01
Indledning
Lasersvejseteknologi er med dens fordele ved koncentreret energi, høj præcision og minimal forvrængning blevet en kerneproces i moderne præcisionsfremstilling. Dets hurtige smeltnings- og størkningsegenskaber står imidlertid over for udfordringer ved behandling af stærkt reflekterende materialer (såsom kobber og aluminium), herunder ustabil energiabsorption, modtagelighed for porøsitet og termisk revnedannelse. Dette er især udtalt ved svejsning af uens materialer, hvor dannelsen af sprøde intermetalliske forbindelser alvorligt svækker fugens ydeevne. Disse flaskehalse begrænser yderligere anvendelser inden for-avancerede områder såsom strømbatterier og rumfart. I de seneste år er ultralydsvibrationsteknologi i stigende grad blevet introduceret inden for materialebehandling for at forbedre traditionelle metoder og opnå hidtil uset fremstillingsfleksibilitet. Ud over dets eksisterende applikationer inden for rengøring, sonokemi, metalbehandling og forstøvning er ultralyd gradvist ved at blive en afgørende hjælpeforbedringsmetode i avancerede produktionsplatforme, herunder præcisionsbearbejdning, avanceret svejsning, laserbehandling og additiv fremstilling. Til dette formål, for at overvinde nogle begrænsninger i lasersvejsning, er der opstået en innovativ løsning -ultralydsvibration-assisteret lasersvejsning (UVA-LW)- (Figur 1). Denne teknologi introducerer kreativt højfrekvente ultralydsvibrationer i lasersvejseprocessen med det formål at bruge ultralydens unikke akustiske flow, kavitation og stresseffekter til fysisk at gribe ind i flowet, gasadfærden og størkningsprocesserne i den smeltede pool. Gennem denne 'akusto-optiske synergi' kan UVA-LW-teknologi effektivt omrøre den smeltede pool, fremme afgasning, raffinere korn og hæmme dannelsen af skøre faser, og derved forbedre svejsekvaliteten og ydeevnen betydeligt og åbne en lovende ny vej til at løse de iboende lasersvejsevanskeligheder.
Figur 1. Skematisk diagram: (a) UVA-LW eksperimentel opsætning; (b) morfologi af den smeltede pool under UVA-LW-processen; (c) karakteristika for smeltet poolstrøm under UVA-LW-processen [1].
Kerneprincip: Synergistisk effekt af lyd og lys
Essensen af ultralydsvibrationsassisteret-lasersvejsning ligger i den optimering, der opnås af det akustiske energifelt på tværs af hele lasersvejsningsprocessen, fra den fysiske opførsel af den flydende smeltede pool, gennem den organisatoriske udvikling under størkning, til spændingsreguleringen i fast tilstand efter afkøling. For det første, på væskestadiet, genererer højfrekvente ultralydsbølger kraftige akustiske streaming- og kavitationseffekter i den smeltede pool, der fungerer som en "mikroskopisk omrører" og "effektiv renser" for det smeltede metal. Det retningsbestemte makroskopiske flow, der genereres af akustisk streaming, fungerer som en intern mixer, der kraftigt omrører det smeltede bassin og fremtvinger derved den ensartede fordeling af elementer og temperatur. Dette er særligt vigtigt ved svejsning af uens materialer, da det effektivt forstyrrer sprøde intermetalliske forbindelser, der har tendens til at danne kontinuerlige lag ved grænsefladen, fordeler dem fint og jævnt, og dermed forbedrer samlingens sejhed. Samtidig udløser den mere intense kavitationseffekt, via det øjeblikkelige sammenbrud af utallige mikrobobler, stærke chokbølger og høj-mikrojetfly. Dette fjerner ikke kun oxidfilm på den smeltede pooloverflade for at forbedre fugtbarheden, men udstøder også skadelige gasser som brint og nitrogen fra poolen, hvilket tvinger dem til at undslippe hurtigt og forhindrer fundamentalt dannelsen af porøsitetsdefekter. Efterfølgende, under størkningsstadiet, bliver periodiske højtrykschokbølger genereret af kavitationseffekten et stærkt værktøj til at kontrollere størkningsstrukturen. Når den smeltede pool afkøles, og dendritter vokser, bryder og fragmenterer disse chokbølger dem effektivt. De fragmenterede dendritarme, båret gennem poolen ved akustisk streaming, fungerer som adskillige nye ikke-spontane nukleationssteder og opnår "fragmenteret spredning" af kerner. Denne mekanisme ændrer fundamentalt det traditionelle størkningsmønster, undertrykker væksten af grove søjleformede krystaller og resulterer i en høj-svejsestruktur bestående af et stort antal fine, ensartede ligeaksede krystaller, hvilket i høj grad forbedrer svejsningens styrke, duktilitet og modstand mod termisk revnedannelse. Endelig, i det afkølede faste-stadium, fortsætter ultralydsvibrationer med at spille en nøglerolle i akustisk blødgøring og afspænding. Den akustiske blødgørende effekt blødgør forbigående de svejse- og varmeberørte zonematerialer i deres høje-plastiske tilstand, hvilket gør dem mere i stand til at tilpasse og afslappe stresskoncentrationer forårsaget af kølesvind gennem mikroskopisk plastisk deformation. Derudover giver vedvarende højfrekvente-mekaniske vibrationer ekstra energi til migrering af atomer og dislokationer, hvilket fremmer omfordeling og afslapning af indre spændinger. Derfor, fra oprensning og homogenisering af væsken, til kornforfining under størkning og spændingslindring i fast tilstand, danner ultralydsvibrationer gennem denne serie af indbyrdes forbundne fysiske effekter en effektiv synergistisk handling med laservarmekilden, der systematisk løser de centrale udfordringer ved traditionel lasersvejsning. ...
Figur 2. Effekt af ultralyd på væskeflow i den smeltede pool: (a) uden ultralyd; (b) med ultralyd [1].
03
Anvendelsesfordele: Betydelig forbedring af kvalitet og ydeevne
Kerneprincippet for fotoakustisk synergi udmønter sig i sidste ende til et betydeligt spring i svejsekvalitet og fugeydelse. Sammenlignet med traditionel lasersvejsning demonstrerer ultralydsvibrationsassisteret-lasersvejsning tre kernefordele ved at håndtere smertepunkter i industrien:
3.1 Reduktion af svejsefejl (porøsitet, revner)
Porøsitet og revner er de to store "dræbere", der påvirker svejsepålideligheden, og ultralydsvibrationer har en stærk hæmmende effekt på disse.
(1) Hæmning af porøsitet: Ved traditionel lasersvejsning, især dyb penetrationssvejsning, dannes der let porøsitet på grund af nøglehullets ustabilitet og indblanding af metaldampe. Introduktionen af ultralyd giver en stærk afgasningskraft til den smeltede pool gennem kavitation og akustiske streaming-effekter. På den ene side kan chokbølger genereret af sammenbrud af kavitationsbobler direkte bryde små brint- og nitrogenbobler i den smeltede pool eller tvinge dem til at smelte sammen og stige hurtigt. På den anden side tilbyder den kontinuerlige omrøringseffekt af akustisk streaming en vej og opdrift til bobleudslip. Dette forbedrer svejsetætheden markant, hvilket reducerer porøsiteten med en størrelsesorden eller mere, hvilket er afgørende for fugeforsegling og udmattelseslevetid.
(2) Hæmning af revnedannelse: Svejserevner kan klassificeres i varme revner og kolde revner. For varme revner forbedrer ultralydsvibrationer fundamentalt størkningsstrukturen ved at bryde grove søjleformede korn og danne fine ligeaksede korn, hvilket reducerer adskillelse af lav-smeltepunkt-eutektik ved korngrænser, og derved øger materialets modstandsdygtighed over for revnedannelse i høje{{4} zoner. For kolde revner reducerer den ultralyds blødgørende effekt og spændingsfrigivelsen væsentligt resterende spænding efter svejsning, hvilket forhindrer spændingskoncentration og dermed effektivt hæmmer kolde revner forårsaget af brintforsinket revnedannelse eller høj spænding. Denne effekt er især udtalt ved svejsning af stål med høj-styrke og materialer med høj-hårdhed.
3.2 Forbedring af ydeevnen af samlinger af forskelligt materiale
Den største udfordring ved uens metalsvejsning ligger i de store forskelle i fysiske egenskaber (såsom smeltepunkt og termisk ledningsevne) og tendensen til at danne tykke og sprøde intermetalliske forbindelser (IMC'er) ved grænsefladen, hvilket forårsager alvorlig skørhed af samlingen. Ultralydsvibrationer giver en unik løsning til dette:
(1) Undertrykkelse og forfining af IMC-laget: Den kraftige akustiske strøm af ultralyd fungerer som en omrøringsmekanisme, der bryder det nydannede sprøde IMC-lag, forhindrer dets kontinuerlige vækst og fører dets fragmenter ind i smeltebassinet, hvilket får dem til at blive fordelt i svejsningen som fine, spredte partikler. På denne måde er den skøre fase ikke længere en svag kontinuerlig grænseflade, men er omgivet af en stærk og sej matrix, hvilket i høj grad forbedrer sammenføjningens plasticitet og sejhed. For eksempel ved svejsning af aluminium/stål og aluminium/kobber kan IMC-lagets tykkelse effektivt kontrolleres under en kritisk værdi på blot nogle få mikron eller endnu mindre.
3.3 Optimering af svejsedannelse og mekaniske egenskaber
Ud over at løse defektproblemer kan ultralydsvibrationer forbedre kvaliteten af svejsedannelsen omfattende.
(1) Forbedring af svejsedannelse: Ultralydsvibrationer reducerer den tilsyneladende viskositet af det smeltede metal og øger dets flydende. Dette gør det lettere for det flydende metal at sprede sig og fylde, hvilket resulterer i en glattere og mere ensartet svejseoverflade, hvilket reducerer dannelsesfejl såsom underskæring og manglende gennemtrængning. Samtidig gør den forbedrede befugtningsevne overgangen mellem svejsningen og grundmaterialet mere gradvis, hvilket reducerer spændingskoncentrationspunkter.
(2) Omfattende forbedring af mekaniske egenskaber: Dette er det ultimative resultat af alle ovennævnte fordele. På grund af elimineringen af porøsitet og mikrorevner samt betydelig kornforfining (figur 3), kan styrken og plasticiteten af svejsningen samtidig forbedres, hvilket bryder den konventionelle afvejning- mellem styrke og plasticitet i traditionel materialevidenskab. Den fine ligeaksede kornstruktur gør revneudbredelsesvejen snoet, hvilket i høj grad forbedrer brudsejheden og udmattelsesmodstanden af samlingen.
04
Oversigt
Som en innovativ sammensat energifeltbehandlingsmetode komplementerer og optimerer UVA-LW ikke kun traditionelle lasersvejseprocesser, men løser også fundamentalt adskillige mangeårige-kerneproblemer. Ved præcist at koble et højfrekvent akustisk energifelt ind i den smeltede laserpool opnår denne teknologi dyb fysisk indgriben gennem 'fotoakustisk synergi', hvilket forbedrer hele ydeevnekæden fra væskerensning og styring af størkningsmikrostruktur til fast-spændingsaflastning.
Med stadig strengere krav til forbindelseskvalitet inden for områder som nye energikøretøjer (især kobber-aluminiumforbindelser i strømbatterier), rumfart (letvægtslegeringer med høj-styrke og strukturelle komponenter af forskelligt materiale) og høj-præcisionsfremstilling, demonstrerer ultralydsvibrationsassisteret applikationspotentiale teknologi{{3}. Fremtidig forskning kan fokusere på 1) synergistisk optimering og matchning af ultralyds- og laserparametre for at opnå 'tilpasset' svejsning til specifikke materialer og anvendelser; 2) at integrere denne teknologi med onlineovervågning og intelligente kontrolsystemer for at muliggøre feedback i lukket-sløjfe og realtidskvalitetssikring under svejseprocessen; 3) yderligere at udforske dets applikationer inden for banebrydende-områder såsom additiv fremstilling for at kontrollere resterende stress og mikrostrukturelle egenskaber under udskrivningsprocessen. Det er forudsigeligt, at ultralydsvibrationsassisteret-lasersvejseteknologi ikke blot vil være en "problemløser", men vil blive en "ydeevneforbedrer", der driver udviklingen af avancerede produktionsteknologier, hvilket giver en mulig vej mod højere ydeevne og mere pålidelige materialeforbindelser.
