Estudi d'estabilitat del procés dinàmic de la soldadura composta d'arc làser basat en el comportament de transició de la gota de fusió

Soldadura làser-arc compost
El professor Peilei Zhang de l'Escola de Ciència i Enginyeria de Materials de la Universitat de Xangai per a Enginyeria i Tecnologia (USET), juntament amb estudiosos de la Universitat de Warwick, la Universitat Jiao Tong de Xangai i la Universitat de Ciència i Tecnologia de Jiangsu (JUST), han publicat un article titulat "Estat de la investigació de l'estabilitat en el procés dinàmic de la soldadura híbrida làser-arc" a la revista Coatings. Soldadura híbrida làser-arc basada en el comportament de transferència de gotes: una revisió".
01 Introducció
La soldadura híbrida làser-arc utilitza tant una font de calor làser com una font de calor d'arc elèctric a la mateixa regió, i l'efecte sinèrgic de les dues fonts de calor a la mateixa piscina fosa provoca un augment de la velocitat de soldadura i la profunditat de fusió, així com com un augment de la capacitat de salvament de la bretxa i l'estabilitat del procés. Aquest article descriu l'estat actual de la investigació de la tecnologia de soldadura composta d'arc làser en termes de comportament de transició de gota, mode de transició de gota i anàlisi de força de gota. Mitjançant la classificació sistemàtica dels documents de recerca i les aplicacions d'enginyeria, es descriuen sistemàticament el principi de funcionament, els avantatges tècnics, les aplicacions d'enginyeria i els estudis d'estabilitat del procés dinàmic de soldadura de la soldadura làser-arc compost. Finalment, es resumeixen els problemes que enfronta el futur de la tecnologia de soldadura híbrida làser-arc.
Soldadura híbrida làser-arc
02 Visió general
Aquest article repassa els conceptes bàsics i les característiques del comportament de transició de les gotes de soldadura composta d'arc làser, inclòs el mode de transició de la gota i l'anàlisi de la força de la gota. Es posa èmfasi en la interacció física mútua entre el làser i l'arc i l'efecte de la font de calor combinada làser-arc sobre l'estabilitat de la soldadura. El comportament de transició de la gota de fusió proporciona informació sobre l'estabilitat del procés de soldadura, les característiques del comportament de l'arc, l'eficiència de la fusió, les característiques del procés com ara fums i esquitxades de soldadura i característiques metal·lúrgiques de soldadura, etc., que es caracteritza per la intuïtivitat i la visibilitat, i es converteix en un font insubstituïble i forma d'adquisició d'informació en tecnologia de la informació de soldadura. En el procés de soldadura làser-arc compost, les gotes de metall al mode de transició de la piscina fosa, la mida de les gotes, la freqüència de transició i l'estabilitat depenen de les propietats del material de soldadura, els paràmetres de soldadura, el gas de protecció, l'energia làser, l'espai entre fils lleugers i altres factors, i en última instància, subjecte a una varietat de forces com la gravetat, la força electromagnètica, la força del flux de plasma, la tensió superficial, la força del vapor de metall i altres funcions integrades, tal com es mostra a la figura 1.

Figura 1 diagrama esquemàtic de l'anàlisi de la força de la gota de soldadura composta
Soldadura híbrida làser-arc
03 Anàlisi Gràfica
L'espaiat dels filaments és un factor clau per determinar si el làser i la font de calor d'arc estan acoblats de manera òptima. L'espaiat dels filaments té un efecte significatiu sobre la profunditat de fusió, el mode de transició de la gota i l'estabilitat del procés de soldadura. Els investigadors han descobert que quan l'espai entre filaments és petit, l'arc interfereix amb l'estabilitat del forat de la clau i l'estabilitat de la transició de la caiguda es veu molt afectada pel làser. La irradiació del raig làser a les gotes esquitxades impedeix l'energia del raig làser, donant lloc a una poca profunditat de soldadura, tal com es mostra a la figura 2. A més, l'augment de l'espaiat dels filaments va provocar un moviment irregular del metall fos que va provocar un col·lapse del forat de la clau, ja que així com el metall prèviament solidificat que impedeix que el metall fos central ompli l'àrea de la punta de la soldadura, donant com a resultat un defecte de mossegada.
Les posicions relatives del làser i les fonts de calor d'arc en la direcció de soldadura tenen un efecte crucial en la soldadura làser-arc compost. Alguns investigadors i estudiosos creuen que el mode guiat per làser és superior al mode guiat per arc. Creuen que el mode guiat per làser dóna com a resultat un procés de soldadura més estable, una millor formació de soldadura, menys defectes de porositat i esquitxades i una millor penetració i soldadures més fortes. Tanmateix, altres investigadors creuen que el mode guiat per arc és superior al mode guiat per làser. Creuen que, en comparació amb el mode guiat per làser UHP, el mode guiat per arc UHP crea característiques d'arc estables i flux de piscina de fusió, i l'angle entre el radi de les gotes foses i la superfície de soldadura crea una força motriu més gran, que promou la separació de les gotes foses i millora l'estabilitat del procés de soldadura, amb menys esquitxades de soldadura i una conformació de soldadura més estable.
S'ha de tenir en compte la importància del gas de protecció tant per a la soldadura per làser individual com per a la soldadura per arc elèctric. En la soldadura làser, el gas de protecció és un mitjà eficaç per eliminar els efectes de blindatge de plasma, millorar l'estabilitat del procés de soldadura i realitzar una soldadura de fusió profunda. En la soldadura per arc, el gas de protecció és el factor clau per aconseguir una combustió estable de l'arc i determinar la distribució de la columna de calor de l'arc i el mode de transició de la gota fosa. Els investigadors creuen que l'addició d'un 30% d'He millora l'efecte compost del làser i l'arc, i el mode de transició de gota de fusió canvia de transició de raig inestable a transició de raig estable i millora el grau de concordança de transició de raig giratori i cicle de pols d'arc, amb menys fluctuació de la forma d'ona de l'arc, millor conformació de la soldadura i menys defectes de soldadura. A més, els investigadors creuen que el percentatge de volum d'He per millorar la profunditat de la soldadura de fusió i inhibir els defectes de porositat hauria de ser del 50%. La densitat de potència efectiva del làser augmenta amb l'augment del percentatge de volum d'He, la qual cosa contribueix a l'augment de la profunditat de la soldadura de fusió. Els defectes de porositat de la soldadura es van suprimir eficaçment perquè es va millorar l'estabilitat dels forats petits mentre s'utilitzava la barreja Ar-He.
Atès que l'addició de làser a la soldadura per arc provoca canvis en la morfologia de l'arc i la morfologia de la piscina fosa, provocant canvis en la força de l'arc, el camp electromagnètic i la tensió superficial de la piscina fosa, els canvis en aquests factors conduiran directament a canvis en les característiques de transició de la gota fosa. Combinant els avantatges de la fusió profunda de la soldadura làser i el rendiment de pont de la soldadura per arc, molts investigadors i estudiosos han prestat atenció al comportament de transició de les gotes foses en la soldadura composta d'arc làser. Creuen que l'addició de làser té efectes de promoció i inhibició de la transició de la gota. En els modes de curtcircuit i de transició de caiguda, el làser promou la transició de caiguda, mentre que el làser dificulta la transició de caiguda en el mode de transició de caiguda. La magnitud i la direcció de les forces electromagnètiques i de plasma que actuen sobre les gotes són crítiques per influir en el comportament de transició de les gotes. La magnitud i la direcció de les forces electromagnètiques i del plasma es transformen a causa del canvi de distribució del corrent a la gota fosa, que és causada pel plasma induït per làser amb un potencial d'ionització baix.

04 Conclusió i perspectives
La soldadura làser-arc composta és un nou tipus de mètode de processament de soldadura, que combina dues fonts de calor amb mecanismes de transferència d'energia i propietats físiques completament diferents, i al mateix temps actua en la posició de processament, la interacció entre diferents fonts de calor i la interacció entre la font de calor i la peça per generar prou calor per completar el procés de soldadura. Com a nou tipus de font de calor de soldadura eficient, pot donar el màxim partit als avantatges respectius de les dues fonts de calor, però també per compensar les seves deficiències. La soldadura per làser i elèctrode de fusió amb gas inert / gas actiu (MIG / MAG) és el mode de soldadura compost més prometedor, hi ha una necessitat urgent d'estudiar més el mecanisme físic de la font de calor composta. Mentrestant, el comportament de transició de la gota de fusió també és molt important en el procés de soldadura composta. El comportament de transició de la gota pot proporcionar informació precisa per al procés de soldadura i determinar eficaçment l'estabilitat del procés de soldadura.
Amb el desenvolupament continu de la maquinària de construcció, el gruix de la placa també augmenta. Per tal de satisfer l'estabilitat de la soldadura de plaques gruixudes, el bisellat de plaques gruixudes és essencial. A causa de la complexitat del bisell de la placa gruixuda, l'estabilitat de l'arc en el procés de soldadura també es veu afectada fins a cert punt, donant lloc a la generació de defectes de soldadura. Al mateix temps, la generació de defectes està estretament relacionada amb el comportament de transició de la gota de fusió. En la soldadura composta d'arc làser d'alta potència, la generació de defectes de soldadura és inevitable. L'optimització i el progrés de la tecnologia de simulació numèrica trenca amb les limitacions de l'anàlisi de defectes i proporciona una base teòrica sòlida per al desenvolupament posterior de processos innovadors. A causa del gran nombre de paràmetres de procés en la soldadura composta d'arc làser, la finestra de paràmetres del procés es redueix constantment per obtenir la millor formació de soldadura, i la variació dels paràmetres del procés també té un gran impacte en les característiques de transició de la fosa. gota. Per tant, l'exploració contínua dels paràmetres del procés és de gran importància per al mode de transició de gota de fusió de soldadura d'arc compost làser.