01
вступ
Технологія лазерного зварювання з її перевагами, пов’язаними з концентрацією енергії, високою точністю та мінімальними спотвореннями, стала основним процесом у сучасному точному виробництві. Однак його характеристики швидкого плавлення та затвердіння стикаються з проблемами при обробці матеріалів із високим відбиттям (таких як мідь та алюміній), включаючи нестабільне поглинання енергії, сприйнятливість до пористості та термічного розтріскування. Особливо це виражено при зварюванні різнорідних матеріалів, де утворення крихких інтерметалічних сполук сильно послаблює працездатність з'єднання. Ці вузькі місця обмежують подальше застосування у високо-галузях, таких як батареї живлення та авіакосмічна промисловість. В останні роки технологія ультразвукової вібрації все частіше впроваджується в сферу обробки матеріалів для вдосконалення традиційних методів і досягнення безпрецедентної гнучкості виробництва. Окрім існуючих застосувань у очищенні, сонохімії, обробці металу та розпиленні, ультразвук поступово стає важливим допоміжним методом покращення у передових виробничих платформах, включаючи прецизійну механічну обробку, передове зварювання, лазерну обробку та адитивне виробництво. З цією метою, щоб подолати деякі обмеження лазерного зварювання, з’явилося інноваційне рішення-ультразвукова вібрація-лазерне зварювання (UVA-LW)-(Малюнок 1). Ця технологія творчо впроваджує-високочастотну ультразвукову вібрацію в процес лазерного зварювання з метою використання унікального акустичного потоку, кавітації та ефектів напруги ультразвуку для фізичного втручання в потік, поведінку газу та процеси затвердіння ванни розплаву. Завдяки такій «акусто-оптичній синергії» технологія UVA-LW може ефективно перемішувати розплавлену ванну, сприяти дегазації, подрібненню зерен і перешкоджати утворенню крихких фаз, тим самим значно покращуючи якість і продуктивність зварювання та відкриваючи багатообіцяючий новий шлях для вирішення проблем, притаманних традиційному лазерному зварюванню.
Рисунок 1. Схематична діаграма: (а) експериментальна установка UVA-LW; (b) морфологія басейну розплаву під час процесу UVA-LW; (c) характеристики потоку розплавленої ванни під час процесу UVA-LW [1].
Основний принцип: синергетичний ефект звуку та світла
Суть лазерного зварювання-за допомогою ультразвукової вібрації полягає в оптимізації поля акустичної енергії в усьому процесі лазерного зварювання, від фізичної поведінки ванни рідкого розплаву, через організаційну еволюцію під час затвердіння до регулювання напруги в твердому стані після охолодження. По-перше, на стадії рідини високо{2}}ультразвукові хвилі створюють потужні акустичні потоки та кавітаційні ефекти всередині розплавленої ванни, діючи як «мікроскопічна мішалка» та «ефективний очисник» для розплавленого металу. Спрямований макроскопічний потік, створюваний акустичним потоком, діє як внутрішній змішувач, енергійно перемішуючи розплавлену ванну, тим самим забезпечуючи рівномірний розподіл елементів і температури. Це особливо важливо під час зварювання різнорідних матеріалів, оскільки воно ефективно руйнує крихкі інтерметалічні сполуки, які мають тенденцію утворювати суцільні шари на межі розділу, розподіляючи їх тонко та рівномірно, таким чином покращуючи міцність з’єднання. Водночас інтенсивніший ефект кавітації через миттєве згортання незліченних мікробульбашок створює сильні ударні хвилі та високо-швидкісні мікрострумени. Це не тільки видаляє оксидні плівки на поверхні розплавленого басейну для покращення змочуваності, але й виводить шкідливі гази, такі як водень і азот, з басейну, змушуючи їх швидко виходити та принципово запобігаючи утворенню дефектів пористості. Згодом, під час стадії затвердіння, періодичні ударні хвилі високого-тиску, створювані ефектом кавітації, стають потужним інструментом для контролю структури затвердіння. Коли розплавлений басейн охолоджується і дендрити ростуть, ці ударні хвилі ефективно розбивають і фрагментують їх. Фрагментовані рукави дендритів, що переносяться по басейну акустичним потоком, діють як численні нові не-спонтанні місця зародження, досягаючи «фрагментованої проліферації» ядер. Цей механізм докорінно змінює традиційну структуру затвердіння, пригнічуючи ріст грубих стовпчастих кристалів і створюючи високоефективну -структуру зварного шва, що складається з великої кількості дрібних однорідних рівновісних кристалів, що значно підвищує міцність, пластичність і стійкість до термічного розтріскування зварного шва. Нарешті, на стадії охолодженого твердого-стану ультразвукова вібрація продовжує відігравати ключову роль в акустичному пом’якшенні та знятті напруги. Ефект акустичного пом’якшення тимчасово пом’якшує зварний шов і матеріали зони-термічного-впливу в їх високотемпературному пластичному стані, роблячи їх більш здатними до адаптації та послаблення концентрації напруги, спричиненої усадкою при охолодженні через мікроскопічну пластичну деформацію. Крім того, стійка високочастотна-механічна вібрація забезпечує додаткову енергію для міграції атомів і дислокацій, сприяючи перерозподілу та послабленню внутрішніх напруг. Таким чином, від очищення та гомогенізації рідини до подрібнення зерна під час затвердіння та зняття напруги в твердому стані, ультразвукова вібрація через цей ряд взаємопов’язаних фізичних ефектів формує ефективну синергетичну дію з лазерним джерелом тепла, систематично вирішуючи основні проблеми традиційного лазерного зварювання. ...
Рисунок 2. Вплив ультразвуку на потік рідини в басейні розплаву: (а) без ультразвуку; (б) за допомогою ультразвуку [1].
03
Переваги програми: Значне покращення якості та продуктивності
Основний принцип фотоакустичної синергії зрештою перетворюється на значний стрибок у якості зварювання та ефективності з’єднання. Порівняно з традиційним лазерним зварюванням ультразвукова вібрація-лазерного зварювання демонструє три основні переваги у вирішенні проблем промисловості:
3.1 Зменшення дефектів зварювання (пористість, тріщини)
Пористість і тріщини є двома основними «вбивцями», що впливають на надійність зварного шва, і ультразвукова вібрація має сильний гальмівний вплив на них.
(1) Інгібування пористості: при традиційному лазерному зварюванні, особливо при зварюванні глибоким проваром, пористість легко утворюється через нестабільність замкової щілини та захоплення пари металу. Введення ультразвуку забезпечує сильну силу дегазації розплавленої ванни через кавітацію та акустичні потокові ефекти. З одного боку, ударні хвилі, створені колапсом кавітаційних бульбашок, можуть безпосередньо розбивати крихітні бульбашки водню та азоту в розплавленому басейні або змушувати їх об’єднуватися та швидко підніматися. З іншого боку, безперервний ефект перемішування акустичного потоку забезпечує шлях і плавучість для виходу бульбашок. Це значно покращує щільність зварного шва, зменшуючи пористість на порядок або більше, що має вирішальне значення для герметизації з’єднань і довговічності.
(2) Перешкоджання утворенню тріщин: зварювальні тріщини можна класифікувати на гарячі та холодні тріщини. Для гарячих тріщин ультразвукова вібрація істотно покращує структуру затвердіння, розбиваючи грубі стовпчасті зерна та утворюючи дрібні рівновісні зерна, зменшуючи сегрегацію евтектики з низькою-температурою-плавлення на межах зерен, тим самим підвищуючи стійкість матеріалу до розтріскування в зонах високої-температури. Для холодних тріщин ефект ультразвукового пом'якшення та зняття напруги значно зменшують залишкову напругу після зварювання, запобігаючи концентрації напруги, таким чином ефективно перешкоджаючи холодним тріщинам, спричиненим розтріскуванням із затримкою водню або високим напруженням. Цей ефект особливо виражений під час зварювання високо-сталі та високо-твердих матеріалів.
3.2 Поліпшення характеристик з’єднань різнорідних матеріалів
Найбільша проблема при зварюванні різнорідних металів полягає у великих відмінностях у фізичних властивостях (таких як температура плавлення та теплопровідність) і тенденції до утворення товстих і крихких інтерметалічних сполук (IMC) на межі розділу, що спричиняє серйозну крихкість з’єднання. Ультразвукова вібрація забезпечує унікальне рішення для цього:
(1) Придушення та очищення шару IMC: потужний акустичний потік ультразвуку діє як механізм перемішування, розбиваючи свіжоутворений крихкий шар IMC, запобігаючи його безперервному зростанню та захоплюючи його фрагменти в басейн розплаву, змушуючи їх розподілятися у зварному шві у вигляді дрібних, диспергованих частинок. Таким чином, крихка фаза більше не є слабкою безперервною поверхнею, а оточена міцною та міцною матрицею, що значно покращує пластичність і міцність з’єднання. Наприклад, при зварюванні алюміній/сталь і алюміній/мідь товщину шару IMC можна ефективно контролювати нижче критичного значення всього в кілька мікрон або навіть менше.
3.3 Оптимізація формування швів і механічних властивостей
Окрім вирішення проблем з дефектами, ультразвукова вібрація може всебічно підвищити якість формування зварного шва.
(1) Покращення формування зварного шва: ультразвукова вібрація зменшує видиму в’язкість розплавленого металу та підвищує його текучість. Це полегшує розтікання та заповнення рідкого металу, що призводить до більш гладкої та рівномірної поверхні зварного шва, зменшуючи дефекти формування, такі як підрізання та відсутність проплавлення. У той же час покращена змочуваність робить перехід між зварним швом і основним матеріалом більш поступовим, зменшуючи точки концентрації напруги.
(2) Всебічне покращення механічних властивостей: це кінцевий результат усіх перерахованих вище переваг. Завдяки усуненню пористості та мікротріщин, а також значному подрібненню зерна (рис. 3) міцність і пластичність зварного шва можна одночасно покращити, порушуючи звичайний компроміс-між міцністю та пластичністю в традиційному матеріалознавстві. Дрібна рівновісна зерниста структура робить шлях поширення тріщини звивистим, значно підвищуючи в’язкість руйнування та стійкість до втоми з’єднання.
04
Резюме
Будучи інноваційним композитним методом обробки енергетичного поля, UVA-LW не лише доповнює й оптимізує традиційні процеси лазерного зварювання, але й фундаментально вирішує кілька давніх-основних проблем. Завдяки точному з’єднанню високочастотного-поля акустичної енергії з лазерним розплавленим резервуаром ця технологія забезпечує глибоке фізичне втручання за допомогою «фотоакустичної синергії», покращуючи весь ланцюжок продуктивності від очищення рідини та контролю мікроструктури затвердіння до зняття напруги в твердому-фазі.
Із дедалі суворішими вимогами до якості з’єднання в таких галузях, як транспортні засоби з новою енергією (особливо мідні-алюмінієві з’єднання в акумуляторних батареях), авіакосмічна промисловість (легкі високоміцні-сплави та структурні компоненти з різнорідних матеріалів) і високоточне-виробництво, ультразвукова вібраційна-технологія лазерного зварювання демонструє значний потенціал застосування. Майбутні дослідження можуть бути зосереджені на 1) синергічній оптимізації та узгодженні ультразвукових і лазерних параметрів для досягнення «налаштованого» зварювання для конкретних матеріалів і застосувань; 2) інтеграція цієї технології з онлайн-моніторингом та інтелектуальними системами керування, щоб забезпечити замкнутий-цикл зворотного зв’язку та-забезпечення якості в реальному часі під час процесу зварювання; 3) подальше вивчення його застосувань у передових{10}}сферах, таких як адитивне виробництво для контролю залишкової напруги та мікроструктурних властивостей під час процесу друку. Можна передбачити, що технологія лазерного зварювання-за допомогою ультразвукової вібрації буде не просто «вирішенням проблем», але й стане «підвищувачем продуктивності», стимулюючи розвиток передових виробничих технологій, забезпечуючи можливий шлях до вищої продуктивності та надійніших з’єднань матеріалів.
