Beobachtung des gepulsten Schweißens aus Aluminium legierung mit einer Hoch geschwindigkeit kamera

Während des gepulsten Schweißens aus Aluminium legierung die transiente Dynamik des „ vollen Lebenszyklus “einer geschmolzenen Tröpfchen keimbildung → Auseinander brechen (Spaltung) → Ablösung/Fall-werden mit der Hoch geschwindigkeit kamera Revealer S1315M erfasst. Die auf gezeichnete Entwicklung im Mikros kunden maßstab liefert direkte visuelle Beweise für das Verständnis des Tröpfchen übertragungs verhaltens und der Schweiß stabilität.

1. Hintergrund

Aluminium legierungen werden aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit, hohen Wärme leitfähig keit und Korrosions beständigkeit häufig in der Luft-und Raumfahrt, im Schienen verkehr und in Fahrzeugen mit neuer Energie eingesetzt. Beim gepulsten Schweißen von Aluminium legierungen bestimmen die Tröpfchen übertragungs frequenz und die Stabilität des geschmolzenen Pools weitgehend die Qualität der Perlen bildung.

Bei der herkömmlichen Schweiß beobachtung verdeckt intensive Strahlung aus dem Plasma/Lichtbogen (Lichtbogen licht) leicht wichtige Details des geschmolzenen Pools und der Tröpfchen übertragung. Um dies zu überwinden, übernahm ein Schweiß labor eine aktive gepulste Laser beleuchtung in Kombination mit einer Hoch geschwindigkeit bildgebung. Mit der schmal bandi gen optischen Filterung wird die Plasma-/Lichtbogen interferenz effektiv unterdrückt, was die Untersuchung der Tröpfchen transfer kinetik und der zugrunde liegenden Evolutions mechanismen ermöglicht.

2. Experiment übersicht

2.1 System konfiguration

Das Experiment verwendet ein Impuls-Laser-Synchron isations steuerungs schema für Hoch geschwindigkeit kameras. Ziel ist es, starke Blendung des Lichtbogens/Plasmas zu unterdrücken und die Sichtbarkeit von Details zum Tröpfchen transfer zu verbessern.

• Hoch geschwindigkeit kamera: Revealer S1315M, entwickelt von Agile Device, mit Schlüssels pezifi kationen von 1280 × 1024 @ 15.000 fps. Ein Filters atz wird verwendet, um die Lichtbogens trahlung (Lichtbogen licht) zu dämpfen.

• Beleuchtung: Ein gepulster Laser wird als Hilfs lichtquelle verwendet. Ein Strahl expander wird angewendet, um den Strahl divergenz winkel zu verringern und die Beleuchtungs leistungs dichte auf dem Ziel zu erhöhen.

• Synchron isations controller: Gewähr leistet eine strenge Synchron isation auf Mikros kunden ebene zwischen Laserpulsen und Kamera belichtung.

2.2 Prüf parameter

• Bildrate: 5.000 fps, Auflösen des Lebenszyklus der Tröpfchen übertragung bei einer Zeitskala von 200 μs.

• Rahmen und Dauer: Kontinuierliche Erfassung von 518 Frames, insgesamt ca. 0,1 s.

3. Ergebnisse

3.1 Gesamt beobachtungen

Bei 5.000 fps zerlegt der Revealer S1315M die Tröpfchen übertragung in eine zeit aufgelöste Bilds equenz von 200 μs. Die Aufzeichnung deckt neun vollständige Tröpfchen übertragungs zyklen ab und erfasst eindeutig vorübergehende Ereignisse, einschl ießlich Hals bruch, primärer/sekundärer Tröpfchen spaltung und Tröpfchen eintritt in den geschmolzenen Pool.

3.2 Ein repräsent atives Einzel ablösung ereignis (Bild-Sequenz-Interpretation)

Basierend auf einer typischen Tröpfchen übertragungs sequenz, die von der Hoch geschwindigkeit kamera erfasst wird, wird ein repräsent ativer Zyklus wie folgt interpret iert:

Ich. Tröpfchen keimung und Dehnung (2400 μs-8000 μs)

Unter dem thermischen Effekt des gepulsten Stroms beginnt die Drahts pitze zu schmelzen und ein anfängliches Tröpfchen keim (Abb. 1). Angetrieben von der Schwerkraft und der elektro magnetischen Quetsch kraft verlängert sich das Tröpfchen kontinuierlich entlang der axialen Richtung und bildet eine vorläufige längliche Form (Abb. 2). Durch die Untersuchung, ob das längliche Tröpfchen in den aufgenommenen Bildern achsen symmetrisch bleibt, kann die Stabilität des Grundlinie wärme eintrags und die Wahrscheinlichkeit einer stabilen nachfolgenden Übertragung beurteilt werden.

II. Necking und kritische Instabilität (8000 μs-10400 μs)

Bei 8000 μs, wenn die Tröpfchen masse weiter zunimmt, verschiebt sich der Massen schwerpunkt des Tröpfchens nach unten, was die Zugspannung des Verbindungs halses erhöht. Das Tröpfchen zeigt einen ausgeprägten hantel förmigen Hals (Abb. 3). Wenn der Hals radius abnimmt, steigt die lokale Stromdichte weiter an; Die nach innen radiale elektro magnetische Kraft erzeugt einen Quetsch effekt in der Nähe der Tröpfchen wurzel, wodurch der Hals in eine Flüssigkeits brücke beschleunigt wird (Abb. 4).

Die Bildung und Lebensdauer der von der Hoch geschwindigkeit kamera beobachteten Flüssigkeits brücke sind Schlüssel indikatoren für die Tröpfchen transfer qualität. Ein gleichmäßige res und symmetrisches Einschließen führt tendenziell zu einem saubereren Bruch mit weniger Satelliten tröpfchen. Umgekehrt erzeugt das exzentrische Einschnüren leichter Sekundär tröpfchen und kann eine fächerförmige seitliche Streuung induzieren.

III. Fraktur und Spaltung (10400 μs-17200 μs)

Bei 10.600 μs bricht die Flüssigkeits brücke, nachdem der Hals einen kritischen Radius erreicht hat, unter den kombinierten Auswirkungen von Oberflächen spannung und elektro magnetischer Quetschung (Abb. 5). Zum Zeitpunkt des Aufbrechens ziehen sich beide Enden der Flüssigkeits brücke schnell zurück, setzen Oberflächen energie frei und lösen eine energetische Instabilität aus. Dies erzeugt eine Spalt struktur, die aus einem sekundären Primär tröpfchen besteht. Das primäre Tröpfchen mit größerer Masse fällt unter Schwerkraft vertikal in den geschmolzenen Pool. während sekundäre Tröpfchen durch laterale Plasma-/Lichtbogen kräfte beim Aufbrechen beeinflusst werden und sich entlang einer fächerförmigen Flugbahn nach außen verteilen (Abb. 6).

IV. Periodische Wiederholung des Droplet-Transfer-Zyklus (17200 μs- )

In der nachfolgenden Sequenz wiederholt sich das Prozess-Tröpfchen wachstum → Hals → Flüssigkeits brücken bruch → Bewegung von primären/sekundären Tröpfchen in den Pool-periodisch. Die Wiederholbar keit dieser Zyklen hängt eng mit der Gleichmäßigkeit der Schweißnaht zusammen: Wenn die Tröpfchen größe, die Trennungs stelle und der Eintritts winkel über die Zyklen hinweg konstant bleiben, es zeigt einen stabilen Wärmeeintrag an und ergibt typischer weise eine konstante Perlen breite und Eindringt iefe. Wenn Schwankungen auftreten (z. B. Variation der Tröpfchen größe, frühes/spätes Auseinander brechen, erhöhte Anzahl von Sekundär tröpfchen), werden Risiken wie Wulst welligkeit und erhöhte Spritzer wahr schein licher.

4. Schluss folgerungen

Ich. Mit der von Agile Device bereit gestellten Revealer-Hoch geschwindigkeit kamera zusammen mit einem gepulsten Laser-Beleuchtungs system wurde die Entwicklung des Tröpfchen transfers im Mikros kunden maßstab beim gepulsten Schweißen aus Aluminium legierung erfasst.

II. Die Ergebnisse zeigen, dass der Übergang vom hantel förmigen Hals zur Spaltung in primäre und sekundäre Tröpfchen durch einen multi physikalischen Wettbewerb und die Kopplung zwischen elektro magnetischer Quetsch kraft, Oberflächen spannung, Plasmas chere und Schwerkraft bestimmt wird.

III. Aus prozess technischer Sicht können die Axisymmetrie während des Halses und der seitliche Impuls von Sekundär tröpfchen beim Aufbrechen als praktische Indikatoren für die Stabilität des gepulsten Schweißens und die Neigung zu Spritzern verwendet werden. Die Beobachtung von Hoch geschwindigkeit kameras liefert visuelle Beweise für die Optimierung der Puls wellenform, die Unterdrückung von Spritzern und die verbesserte Konsistenz der Schweißnaht.