01 Introduction
Dans la fabrication de gros composants tels que les trains à grande vitesse-, la construction navale et les équipements énergétiques, le soudage de plaques épaisses est l'un des processus clés. Cependant, en raison des limites de précision de l'usinage, des erreurs d'assemblage et de la déformation thermique pendant le processus de soudage, l'espace de soudure change souvent. Lorsque l'espace entre les plaques est petit, une pénétration incomplète ou des ondulations de racine sont susceptibles de se produire, tandis que des espaces importants ont tendance à entraîner un effondrement de la soudure. Les recherches actuelles sont principalement basées sur des conditions d'écartement constant, et les études sur le soudage avec des écarts variables sont relativement peu nombreuses. En particulier, dans le soudage hybride laser-arc, parvenir à la fois à la suppression des ondulations sous de petits espaces et à une bonne capacité de pontage sous de grands espaces reste un défi dans les applications d'ingénierie. Cette étude se concentre sur l'acier patinable de 12 mm-d'épaisseur, visant à clarifier les mécanismes de formation de soudure et de suppression des défauts lors du soudage hybride laser-arc oscillant dans des conditions d'écart variable, en fournissant un support théorique et procédural pour le soudage de plaques épaisses avec des écarts variables, et en promouvant l'application industrielle et l'adoption ultérieure de la technologie de soudage hybride laser-arc oscillant.
02 Aperçu du texte intégral
Cette étude aborde les défis liés aux bosses de racines et à la capacité de pontage insuffisante dans le soudage hybride à arc -laser à écart variable-de plaques d'acier épaisses et étudie systématiquement le mécanisme par lequel les lasers oscillants affectent le processus de soudage. Le matériau de base expérimental était de l’acier patinable S355J2W de 12 mm d’épaisseur. Un système de soudage hybride a été construit à l'aide d'un laser à fibre TruDisk-10002 (puissance maximale 10 kW, longueur d'onde 1070 nm) en combinaison avec un équipement de soudage à l'arc, avec un espace d'assemblage variable en continu (0 - 3 mm) défini le long du cordon de soudure pour simuler les conditions d'espace variable-communément rencontrées dans la production réelle. Au cours de l'étude, la puissance du laser (6,5 kW), la vitesse de soudage (16 mm/s) et la vitesse d'alimentation du fil (10 m/min) ont été maintenues constantes, les paramètres d'oscillation du laser (amplitude, fréquence) étant les principales variables contrôlées dans les expériences. La photographie à grande vitesse-a été utilisée pour enregistrer de manière synchrone le comportement du bain de fusion et la morphologie de l'arc sur les faces avant et arrière de la soudure. De plus, la boîte à outils PIVlab de MATLAB a été utilisée pour effectuer une analyse de corrélation croisée sur l'imagerie à grande vitesse du bassin en fusion, en extrayant quantitativement le champ de vitesse du métal liquide et le champ de tourbillon pendant la formation des bosses. Cette méthode convertit les données de visualisation du flux en paramètres physiques quantifiables (vitesse, tourbillon), fournissant ainsi un support de données solide pour révéler le mécanisme de formation de la bosse. Concernant l’analyse de la morphologie de l’arc, les chercheurs ont évalué précisément l’effet du laser oscillant sur le comportement de l’arc en calculant l’écart type de l’angle de déflexion de l’arc. En fin de compte, sous des paramètres d'oscillation d'une amplitude de 1,5 mm et d'une fréquence de 200 Hz, une bonne formation de soudure sans bosses ni effondrement a été obtenue sur une plage d'intervalle variable de 0 à 2,5 mm. Une analyse complète a indiqué que la fermeture du trou de serrure entraîne la formation d'une bosse racinaire, tandis que le laser oscillant supprime efficacement la formation de bosse en stabilisant le trou de serrure, améliorant la fluidité du bain de fusion et augmentant la tension superficielle à la queue du bain de fusion.
La figure 03 illustre une comparaison directe de l'impact décisif de différents paramètres d'oscillation sur la formation de soudures à écart variable -. Sans oscillation laser, une bosse racinaire se produit au niveau d'un petit espace (1 mm) et, à mesure que l'espace augmente, un effondrement de la surface apparaît, indiquant une mauvaise adaptabilité de l'espace. La modification des paramètres d'oscillation du laser améliore la formation du côté avant-, mais le côté arrière présente toujours des bosses ou la soudure devient plus étroite. Les paramètres finaux sont une amplitude de 1,5 mm et une fréquence de 200 Hz. Dans toute la plage d'écart variable-, d'excellentes soudures sans bosses ni effondrements sont obtenues des deux côtés, démontrant le rôle clé de l'optimisation des paramètres d'oscillation.
Figure 1. Formation de soudure sous différents paramètres de soudage. La largeur de soudure varie de 0 mm à 3 mm dans le sens du soudage : (a) Aucune oscillation ; (b) Amplitude d'oscillation 1 mm, fréquence 100 Hz ; (c) Amplitude d'oscillation 1,5 mm, fréquence 100 Hz ; (d) Amplitude d'oscillation 1,5 mm, fréquence 200 Hz.
La figure 2 montre qu'au cours d'un cycle, sans oscillation, l'arc se dévie irrégulièrement vers la gauche et la droite, alors qu'avec un laser oscillant, l'arc reste centré de manière stable, avec une forme pleine et stable, ne montrant aucune déviation latérale significative. Cela démontre que dans des conditions sans laser oscillant, le grand espace lui-même est la cause fondamentale de l’instabilité de la forme de l’arc. L'arc a tendance à rechercher le chemin conducteur le plus proche (c'est-à-dire la paroi latérale de la rainure), ce qui entraîne un chauffage inégal. L'introduction d'un laser oscillant, que les paramètres soient optimaux ou non, peut supprimer considérablement la déviation latérale de l'arc et le maintenir stable au centre de la soudure.
Figure 2. Morphologie de la soudure à différentes vitesses de soudage : (a) 1,5 m/min (b) 1,8 m/min (c) 2,1 m/min.
La figure 3 quantifie le degré de déviation de l'arc. Sans oscillation laser, l'écart type de l'angle de déviation est de 23,6 degrés, ce qui indique une fluctuation importante de l'arc ; après avoir utilisé un laser oscillant, l'écart type tombe à 3,5 degrés, avec une stabilité améliorée de 85,2 %. Cela fournit la preuve que « le laser oscillant peut stabiliser l'arc de manière significative ».
Figure 3. Mesure des angles de déviation de l'arc six fois sous un espace de 2,5 mm : (a) Diagramme schématique des angles de déviation de l'arc ; (b) Degré de déviation de l'arc sous différents paramètres. La différence entre 1 et 2 représente le degré de déflexion de l'arc.
La figure 4 illustre que pendant le processus de soudage, le métal en fusion s'écoule vers le trou de serrure sous forme de vagues, provoquant une fluctuation violente et un effondrement du trou de serrure. L'oscillation laser peut améliorer la convection thermique dans le bain de fusion, formant des vortex près du trou de serrure. Le métal en fusion s'écoule autour du trou de serrure jusqu'à sa queue, amortissant l'impact des gouttelettes et gardant le trou de serrure ouvert de manière stable. Cela indique que les lasers oscillants peuvent stabiliser le processus de soudage en modifiant le champ d'écoulement du bain de fusion.
Figure 4. Flux de fusion du temps T0 à T0 + 2.7 ms dans des conditions d'intervalle nul : (a) Aucune oscillation laser ; (b) Amplitude 1 mm, fréquence 100 Hz ; (c) Amplitude 1,5 mm, fréquence 200 Hz. Les flèches jaunes et vertes indiquent respectivement les tourbillons générés par le laser oscillant et la direction d'écoulement du métal en fusion ; les lignes blanches et orange indiquent respectivement le trou de serrure et les gouttelettes fondues.
La figure 5 illustre le comportement dynamique du métal en fusion dans le bain de fusion sous des paramètres d'oscillation non -optimisés (amplitude 1 mm, fréquence 100 Hz) lors de la formation de la bosse racinaire, faisant ainsi progresser l'étude des défauts de soudage de l'observation morphologique macroscopique à un nouveau niveau d'analyse quantitative de la dynamique des fluides. La distribution du vecteur vitesse montre la direction et l'ampleur du flux de métal en fusion dans le bain de fusion, tandis que le champ de vitesse affiche de manière plus intuitive la distribution spatiale de la vitesse d'écoulement. Dans le même temps, des valeurs de tourbillon élevées existent dans la région de formation de la bosse, indiquant un fort écoulement de rotation ou de cisaillement du liquide à cet endroit. Ce modèle d'écoulement rotationnel favorise l'accumulation et la croissance instable du métal en fusion, ce qui constitue un champ d'écoulement typique de la formation de bosses.
Figure 5. Résultats de vélocimétrie par image de particules à différents moments de la formation de la bosse racinaire : (a) distribution du vecteur vitesse ; (b) distribution du champ de vitesse ; (c) répartition du champ de tourbillon. Des lignes pointillées jaunes et blanches indiquent le contour de la bosse.
04 Résumé : Cette étude aborde les défis de l'industrie liés aux bosses de racine et à la capacité insuffisante de pontage des écarts-dans le soudage hybride à l'arc hybride à plaques épaisses à écart variable-laser-. Grâce à des expériences systématiques combinées à des techniques de diagnostic avancées telles que l'imagerie à grande vitesse et la vélocimétrie par image de particules, le mécanisme de suppression des défauts du laser oscillant a été révélé. Les résultats indiquent que sous des paramètres d'oscillation optimisés, le laser, en agrandissant et en stabilisant le trou de serrure, améliore considérablement le canal conducteur de l'arc, réduisant le degré de déviation de l'arc de 85,2 %, stabilisant ainsi le comportement de l'arc. Dans le même temps, le laser oscillant modifie le champ d'écoulement du bain de fusion, formant un vortex stable et maintenant l'ouverture du trou de serrure, permettant ainsi d'obtenir des soudures de haute -qualité sans bosses et sans effondrement dans une plage d'écart variable de 0-2,5 mm. Cette étude approfondit non seulement la compréhension théorique des mécanismes de formation et de suppression des défauts de soudage du point de vue de la dynamique des fluides, mais fournit également un schéma de processus fiable et une base théorique pour résoudre les défis du soudage à écart variable dans la fabrication de gros composants, ce qui est d'une valeur significative pour promouvoir l'application de la technologie de soudage hybride laser-arc dans les grands projets d'ingénierie.
