vời không bị lồi lõm hoặc xẹp ở cả hai bên, thể hiện vai trò chính của việc tối ưu hóa các thông số dao động.
Hình 1. Sự hình thành mối hàn dưới các thông số hàn khác nhau. Chiều rộng mối hàn thay đổi từ 0 mm đến 3 mm dọc theo hướng hàn: (a) Không dao động; (b) Biên độ dao động 1 mm, tần số 100 Hz; (c) Biên độ dao động 1,5 mm, tần số 100 Hz; (d) Biên độ dao động 1,5 mm, tần số 200 Hz.
Hình 2 cho thấy rằng trong một chu kỳ, không dao động, cung bị lệch không đều sang trái và phải, trong khi với tia laser dao động, cung vẫn ở tâm ổn định, với hình dạng đầy đủ và ổn định, không cho thấy độ lệch ngang đáng kể. Điều này chứng tỏ rằng trong điều kiện không có tia laser dao động, bản thân khe hở lớn là nguyên nhân cơ bản gây ra sự mất ổn định hình dạng vòng cung. Hồ quang có xu hướng tìm đường dẫn điện gần nhất (tức là thành bên của rãnh), dẫn đến sự gia nhiệt không đều. Việc đưa vào sử dụng tia laser dao động, bất kể các thông số có tối ưu hay không, có thể triệt tiêu đáng kể độ lệch ngang của hồ quang và giữ cho nó ổn định ở tâm mối hàn.
Hình 2. Hình thái mối hàn ở các tốc độ hàn khác nhau: (a) 1,5 m/phút (b) 1,8 m/phút (c) 2,1 m/phút.
Hình 3 định lượng mức độ lệch hồ quang. Nếu không có dao động laser, độ lệch chuẩn của góc lệch là 23,6 độ, biểu thị sự dao động hồ quang nghiêm trọng; sau khi sử dụng tia laser dao động, độ lệch chuẩn giảm xuống 3,5 độ, với độ ổn định được cải thiện thêm 85,2%. Điều này cung cấp bằng chứng dữ liệu cho thấy 'tia laser dao động có thể ổn định đáng kể hồ quang'.
Hình 3. Đo góc lệch hồ quang sáu lần dưới khe hở 2,5 mm: (a) Sơ đồ các góc lệch hồ quang; (b) Mức độ lệch hồ quang theo các thông số khác nhau. Sự khác biệt giữa 1 và 2 thể hiện mức độ lệch của hồ quang.
Hình 4 minh họa trong quá trình hàn, kim loại nóng chảy chảy về phía lỗ khóa dưới dạng sóng khiến lỗ khóa dao động mạnh và sụp đổ. Dao động laser có thể tăng cường sự đối lưu nhiệt trong bể nóng chảy, tạo thành các xoáy gần lỗ khóa. Kim loại nóng chảy chảy từ xung quanh lỗ khóa đến đuôi của nó, làm giảm tác động của các giọt nước và giữ cho lỗ khóa mở ổn định. Điều này chỉ ra rằng tia laser dao động có thể ổn định quá trình hàn bằng cách thay đổi trường dòng chảy của bể nóng chảy.
Hình 4. Dòng chảy của bể tan chảy từ thời gian T0 đến T0 + 2.7 ms trong điều kiện khe hở bằng 0: (a) Không có dao động laser; (b) Biên độ 1 mm, tần số 100 Hz; (c) Biên độ 1,5 mm, tần số 200 Hz. Mũi tên màu vàng và màu xanh lá cây lần lượt biểu thị các xoáy được tạo ra bởi tia laser dao động và hướng dòng chảy của kim loại nóng chảy; các đường màu trắng và màu cam tương ứng là lỗ khóa và các giọt nóng chảy.
Hình 5 minh họa hoạt động động học của kim loại nóng chảy trong bể hàn trong các thông số dao động không được-tối ưu hóa (biên độ 1 mm, tần số 100 Hz) khi bướu gốc đang hình thành, thúc đẩy nghiên cứu các khuyết tật hàn từ quan sát hình thái vĩ mô đến cấp độ mới của phân tích động lực học chất lỏng định lượng. Phân bố vectơ vận tốc cho thấy hướng và cường độ của dòng kim loại nóng chảy trong bể hàn, trong khi trường vận tốc hiển thị trực quan hơn sự phân bố không gian của tốc độ dòng chảy. Đồng thời, các giá trị độ xoáy cao tồn tại trong vùng hình thành bướu, cho thấy dòng chất lỏng quay hoặc cắt mạnh ở đó. Kiểu dòng chảy quay này thúc đẩy sự tích tụ và tăng trưởng không ổn định của kim loại nóng chảy, đây là đặc điểm trường dòng chảy điển hình của sự hình thành bướu.
Hình 5. Kết quả đo vận tốc hình ảnh hạt tại các thời điểm khác nhau trong quá trình hình thành bướu rễ: (a) phân bố vectơ vận tốc; (b) phân bố trường vận tốc; (c) phân bố trường xoáy. Các đường đứt nét màu vàng và trắng biểu thị đường viền của bướu.
04 Tóm tắt: Nghiên cứu này đề cập đến những thách thức trong ngành về bướu gốc và khả năng bắc cầu-khe hở không đủ trong hàn hồ quang lai-khe hở laser-tấm dày. Thông qua các thí nghiệm có hệ thống kết hợp với các kỹ thuật chẩn đoán tiên tiến chẳng hạn như chụp ảnh tốc độ cao và đo vận tốc hình ảnh hạt, cơ chế triệt tiêu khuyết tật của tia laser dao động đã được tiết lộ. Kết quả chỉ ra rằng dưới các thông số dao động được tối ưu hóa, tia laser, bằng cách mở rộng và ổn định lỗ khóa, đã tăng cường đáng kể kênh dẫn hồ quang, giảm mức độ lệch hồ quang xuống 85,2%, từ đó ổn định hành vi hồ quang. Đồng thời, tia laser dao động làm thay đổi trường dòng chảy của bể tan chảy, tạo thành dòng xoáy ổn định và duy trì độ mở của lỗ khóa, cuối cùng đạt được-các mối hàn chất lượng cao không bị bướu và bị xẹp trong phạm vi khe hở thay đổi là 0-2,5 mm. Nghiên cứu này không chỉ nâng cao hiểu biết lý thuyết về cơ chế hình thành và loại bỏ khuyết tật hàn từ góc độ động lực học chất lỏng mà còn cung cấp sơ đồ quy trình và cơ sở lý thuyết đáng tin cậy để giải quyết các thách thức hàn khe hở thay đổi trong sản xuất linh kiện lớn, có giá trị quan trọng trong việc thúc đẩy ứng dụng công nghệ hàn lai hồ quang laze trong các dự án kỹ thuật lớn.
