01
Въведение
Технологията за лазерно заваряване, със своите предимства на концентрирана енергия, висока прецизност и минимално изкривяване, се превърна в основен процес в съвременното прецизно производство. Неговите характеристики на бързо топене и втвърдяване обаче са изправени пред предизвикателства при обработката на силно отразяващи материали (като мед и алуминий), включително нестабилно поглъщане на енергия, чувствителност към порьозност и термично напукване. Това е особено изразено при заваряване на различни материали, където образуването на крехки интерметални съединения силно отслабва работата на съединението. Тези тесни места ограничават по-нататъшни приложения в-области от висок клас, като батерии за захранване и космонавтика. През последните години технологията за ултразвукова вибрация все повече се въвежда в областта на обработката на материали, за да се подобрят традиционните методи и да се постигне безпрецедентна гъвкавост на производството. Отвъд съществуващите си приложения в почистването, сонохимията, обработката на метали и атомизацията, ултразвукът постепенно се превръща в решаващ спомагателен метод за подобрение в усъвършенствани производствени платформи, включително прецизна машинна обработка, усъвършенствано заваряване, лазерна обработка и производство на добавки. За тази цел, за да се преодолеят някои ограничения в лазерното заваряване, се появи иновативно решение-ултразвукова вибрация-подпомогнато лазерно заваряване (UVA-LW)-(Фигура 1). Тази технология креативно въвежда високо{13}}ултразвукова вибрация в процеса на лазерно заваряване, като цели да използва уникалния акустичен поток, кавитация и стресови ефекти на ултразвука за физическа намеса в потока, поведението на газа и процесите на втвърдяване на разтопения басейн. Чрез тази „акусто-оптична синергия“, UVA-LW технологията може ефективно да разбърква разтопения басейн, да насърчи обезгазяването, да пречисти зърната и да възпрепятства образуването на крехки фази, като по този начин значително подобрява качеството и производителността на заваряване и отваря обещаващ нов път за справяне с присъщите трудности на традиционното лазерно заваряване.
Фигура 1. Схематична диаграма: (a) UVA-LW експериментална постановка; (b) морфология на разтопения басейн по време на UVA-LW процес; (c) характеристики на потока от разтопен басейн по време на UVA-LW процес [1].
Основен принцип: Синергичен ефект на звук и светлина
Същността на-подпомогнато с ултразвукови вибрации лазерно заваряване се крие в оптимизацията, постигната от акустичното енергийно поле в целия процес на лазерно заваряване, от физическото поведение на басейна с течна стопилка, през организационната еволюция по време на втвърдяването, до регулирането на напрежението в твърдо състояние след охлаждане. Първо, на течния етап високо-честотните ултразвукови вълни генерират мощен акустичен поток и кавитационни ефекти в разтопения басейн, действайки като „микроскопична бъркалка“ и „ефективен пречиствател“ за разтопения метал. Насоченият макроскопичен поток, генериран от акустичен поток, действа като вътрешен миксер, енергично разбърквайки разтопения басейн, като по този начин налага равномерното разпределение на елементите и температурата. Това е особено важно при заваряване на различни материали, тъй като ефективно разрушава крехките интерметални съединения, които са склонни да образуват непрекъснати слоеве на интерфейса, разпределяйки ги фино и равномерно, като по този начин подобрява издръжливостта на съединението. Едновременно с това, по-интензивният кавитационен ефект, чрез мигновеното свиване на безброй микромехурчета, освобождава силни ударни вълни и високо-скоростни микроструи. Това не само премахва оксидните филми върху разтопената повърхност на басейна, за да подобри омокряемостта, но също така изхвърля вредни газове като водород и азот от басейна, принуждавайки ги да излязат бързо и основно предотвратява образуването на дефекти на порьозността. Впоследствие, по време на етапа на втвърдяване, периодичните ударни вълни с високо-налягане, генерирани от кавитационния ефект, се превръщат в мощен инструмент за контролиране на структурата на втвърдяване. Докато разтопеният басейн се охлажда и дендритите нарастват, тези ударни вълни ефективно ги разбиват и фрагментират. Фрагментираните дендритни рамена, пренасяни из басейна чрез акустичен поток, действат като многобройни нови неспонтанни места на нуклеация, постигайки „фрагментирана пролиферация“ на ядра. Този механизъм фундаментално променя традиционния модел на втвърдяване, потискайки растежа на грубите колоновидни кристали и води до високо{14}}ефективна заваръчна структура, съставена от голям брой фини, равномерни равноосни кристали, значително подобряващи здравината, пластичността и устойчивостта на термично напукване на заваръчния шев. И накрая, в етапа на охладено твърдо-състояние, ултразвуковата вибрация продължава да играе ключова роля в акустичното омекотяване и облекчаване на напрежението. Акустичният омекотяващ ефект временно омекотява заваръчните шевове и материалите на-засегнатата от топлина зона в тяхното високо-температурно пластично състояние, което ги прави по-способни да адаптират и отпускат концентрациите на напрежение, причинени от свиване при охлаждане чрез микроскопична пластична деформация. Освен това, продължителната високо{21}}честотна механична вибрация осигурява допълнителна енергия за миграцията на атоми и дислокации, насърчавайки преразпределението и отпускането на вътрешните напрежения. Следователно, от пречистване и хомогенизиране на течността, до усъвършенстване на зърната по време на втвърдяване и облекчаване на напрежението в твърдо състояние, ултразвуковата вибрация, чрез тази поредица от взаимосвързани физически ефекти, формира ефективно синергично действие с лазерния източник на топлина, като систематично се справя с основните предизвикателства на традиционното лазерно заваряване. ...
Фигура 2. Ефект на ултразвука върху флуидния поток в разтопения басейн: (а) без ултразвук; б) с ултразвук [1].
03
Предимства на приложението: Значително подобрение в качеството и производителността
Основният принцип на фотоакустичната синергия в крайна сметка се превръща в значителен скок в качеството на заваряване и работата на съединението. В сравнение с традиционното лазерно заваряване, ултразвуковото вибрационно-лазерно заваряване демонстрира три основни предимства при справяне с болните точки в индустрията:
3.1 Намаляване на заваръчните дефекти (порьозност, пукнатини)
Порьозността и пукнатините са двата основни "убийци", засягащи надеждността на заваръчния шев, а ултразвуковата вибрация има силен инхибиращ ефект върху тях.
(1) Инхибиране на порьозността: При традиционното лазерно заваряване, особено заваряването с дълбоко проникване, порьозността се образува лесно поради нестабилността на ключалката и увличането на метални пари. Въвеждането на ултразвук осигурява силна дегазираща сила към разтопения басейн чрез кавитация и акустични потоци. От една страна, ударните вълни, генерирани от колапса на кавитационните мехурчета, могат директно да разбият малки водородни и азотни мехурчета в разтопения басейн или да ги принудят да се слеят и да се издигнат бързо. От друга страна, непрекъснатият разбъркващ ефект на акустичния поток предлага път и плаваемост за излизане на мехурчета. Това значително подобрява плътността на заваръчния шев, намалявайки порьозността с порядък или повече, което е от решаващо значение за уплътняването на фугите и живота на умора.
(2) Възпрепятстване на образуването на пукнатини: Пукнатините при заваряване могат да се класифицират на горещи и студени пукнатини. За горещи пукнатини ултразвуковата вибрация фундаментално подобрява структурата на втвърдяване чрез разбиване на груби колоновидни зърна и образуване на фини равноосни зърна, намалявайки отделянето на евтектика с ниска-точка на топене-по границите на зърната, като по този начин повишава устойчивостта на материала срещу напукване в зони с висока-температура. За студени пукнатини ултразвуковият омекотяващ ефект и освобождаването на напрежението значително намаляват остатъчното напрежение след заваряване, предотвратявайки концентрацията на напрежение, като по този начин ефективно инхибира студените пукнатини, причинени от забавено водородно напукване или голямо напрежение. Този ефект е особено изразен при заваряване на стомана с висока-якост и материали с висока{8}}твърдост.
3.2 Подобряване на работата на съединенията от различни материали
Най-голямото предизвикателство при заваряването на различни метали се крие в големите разлики във физичните свойства (като точка на топене и топлопроводимост) и тенденцията за образуване на дебели и крехки интерметални съединения (IMC) на повърхността, което причинява тежка крехкост на съединението. Ултразвуковата вибрация предоставя уникално решение за това:
(1) Потискане и усъвършенстване на слоя IMC: Мощният акустичен поток от ултразвук действа като разбъркващ механизъм, разрушавайки прясно образувания крехък слой IMC, предотвратявайки непрекъснатото му нарастване и увличайки неговите фрагменти в резервоара от стопилка, което ги кара да бъдат разпределени в заваръчния шев като фини, диспергирани частици. По този начин крехката фаза вече не е слаба непрекъсната повърхност, а е заобиколена от здрава и здрава матрица, което значително подобрява пластичността и здравината на съединението. Например, при заваряване на алуминий/стомана и алуминий/мед, дебелината на IMC слоя може да бъде ефективно контролирана под критична стойност от само няколко микрона или дори по-малко.
3.3 Оптимизиране на формирането на заваръчния шев и механичните свойства
В допълнение към решаването на проблеми с дефектите, ултразвуковата вибрация може цялостно да подобри качеството на образуване на заваръчния шев.
(1) Подобряване на образуването на заваръчен шев: Ултразвуковата вибрация намалява привидния вискозитет на разтопения метал и увеличава неговата течливост. Това улеснява разпръскването и запълването на течния метал, което води до по-гладка и равномерна повърхност на заваръчния шев, намалявайки дефектите на образуването като подрязване и липса на проникване. В същото време подобрената омокряемост прави прехода между заваръчния шев и основния материал по-плавен, намалявайки точките на концентрация на напрежението.
(2) Цялостно подобряване на механичните свойства: Това е крайният резултат от всички горепосочени предимства. Благодарение на елиминирането на порьозността и микропукнатините, както и значителното усъвършенстване на зърното (Фигура 3), здравината и пластичността на заваръчния шев могат да бъдат едновременно подобрени, нарушавайки конвенционалния компромис -между здравина и пластичност в традиционната наука за материалите. Фината равноосна зърнеста структура прави пътя на разпространение на пукнатината криволичещ, което значително повишава якостта на счупване и устойчивостта на умора на съединението.
04
Резюме
Като иновативен композитен метод за обработка на енергийно поле, UVA-LW не само допълва и оптимизира традиционните процеси на лазерно заваряване, но също така основно се справя с няколко дългогодишни-основни проблема. Чрез прецизно свързване на високо{3}}честотно акустично енергийно поле в лазерната разтопена вана, тази технология постига дълбока физическа интервенция чрез „фотоакустична синергия“, подобрявайки цялата верига на производителност от пречистване на течности и контрол на микроструктурата на втвърдяване до облекчаване на напрежението в твърдо-състояние.
С все по-строги изисквания за качество на връзката в области като нови енергийни превозни средства (особено медни-алуминиеви връзки в захранващи батерии), космонавтика (леки сплави с висока-якост и структурни компоненти от различни материали) и високо{2}}прецизно производство, технологията за лазерно заваряване с ултразвукови вибрации-демонстрира значителен потенциал за приложение. Бъдещите изследвания могат да се съсредоточат върху 1) синергичното оптимизиране и съпоставяне на ултразвукови и лазерни параметри за постигане на „персонализирано“ заваряване за специфични материали и приложения; 2) интегриране на тази технология с онлайн мониторинг и интелигентни системи за контрол, за да се даде възможност за обратна връзка със затворен-контур и-осигуряване на качеството в реално време по време на процеса на заваряване; 3) по-нататъшно проучване на приложенията му в авангардни-области като производство на добавки за контрол на остатъчното напрежение и микроструктурни свойства по време на процеса на печат. Може да се предвиди, че технологията за лазерно заваряване,-подпомогната с ултразвукови вибрации, няма да бъде просто „решаване на проблеми“, но ще се превърне в „подобрител на производителността“, движещ развитието на усъвършенствани производствени технологии, предоставяйки осъществим път към по-висока производителност и по-надеждни връзки на материалите.
