01
Въведение
Използвайки предимства като концентрирана енергия, висока прецизност и минимална деформация, технологията за лазерно заваряване се очертава като основен процес в съвременното прецизно производство. Характеристиките му на бързо топене и втвърдяване обаче представляват значителни предизвикателства при обработката на силно отразяващи материали (като мед и алуминий)-по-специално, нестабилно поглъщане на енергия и чувствителност към порьозност и горещо напукване. Тези проблеми са особено остри при заваряване на различни материали, където образуването на крехки интерметални съединения може сериозно да компрометира работата на съединението. Тези тесни места ограничиха по-нататъшното приложение на лазерното заваряване в сектори от висок клас, като батерии и космонавтика. През последните години технологията за ултразвукова вибрация все повече се въвежда в областта на обработката на материали, за да се подобрят традиционните техники и да се даде възможност за безпрецедентна гъвкавост на производството. Отвъд своите установени приложения в почистването, сонохимията, обработката на метали и пулверизирането, ултразвуковата технология сега постепенно се превръща в критичен спомагателен инструмент за подобряване в рамките на усъвършенствани производствени платформи-включително прецизна машинна обработка, усъвършенствано заваряване, лазерна обработка и производство на добавки. Следователно, за да се преодолеят определени ограничения, присъщи на лазерното заваряване, се появи иновативно решение: технология за-подпомогнато лазерно заваряване с ултразвукова вибрация (UVA-LW) (Фигура 1). Тази технология иновативно интегрира високо{13}}ултразвукови вибрации в процеса на лазерно заваряване, като цели да овладее уникалния акустичен поток, кавитация и стресови ефекти на ултразвуковите вълни за директна намеса-на физическо ниво-в динамиката на потока на разтопения басейн, поведението на газа и процеса на втвърдяване. Чрез тази „акусто-оптична синергия,“ UVA-LW технологията ефективно разбърква разтопения басейн, улеснява изтласкването на газ, усъвършенства зърнестите структури и потиска образуването на крехки фази. Този подход значително подобрява качеството и производителността на заваръчния шев, като по този начин проправя обещаващ нов път към разрешаване на присъщите предизвикателства, свързани с конвенционалното лазерно заваряване.
02
Основен принцип: Синергичният ефект на звука и светлината
Същността на ултразвуковото вибрационно-подпомогнато лазерно заваряване се крие в способността на акустичното енергийно поле да постигне всеобхватна, дълбока-оптимизация на процеса на лазерно заваряване-обхващаща цялата верига от физическото поведение на резервоара от течна стопилка до микроструктурната еволюция по време на втвърдяване и накрая до регулирането на напреженията в твърдо-състояние след охлаждане. Първо, по време на течната фаза високо-честотните ултразвукови вълни предизвикват мощен акустичен поток и кавитационни ефекти в басейна на стопилката, като ефективно действат като механизъм за „микро-разбъркване“ и „ефективно пречистване“ на стопения метал. Насоченият макроскопичен поток, генериран от ефекта на акустичен поток-подобно на вградена-бъркалка-силно разбърква резервоара от стопилка (Фигура. 2), като по този начин налага хомогенизирането на елементния състав и разпределението на температурата. Това е особено критично при заваряване на различни материали, тъй като ефективно нарушава образуването на непрекъснати, крехки интерметални съединения, които са склонни да се натрупват на повърхността, разпръсквайки ги вместо това във фини, дискретни частици, за да подобрят якостта на съединението. Едновременно с това по-интензивният кавитационен ефект-предизвикан от мигновеното свиване на безброй микроскопични мехурчета-освобождава мощни ударни вълни и високо{16}}скоростни микро-струи. От една страна, това действие енергично почиства оксидните филми от повърхността на стопилката, като по този начин подобрява омокряемостта; от друга, той "изтръсква" вредни газове като водород и азот, уловени в басейна, принуждавайки ги бързо да се издигнат и избягат, като по този начин основно потиска образуването на дефекти на порьозността. Впоследствие, по време на фазата на втвърдяване, периодичните ударни вълни на високо-налягане, генерирани от ефекта на кавитация, се появяват като мощен инструмент за регулиране на микроструктурата на втвърдяване. Когато басейнът от стопилка започне да се охлажда и дендритите започват да растат, тези ударни вълни ефективно ги разбиват и фрагментират. Носени от акустичния поток, тези фрагментирани дендритни рамена се разпръскват в басейна на стопилката, служейки като множество нови хетерогенни места за нуклеация и по този начин постигайки „индуцирана от фрагментация-пролиферация“ на кристални ядра. Този механизъм фундаментално трансформира традиционните модели на втвърдяване чрез инхибиране на растежа на груби колоновидни зърна, което в крайна сметка води до високо{25}}ефективна микроструктура на заваръчния шев, съставена от множество фини, еднакви равноосни зърна-резултат, който значително подобрява здравината, пластичността и устойчивостта на горещо напукване на заваръчния шев. И накрая, по време на фазата на-охлаждане в твърдо-състояние, ултразвуковата вибрация продължава да играе ключова роля чрез механизмите на акустично омекотяване и облекчаване на напрежението. Акустичният омекотяващ ефект кара заваръчния шев и материалите-засегната от топлината зона-докато са във високо-температурно пластично състояние-да претърпят „моментално омекване“, като по този начин ги улеснява да поемат и облекчават концентрациите на напрежение, предизвикани от свиване при охлаждане чрез микроскопична пластична деформация. Едновременно с това непрекъснатите високо{36}}честотни механични вибрации осигуряват допълнителна енергия за миграцията на атоми и дислокации, като по този начин улесняват преразпределението и отпускането на вътрешните напрежения. Следователно-в диапазон от пречистване и хомогенизиране на разтопения басейн до усъвършенстване на зърното по време на втвърдяване и накрая до облекчаване на напрежението в твърдо състояние-ултразвуковата вибрация установява високоефективно синергично взаимодействие с лазерния топлинен източник чрез тази поредица от взаимосвързани физически ефекти, като по този начин систематично разрешава основните предизвикателства, присъщи на традиционното лазерно заваряване.
03
Предимства на приложението: Значително подобрение на качеството и производителността
Основните принципи на акусто{0}}оптичната синергия в крайна сметка се превръщат в значителен скок напред в качеството на заваряване и работата на съединенията. В сравнение с конвенционалното лазерно заваряване, ултразвуковото вибрационно-подпомогнато лазерно заваряване демонстрира три ключови предимства при справяне с критични болни точки в индустрията:
3.1 Намаляване на заваръчните дефекти (порьозност и пукнатини)
04
Резюме
Като иновативен метод на обработка, използващ композитно енергийно поле, UVA-LW служи не само като допълнение и оптимизация към традиционните процеси на лазерно заваряване, но също така фундаментално разрешава няколко дългогодишни-основни предизвикателства, присъщи на тях. Чрез прецизно свързване на високо-честотно акустично енергийно поле в лазерната разтопена вана, тази технология постига дълбока физическа намеса чрез „акусто-оптична синергия“, като по този начин реализира цялостно подобряване на свойствата на материала,-обхващащо цялата верига от пречистване на течна-фаза и регулиране на структурата на втвърдяване до облекчаване на напрежението в твърдо-състояние.
Със сектори като нови енергийни превозни средства (особено в медни-алуминиеви връзки в захранващи батерии), аерокосмически (включващи леки,-сплави с висока{1}}якост и структури от различни материали) и високо{2}}прецизно производство, налагащо все по-строги изисквания за качество на свързване, технологията за лазерно заваряване с-ултразвукови вибрации демонстрира огромен потенциал за приложение. Бъдещите изследователски насоки вероятно ще се съсредоточат върху: 1) синергичната оптимизация и съвпадение на ултразвукови и лазерни параметри, за да се даде възможност за "персонализирано" заваряване за специфични материали и приложения; 2) интегрирането на тази технология с онлайн мониторинг и интелигентни системи за управление за постигане на обратна връзка със затворен-контур в процеса на заваряване и осигуряване на-осигуряване на качеството в реално време; и 3) по-нататъшно проучване на неговите приложения в най-съвременни области-като производство на добавки-за контролиране на остатъчното напрежение и свойствата на микроструктурата по време на процеса на печат. Може да се предвиди, че технологията за-подпомогнато от ултразвукови вибрации лазерно заваряване ще се развие отвъд простото „решаване-на проблеми“, за да се превърне в „подобрител на производителността“, движещ напредъка на производствените технологии, като по този начин предлага жизнеспособен път към постигане на по-висока-производителност и по-надеждни връзки на материалите.
