01 Pendahuluan
Dalam pembuatan komponen besar seperti-kereta berkecepatan tinggi, pembuatan kapal, dan peralatan energi, pengelasan pelat tebal adalah salah satu proses utamanya. Namun, karena keterbatasan akurasi pemesinan, kesalahan perakitan, dan deformasi termal selama proses pengelasan, celah las sering berubah. Ketika celah antar pelat kecil, penetrasi yang tidak sempurna atau riak akar mungkin akan terjadi, sedangkan celah yang besar cenderung mengakibatkan keruntuhan las. Penelitian saat ini sebagian besar didasarkan pada kondisi kesenjangan yang konstan, dan studi tentang pengelasan dengan kesenjangan variabel relatif kurang. Khususnya, dalam pengelasan laser-arc hybrid, mencapai penekanan riak pada celah kecil dan kemampuan menjembatani yang baik pada celah besar masih menjadi tantangan dalam aplikasi teknik. Studi ini berfokus pada baja pelapukan setebal 12 mm-, yang bertujuan untuk memperjelas pembentukan las dan mekanisme penekanan cacat selama pengelasan hibrid laser-busur berosilasi dalam kondisi celah yang bervariasi, memberikan dukungan teoritis dan proses untuk pengelasan pelat tebal dengan celah yang bervariasi, dan mempromosikan penerapan industri lebih lanjut dan adopsi teknologi pengelasan hibrid laser-busur berosilasi.
02 Ikhtisar Teks Lengkap
Studi ini membahas tantangan punuk akar dan kemampuan menjembatani yang tidak memadai dalam pengelasan hibrida-celah laser-arc pelat baja tebal dan secara sistematis menyelidiki mekanisme yang mempengaruhi laser berosilasi pada proses pengelasan. Bahan dasar percobaan adalah baja tahan cuaca S355J2W setebal 12 mm. Sistem pengelasan hibrid dibuat menggunakan laser serat TruDisk-10002 (daya maksimum 10 kW, panjang gelombang 1070 nm) yang dikombinasikan dengan peralatan las busur, dengan celah perakitan yang bervariasi secara terus-menerus (0 - 3 mm) yang dipasang di sepanjang seluruh lapisan las untuk menyimulasikan kondisi celah-variabel yang biasa ditemui dalam produksi sebenarnya. Selama penelitian, daya laser (6,5 kW), kecepatan pengelasan (16 mm/s), dan kecepatan pengumpanan kawat (10 m/mnt) dijaga konstan, dengan parameter osilasi laser (amplitudo, frekuensi) sebagai variabel inti yang dikontrol dalam percobaan. Fotografi berkecepatan tinggi digunakan untuk merekam secara sinkron perilaku kolam cair dan morfologi busur di sisi depan dan belakang las. Selain itu, kotak peralatan PIVlab di MATLAB digunakan untuk melakukan analisis korelasi silang pada citra kolam cair berkecepatan tinggi, yang secara kuantitatif mengekstraksi medan kecepatan logam cair dan medan vortisitas selama pembentukan punuk. Metode ini mengubah data visualisasi aliran menjadi parameter fisik yang dapat diukur (kecepatan, vortisitas), memberikan dukungan data yang solid untuk mengungkap mekanisme pembentukan punuk. Mengenai analisis morfologi busur, para peneliti secara tepat menilai pengaruh laser berosilasi terhadap perilaku busur dengan menghitung standar deviasi sudut defleksi busur. Pada akhirnya, dengan parameter osilasi dengan amplitudo 1,5 mm dan frekuensi 200 Hz, pembentukan las yang baik tanpa punuk atau keruntuhan dapat dicapai pada rentang celah variabel 0-2,5 mm. Analisis komprehensif menunjukkan bahwa penutupan lubang kunci menyebabkan pembentukan punuk akar, sedangkan laser yang berosilasi secara efektif menekan pembentukan punuk dengan menstabilkan lubang kunci, meningkatkan fluiditas kumpulan lelehan, dan meningkatkan tegangan permukaan di bagian ekor kumpulan lelehan.
Gambar 03 mengilustrasikan perbandingan langsung dampak yang menentukan dari parameter osilasi yang berbeda pada pembentukan las celah -variabel. Tanpa osilasi laser, punuk akar terjadi pada celah kecil (1 mm), dan seiring bertambahnya celah, keruntuhan permukaan muncul, yang menunjukkan kemampuan adaptasi celah yang buruk. Mengubah parameter osilasi laser akan meningkatkan-formasi sisi depan, namun bagian belakang masih memiliki punuk atau lasan menjadi lebih sempit. Parameter terakhir adalah amplitudo 1,5 mm dan frekuensi 200 Hz. Dalam seluruh rentang celah-variabel, pengelasan yang sangat baik tanpa punuk atau keruntuhan dicapai di kedua sisi, yang menunjukkan peran penting dalam mengoptimalkan parameter osilasi.
Gambar 1. Formasi las pada parameter pengelasan yang berbeda. Lebar las bervariasi dari 0 mm hingga 3 mm sepanjang arah pengelasan: (a) Tidak ada osilasi; (b) Amplitudo osilasi 1 mm, frekuensi 100 Hz; (c) Amplitudo osilasi 1,5 mm, frekuensi 100 Hz; (d) Amplitudo osilasi 1,5 mm, frekuensi 200 Hz.
Gambar 2 menunjukkan bahwa dalam satu siklus, tanpa osilasi, busur menyimpang secara tidak beraturan ke kiri dan ke kanan, sedangkan dengan laser berosilasi, busur tetap terpusat secara stabil, dengan bentuk penuh dan stabil, tidak menunjukkan defleksi lateral yang signifikan. Hal ini menunjukkan bahwa dalam kondisi tanpa laser berosilasi, celah besar itu sendiri merupakan penyebab mendasar ketidakstabilan bentuk busur. Busur cenderung mencari jalur konduktif terdekat (yaitu dinding samping alur), sehingga menghasilkan pemanasan yang tidak merata. Pengenalan laser berosilasi, terlepas dari apakah parameternya optimal, dapat sangat menekan defleksi lateral busur dan menjaganya tetap stabil di tengah las.
Gambar 2. Morfologi las pada kecepatan pengelasan berbeda: (a) 1,5 m/mnt (b) 1,8 m/mnt (c) 2,1 m/mnt.
Gambar 3 mengukur tingkat defleksi busur. Tanpa osilasi laser, deviasi standar sudut defleksi adalah 23,6 derajat, yang menunjukkan fluktuasi busur yang parah; setelah menggunakan laser berosilasi, deviasi standar turun menjadi 3,5 derajat, dengan stabilitas meningkat sebesar 85,2%. Hal ini memberikan bukti data bahwa 'laser berosilasi dapat menstabilkan busur secara signifikan.'
Gambar 3. Pengukuran sudut defleksi busur sebanyak enam kali pada celah 2,5 mm: (a) Diagram skema sudut defleksi busur; (b) Derajat defleksi busur pada parameter yang berbeda. Perbedaan antara 1 dan 2 menunjukkan derajat defleksi busur.
Gambar 4 menggambarkan bahwa pada saat proses pengelasan, logam cair mengalir menuju lubang kunci dalam bentuk gelombang sehingga menyebabkan lubang kunci berfluktuasi hebat dan roboh. Osilasi laser dapat meningkatkan konveksi termal di kolam cair, membentuk pusaran di dekat lubang kunci. Logam cair mengalir dari sekitar lubang kunci ke ekornya, meredam dampak tetesan dan menjaga lubang kunci tetap terbuka. Hal ini menunjukkan bahwa laser berosilasi dapat menstabilkan proses pengelasan dengan mengubah bidang aliran kolam cair.
Gambar 4. Aliran kumpulan lelehan dari waktu T0 hingga T0 + 2.7 ms dalam kondisi celah nol: (a) Tidak ada osilasi laser; (b) Amplitudo 1 mm, frekuensi 100 Hz; (c) Amplitudo 1,5 mm, frekuensi 200 Hz. Panah kuning dan hijau masing-masing menunjukkan pusaran yang dihasilkan oleh laser berosilasi dan arah aliran logam cair; garis putih dan oranye masing-masing menunjukkan lubang kunci dan tetesan cair.
Gambar 5 mengilustrasikan perilaku dinamis logam cair di kolam las di bawah parameter osilasi yang tidak dioptimalkan (amplitudo 1 mm, frekuensi 100 Hz) saat punuk akar terbentuk, sehingga memajukan studi cacat pengelasan dari pengamatan morfologi makroskopis ke tingkat analisis dinamika fluida kuantitatif yang baru. Distribusi vektor kecepatan menunjukkan arah dan besarnya aliran logam cair di dalam kolam las, sedangkan bidang kecepatan secara lebih intuitif menampilkan distribusi spasial kecepatan aliran. Pada saat yang sama, nilai vortisitas yang tinggi terdapat di daerah pembentukan punuk, yang menunjukkan aliran rotasi atau geser yang kuat dari cairan di sana. Pola aliran rotasi ini mendorong akumulasi dan pertumbuhan logam cair yang tidak stabil, yang merupakan karakteristik medan aliran khas pembentukan punuk.
Gambar 5. Hasil velocimetri citra partikel pada momen yang berbeda selama pembentukan punuk akar: (a) distribusi vektor kecepatan; (b) distribusi medan kecepatan; (c) distribusi medan vortisitas. Garis putus-putus berwarna kuning dan putih menunjukkan kontur punuk.
04 Ringkasan: Studi ini mengatasi tantangan industri mengenai akar punuk dan kurangnya kemampuan-menjembatani kesenjangan dalam pengelasan hibrida busur-celah laser-pelat tebal. Melalui eksperimen sistematis yang dikombinasikan dengan teknik diagnostik canggih seperti-pencitraan berkecepatan tinggi dan velocimetri gambar partikel, mekanisme penekanan cacat pada laser berosilasi terungkap. Hasilnya menunjukkan bahwa dengan parameter osilasi yang dioptimalkan, laser, dengan memperbesar dan menstabilkan lubang kunci, secara signifikan meningkatkan saluran konduktif busur, mengurangi derajat defleksi busur sebesar 85,2%, sehingga menstabilkan perilaku busur. Pada saat yang sama, laser yang berosilasi mengubah bidang aliran kumpulan lelehan, membentuk pusaran yang stabil dan menjaga keterbukaan lubang kunci, yang pada akhirnya menghasilkan las berkualitas tinggi yang bebas dari punuk dan keruntuhan dalam rentang celah variabel 0-2,5 mm. Studi ini tidak hanya memperdalam pemahaman teoretis tentang mekanisme pembentukan dan penekanan cacat pengelasan dari perspektif dinamika fluida, namun juga memberikan skema proses yang andal dan dasar teoretis untuk menyelesaikan tantangan pengelasan celah variabel dalam manufaktur komponen besar, yang merupakan nilai signifikan untuk mempromosikan penerapan teknologi pengelasan hibrida busur laser dalam proyek teknik besar.
