01 Einführung
Bei der Herstellung großer Komponenten wie Hochgeschwindigkeitszüge, Schiffbau und Energieausrüstung ist das Schweißen dicker Bleche einer der Schlüsselprozesse. Aufgrund von Einschränkungen der Bearbeitungsgenauigkeit, Montagefehlern und thermischer Verformung während des Schweißprozesses ändert sich jedoch häufig der Schweißspalt. Wenn der Spalt zwischen den Blechen klein ist, ist es wahrscheinlich, dass eine unvollständige Durchdringung oder Wurzelwelligkeit auftritt, wohingegen große Lücken dazu neigen, dass die Schweißnaht zusammenbricht. Die aktuelle Forschung basiert meist auf konstanten Spaltverhältnissen, Studien zum Schweißen mit variablen Spaltverhältnissen liegen relativ selten vor. Insbesondere beim Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen bleibt es bei technischen Anwendungen eine Herausforderung, sowohl die Welligkeitsunterdrückung bei kleinen Lücken als auch eine gute Überbrückungsfähigkeit bei großen Lücken zu erreichen. Diese Studie konzentriert sich auf 12 mm dicken witterungsbeständigen Stahl und zielt darauf ab, die Schweißnahtbildung und die Mechanismen zur Fehlerunterdrückung beim oszillierenden Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen unter Bedingungen mit variablem Spalt zu klären, theoretische und prozessbezogene Unterstützung für das Schweißen dicker Bleche mit variablen Spalten bereitzustellen und die weitere industrielle Anwendung und Einführung der Technologie des oszillierenden Laser-Lichtbogen-Hybridschweißens zu fördern.
02 Volltextübersicht
Diese Studie befasst sich mit den Herausforderungen von Wurzelhöckern und unzureichender Überbrückungsfähigkeit beim Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen mit variablem -Spalt-dicker Stahlbleche und untersucht systematisch den Mechanismus, durch den oszillierende Laser den Schweißprozess beeinflussen. Das experimentelle Basismaterial war 12 mm dicker witterungsbeständiger Stahl S355J2W. Unter Verwendung eines TruDisk-10002-Faserlasers (maximale Leistung 10 kW, Wellenlänge 1070 nm) in Kombination mit einer Lichtbogenschweißausrüstung wurde ein Hybridschweißsystem konstruiert, mit einem kontinuierlich variierenden Montagespalt (0 - 3 mm), der entlang der gesamten Schweißnaht eingestellt wurde, um die variablen Spaltbedingungen zu simulieren, die üblicherweise in der tatsächlichen Produktion auftreten. Während der Studie wurden die Laserleistung (6,5 kW), die Schweißgeschwindigkeit (16 mm/s) und die Drahtvorschubgeschwindigkeit (10 m/min) konstant gehalten, wobei die Laseroszillationsparameter (Amplitude, Frequenz) die wichtigsten Kontrollvariablen in den Experimenten waren. Hochgeschwindigkeitsfotografie wurde verwendet, um das Verhalten des Schmelzbades und die Lichtbogenmorphologie auf der Vorder- und Rückseite der Schweißnaht synchron aufzuzeichnen. Darüber hinaus wurde die PIVlab-Toolbox in MATLAB verwendet, um eine Kreuzkorrelationsanalyse der Hochgeschwindigkeitsbilder des geschmolzenen Pools durchzuführen und dabei das Geschwindigkeitsfeld und das Wirbelfeld des flüssigen Metalls während der Bildung von Buckeln quantitativ zu extrahieren. Diese Methode wandelt Strömungsvisualisierungsdaten in quantifizierbare physikalische Parameter (Geschwindigkeit, Wirbelstärke) um und bietet so eine solide Datenunterstützung für die Aufdeckung des Mechanismus der Buckelbildung. Bei der Analyse der Lichtbogenmorphologie beurteilten die Forscher die Auswirkung des oszillierenden Lasers auf das Lichtbogenverhalten genau, indem sie die Standardabweichung des Lichtbogenablenkwinkels berechneten. Letztendlich wurde bei Oszillationsparametern von 1,5 mm Amplitude und 200 Hz Frequenz eine gute Schweißnahtbildung ohne Buckel oder Kollaps über einen variablen Spaltbereich von 0–2,5 mm erreicht. Eine umfassende Analyse ergab, dass das Schließen des Schlüssellochs zur Bildung von Wurzelhöckern führt, wohingegen der oszillierende Laser die Buckelbildung wirksam unterdrückt, indem er das Schlüsselloch stabilisiert, die Fließfähigkeit des Schmelzbads verbessert und die Oberflächenspannung am Ende des Schmelzbads erhöht.
In Bild 03 ist der entscheidende Einfluss unterschiedlicher Schwingungsparameter auf die Ausbildung von Wechselspaltschweißungen im direkten Vergleich dargestellt. Ohne Laseroszillation entsteht bei einem kleinen Spalt (1 mm) ein Wurzelbuckel, und wenn der Spalt größer wird, kommt es zu einem Oberflächenkollaps, was auf eine schlechte Spaltanpassungsfähigkeit hinweist. Durch die Änderung der Laseroszillationsparameter wird die Ausbildung der Vorderseite verbessert, die Rückseite weist jedoch weiterhin Höcker auf oder die Schweißnaht wird schmaler. Die endgültigen Parameter sind eine Amplitude von 1,5 mm und eine Frequenz von 200 Hz. Innerhalb des gesamten variablen Spaltbereichs werden auf beiden Seiten hervorragende Schweißnähte ohne Buckel oder Einsturz erzielt, was die Schlüsselrolle der Optimierung der Schwingungsparameter verdeutlicht.
Abbildung 1. Schweißnahtbildung unter verschiedenen Schweißparametern. Die Schweißnahtbreite variiert entlang der Schweißrichtung zwischen 0 mm und 3 mm: (a) Keine Oszillation; (b) Schwingungsamplitude 1 mm, Frequenz 100 Hz; (c) Schwingungsamplitude 1,5 mm, Frequenz 100 Hz; (d) Schwingungsamplitude 1,5 mm, Frequenz 200 Hz.
Abbildung 2 zeigt, dass der Lichtbogen innerhalb eines Zyklus ohne Oszillation unregelmäßig nach links und rechts abweicht, während der Lichtbogen bei einem oszillierenden Laser stabil zentriert bleibt, eine volle und stabile Form aufweist und keine nennenswerte seitliche Ablenkung zeigt. Dies zeigt, dass unter Bedingungen ohne oszillierenden Laser der große Spalt selbst die Hauptursache für die Instabilität der Lichtbogenform ist. Der Lichtbogen neigt dazu, den nächstgelegenen leitenden Pfad (dh die Seitenwand der Nut) zu suchen, was zu einer ungleichmäßigen Erwärmung führt. Die Einführung eines oszillierenden Lasers kann unabhängig davon, ob die Parameter optimal sind, die seitliche Ablenkung des Lichtbogens stark unterdrücken und ihn in der Mitte der Schweißnaht stabil halten.
Abbildung 2. Schweißnahtmorphologie bei verschiedenen Schweißgeschwindigkeiten: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
Abbildung 3 quantifiziert den Grad der Lichtbogenablenkung. Ohne Laseroszillation beträgt die Standardabweichung des Ablenkwinkels 23,6 Grad, was auf starke Lichtbogenschwankungen hinweist; Nach Verwendung eines oszillierenden Lasers sinkt die Standardabweichung auf 3,5 Grad, wobei sich die Stabilität um 85,2 % verbessert. Dies liefert Datenbeweise dafür, dass „oszillierende Laser den Lichtbogen erheblich stabilisieren können“.
Abbildung 3. Messung der Lichtbogenablenkwinkel sechsmal unter einem Spalt von 2,5 mm: (a) Schematische Darstellung der Lichtbogenablenkwinkel; (b) Grad der Lichtbogenablenkung unter verschiedenen Parametern. Die Differenz zwischen 1 und 2 gibt den Grad der Lichtbogenablenkung an.
Abbildung 4 zeigt, dass während des Schweißvorgangs geschmolzenes Metall in Form von Wellen in Richtung des Schlüssellochs fließt, was dazu führt, dass das Schlüsselloch heftig schwankt und zusammenbricht. Laseroszillation kann die thermische Konvektion im Schmelzbad verstärken und Wirbel in der Nähe des Schlüssellochs bilden. Geschmolzenes Metall fließt von der Umgebung des Schlüssellochs zu seinem Schwanz, dämpft den Aufprall der Tröpfchen und hält das Schlüsselloch stabil offen. Dies deutet darauf hin, dass oszillierende Laser den Schweißprozess stabilisieren können, indem sie das Strömungsfeld des Schmelzbades verändern.
Abbildung 4. Schmelzbadfluss vom Zeitpunkt T0 bis T0 + 2.7 ms unter Null-Lücken-Bedingungen: (a) Keine Laseroszillation; (b) Amplitude 1 mm, Frequenz 100 Hz; (c) Amplitude 1,5 mm, Frequenz 200 Hz. Gelbe und grüne Pfeile zeigen die vom oszillierenden Laser erzeugten Wirbel bzw. die Fließrichtung des geschmolzenen Metalls an; Weiße und orangefarbene Linien zeigen das Schlüsselloch bzw. die geschmolzenen Tröpfchen an.
Abbildung 5 veranschaulicht das dynamische Verhalten der Metallschmelze im Schweißbad unter nicht-optimierten Oszillationsparametern (Amplitude 1 mm, Frequenz 100 Hz), während sich der Wurzelhöcker bildet, und bringt die Untersuchung von Schweißfehlern von der makroskopischen morphologischen Beobachtung auf eine neue Ebene der quantitativen Analyse der Fluiddynamik. Die Geschwindigkeitsvektorverteilung zeigt die Richtung und Stärke des geschmolzenen Metallflusses innerhalb des Schweißbades, während das Geschwindigkeitsfeld die räumliche Verteilung der Fließgeschwindigkeit intuitiver darstellt. Gleichzeitig liegen im Bereich der Buckelbildung hohe Vorticity-Werte vor, was auf eine starke Rotations- oder Scherströmung der Flüssigkeit dort hindeutet. Dieses Rotationsströmungsmuster fördert die Ansammlung und das instabile Wachstum von geschmolzenem Metall, was ein typisches Strömungsfeld ist, das für die Buckelbildung charakteristisch ist.
Abbildung 5. Ergebnisse der Partikelbild-Velocimetrie zu verschiedenen Zeitpunkten während der Wurzelhöckerbildung: (a) Geschwindigkeitsvektorverteilung; (b) Geschwindigkeitsfeldverteilung; (c) Wirbelfeldverteilung. Gelbe und weiße gestrichelte Linien zeigen die Kontur des Buckels an.
04 Zusammenfassung: Diese Studie befasst sich mit den Branchenherausforderungen von Wurzelhöckern und unzureichender Spaltüberbrückungsfähigkeit beim Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen mit variablem Spalt-dicker Bleche. Durch systematische Experimente in Kombination mit fortschrittlichen Diagnosetechniken wie Hochgeschwindigkeitsbildgebung und Partikelbildgeschwindigkeitsmessung wurde der Fehlerunterdrückungsmechanismus des oszillierenden Lasers aufgedeckt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Laser bei optimierten Oszillationsparametern durch die Vergrößerung und Stabilisierung des Schlüssellochs den Leitkanal des Lichtbogens deutlich verbessert, den Grad der Lichtbogenablenkung um 85,2 % reduziert und dadurch das Lichtbogenverhalten stabilisiert. Gleichzeitig verändert der oszillierende Laser das Strömungsfeld des Schmelzbades, bildet einen stabilen Wirbel und sorgt für die Offenheit des Schlüssellochs, wodurch letztendlich qualitativ hochwertige Schweißnähte ohne Buckel und Kollaps in einem variablen Spaltbereich von 0-2,5 mm erzielt werden. Diese Studie vertieft nicht nur das theoretische Verständnis der Schweißfehlerbildung und der Mechanismen zur Unterdrückung von Schweißfehlern aus der Perspektive der Fluiddynamik, sondern bietet auch ein zuverlässiges Prozessschema und eine theoretische Grundlage für die Lösung der Herausforderungen beim Schweißen mit variablem Spalt bei der Herstellung großer Komponenten, was von erheblichem Wert für die Förderung der Anwendung der Laser-Lichtbogen-Hybridschweißtechnologie in großen technischen Projekten ist.
