Stabilitätsstudie des dynamischen Prozesses des Laser-Lichtbogen-Verbundschweißens basierend auf dem Übergangsverhalten des Schmelztröpfchens

Laser-Lichtbogen-Verbundschweißen
Professor Peilei Zhang von der School of Materials Science and Engineering der University of Shanghai for Engineering and Technology (USET) hat zusammen mit Wissenschaftlern der University of Warwick, der Shanghai Jiao Tong University und der Jiangsu University of Science and Technology (JUST) veröffentlicht ein Artikel mit dem Titel „Research Status of Stability in Dynamic Process of Laser-Arc Hybrid Welding“ in der Zeitschrift Coatings. Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen basierend auf dem Tröpfchenübertragungsverhalten: Ein Rückblick“.
01 Einführung
Beim Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen werden sowohl eine Laserwärmequelle als auch eine elektrische Lichtbogenwärmequelle im selben Bereich verwendet, und der synergistische Effekt der beiden Wärmequellen im selben Schmelzbad führt auch zu einer Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und der Schmelztiefe als Erhöhung der Lückenüberbrückungsfähigkeit und der Prozessstabilität. Dieser Artikel beschreibt den aktuellen Forschungsstand der Laser-Lichtbogen-Verbundschweißtechnik im Hinblick auf Tropfenübergangsverhalten, Tropfenübergangsmodus und Tropfenkraftanalyse. Durch die systematische Sortierung der Forschungsarbeiten und technischen Anwendungen werden das Arbeitsprinzip, die technischen Vorteile, die technischen Anwendungen und die schweißdynamischen Prozessstabilitätsstudien des Laser-Lichtbogen-Verbundschweißens systematisch beschrieben. Abschließend werden die Probleme der Zukunft der Laser-Lichtbogen-Hybridschweißtechnik zusammengefasst.
Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen
02 Übersicht
In diesem Artikel werden die grundlegenden Konzepte und Eigenschaften des Übergangsverhaltens von Schweißtröpfchen aus Laserlichtbogen-Verbundwerkstoffen untersucht, einschließlich des Tröpfchenübergangsmodus und der Tröpfchenkraftanalyse. Der Schwerpunkt liegt auf der gegenseitigen physikalischen Wechselwirkung zwischen Laser und Lichtbogen und der Auswirkung der kombinierten Laser-Lichtbogen-Wärmequelle auf die Schweißnahtstabilität. Das Übergangsverhalten des Schmelztropfens liefert Informationen über die Stabilität des Schweißprozesses, die Eigenschaften des Lichtbogenverhaltens, die Schmelzeffizienz, Prozesseigenschaften wie Schweißrauch und -spritzer sowie schweißmetallurgische Eigenschaften usw., die sich durch Intuitivität und Sichtbarkeit auszeichnen und zu einem werden unersetzliche Quelle und Möglichkeit der Informationsbeschaffung in der Schweißinformationstechnik. Beim Laser-Lichtbogen-Verbundschweißprozess hängen der Übergangsmodus, die Tröpfchengröße, die Übergangsfrequenz und die Stabilität der Metalltröpfchen zum Schmelzbad von den Eigenschaften des Schweißmaterials, den Schweißparametern, dem Schutzgas, der Laserenergie, dem Lichtdrahtabstand und anderen Faktoren ab Letztendlich unterliegt es einer Vielzahl von Kräften wie Schwerkraft, elektromagnetischer Kraft, Plasmaströmungskraft, Oberflächenspannung, Metalldampfkraft und anderen integrierten Rollen, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Verbundschweißtropfenkraftanalyse
Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen
03 Grafische Analyse
Der Filamentabstand ist ein entscheidender Faktor dafür, ob Laser und Lichtbogenwärmequelle optimal gekoppelt sind. Der Filamentabstand hat einen wesentlichen Einfluss auf die Einschmelztiefe, den Übergangsmodus des Tropfens und die Stabilität des Schweißprozesses. Forscher haben herausgefunden, dass bei kleinen Filamentabständen der Lichtbogen die Stabilität des Schlüssellochs beeinträchtigt und die Stabilität des Tropfenübergangs stark durch den Laser beeinflusst wird. Die Laserstrahlbestrahlung der verspritzten Tröpfchen behindert die Energie des Laserstrahls, was zu einer geringen Schweißtiefe führt, wie in Abb. 2 dargestellt. Darüber hinaus führte die Vergrößerung des Filamentabstands zu einer unregelmäßigen Bewegung des geschmolzenen Metalls, die zum Zusammenfallen des Schlüssellochs führte sowie zuvor erstarrtes Metall verhindern, dass das geschmolzene Metall in der Mitte den Schweißnahtbereich ausfüllt, was letztendlich zu einem Knabberfehler führt.
Die relativen Positionen der Laser- und Lichtbogenwärmequellen in Schweißrichtung haben einen entscheidenden Einfluss auf das Laser-Lichtbogen-Verbundschweißen. Einige Forscher und Wissenschaftler glauben, dass der lasergeführte Modus dem bogengeführten Modus überlegen ist. Sie glauben, dass der lasergeführte Modus zu einem stabileren Schweißprozess, einer besseren Schweißnahtbildung, weniger Porosität und Spritzfehlern sowie einer besseren Eindringung und stärkeren Schweißnähten führt. Andere Forscher glauben jedoch, dass der bogengeführte Modus dem lasergeführten Modus überlegen ist. Sie glauben, dass im Vergleich zum lasergeführten UHP-Modus der lichtbogengeführte UHP-Modus stabile Lichtbogeneigenschaften und einen stabilen Schmelzbadfluss erzeugt und der Winkel zwischen dem Radius der geschmolzenen Tröpfchen und der Schweißoberfläche eine größere Antriebskraft erzeugt, die das fördert Die Trennung der geschmolzenen Tröpfchen führt zu einer Verbesserung der Stabilität des Schweißprozesses mit weniger Schweißspritzern und einer stabileren Schweißnahtformung.
Die Bedeutung von Schutzgas sollte sowohl beim Einzellaserschweißen als auch beim Lichtbogenschweißen berücksichtigt werden. Beim Laserschweißen ist Schutzgas ein wirksames Mittel, um Plasmaabschirmungseffekte zu beseitigen, die Stabilität des Schweißprozesses zu verbessern und ein tiefes Schmelzschweißen zu realisieren. Beim Lichtbogenschweißen ist das Schutzgas der Schlüsselfaktor für eine stabile Verbrennung des Lichtbogens und bestimmt die Verteilung der Lichtbogenwärmesäule und den Übergangsmodus des geschmolzenen Tropfens. Forscher glauben, dass die Zugabe von 30 % He den Verbundeffekt von Laser und Lichtbogen verbessert und der Übergangsmodus des Schmelztropfens von einem instabilen Strahlübergang zu einem stabilen Strahlübergang wechselt und den Anpassungsgrad des rotierenden Strahlübergangs und des Lichtbogenimpulszyklus mit weniger verbessert Schwankung der Lichtbogenform, bessere Schweißnahtformung und weniger Schweißfehler. Darüber hinaus glauben Forscher, dass der He-Volumenanteil zur Verbesserung der Schweißnahttiefe und zur Verhinderung von Porositätsdefekten 50 % betragen sollte. Die effektive Laserleistungsdichte steigt mit zunehmendem He-Volumenanteil, was zur Erhöhung der Schweißnahttiefe beiträgt. Schweißporositätsdefekte wurden wirksam unterdrückt, da die Stabilität kleiner Löcher bei Verwendung einer Ar-He-Mischung verbessert wurde.
Da die Hinzufügung von Laser zum Lichtbogenschweißen Änderungen in der Lichtbogenmorphologie und der Schmelzbadmorphologie verursacht, was zu Änderungen der Lichtbogenkraft, des elektromagnetischen Feldes und der Oberflächenspannung des Schmelzbades führt, führen Änderungen dieser Faktoren direkt zu Änderungen der Übergangseigenschaften von der geschmolzene Tropfen. Durch die Kombination der Vorteile des Tiefschmelzens beim Laserschweißen und der Überbrückungsleistung des Lichtbogenschweißens haben viele Forscher und Wissenschaftler dem Übergangsverhalten geschmolzener Tröpfchen beim Laser-Lichtbogen-Verbundschweißen Aufmerksamkeit geschenkt. Sie glauben, dass die Zugabe von Laser sowohl fördernde als auch hemmende Wirkungen auf den Tröpfchenübergang hat. Im Kurzschluss- und Tropfenübergangsmodus fördert der Laser den Tropfenübergang, während der Laser im Strahlübergangsmodus den Tropfenübergang behindert. Die Größe und Richtung der auf die Tröpfchen wirkenden elektromagnetischen Kräfte und Plasmakräfte sind entscheidend für die Beeinflussung des Tröpfchenübergangsverhaltens. Die Größe und Richtung der elektromagnetischen Kräfte und der Plasmakräfte verändern sich aufgrund der Änderung der Stromverteilung im geschmolzenen Tropfen, die durch das laserinduzierte Plasma mit niedrigem Ionisierungspotential verursacht wird.

04 Fazit und Ausblick
Das Laser-Lichtbogen-Verbundschweißen ist ein neuartiges Schweißverfahren, das zwei Wärmequellen mit völlig unterschiedlichen Energieübertragungsmechanismen und physikalischen Eigenschaften kombiniert und gleichzeitig in der Verarbeitungsposition, der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Wärmequellen und der Wechselwirkung zwischen wirkt Die Wärmequelle und das Werkstück müssen genügend Wärme erzeugen, um den Schweißvorgang abzuschließen. Als neuartige effiziente Schweißwärmequelle kann sie die jeweiligen Vorteile der beiden Wärmequellen voll ausschöpfen, aber auch deren Nachteile ausgleichen. Das Laser- und Schmelzelektroden-Inertgas-/Aktivgas-Lichtbogenschweißen (MIG/MAG) ist die vielversprechendste Verbundschweißmethode. Es besteht dringender Bedarf, den physikalischen Mechanismus der Verbundwärmequelle weiter zu untersuchen. Mittlerweile ist auch das Übergangsverhalten des Schmelztropfens beim Verbundschweißen von großer Bedeutung. Das Tropfenübergangsverhalten kann genaue Informationen für den Schweißprozess liefern und effektiv die Stabilität des Schweißprozesses bestimmen.
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Baumaschinen nimmt auch die Blechdicke zu. Um die Stabilität beim Schweißen dicker Bleche zu gewährleisten, ist das Abschrägen dicker Bleche unerlässlich. Aufgrund der Komplexität der dicken Blechfase wird in gewissem Maße auch die Stabilität des Lichtbogens im Schweißprozess beeinträchtigt, was zur Entstehung von Schweißfehlern führt. Gleichzeitig hängt die Entstehung von Defekten eng mit dem Übergangsverhalten des Schmelztropfens zusammen. Beim Hochleistungs-Laserlichtbogen-Verbundschweißen ist die Entstehung von Schweißfehlern unvermeidlich. Die Optimierung und Weiterentwicklung der numerischen Simulationstechnik durchbricht die Grenzen der Fehleranalyse und liefert eine solide theoretische Grundlage für die Weiterentwicklung innovativer Prozesse. Aufgrund der Vielzahl an Prozessparametern beim Laser-Lichtbogen-Verbundschweißen wird das Prozessparameterfenster ständig verengt, um die beste Schweißnahtausbildung zu erzielen, und die Variation der Prozessparameter hat auch großen Einfluss auf die Übergangseigenschaften der Schmelze Tröpfchen. Daher ist die kontinuierliche Erforschung der Prozessparameter für den Schmelztropfenübergangsmodus beim Laser-Lichtbogen-Verbundschweißen von großer Bedeutung.