01 Introdução
Na fabricação de componentes grandes, como trens-de alta velocidade, construção naval e equipamentos de energia, a soldagem de chapas grossas é um dos processos principais. No entanto, devido a limitações na precisão da usinagem, erros de montagem e deformação térmica durante o processo de soldagem, a folga da solda muda frequentemente. Quando a folga entre as placas é pequena, é provável que ocorra penetração incompleta ou ondulações na raiz, enquanto folgas grandes tendem a resultar no colapso da solda. A pesquisa atual é baseada principalmente em condições de folga constante, e estudos sobre soldagem com folgas variáveis são relativamente escassos. Em particular, na soldagem híbrida laser-arco, alcançar a supressão de ondulação sob pequenas folgas e uma boa capacidade de ponte sob grandes folgas continua sendo um desafio em aplicações de engenharia. Este estudo se concentra em aço intemperizado com 12 mm- de espessura, com o objetivo de esclarecer a formação de solda e os mecanismos de supressão de defeitos durante a soldagem híbrida arco-laser oscilante sob condições de folga variável, fornecendo suporte teórico e de processo para soldagem de placas espessas com folgas variáveis e promovendo a aplicação industrial adicional e a adoção da tecnologia de soldagem híbrida arco-laser oscilante.
02 Visão geral do texto completo
Este estudo aborda os desafios das lombadas das raízes e da capacidade de ponte insuficiente na soldagem híbrida de arco com-gap laser-de placas de aço espessas e investiga sistematicamente o mecanismo pelo qual os lasers oscilantes afetam o processo de soldagem. O material de base experimental foi o aço intemperizado S355J2W de 12 mm de espessura. Um sistema de soldagem híbrido foi construído usando um laser de fibra TruDisk{11}}10002 (potência máxima de 10 kW, comprimento de onda de 1.070 nm) em combinação com equipamento de soldagem a arco, com uma folga de montagem continuamente variável (0 - 3 mm) definida ao longo de toda a costura de solda para simular as condições de folga-variáveis comumente encontradas na produção real. Durante o estudo, a potência do laser (6,5 kW), a velocidade de soldagem (16 mm/s) e a velocidade de alimentação do fio (10 m/min) foram mantidas constantes, com os parâmetros de oscilação do laser (amplitude, frequência) como as variáveis principais controladas nos experimentos. Fotografia de alta-velocidade foi usada para registrar de forma síncrona o comportamento da poça de fusão e a morfologia do arco nas partes frontal e traseira da solda. Além disso, a caixa de ferramentas PIVlab no MATLAB foi empregada para realizar análise de correlação cruzada nas imagens de alta velocidade da poça fundida, extraindo quantitativamente o campo de velocidade do metal líquido e o campo de vorticidade durante a formação de lombadas. Este método converte dados de visualização de fluxo em parâmetros físicos quantificáveis (velocidade, vorticidade), fornecendo suporte de dados sólidos para revelar o mecanismo de formação de protuberâncias. Em relação à análise da morfologia do arco, os pesquisadores avaliaram com precisão o efeito do laser oscilante no comportamento do arco, calculando o desvio padrão do ângulo de deflexão do arco. Em última análise, sob parâmetros de oscilação de amplitude de 1,5 mm e frequência de 200 Hz, foi alcançada uma boa formação de solda sem saliências ou colapso em uma faixa de folga variável de 0 a 2,5 mm. A análise abrangente indicou que o fechamento do buraco da fechadura leva à formação de protuberâncias radiculares, enquanto o laser oscilante suprime efetivamente a formação de protuberâncias, estabilizando o buraco da fechadura, melhorando a fluidez da poça fundida e aumentando a tensão superficial na cauda da poça fundida.
A Figura 03 ilustra uma comparação direta do impacto decisivo de diferentes parâmetros de oscilação na formação de soldas com folga-variável. Sem oscilação do laser, ocorre uma protuberância radicular em uma pequena lacuna (1 mm) e, à medida que a lacuna aumenta, aparece o colapso da superfície, indicando baixa adaptabilidade da lacuna. Alterar os parâmetros de oscilação do laser melhora a formação do lado frontal-, mas o lado traseiro ainda apresenta saliências ou a solda fica mais estreita. Os parâmetros finais são amplitude de 1,5 mm e frequência de 200 Hz. Dentro de toda a faixa de folga-variável, excelentes soldas sem saliências ou colapso são alcançadas em ambos os lados, demonstrando o papel fundamental da otimização dos parâmetros de oscilação.
Figura 1. Formação da solda sob diferentes parâmetros de soldagem. A largura da solda varia de 0 mm a 3 mm ao longo da direção de soldagem: (a) Sem oscilação; (b) Amplitude de oscilação 1 mm, frequência 100 Hz; (c) Amplitude de oscilação 1,5 mm, frequência 100 Hz; (d) Amplitude de oscilação 1,5 mm, frequência 200 Hz.
A Figura 2 mostra que dentro de um ciclo, sem oscilação, o arco desvia irregularmente para a esquerda e para a direita, enquanto que com um laser oscilante, o arco permanece centrado de forma estável, com uma forma completa e estável, não apresentando deflexão lateral significativa. Isto demonstra que sob condições sem um laser oscilante, a grande lacuna em si é a causa fundamental da instabilidade da forma do arco. O arco tende a procurar o caminho condutor mais próximo (isto é, a parede lateral da ranhura), resultando em aquecimento desigual. A introdução de um laser oscilante, independentemente de os parâmetros serem ótimos, pode suprimir bastante a deflexão lateral do arco e mantê-lo estável no centro da solda.
Figura 2. Morfologia da solda em diferentes velocidades de soldagem: (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
A Figura 3 quantifica o grau de deflexão do arco. Sem oscilação do laser, o desvio padrão do ângulo de deflexão é de 23,6 graus, indicando forte flutuação do arco; após o uso do laser oscilante, o desvio padrão cai para 3,5 graus, com estabilidade melhorando em 85,2%. Isso fornece evidências de que 'o laser oscilante pode estabilizar significativamente o arco'.
Figura 3. Medição dos ângulos de deflexão do arco seis vezes sob uma folga de 2,5 mm: (a) Diagrama esquemático dos ângulos de deflexão do arco; (b) Grau de deflexão do arco sob diferentes parâmetros. A diferença entre 1 e 2 representa o grau de deflexão do arco.
A Figura 4 ilustra que durante o processo de soldagem, o metal fundido flui em direção ao buraco da fechadura na forma de ondas, fazendo com que o buraco da fechadura flutue violentamente e entre em colapso. A oscilação do laser pode aumentar a convecção térmica na poça de fusão, formando vórtices próximos ao buraco da fechadura. O metal derretido flui do buraco da fechadura até a cauda, amortecendo o impacto das gotas e mantendo o buraco da fechadura aberto de forma estável. Isto indica que os lasers oscilantes podem estabilizar o processo de soldagem alterando o campo de fluxo da poça fundida.
Figura 4. Fluxo da poça de fusão do tempo T0 a T0 + 2.7 ms sob condições de intervalo zero: (a) Sem oscilação do laser; (b) Amplitude 1 mm, frequência 100 Hz; (c) Amplitude 1,5 mm, frequência 200 Hz. As setas amarelas e verdes indicam os vórtices gerados pelo laser oscilante e a direção do fluxo do metal fundido, respectivamente; linhas brancas e laranja indicam o buraco da fechadura e as gotículas fundidas, respectivamente.
A Figura 5 ilustra o comportamento dinâmico do metal fundido na poça de fusão sob parâmetros de oscilação não{1}}otimizados (amplitude 1 mm, frequência 100 Hz) à medida que a protuberância da raiz está se formando, avançando o estudo de defeitos de soldagem da observação morfológica macroscópica para um novo nível de análise quantitativa da dinâmica de fluidos. A distribuição do vetor de velocidade mostra a direção e a magnitude do fluxo de metal fundido dentro da poça de fusão, enquanto o campo de velocidade exibe de forma mais intuitiva a distribuição espacial da velocidade do fluxo. Ao mesmo tempo, existem altos valores de vorticidade na região de formação da protuberância, indicando forte fluxo rotacional ou de cisalhamento do líquido ali. Este padrão de fluxo rotacional promove o acúmulo e o crescimento instável de metal fundido, que é um campo de fluxo típico característico da formação de protuberâncias.
Figura 5. Resultados da velocimetria de imagens de partículas em diferentes momentos durante a formação da protuberância radicular: (a) distribuição do vetor velocidade; (b) distribuição do campo de velocidade; (c) distribuição do campo de vorticidade. Linhas tracejadas amarelas e brancas indicam o contorno da protuberância.
04 Resumo: Este estudo aborda os desafios do setor de lombadas de raiz e capacidade insuficiente de ponte-de lacuna na soldagem híbrida de arco variável-a laser{3}}de placa espessa. Por meio de experimentos sistemáticos combinados com técnicas avançadas de diagnóstico, como imagens de alta-velocidade e velocimetria de imagens de partículas, o mecanismo de supressão de defeitos do laser oscilante foi revelado. Os resultados indicam que sob parâmetros de oscilação otimizados, o laser, ao ampliar e estabilizar o buraco da fechadura, aumenta significativamente o canal condutor do arco, reduzindo o grau de deflexão do arco em 85,2%, estabilizando assim o comportamento do arco. Ao mesmo tempo, o laser oscilante altera o campo de fluxo da poça de fusão, formando um vórtice estável e mantendo a abertura do buraco de fechadura, alcançando, em última análise, soldas de alta-qualidade, livres de saliências e colapso em uma faixa de folga variável de 0-2,5 mm. Este estudo não apenas aprofunda a compreensão teórica dos mecanismos de formação e supressão de defeitos de soldagem a partir de uma perspectiva de dinâmica de fluidos, mas também fornece um esquema de processo confiável e uma base teórica para resolver os desafios de soldagem com lacunas variáveis na fabricação de grandes componentes, o que é de valor significativo para promover a aplicação da tecnologia de soldagem híbrida arco-laser em grandes projetos de engenharia.
