01
Sissejuhatus
Kasutades eeliseid, nagu kontsentreeritud energia, suur täpsus ja minimaalne deformatsioon, on laserkeevitustehnoloogia kujunenud tänapäevase täppistootmise põhiprotsessiks. Selle kiire sulamise ja tahkumise omadused kujutavad endast aga suuri väljakutseid väga peegeldavate materjalide (nagu vask ja alumiinium) töötlemisel,{1}}eeskätt ebastabiilse energia neeldumise ning poorsuse ja kuumpragunemise suhtes. Need probleemid on eriti teravad erinevate materjalide keevitamisel, kus haprad intermetallilised ühendid võivad tõsiselt kahjustada vuugi jõudlust. Need kitsaskohad on piiranud laserkeevituse edasist rakendamist tipptasemel-sektorites, nagu akud ja kosmosetööstus. Viimastel aastatel on materjalide töötlemise valdkonnas üha enam kasutusele võetud ultraheli vibratsioonitehnoloogiat, et täiustada traditsioonilisi tehnikaid ja võimaldada enneolematut tootmise paindlikkust. Lisaks väljakujunenud rakendustele puhastamises, sonokeemias, metallitöötluses ja pihustamisel on ultrahelitehnoloogiast nüüd järk-järgult saamas kriitilise tähtsusega lisatööriist täiustatud tootmisplatvormidel,{7}}sh täppistöötlus, täiustatud keevitamine, lasertöötlus ja lisandite tootmine. Sellest tulenevalt on laserkeevitusele omaste piirangute ületamiseks välja töötatud uuenduslik lahendus: ultraheli vibratsiooni-abiga laserkeevitus (UVA-LW) (joonis 1). See tehnoloogia integreerib uuenduslikult kõrgsageduslikud ultrahelivibratsioonid laserkeevitusprotsessi, mille eesmärk on ära kasutada ultrahelilainete ainulaadset akustilist voogu, kavitatsiooni ja stressiefekte, et sekkuda otseselt-füüsilisel tasandil-sulabasseini vooludünaamikasse, gaasi käitumisse ja tahkestumise protsessi. Selle "akusto-optilise sünergia abil segab UVA-LW-tehnoloogia tõhusalt sulabasseini, hõlbustab gaasi väljutamist, täpsustab terastruktuuri ja pärsib rabedate faaside teket. See lähenemisviis parandab oluliselt keevisõmbluse kvaliteeti ja jõudlust, sillutades seeläbi paljutõotavat uut teed tavapärase laserkeevitusega seotud probleemide lahendamiseks.
02
Põhimõte: heli ja valguse sünergiline mõju
Ultraheli vibratsiooni{0}}toega laserkeevituse olemus seisneb akustilise energiavälja võimes saavutada laserkeevitusprotsessi põhjalik, sügav{1}}tasane optimeerimine-, mis hõlmab kogu ahelat alates vedela sulandikogumi füüsilisest käitumisest kuni mikrostruktuurilise evolutsioonini tahkestumise ajal ja lõpuks pärast tahkete olekute jahtumist-. Esiteks kutsuvad kõrgsageduslikud ultrahelilained sulametallis esile võimsa akustilise voo ja kavitatsiooniefekti vedelfaasis, toimides tõhusalt sulametalli "mikro-segamise" ja "tõhusa puhastamise" mehhanismina. Suunatud makroskoopiline voog, mis tekib akustilise vooefekti -sarnaselt sisseehitatud-segistiga-, loksutab ägedalt sulamiskogumit (joonis. 2), sundides seeläbi elementide koostist ja temperatuurijaotust homogeniseerima. See on eriti oluline erinevate materjalide keevitamisel, kuna see häirib tõhusalt pidevate, rabedate metallidevaheliste ühendite moodustumist, mis kipuvad kogunema liidesele, hajutades need peeneks, eraldiseisvateks osakesteks, et suurendada vuugi sitkust. Samal ajal vallandab intensiivsem kavitatsiooniefekt-, mille käivitab lugematute mikroskoopiliste mullide hetkeline kokkuvarisemine,{15}}võimsad lööklained ja suure{16}}kiirusega mikro{17}}joad. Ühest küljest eemaldab see tegevus intensiivselt oksiidkiled sulamisbasseini pinnalt, parandades seeläbi märguvust; teisalt raputab see välja kahjulikud gaasid, nagu vesinik ja lämmastik, mis on basseinis lõksus, sundides neid kiiresti tõusma ja sealt välja pääsema, pärssides seeläbi poorsusdefektide teket. Seejärel ilmnevad tahkestumise faasis kavitatsiooniefekti tekitatud perioodilised kõrgrõhulained tugeva vahendina tahkumise mikrostruktuuri reguleerimiseks. Kui sulamisbassein hakkab jahtuma ja dendriidid kasvama, lõhuvad need lööklained neid tõhusalt. Akustilise vooga kaasaskantuna on need killustatud dendriitharud hajutatud kogu sulamisbasseinis, toimides paljude uute heterogeensete tuumade moodustumiskohtadena ja saavutades seeläbi kristallituumade "killustumise{23}}indutseeritud vohamise". See mehhanism muudab põhjalikult traditsioonilisi tahkumismustreid, pärssides jämedate sammaste terade kasvu, andes lõppkokkuvõttes suure jõudlusega keevisõmbluse mikrostruktuuri, mis koosneb paljudest peentest ühtlastest teradest-, mis suurendab oluliselt keevisõmbluse tugevust, plastilisust ja vastupidavust kuumale pragunemisele. Lõpuks, pärast-jahutamist tahke oleku{29}}faasis mängib ultrahelivibratsioon akustilise pehmendamise ja stressi leevendamise mehhanismide kaudu jätkuvalt keskset rolli. Akustiline pehmendav efekt põhjustab keevisõmbluse ja kuumusest{31}}mõjutatud tsooni materjalide-kõrge-temperatuuri plastilise olekus-hetkelise pehmenemise, mis muudab nende jaoks lihtsamaks kohanemise ja leevendamise mikrojahtumisest tingitud plastilise deformatsiooniga. Samal ajal annavad pidevad kõrge sagedusega mehaanilised vibratsioonid aatomite migratsiooniks ja dislokatsioonideks lisaenergiat, hõlbustades seeläbi sisepingete ümberjaotamist ja lõdvestamist. Järelikult -alates sulakogumi puhastamisest ja homogeniseerimisest kuni terade viimistlemiseni tahkestumise ajal ja lõpuks kuni stressi leevendamiseni tahkes olekus-loob ultraheli vibratsioon selle omavahel seotud füüsikaliste efektide jada kaudu ülitõhusa sünergilise interaktsiooni laseri soojusallikaga, lahendades seeläbi süstemaatiliselt traditsioonilise laserkeevitusega kaasnevad põhiprobleemid.
03
Rakenduse eelised: kvaliteedi ja jõudluse märkimisväärne paranemine
Akusto{0}}optilise sünergia põhiprintsiibid tähendavad lõppkokkuvõttes märkimisväärset hüpet edasi keevitamise kvaliteedis ja liigeste jõudluses. Võrreldes tavapärase laserkeevitusega on ultraheli vibratsiooni{2}}toega laserkeevitusel kolm peamist eelist tööstuse kriitiliste valupunktide lahendamisel:
3.1 Keevitusdefektide (poorsus ja praod) vähendamine
04
Kokkuvõte
Uuendusliku töötlemismeetodina, mis kasutab kombineeritud energiavälja, ei toimi UVA{0}}LW mitte ainult traditsiooniliste laserkeevitusprotsesside täiendusena ja optimeerijana, vaid lahendab põhimõtteliselt ka mitmed pikaajalised{1}}põhiprobleemid, mis neile omased on. Ühendades täpselt kõrgsagedusliku-akustilise energiavälja lasersulamisbasseiniga, saavutab see tehnoloogia sügava füüsilise sekkumise läbi "akusto-optilise sünergia", saavutades seeläbi materjali omaduste tervikliku paranemise-, mis hõlmab kogu ahelat vedela-faasi puhastamisest ja tahkestumise struktuuri reguleerimisest kuni tahke pinge leevendamiseni{{7}.}}
Sellistes sektorites nagu uued energiasõidukid (eriti vask{0}}alumiiniumühendused toiteakude sees), kosmosetööstus (sealhulgas kerged, ülitugevad sulamid ja erinevad materjalistruktuurid) ja tipptasemel -täppistootmine, mis seab järjest rangemad nõuded ühenduskvaliteedile, ultraheli-keevitusvibratsiooni tehnoloogiale, mis on seotud potentsiaalse laseriga. Tulevased uurimissuunad keskenduvad tõenäoliselt: 1) ultraheli- ja laserparameetrite sünergilisele optimeerimisele ja sobitamisele, et võimaldada "kohandatud" keevitamist konkreetsete materjalide ja rakenduste jaoks; 2) selle tehnoloogia integreerimine võrguseire ja intelligentsete juhtimissüsteemidega, et saavutada keevitusprotsessis suletud-ahela tagasiside ja tagada reaalajas-kvaliteedi tagamine; ja 3) selle rakenduste edasine uurimine tipptasemel valdkondades,{11}}nagu lisaainete tootmine{12}}, et kontrollida printimisprotsessi ajal jääkpingeid ja mikrostruktuuri omadusi. On ette näha, et ultrahelivibratsiooniga laserkeevitustehnoloogia areneb pelgalt "probleemide{15}lahendajast" ja muutub "jõudluse parandajaks", mis soodustab tootmistehnoloogiate edenemist, pakkudes seeläbi elujõulist teed parema{16}}jõudluse ja usaldusväärsemate materjaliühenduste saavutamiseks.
