01 Bildiri Girişi
Halihazırda, lazer-arklı hibrit kaynakta tel aralığının, özellikle de kalın plaka oluşumundaki kararsızlığın daha fazla olduğu ve kaynak kusurlarının meydana gelme olasılığının daha yüksek olduğu kalın plaka kaynağında, kaynak hatalarına neden olmasının nedenleri üzerinde çok az ilgi bulunmaktadır. Kalın plaka hibrit kaynağında tel aralığının kusur oluşumu üzerindeki etkisini daha iyi anlamak için, bu çalışmada 12 mm kalınlığında AH36 deniz çeliği plakalarını kaynaklamak için yüksek-hızlı, yüksek-güçlü tel-lazer hibrit kaynak kullanıldı. Damlacık aktarımını ve erimiş havuz akışını gözlemlemek için yüksek- hızlı bir kamera kullanıldı ve erimiş havuzun spesifik akış davranışını incelemek için sayısal simülasyonlar kullanıldı. Bu, tel-lazer hibrit kaynağında tel aralığının kusur oluşumunu etkilediği mekanizmayı açıklığa kavuşturmaktadır.
02 Makaleye Genel Bakış:
Geniş çapta gelecek vaat eden bir birleştirme yöntemi olan Lazer-Ark Hibrit Kaynağı (LAHW), gemi inşasının kalın levha bağlantılarında büyük ilgi görmüştür. Lazer-ark hibrit kaynağında en kritik kaynak parametrelerinden biri olan lazer ışını ile ark arasındaki aralık, özellikle yüksek-güçlü lazer ve yüksek-hızlı kaynak koşullarında, lazer ile ark arasındaki birleştirme etkisini önemli ölçüde etkileyebilir. Bu nedenle kiriş aralığının kaynak üzerindeki etkisinin araştırılması, gelecekteki araştırmalar ve endüstriyel üretim için önemli teorik öneme sahiptir. Bu makale, ışın aralığının damlacık transferi ve erimiş havuz akışının stabilitesi üzerindeki etkisini analiz etmek için kaynak işleminin yüksek-hızlı fotoğrafını kullanır ve kaynak kusurlarının oluşum mekanizmasını incelemek için sayısal simülasyonu birleştirir. Sonuçlar, uygun bir kiriş aralığının, bariz kaynak kusurları olmaksızın iyi-şekilli kaynaklar elde edilebileceğini göstermektedir. Işın aralığı çok yakın olduğunda, lazer ile ark arasındaki aşırı birleştirme etkisi dengesiz damlacık transferine ve erimiş havuz akışına yol açarak sıçrama ve alttan kesme gibi kaynak kusurlarına yol açar. Kiriş aralığı çok geniş olduğunda iki ısı kaynağının birleştirme etkisi zayıflar, kaynak takviyesi azalır ve gözeneklilik kusurları meydana gelebilir.
03 Grafik Analizi:
Farklı lazer ışını aralıkları altındaki kaynak yüzeyi morfolojisi ve kesit-kesit morfolojisi görüntülerinden (Şekil 1), kaynak yüzeyi oluşumunun farklı lazer ışını aralıklarıyla önemli ölçüde değiştiği, farklı aralıklar altındaki kaynakların kesit-kesit morfolojisinin benzer olduğu ve tümü kadeh-şeklinde göründüğü görülebilir. Lazer ışını aralığı 4 mm olduğunda belirgin kaynak kusurları olmaz ve kaynak oluşumu optimal olur.
Şekil 2'den görülebileceği gibi fiber optikler arasındaki mesafe kademeli olarak 0 mm'den 8 mm'ye çıktıkça kısa-devre geçişlerinin sıklığı önce azalmakta sonra artmaktadır.
Şekil 3'ten görülebileceği gibi saf MAG kaynağı kullanıldığında jet geçiş modunda jet geçişinin yönü tel ucunun gecikmeli çizgisi boyuncadır. Hibrit kaynak için lazer eklendiğinde jet geçişinin sapma açısı önemli ölçüde değişir.
Şekil 5'teki istatistik grafiğinden kısa-devre geçişlerinin sıklığının önce azaldığı, sonra arttığı görülmektedir. Jet geçiş sapma açısının büyüklüğü, optik fiberler arasındaki mesafe 0 mm'den 4 mm'ye arttıkça kademeli olarak azalır. Fiber aralığı 6-8 mm'ye kadar daha da arttığında lazerin jet geçiş sapma açısı üzerindeki etkisi yavaş yavaş ortadan kalkar.
Şekil 6'da görülebileceği gibi, sıçrama kusurlarının bir kısmı kararsız kısa-devre geçişlerinden kaynaklanmaktadır. T+5.9 ms'de erimiş metal köprü, çok sayıda ince sıçrama oluşturan bir 'boyunlanma kopması' olgusuna maruz kalır.
Şekil 7'den görülebileceği gibi anahtar deliği içindeki metal buhar kuvvetlerinin etkisi ve damlacık geçişinin yarattığı darbe nedeniyle anahtar deliğinin arka konumunda kaynak havuzu yüzeyindeki erimiş metal çok hızlı akarak havuzdan ayrılarak sıçrama kusurları oluşturur.
Şekil 8'deki sayısal simülasyon sonuçlarından, lazer ve arkın birleşik etkileri altında, eriyik havuzunun merkezine yakın erimiş metalin sıcaklığının daha yüksek olduğu ve akış hızının daha hızlı olduğu görülebilir. Bu, erimiş metalin havuzun merkezine doğru birikmesine neden olur. Kaynak soğudukça her iki taraftaki erimiş metal Marangoni kuvvetinin etkisi altında orta bölgeye doğru hareket etmeye devam eder ve bu da kaynağın her iki tarafında alttan kesme kusurlarının oluşmasına neden olur.
Şekil 9'dan görülebileceği gibi, filamentler arasındaki mesafe çok büyük olduğunda ark ön ısıtma etkisi zayıflar, anahtar deliğinin alt kısmındaki lazer ısıtma etkisi azalır ve deliğin stabilitesi bozulur. Kaynağın tabanına yetersiz enerji aktarılması nedeniyle, anahtar deliğinin alt yarısı dengesiz hale gelir ve sürekli olarak açık kalamaz, bu da iç gaz kabarcıklarının kaçmasını zorlaştırır ve sonuçta gözeneklilik kusurlarına neden olur.
03 Özet ve Görünüm
Bu makale, kaynak oluşumunu, damlacık geçişini ve erimiş havuz akış davranışını incelemek için 12 mm kalınlığında AH36 çelik üzerinde yüksek-güçlü lazer-MAG hibrit kaynak kullanmaktadır. Ayrıca lazer tel aralığının kaynak işlemi üzerindeki etkisi ve kaynak hatası oluşum mekanizması tartışılmaktadır. Temel sonuçlar şunlardır:(1) Lazer gücü 9,5 kW, tel besleme hızı 10 m/dak, kaynak hızı 1,8 m/dak ve lazer tel aralığı 4 mm olduğunda, alttan kesme, sıçrama veya gözeneklilik gibi kusurlar olmadan 0,28 mm kaynak takviyesi ve 5,02 mm kaynak genişliği ile en iyi kaynak oluşumu elde edilir.(2) Lazer tel aralığı damlacık geçişinin biçimini önemli ölçüde etkiler (jet + kısa-devre geçişi). Lazer tel aralığı arttıkça, kısa-devre geçişinin frekansı önce azalır, sonra artar. Lazer tel aralığı 0, 2, 4, 6 ve 8 mm olduğunda, kısa devre geçişinin frekansı sırasıyla 161 Hz, 124 Hz, 95 Hz, 116 Hz ve 138 Hz'dir. Jet geçişinin sapma açısı tel aralığının artmasıyla azalır. Tel aralığı 6 mm'den büyük olduğunda, tek MAG kaynağıyla tutarlı olarak sapma açısı artık tel aralığından etkilenmez.(3) Sıçrama esas olarak lazer anahtar deliğinin üzerinde ve erimiş havuzun arka tarafında oluşur. Kısa devre damlacık geçişi, sıvı metal köprüsünün boyun eğmesine ve kopmasına neden olarak çok sayıda küçük metal damlacığı oluşturur; bunlar, anahtar deliğinden püskürtülen metal buharından daha fazla etkilenerek sıçramaya neden olur. Ek olarak erimiş havuz, buhar bulutundan ve damlacık geçişinin darbe kuvvetinden etkilenerek arka tarafta erimiş metalin akış hızında bir artışa neden olur. Erimiş metal 0,3 m/s hızla çapraz olarak yukarı doğru aktığında, erimiş metalin bir kısmı havuzdan ayrılarak sıçrama oluşturur.(4) Alttan kesme kusurlarının oluşumu, erimiş havuz akışıyla yakından ilişkilidir. Gazın üflendiği alandaki ve anahtar deliğinin etrafındaki erimiş metal sürekli olarak geriye doğru akarak havuzun arka tarafının yükselmesine neden olur. Kaynak alanı, Marangoni kuvveti altında kademeli olarak katılaştıkça, kaynağın nispeten soğuk taraflarındaki erimiş metal, sıcak merkeze doğru akar, kaynak ucunda yetersiz erimiş metal bırakır ve alttan kesme kusurlarına neden olur.(5) Lazer tel aralığı çok büyük olduğunda, kaynağın içinde gözeneklilik oluşması muhtemeldir. Lazer ve ark arasındaki birleştirme etkisi önemli ölçüde zayıflayarak lazer ve ark erimiş havuzlarının neredeyse ayrılmasına neden olur ve kaynağın tabanına iletilen enerji azalır. Bu, anahtar deliğinin alt kısmındaki stabiliteyi azaltır, kabarcıkların erimiş havuzdan kaçmasını zorlaştırır ve sonuçta kaynak soğuyup katılaştıkça gözeneklilik kusurları oluşur.
