01 مقدمة
في تصنيع المكونات الكبيرة مثل-القطارات عالية السرعة وبناء السفن ومعدات الطاقة، يعد لحام الألواح السميكة إحدى العمليات الرئيسية. ومع ذلك، نظرًا للقيود في دقة التصنيع، وأخطاء التجميع، والتشوه الحراري أثناء عملية اللحام، غالبًا ما تتغير فجوة اللحام. عندما تكون الفجوة بين الصفائح صغيرة، من المحتمل أن يحدث اختراق غير كامل أو تموجات جذرية، في حين تميل الفجوات الكبيرة إلى انهيار اللحام. تعتمد الأبحاث الحالية في الغالب على ظروف الفجوة الثابتة، كما أن الدراسات المتعلقة باللحام ذي الفجوات المتغيرة غير متوفرة نسبيًا. على وجه الخصوص، في اللحام الهجين بالليزر والقوس، يظل تحقيق كل من قمع التموج في ظل فجوات صغيرة وقدرة سد جيدة في ظل فجوات كبيرة يمثل تحديًا في التطبيقات الهندسية. تركز هذه الدراسة على الفولاذ المقاوم للتجوية بسمك 12 مم-، بهدف توضيح تكوين اللحام وآليات قمع العيوب أثناء اللحام الهجين بقوس الليزر والليزر في ظل ظروف فجوة متغيرة، مما يوفر دعمًا نظريًا وعمليًا للحام الألواح السميكة مع فجوات متغيرة، وتعزيز التطبيق الصناعي الإضافي واعتماد تقنية اللحام الهجين بقوس الليزر والليزر.
02 نظرة عامة على النص الكامل
تتناول هذه الدراسة التحديات المتمثلة في الحدبات الجذرية والقدرة غير الكافية على الربط في لحام القوس الهجين المتغير-ليزر الفجوة-للوحة الصلب السميكة، وتبحث بشكل منهجي في الآلية التي تؤثر بها أشعة الليزر المتذبذبة على عملية اللحام. كانت المادة الأساسية التجريبية عبارة عن فولاذ مقاوم للعوامل الجوية S355J2W بسمك 12 مم. تم إنشاء نظام لحام هجين باستخدام ليزر الألياف TruDisk-10002 (أقصى طاقة 10 كيلووات، الطول الموجي 1070 نانومتر) بالاشتراك مع معدات اللحام القوسي، مع فجوة تجميع متغيرة باستمرار (0 - 3 مم) مثبتة على طول خط اللحام بالكامل لمحاكاة ظروف الفجوة المتغيرة- الشائعة في الإنتاج الفعلي. أثناء الدراسة، ظلت قوة الليزر (6.5 كيلو واط)، وسرعة اللحام (16 مم / ثانية)، وسرعة تغذية السلك (10 م / دقيقة) ثابتة، مع معلمات تذبذب الليزر (السعة والتردد) باعتبارها المتغيرات الأساسية التي يتم التحكم فيها في التجارب. تم استخدام التصوير الفوتوغرافي عالي السرعة- لتسجيل سلوك حوض السباحة المنصهر وشكل القوس على الجانبين الأمامي والخلفي من اللحام بشكل متزامن. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام مجموعة أدوات PIVlab في MATLAB لإجراء تحليل الارتباط المتقاطع على الصور عالية السرعة للمجمع المنصهر، واستخراج حقل سرعة المعدن السائل ومجال الدوامة كميًا أثناء تكوين الحدبات. تقوم هذه الطريقة بتحويل بيانات تصور التدفق إلى معلمات فيزيائية قابلة للقياس الكمي (السرعة، والدوامة)، مما يوفر دعمًا قويًا للبيانات للكشف عن آلية تكوين الحدبة. فيما يتعلق بتحليل شكل القوس، قام الباحثون بتقييم تأثير الليزر المتذبذب بدقة على سلوك القوس من خلال حساب الانحراف المعياري لزاوية انحراف القوس. في نهاية المطاف، في ظل معلمات التذبذب بسعة 1.5 ملم وتردد 200 هرتز، تم تحقيق تشكيل لحام جيد دون حدبات أو انهيار عبر نطاق فجوة متغير من 0-2.5 ملم. أشار التحليل الشامل إلى أن إغلاق ثقب المفتاح يؤدي إلى تكوين سنام الجذر، في حين يعمل الليزر المتذبذب على منع تكوين الحدبة بشكل فعال عن طريق تثبيت ثقب المفتاح، وتحسين سيولة البركة المنصهرة، وزيادة التوتر السطحي عند ذيل البركة المنصهرة.
يوضح الشكل 03 مقارنة مباشرة للتأثير الحاسم لمعلمات التذبذب المختلفة على تكوين لحامات فجوة - متغيرة. بدون تذبذب الليزر، يحدث سنام الجذر عند فجوة صغيرة (1 مم)، ومع زيادة الفجوة، يظهر انهيار السطح، مما يشير إلى ضعف القدرة على التكيف مع الفجوة. يؤدي تغيير معلمات تذبذب الليزر إلى تحسين تشكيل الجانب الأمامي-، ولكن الجانب الخلفي لا يزال يحتوي على حدبات أو يصبح اللحام أضيق. المعلمات النهائية هي سعة 1.5 مم وتردد 200 هرتز. ضمن نطاق الفجوة المتغيرة- بالكامل، يتم تحقيق لحامات ممتازة بدون حدبات أو انهيار على كلا الجانبين، مما يوضح الدور الرئيسي لتحسين معلمات التذبذب.
الشكل 1. تشكيل اللحام تحت معلمات اللحام المختلفة. يتراوح عرض اللحام من 0 مم إلى 3 مم على طول اتجاه اللحام: (أ) لا يوجد تذبذب؛ (ب) سعة التذبذب 1 مم، التردد 100 هرتز؛ (ج) سعة التذبذب 1.5 مم، التردد 100 هرتز؛ (د) سعة التذبذب 1.5 مم، التردد 200 هرتز.
يوضح الشكل 2 أنه خلال دورة واحدة، دون تذبذب، ينحرف القوس بشكل غير منتظم إلى اليسار واليمين، بينما مع الليزر المتذبذب، يظل القوس متمركزًا بشكل ثابت، مع شكل كامل ومستقر، ولا يُظهر أي انحراف جانبي كبير. يوضح هذا أنه في ظل الظروف التي لا تحتوي على ليزر متذبذب، فإن الفجوة الكبيرة بحد ذاتها هي السبب الأساسي لعدم استقرار الشكل القوسي. يميل القوس إلى البحث عن أقرب مسار موصل (أي الجدار الجانبي للأخدود)، مما يؤدي إلى تسخين غير متساوٍ. إن إدخال الليزر المتذبذب، بغض النظر عما إذا كانت المعلمات مثالية، يمكن أن يمنع الانحراف الجانبي للقوس بشكل كبير ويبقيه مستقرًا في وسط اللحام.
الشكل 2. مورفولوجيا اللحام بسرعات لحام مختلفة: (أ) 1.5 م/دقيقة (ب) 1.8 م/دقيقة (ج) 2.1 م/دقيقة.
الشكل 3 يحدد درجة انحراف القوس. بدون تذبذب الليزر، يكون الانحراف المعياري لزاوية الانحراف 23.6 درجة، مما يشير إلى تقلب القوس الشديد؛ بعد استخدام الليزر المتذبذب، ينخفض الانحراف المعياري إلى 3.5 درجة، مع تحسن الاستقرار بنسبة 85.2%. وهذا يوفر أدلة بيانات على أن "الليزر المتذبذب يمكنه تثبيت القوس بشكل كبير".
الشكل 3. قياس زوايا انحراف القوس ست مرات تحت فجوة 2.5 مم: (أ) رسم تخطيطي لزوايا انحراف القوس؛ ( ب ) درجة انحراف القوس تحت معايير مختلفة. يمثل الفرق بين 1 و 2 درجة انحراف القوس.
يوضح الشكل 4 أنه أثناء عملية اللحام، يتدفق المعدن المنصهر نحو ثقب المفتاح على شكل موجات، مما يتسبب في تأرجح ثقب المفتاح بعنف وانهياره. يمكن أن يعزز تذبذب الليزر الحمل الحراري في البركة المنصهرة، مما يشكل دوامات بالقرب من ثقب المفتاح. يتدفق المعدن المنصهر من حول ثقب المفتاح إلى ذيله، مما يخفف من تأثير القطرات ويبقي ثقب المفتاح مفتوحًا بثبات. يشير هذا إلى أن الليزر المتذبذب يمكنه تثبيت عملية اللحام عن طريق تغيير مجال التدفق لحوض السباحة المنصهر.
الشكل 4. تدفق حوض الذوبان من الوقت T0 إلى T0 + 2.7 مللي ثانية في ظل ظروف الفجوة الصفرية: (أ) لا يوجد تذبذب ليزر؛ (ب) السعة 1 مم، التردد 100 هرتز؛ (ج) السعة 1.5 مم، التردد 200 هرتز. تشير الأسهم الصفراء والخضراء إلى الدوامات الناتجة عن الليزر المتذبذب واتجاه تدفق المعدن المنصهر، على التوالي؛ تشير الخطوط البيضاء والبرتقالية إلى ثقب المفتاح والقطرات المنصهرة، على التوالي.
يوضح الشكل 5 السلوك الديناميكي للمعدن المنصهر في حوض اللحام تحت -معلمات التذبذب المحسنة (السعة 1 مم، التردد 100 هرتز) أثناء تشكيل سنام الجذر، مما يؤدي إلى تقدم دراسة عيوب اللحام من المراقبة المورفولوجية العيانية إلى مستوى جديد من تحليل ديناميكيات الموائع الكمية. يُظهر توزيع ناقل السرعة اتجاه وحجم تدفق المعدن المنصهر داخل حوض اللحام، بينما يعرض مجال السرعة بشكل أكثر بديهية التوزيع المكاني لسرعة التدفق. وفي الوقت نفسه، توجد قيم دوامية عالية في منطقة تكوين الحدبة، مما يشير إلى تدفق دوراني أو قصي قوي للسائل هناك. يعزز نمط التدفق الدوراني هذا التراكم والنمو غير المستقر للمعادن المنصهرة، وهو ما يعد سمة حقل تدفق نموذجية لتكوين الحدبة.
الشكل 5. نتائج قياس سرعة صورة الجسيمات في لحظات مختلفة أثناء تكوين سنام الجذر: (أ) توزيع ناقلات السرعة؛ (ب) توزيع مجال السرعة؛ ( ج ) توزيع مجال الدوامة. تشير الخطوط المتقطعة باللونين الأصفر والأبيض إلى محيط الحدبة.
04 ملخص: تتناول هذه الدراسة تحديات الصناعة المتمثلة في الحدبات الجذرية وعدم كفاية الفجوة-قدرة سد الفجوة في اللحام القوسي المتغير باللوحة السميكة-فجوة الليزر-. ومن خلال التجارب المنهجية جنبًا إلى جنب مع تقنيات التشخيص المتقدمة مثل-التصوير عالي السرعة وقياس سرعة صور الجسيمات، تم الكشف عن آلية منع العيوب في الليزر المتذبذب. تشير النتائج إلى أنه في ظل معلمات التذبذب المحسنة، فإن الليزر، من خلال توسيع ثقب المفتاح وتثبيته، يعزز بشكل كبير القناة الموصلة للقوس، مما يقلل من درجة انحراف القوس بنسبة 85.2%، وبالتالي استقرار سلوك القوس. في الوقت نفسه، يغير الليزر المتذبذب مجال تدفق حوض الذوبان، مما يشكل دوامة مستقرة ويحافظ على انفتاح ثقب المفتاح، مما يؤدي في النهاية إلى تحقيق لحامات عالية الجودة- خالية من الحدبات والانهيار في نطاق فجوة متغير يبلغ 0-2.5 ملم. لا تعمل هذه الدراسة على تعميق الفهم النظري لتكوين عيوب اللحام وآليات إخمادها من منظور ديناميكيات الموائع فحسب، بل توفر أيضًا مخطط عملية موثوقًا وأساسًا نظريًا لحل تحديات لحام الفجوة المتغيرة- في تصنيع المكونات الكبيرة، وهو أمر ذو قيمة كبيرة لتعزيز تطبيق تكنولوجيا اللحام الهجين بقوس الليزر في المشاريع الهندسية الكبرى.
