Studio della stabilità del processo dinamico della saldatura composita ad arco laser basato sul comportamento di transizione della goccia di fusione

Saldatura composita ad arco laser
Il professor Peilei Zhang della Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'Università di Ingegneria e Tecnologia di Shanghai (USET), insieme a studiosi dell'Università di Warwick, dell'Università Jiao Tong di Shanghai e dell'Università di Scienza e Tecnologia di Jiangsu (JUST), hanno pubblicato un articolo intitolato "Stato della ricerca sulla stabilità nel processo dinamico della saldatura ibrida ad arco laser" nella rivista Coatings. Saldatura ibrida laser-arco basata sul comportamento di trasferimento delle goccioline: una revisione".
01 Introduzione
La saldatura ibrida laser-arco utilizza sia una fonte di calore laser che una fonte di calore ad arco elettrico nella stessa regione e l'effetto sinergico delle due fonti di calore nello stesso bagno di fusione si traduce in un aumento della velocità di saldatura e della profondità di fusione, nonché come aumento della capacità di colmare le lacune e della stabilità del processo. Questo articolo descrive lo stato attuale della ricerca sulla tecnologia di saldatura composita ad arco laser in termini di comportamento di transizione delle goccioline, modalità di transizione delle goccioline e analisi della forza delle goccioline. Selezionando sistematicamente i documenti di ricerca e le applicazioni ingegneristiche, vengono delineati sistematicamente il principio di funzionamento, i vantaggi tecnici, le applicazioni ingegneristiche e gli studi sulla stabilità dinamica del processo di saldatura della saldatura composita ad arco laser. Infine, vengono riepilogati i problemi che attendono il futuro della tecnologia di saldatura ibrida laser-arco.
Saldatura ibrida ad arco laser
02 Panoramica
Questo documento esamina i concetti e le caratteristiche di base del comportamento di transizione delle goccioline di saldatura composita con arco laser, inclusa la modalità di transizione delle goccioline e l'analisi della forza delle goccioline. L'accento è posto sulla mutua interazione fisica tra laser e arco e sull'effetto della sorgente di calore combinata laser-arco sulla stabilità della saldatura. Il comportamento di transizione della goccia di fusione fornisce informazioni sulla stabilità del processo di saldatura, sulle caratteristiche di comportamento dell'arco, sull'efficienza di fusione, sulle caratteristiche del processo come fumi e spruzzi di saldatura e sulle caratteristiche metallurgiche della saldatura, ecc., che è caratterizzato da intuitività e visibilità e diventa un fonte insostituibile e modalità di acquisizione delle informazioni nella tecnologia informatica della saldatura. Nel processo di saldatura composita laser-arco, la modalità di transizione delle goccioline di metallo nel bagno di fusione, la dimensione delle goccioline, la frequenza di transizione e la stabilità dipendono dalle proprietà del materiale di saldatura, dai parametri di saldatura, dal gas di protezione, dall'energia laser, dalla spaziatura del filo leggero e da altri fattori, e in definitiva soggetto a una varietà di forze come gravità, forza elettromagnetica, forza del flusso del plasma, tensione superficiale, forza del vapore metallico e altri ruoli integrati, come mostrato nella Figura 1.

Figura 1 Diagramma schematico dell'analisi della forza delle goccioline di saldatura composita
Saldatura ibrida ad arco laser
03 Analisi grafica
La spaziatura dei filamenti è un fattore chiave nel determinare se la fonte di calore del laser e dell'arco sono accoppiati in modo ottimale. La spaziatura dei filamenti ha un effetto significativo sulla profondità di fusione, sulla modalità di transizione della goccia e sulla stabilità del processo di saldatura. I ricercatori hanno scoperto che quando la spaziatura dei filamenti è piccola, l'arco interferisce con la stabilità del buco della serratura e la stabilità della transizione delle gocce è fortemente influenzata dal laser. L'irradiazione del raggio laser sulle goccioline schizzate impedisce l'energia del raggio laser, determinando una profondità di saldatura ridotta, come mostrato in Fig. 2. Inoltre, l'aumento della spaziatura dei filamenti ha provocato un movimento irregolare del metallo fuso che ha portato al collasso del buco della serratura, come così come il metallo precedentemente solidificato che impedisce al metallo fuso centrale di riempire l'area della punta della saldatura, provocando infine un difetto di roditura.
Le posizioni relative delle sorgenti di calore laser e arco nella direzione di saldatura hanno un effetto cruciale sulla saldatura composita laser-arco. Alcuni ricercatori e studiosi ritengono che la modalità guidata dal laser sia superiore alla modalità guidata dall’arco. Ritengono che la modalità guidata dal laser si traduca in un processo di saldatura più stabile, in una migliore formazione della saldatura, in meno porosità e difetti dovuti a spruzzi, nonché in una migliore penetrazione e in saldature più resistenti. Tuttavia, altri ricercatori ritengono che la modalità guidata dall’arco sia superiore alla modalità guidata dal laser. Ritengono che, rispetto alla modalità guidata dal laser UHP, la modalità guidata dall'arco UHP crea caratteristiche dell'arco stabili e flusso del bagno di fusione, e l'angolo tra il raggio delle goccioline fuse e la superficie di saldatura crea una forza motrice maggiore, che promuove la separazione delle goccioline fuse e migliora la stabilità del processo di saldatura, con meno spruzzi di saldatura e una formatura della saldatura più stabile.
L'importanza del gas di protezione dovrebbe essere considerata sia per la saldatura laser singola che per la saldatura ad arco elettrico. Nella saldatura laser, il gas di protezione è un mezzo efficace per eliminare gli effetti di schermatura del plasma, migliorare la stabilità del processo di saldatura e realizzare saldature per fusione profonda. Nella saldatura ad arco, il gas di protezione è il fattore chiave per realizzare una combustione stabile dell'arco e determinare la distribuzione della colonna di calore dell'arco e la modalità di transizione della goccia fusa. I ricercatori ritengono che l'aggiunta del 30% di He migliora l'effetto composto di laser e arco e la modalità di transizione della goccia di fusione cambia da transizione del getto instabile a transizione del getto stabile e migliora il grado di corrispondenza della transizione del getto rotante e del ciclo dell'impulso dell'arco, con meno fluttuazione della forma d'onda dell'arco, migliore modellatura del cordone di saldatura e minori difetti di saldatura. Inoltre, i ricercatori ritengono che la percentuale del volume di He per migliorare la profondità della saldatura di fusione e inibire i difetti di porosità dovrebbe essere del 50%. La densità di potenza effettiva del laser aumenta con l'aumento della percentuale di volume di He, che contribuisce all'aumento della profondità di fusione della saldatura. I difetti di porosità della saldatura sono stati efficacemente soppressi perché la stabilità dei piccoli fori è stata migliorata utilizzando la miscela Ar-He.
Poiché l'aggiunta del laser alla saldatura ad arco provoca cambiamenti nella morfologia dell'arco e nella morfologia del bagno di fusione, portando a cambiamenti nella forza dell'arco, nel campo elettromagnetico e nella tensione superficiale del bagno di fusione, i cambiamenti in questi fattori porteranno direttamente a cambiamenti nelle caratteristiche di transizione di la gocciolina fusa. Combinando i vantaggi della fusione profonda della saldatura laser e le prestazioni di ponte della saldatura ad arco, molti ricercatori e studiosi hanno prestato attenzione al comportamento di transizione delle goccioline fuse nella saldatura composita ad arco laser. Ritengono che l'aggiunta del laser abbia effetti sia di promozione che di inibizione sulla transizione delle goccioline. Nelle modalità di transizione a cortocircuito e goccia, il laser favorisce la transizione a goccia, mentre il laser ostacola la transizione a goccia nella modalità di transizione a getto. L'entità e la direzione delle forze elettromagnetiche e del plasma che agiscono sulle goccioline sono fondamentali nell'influenzare il comportamento di transizione delle goccioline. L'entità e la direzione delle forze elettromagnetiche e del plasma vengono trasformate a causa del cambiamento della distribuzione della corrente nella gocciolina fusa, causato dal plasma indotto dal laser con basso potenziale di ionizzazione.

04 Conclusione e prospettive
La saldatura composita ad arco laser è un nuovo tipo di metodo di saldatura, che combina due fonti di calore con meccanismi di trasferimento di energia e proprietà fisiche completamente diversi e allo stesso tempo agisce nella posizione di lavorazione, nell'interazione tra diverse fonti di calore e nell'interazione tra la fonte di calore e il pezzo in lavorazione per generare calore sufficiente per completare il processo di saldatura. Come nuovo tipo di efficiente fonte di calore per saldatura può sfruttare appieno i rispettivi vantaggi delle due fonti di calore, ma anche compensarne i difetti. La saldatura ad arco con gas inerte/gas attivo (MIG/MAG) con elettrodo di fusione e laser è la modalità di saldatura composita più promettente, esiste un urgente bisogno di studiare ulteriormente il meccanismo fisico della fonte di calore composita. Nel frattempo, anche il comportamento di transizione della goccia di fusione è molto importante nel processo di saldatura dei compositi. Il comportamento di transizione delle goccioline può fornire informazioni precise per il processo di saldatura e determinare efficacemente la stabilità del processo di saldatura.
Con il continuo sviluppo delle macchine edili, anche lo spessore della lamiera aumenta. Per garantire la stabilità della saldatura di lamiere spesse, è essenziale la smussatura delle piastre spesse. A causa della complessità dello smusso della lamiera spessa, anche la stabilità dell'arco nel processo di saldatura viene in una certa misura influenzata, con conseguente generazione di difetti di saldatura. Allo stesso tempo, la generazione di difetti è strettamente correlata al comportamento di transizione della goccia di fusione. Nella saldatura composita con arco laser ad alta potenza, la generazione di difetti di saldatura è inevitabile. L'ottimizzazione e il progresso della tecnologia di simulazione numerica superano i limiti dell'analisi dei difetti e forniscono una solida base teorica per l'ulteriore sviluppo di processi innovativi. A causa dell'elevato numero di parametri di processo nella saldatura composita ad arco laser, la finestra dei parametri di processo viene costantemente ristretta per ottenere la migliore formazione della saldatura e la variazione dei parametri di processo ha anche un grande impatto sulle caratteristiche di transizione del fuso gocciolina. Pertanto, l'esplorazione continua dei parametri di processo è di grande importanza per la modalità di transizione della goccia di fusione della saldatura composita con arco laser.