01 Papiereinführung
Den Gründen, warum der Drahtabstand beim Laser-{0}Lichtbogen-Hybridschweißen Schweißfehler verursacht, wird derzeit wenig Beachtung geschenkt, insbesondere beim Dickblechschweißen, wo die Instabilität der Dickblechbildung größer ist und das Auftreten von Schweißfehlern wahrscheinlicher ist. Um den Einfluss des Drahtabstands auf die Fehlerbildung beim Hybridschweißen dicker Platten besser zu verstehen, wurde in dieser Studie Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsdraht--Laserhybridschweißen verwendet, um 12 mm dicke AH36-Schiffsstahlplatten zu schweißen. Eine Hochgeschwindigkeitskamera wurde verwendet, um den Tröpfchentransfer und die Strömung des Schmelzbades zu beobachten, und numerische Simulationen wurden eingesetzt, um das spezifische Fließverhalten des Schmelzbades zu untersuchen. Dies verdeutlicht den Mechanismus, durch den der Drahtabstand die Fehlerbildung beim Draht-Laser-Hybridschweißen beeinflusst.
02 Papierübersicht:
Das Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen (LAHW) hat als zukunftsträchtiges Verbindungsverfahren bei dicken Blechverbindungen im Schiffbau große Aufmerksamkeit erregt. Als einer der kritischsten Schweißparameter beim Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen kann der Abstand zwischen Laserstrahl und Lichtbogen den Kopplungseffekt zwischen Laser und Lichtbogen erheblich beeinflussen, insbesondere bei Hochleistungslaser- und Hochgeschwindigkeitsschweißbedingungen. Daher ist die Untersuchung der Auswirkung des Strahlabstands auf das Schweißen von großer theoretischer Bedeutung für die zukünftige Forschung und industrielle Produktion. In diesem Artikel wird die Hochgeschwindigkeitsfotografie des Schweißprozesses verwendet, um den Einfluss des Strahlabstands auf die Tröpfchenübertragung und die Stabilität des Schmelzbadflusses zu analysieren. Außerdem wird eine numerische Simulation kombiniert, um den Entstehungsmechanismus von Schweißfehlern zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass mit einem geeigneten Strahlabstand gut geformte Schweißnähte ohne offensichtliche Schweißfehler erzielt werden können. Wenn der Strahlabstand zu gering ist, führt der übermäßige Kopplungseffekt zwischen Laser und Lichtbogen zu einer instabilen Tröpfchenübertragung und einem instabilen Schmelzbadfluss, was zu Schweißfehlern wie Spritzern und Hinterschneidungen führt. Wenn der Strahlabstand zu groß ist, wird die Kopplungswirkung der beiden Wärmequellen geschwächt, die Schweißnahtverstärkung nimmt ab und es können Porositätsfehler auftreten.
03 Grafische Analyse:
Aus den Bildern der Schweißoberflächenmorphologie und der Querschnittsmorphologie bei verschiedenen Laserstrahlabständen (Abbildung 1) ist ersichtlich, dass die Schweißoberflächenformation bei unterschiedlichen Laserstrahlabständen erheblich variiert, während die Querschnittsmorphologie der Schweißnähte bei unterschiedlichen Abständen ähnlich ist und alle kelchförmig erscheinen. Bei einem Laserstrahlabstand von 4 mm treten keine offensichtlichen Schweißfehler auf und die Schweißnahtausbildung ist optimal.
Wie aus Abbildung 2 ersichtlich ist, nimmt die Häufigkeit von Kurzschlussübergängen zunächst ab und nimmt dann zu, wenn der Abstand zwischen den optischen Fasern allmählich von 0 mm auf 8 mm zunimmt.
Wie aus Abbildung 3 ersichtlich ist, verläuft beim reinen MAG-Schweißen im Strahlübergangsmodus die Richtung des Strahlübergangs entlang der Verzögerungslinie der Drahtspitze. Bei der Laserzugabe beim Hybridschweißen verändert sich der Ablenkwinkel des Strahlübergangs deutlich.
Aus dem statistischen Diagramm in Abbildung 5 ist ersichtlich, dass die Häufigkeit von Kurzschlussübergängen zunächst abnimmt und dann zunimmt. Die Größe des Strahlübergangs-Ablenkwinkels nimmt allmählich ab, wenn der Abstand zwischen den optischen Fasern von 0 mm auf 4 mm zunimmt. Wenn der Faserabstand weiter auf 6–8 mm ansteigt, verschwindet die Wirkung des Lasers auf den Ablenkwinkel des Strahlübergangs allmählich.
Wie aus Abbildung 6 ersichtlich ist, entsteht ein Teil der Spritzerdefekte durch instabile Kurzschlussübergänge. Bei T+5.9 ms erfährt die geschmolzene Metallbrücke ein „Einschnürungsbruch“-Phänomen, bei dem viele feine Spritzer entstehen.
Wie aus Abbildung 7 hervorgeht, fließt das geschmolzene Metall auf der Oberfläche des Schweißbads aufgrund des Einflusses der Metalldampfkräfte im Inneren des Schlüssellochs und der durch den Tropfenübergang verursachten Wirkung an der hinteren Position des Schlüssellochs zu schnell und löst sich vom Schweißbad, wodurch Spritzerfehler entstehen.
Aus den numerischen Simulationsergebnissen in Abbildung 8 ist ersichtlich, dass unter der kombinierten Wirkung von Laser und Lichtbogen die Temperatur des geschmolzenen Metalls in der Nähe der Mitte des Schmelzbades höher und die Fließgeschwindigkeit höher ist. Dadurch sammelt sich das geschmolzene Metall in der Mitte des Beckens an. Beim Abkühlen der Schweißnaht bewegt sich das geschmolzene Metall auf beiden Seiten unter dem Einfluss der Marangoni-Kraft weiter in Richtung Mittelbereich, was zur Bildung von Hinterschnittfehlern auf beiden Seiten der Schweißnaht führt.
Wie aus Abbildung 9 ersichtlich ist, wird bei einem zu großen Abstand zwischen den Filamenten der Lichtbogenvorheizeffekt geschwächt, der Laserheizeffekt auf den unteren Teil des Schlüssellochs verringert und die Stabilität des Lochs verschlechtert. Da nicht genügend Energie auf den Boden der Schweißnaht übertragen wird, wird die untere Hälfte des Schlüssellochs instabil und kann nicht kontinuierlich offen bleiben, was das Entweichen interner Gasblasen erschwert, was letztendlich zu Porositätsfehlern führt.
03 Zusammenfassung und Ausblick
In diesem Artikel wird Hochleistungslaser-MAG-Hybridschweißen an 12 mm dickem AH36-Stahl verwendet, um die Schweißnahtbildung, den Tropfenübergang und das Fließverhalten des Schmelzbades zu untersuchen. Darüber hinaus werden die Auswirkungen des Laserdrahtabstands auf den Schweißprozess und der Mechanismus der Schweißfehlerbildung diskutiert. Die wichtigsten Schlussfolgerungen lauten wie folgt: (1) Bei einer Laserleistung von 9,5 kW, einer Drahtvorschubgeschwindigkeit von 10 m/min, einer Schweißgeschwindigkeit von 1,8 m/min und einem Laserdrahtabstand von 4 mm wird die beste Schweißnahtausbildung erreicht, mit einer Schweißnahtverstärkung von 0,28 mm und einer Schweißnahtbreite von 5,02 mm, ohne Fehler wie Unterschnitt, Spritzer oder Porosität. (2) Der Laserdrahtabstand beeinflusst erheblich die Form des Tropfenübergangs (Jet +). Kurzschlussübergang). Mit zunehmendem Laserdrahtabstand nimmt die Häufigkeit von Kurzschlussübergängen zunächst ab und nimmt dann zu. Wenn der Laserdrahtabstand 0, 2, 4, 6 und 8 mm beträgt, beträgt die Häufigkeit des Kurzschlussübergangs 161 Hz, 124 Hz, 95 Hz, 116 Hz bzw. 138 Hz. Der Ablenkwinkel des Strahlübergangs nimmt mit zunehmendem Drahtabstand ab. Wenn der Drahtabstand größer als 6 mm ist, wird der Ablenkwinkel nicht mehr durch den Drahtabstand beeinflusst, wie es beim Einfach-MAG-Schweißen der Fall ist.(3) Spritzer bilden sich hauptsächlich oberhalb des Laserschlüssellochs und auf der Rückseite des Schmelzbads. Der Tröpfchenübergang im Kurzschluss führt zu einer Einschnürung und zum Bruch der Flüssigmetallbrücke, wodurch sich mehrere kleine Metalltröpfchen bilden, die durch den aus dem Schlüsselloch ausgestoßenen Metalldampf weiter beeinflusst werden und zu Spritzern führen. Darüber hinaus wird das Schmelzbad durch die Dampffahne und die Aufprallkraft des Tropfenübergangs beeinflusst, was zu einer Erhöhung der Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls auf der Rückseite führt. Wenn die Metallschmelze mit einer Geschwindigkeit von 0,3 m/s diagonal nach oben fließt, trennt sich ein Teil der Metallschmelze vom Schmelzbad und bildet Spritzer.(4) Die Bildung von Hinterschneidungsfehlern steht in engem Zusammenhang mit der Strömung des Schmelzbades. Das geschmolzene Metall im gasgeblasenen Bereich und um das Schlüsselloch herum fließt kontinuierlich nach hinten, wodurch die Rückseite des Beckens ansteigt. Während sich der Schweißbereich unter der Marangoni-Kraft allmählich verfestigt, fließt das geschmolzene Metall an den relativ kühleren Seiten der Schweißnaht in Richtung des heißen Zentrums, wodurch am Schweißnahtübergang nicht genügend geschmolzenes Metall zurückbleibt und es zu Hinterschnittfehlern kommt.(5) Wenn der Laserdrahtabstand zu groß ist, kommt es wahrscheinlich zu Porosität innerhalb der Schweißnaht. Der Kopplungseffekt zwischen Laser und Lichtbogen wird erheblich geschwächt, wodurch die Schmelzbäder von Laser und Lichtbogen nahezu getrennt werden, wodurch die auf den Boden der Schweißnaht übertragene Energie verringert wird. Dadurch verringert sich die Stabilität am Boden des Schlüssellochs, sodass Blasen nur schwer aus dem Schmelzbad entweichen können und schließlich beim Abkühlen und Erstarren der Schweißnaht Porositätsdefekte entstehen.
