01
Introduktion
Lasersvetsteknik, med dess fördelar av koncentrerad energi, hög precision och minimal förvrängning, har blivit en kärnprocess i modern precisionstillverkning. Dess snabba smältnings- och stelningsegenskaper möter dock utmaningar vid bearbetning av mycket reflekterande material (som koppar och aluminium), inklusive instabil energiabsorption, känslighet för porositet och termisk sprickbildning. Detta är särskilt uttalat vid svetsning av olika material, där bildningen av spröda intermetalliska föreningar kraftigt försvagar fogens prestanda. Dessa flaskhalsar begränsar ytterligare tillämpningar inom-avancerade områden som batterier och flyg. Under de senaste åren har ultraljudsvibrationsteknik i allt högre grad introducerats inom materialbearbetning för att förbättra traditionella metoder och uppnå oöverträffad tillverkningsflexibilitet. Utöver sina befintliga applikationer inom rengöring, sonokemi, metallbehandling och finfördelning, håller ultraljud gradvis på att bli en avgörande extra förbättringsmetod i avancerade tillverkningsplattformar, inklusive precisionsbearbetning, avancerad svetsning, laserbearbetning och additiv tillverkning. I detta syfte, för att övervinna vissa begränsningar inom lasersvetsning, har en innovativ lösning-ultraljudsvibration-assisterad lasersvetsning (UVA-LW)- dykt upp (Figur 1). Den här tekniken introducerar kreativt högfrekventa ultraljudsvibrationer i lasersvetsprocessen, i syfte att använda ultraljudets unika akustiska flöde, kavitation och stresseffekter för att fysiskt ingripa i flödet, gasbeteendet och stelningsprocesserna i den smälta poolen. Genom denna "akusto-optiska synergi" kan UVA-LW-tekniken effektivt röra om den smälta poolen, främja avgasning, förfina korn och hämma bildandet av spröda faser, vilket avsevärt förbättrar svetskvalitet och prestanda och öppnar en lovande ny väg för att hantera de inneboende svårigheterna med lasersvetsning.
Figur 1. Schematiskt diagram: (a) UVA-LW experimentell uppställning; (b) morfologin hos den smälta poolen under UVA-LW-processen; (c) egenskaper hos smält poolflöde under UVA-LW-processen [1].
Kärnprincip: Synergistisk effekt av ljud och ljus
Kärnan i ultraljudsvibrationsassisterad lasersvetsning- ligger i optimeringen som uppnås av det akustiska energifältet över hela processen med lasersvetsning, från det fysiska beteendet hos den flytande smälta poolen, genom den organisatoriska utvecklingen under stelning, till spänningsregleringen i fast tillstånd efter kylning. För det första, i vätskestadiet, genererar högfrekventa ultraljudsvågor kraftfulla akustiska strömnings- och kavitationseffekter i den smälta poolen, och fungerar som en "mikroskopisk omrörare" och "effektiv renare" för den smälta metallen. Det riktade makroskopiska flödet som genereras av akustisk strömning fungerar som en intern bländare, som kraftigt omrör den smälta poolen och därigenom förstärker den likformiga fördelningen av element och temperatur. Detta är särskilt viktigt vid svetsning av olika material, eftersom det effektivt bryter spröda intermetalliska föreningar som tenderar att bilda kontinuerliga skikt vid gränsytan, fördelar dem fint och jämnt, vilket förbättrar fogsegheten. Samtidigt släpper den mer intensiva kavitationseffekten, via den omedelbara kollapsen av otaliga mikrobubblor, ut starka stötvågor och höghastighetsmikrojetstrålar. Detta tar inte bara bort oxidfilmer på den smälta poolytan för att förbättra vätbarheten utan driver också ut skadliga gaser som väte och kväve från poolen, vilket tvingar dem att fly snabbt och i grunden förhindrar bildandet av porositetsdefekter. Därefter, under stelningsstadiet, blir periodiska högtrycksstötvågor som genereras av kavitationseffekten ett kraftfullt verktyg för att kontrollera stelningsstrukturen. När den smälta poolen svalnar och dendriterna växer, bryter dessa stötvågor effektivt sönder och splittrar dem. De fragmenterade dendritarmarna, som bärs genom poolen med akustisk strömning, fungerar som många nya icke-spontana kärnbildningsplatser, vilket uppnår "fragmenterad spridning" av kärnor. Denna mekanism förändrar i grunden det traditionella stelningsmönstret, undertrycker tillväxten av grova kolumnformade kristaller och resulterar i en högpresterande svetsstruktur bestående av ett stort antal fina, likformiga likaxliga kristaller, vilket avsevärt förbättrar svetsens styrka, duktilitet och motståndskraft mot termisk sprickbildning. Slutligen, i det kylda fasta-stadiet fortsätter ultraljudsvibrationer att spela en nyckelroll för akustisk mjukgöring och avspänning. Den akustiska mjukgöringseffekten mjukar tillfälligt upp de svets- och värmepåverkade zonmaterialen i deras hög-plastiska tillstånd, vilket gör dem mer kapabla att anpassa och avslappna spänningskoncentrationer orsakade av kylningskrympning genom mikroskopisk plastisk deformation. Dessutom ger ihållande högfrekventa mekaniska vibrationer-extra energi för migrering av atomer och dislokationer, vilket främjar omfördelning och avslappning av inre spänningar. Därför, från rening och homogenisering av vätskan, till kornförfining under stelning och spänningsavlastning i fast tillstånd, bildar ultraljudsvibrationer, genom denna serie av inbördes relaterade fysiska effekter, en effektiv synergistisk verkan med laservärmekällan, som systematiskt tar itu med de centrala utmaningarna med traditionell lasersvetsning. ...
Figur 2. Effekt av ultraljud på vätskeflödet i den smälta poolen: (a) utan ultraljud; (b) med ultraljud [1].
03
Applikationsfördelar: Betydande förbättring av kvalitet och prestanda
Kärnprincipen för fotoakustisk synergi översätts i slutändan till ett betydande steg i svetskvalitet och fogprestanda. Jämfört med traditionell lasersvetsning visar ultraljudsvibrationsassisterad-lasersvetsning tre centrala fördelar när det gäller att hantera smärtpunkter i industrin:
3.1 Minskning av svetsfel (porositet, sprickor)
Porositet och sprickor är de två stora "mördarna" som påverkar svetstillförlitligheten, och ultraljudsvibrationer har en starkt hämmande effekt på dessa.
(1) Inhibering av porositet: Vid traditionell lasersvetsning, speciellt djup penetrationssvetsning, bildas porositet lätt på grund av instabiliteten i nyckelhålet och indragningen av metallånga. Införandet av ultraljud ger stark avgasningskraft till den smälta poolen genom kavitation och akustiska strömningseffekter. Å ena sidan kan chockvågor som genereras av kollapsen av kavitationsbubblor direkt bryta upp små väte- och kvävebubblor i den smälta poolen eller tvinga dem att smälta samman och stiga snabbt. Å andra sidan erbjuder den kontinuerliga omrörningseffekten av akustisk streaming en väg och flytkraft för bubbelflykt. Detta förbättrar avsevärt svetsdensiteten, vilket minskar porositeten med en storleksordning eller mer, vilket är avgörande för fogtätning och utmattningslivslängd.
(2) Inhibering av sprickbildning: Svetssprickor kan klassificeras i varma sprickor och kalla sprickor. För heta sprickor förbättrar ultraljudsvibrationer i grunden stelningsstrukturen genom att bryta grova kolonnformiga korn och bilda fina likaxliga korn, vilket minskar segregeringen av låg-smältpunkt-eutektik vid korngränserna, vilket förbättrar materialets motståndskraft mot sprickbildning i hög-. För kalla sprickor minskar den ultraljudsmjukande effekten och spänningsfrigöringen avsevärt kvarvarande spänning efter svetsning, vilket förhindrar spänningskoncentration, vilket effektivt hämmar kallsprickor orsakade av vätefördröjd sprickbildning eller hög spänning. Denna effekt är särskilt uttalad vid svetsning av hög-hållfast stål och material med hög-hårdhet.
3.2 Förbättra prestandan hos fogar av olika material
Den största utmaningen vid olik metallsvetsning ligger i de stora skillnaderna i fysikaliska egenskaper (såsom smältpunkt och värmeledningsförmåga) och tendensen att bilda tjocka och spröda intermetalliska föreningar (IMC) vid gränsytan, vilket orsakar allvarlig försprödning av fogen. Ultraljudsvibrationer ger en unik lösning för detta:
(1) Undertryckning och förfining av IMC-skiktet: Det kraftfulla akustiska flödet av ultraljud fungerar som en omrörningsmekanism, bryter det nybildade spröda IMC-skiktet, förhindrar dess kontinuerliga tillväxt och drar in dess fragment i smältbassängen, vilket gör att de fördelas i svetsen som fina, dispergerade partiklar. På detta sätt är den spröda fasen inte längre ett svagt kontinuerligt gränssnitt utan omges av en stark och seg matris, vilket avsevärt förbättrar fogens plasticitet och seghet. Till exempel, vid svetsning av aluminium/stål och aluminium/koppar, kan tjockleken på IMC-skiktet effektivt kontrolleras under ett kritiskt värde på bara några mikrometer eller ännu mindre.
3.3 Optimering av svetsbildning och mekaniska egenskaper
Förutom att lösa defektproblem kan ultraljudsvibrationer förbättra kvaliteten på svetsbildningen avsevärt.
(1) Förbättring av svetsbildning: Ultraljudsvibrationer minskar den skenbara viskositeten hos den smälta metallen och ökar dess flytbarhet. Detta gör det lättare för den flytande metallen att spridas och fyllas, vilket resulterar i en jämnare och jämnare svetsyta, vilket minskar formationsfel som underskärning och bristande penetration. Samtidigt gör den förbättrade vätbarheten övergången mellan svetsen och basmaterialet mer gradvis, vilket minskar spänningskoncentrationspunkterna.
(2) Omfattande förbättring av mekaniska egenskaper: Detta är det ultimata resultatet av alla ovanstående fördelar. På grund av elimineringen av porositet och mikrosprickor, samt betydande kornförfining (Figur 3), kan svetsens styrka och plasticitet samtidigt förbättras, vilket bryter den konventionella avvägningen- mellan styrka och plasticitet inom traditionell materialvetenskap. Den fina likaxliga kornstrukturen gör sprickutbredningsvägen slingrande, vilket avsevärt förbättrar fogens brottseghet och utmattningsmotstånd.
04
Sammanfattning
Som en innovativ bearbetningsmetod för sammansatt energifält, kompletterar och optimerar UVA-LW inte bara traditionella lasersvetsprocesser utan löser också i grunden flera långvariga kärnfrågor. Genom att exakt koppla ett-högfrekvent akustiskt energifält in i lasersmältan, uppnår denna teknik djupa fysiska ingrepp genom "fotoakustisk synergi", vilket förbättrar hela prestandakedjan från vätskerening och stelningsmikrostrukturkontroll till fast-spänningsavlastning.
Med allt strängare krav på anslutningskvalitet inom områden som nya energifordon (särskilt koppar-aluminiumanslutningar i kraftbatterier), flyg (lättviktslegeringar med hög-hållfasthet och strukturella komponenter i olika material) och hög-precisionstillverkning, demonstrerar ultraljudsvibrationsstödd applikationssvetsteknik en betydande lasersvetsningsteknik.- Framtida forskning kan fokusera på 1) synergistisk optimering och matchning av ultraljuds- och laserparametrar för att uppnå "anpassad" svetsning för specifika material och applikationer; 2) att integrera denna teknik med onlineövervakning och intelligenta kontrollsystem för att möjliggöra återkoppling i sluten-slinga och kvalitetssäkring i realtid under svetsprocessen; 3) ytterligare utforska dess applikationer inom banbrytande{10}}områden som additiv tillverkning för att kontrollera kvarvarande spänningar och mikrostrukturella egenskaper under utskriftsprocessen. Det är förutsägbart att lasersvetsningsteknik med hjälp av ultraljudsvibrationer inte bara kommer att vara en "problemlösare" utan kommer att bli en "prestandahöjare" som driver utvecklingen av avancerad tillverkningsteknik, vilket ger en möjlig väg mot högre prestanda och mer tillförlitliga materialanslutningar.
