01
Sissejuhatus
Laserkeevitustehnoloogia, mille eelised on kontsentreeritud energia, kõrge täpsus ja minimaalne moonutus, on muutunud tänapäevase täppistootmise põhiprotsessiks. Selle kiire sulamis- ja tahkumisomadused seisavad aga silmitsi väga peegeldavate materjalide (nagu vask ja alumiinium) töötlemisel väljakutsetega, sealhulgas ebastabiilne energia neeldumine, tundlikkus poorsuse suhtes ja termiline pragunemine. See on eriti väljendunud erinevate materjalide keevitamisel, kus haprate intermetalliliste ühendite moodustumine nõrgendab tugevalt liigeste jõudlust. Need kitsaskohad piiravad edasisi rakendusi tipptasemel-valdkondades, nagu akud ja lennundus. Viimastel aastatel on materjali töötlemise valdkonnas üha enam kasutusele võetud ultraheli vibratsioonitehnoloogiat, et täiustada traditsioonilisi meetodeid ja saavutada enneolematu tootmise paindlikkus. Lisaks olemasolevatele puhastus-, sonokeemia-, metallitöötlus- ja pihustamisrakendustele on ultrahelist järk-järgult saamas ülitähtis abiparandusmeetod täiustatud tootmisplatvormidel, sealhulgas täppistöötluses, täiustatud keevitamises, lasertöötluses ja lisandite tootmises. Selleks, et ületada mõned laserkeevituse piirangud, on välja töötatud uuenduslik lahendus-ultrahelivibratsiooni-toega laserkeevitus (UVA-LW)-(joonis 1). See tehnoloogia lisab laserkeevitusprotsessi loominguliselt kõrgsagedusliku-ultraheli vibratsiooni, mille eesmärk on kasutada ultraheli ainulaadset akustilist voolu, kavitatsiooni ja stressiefekte, et füüsiliselt sekkuda sulabasseini voolu, gaasi käitumise ja tahkumise protsessidesse. Selle "akusto-optilise sünergia" abil saab UVA-LW-tehnoloogia tõhusalt sulabasseini segada, soodustada degaseerimist, puhastada terasid ja pärssida rabedate faaside teket, parandades seeläbi oluliselt keevitamise kvaliteeti ja jõudlust ning avades paljutõotava uue tee traditsioonilise laserkeevituse loomupäraste raskuste lahendamiseks.
Joonis 1. Skemaatiline diagramm: (a) UVA-LW eksperimentaalne seadistus; (b) sulakogumi morfoloogia UVA-LW protsessi ajal; (c) UVA-LW protsessi ajal [1] sulanud basseini voolu omadused.
Põhimõte: heli ja valguse sünergiline mõju
Ultraheli vibratsiooni{0}}toega laserkeevituse olemus seisneb akustilise energiaväljaga saavutatavas optimeerimises kogu laserkeevitusprotsessi vältel, alates vedela sulabasseini füüsilisest käitumisest kuni tahkestumise ajal toimuva organisatsiooni arenguni kuni pinge reguleerimiseni tahkes olekus pärast jahutamist. Esiteks, vedelas faasis tekitavad kõrgsageduslikud ultrahelilained sulabasseinis võimsa akustilise voo ja kavitatsiooniefekti, toimides sulametalli "mikroskoopilise segaja" ja "tõhusa puhastajana". Akustilise voogu tekitatud suundmakroskoopiline vool toimib nagu sisemine segisti, segades tugevalt sulabasseini, tugevdades seeläbi elementide ja temperatuuri ühtlast jaotumist. See on eriti oluline erinevate materjalide keevitamisel, kuna see lõhub tõhusalt hapraid intermetallilisi ühendeid, mis kipuvad moodustama piirpinnal pidevaid kihte, jaotades need peenelt ja ühtlaselt, parandades nii vuukide tugevust. Samal ajal vabastab intensiivsem kavitatsiooniefekt lugematute mikromullide hetkelise kokkuvarisemise kaudu tugevaid lööklaineid ja suure kiirusega{6}}mikrojoad. See mitte ainult ei eemalda sulabasseini pinnalt oksiidikihte, et parandada märguvust, vaid väljutab basseinist ka kahjulikke gaase, nagu vesinik ja lämmastik, sundides neid kiiresti välja pääsema ja vältides põhimõtteliselt poorsusdefektide teket. Seejärel muutuvad tahkumisetapis kavitatsiooniefekti tekitatud perioodilised kõrgrõhulained{9}} võimsaks vahendiks tahkestumise struktuuri kontrollimisel. Kui sulabassein jahtub ja dendriidid kasvavad, purustavad ja killustavad need lööklained neid tõhusalt. Killutatud dendriitharud, mida akustiline voog kannab kogu basseinis, toimivad arvukate uute mitte-spontaansete tuumade tekkekohtadena, saavutades tuumade killustatud vohamise. See mehhanism muudab põhjalikult traditsioonilist tahkumismustrit, pärssides jämedate sammaskristallide kasvu ja tulemuseks on suure jõudlusega keevisõmbluse struktuur, mis koosneb suurest hulgast peentest ühtlase teljega kristallidest, mis suurendab oluliselt keevisõmbluse tugevust, plastilisust ja vastupidavust termilisele pragunemisele. Lõpuks, jahutatud tahkis{16}}etapis mängib ultrahelivibratsioon endiselt võtmerolli akustilises pehmendamises ja stressi leevendamises. Akustiline pehmendav efekt pehmendab ajutiselt keevisõmbluse ja kuumusega{18}}mõjutatud tsooni materjale nende kõrgel -temperatuuril plastilises olekus, muutes need võimelisemaks mikroskoopilise plastilise deformatsiooni kaudu jahutuskahanemisest põhjustatud pingekontsentratsioonide kohanemiseks ja lõdvestamiseks. Lisaks annab püsiv kõrgsageduslik{21}}mehaaniline vibratsioon lisaenergiat aatomite migratsiooniks ja dislokatsioonideks, soodustades sisemiste pingete ümberjaotumist ja lõdvestumist. Seetõttu, alates vedeliku puhastamisest ja homogeniseerimisest kuni terade rafineerimiseni tahkes olekus ja stressi leevendamiseni tahkes olekus, moodustab ultrahelivibratsioon selle omavahel seotud füüsikaliste efektide jada kaudu tõhusa sünergilise toime laseri soojusallikaga, lahendades süstemaatiliselt traditsioonilise laserkeevituse põhiprobleeme. ...
Joonis 2. Ultraheli mõju vedeliku voolule sulabasseinis: (a) ilma ultrahelita; b) ultraheliga [1].
03
Rakenduse eelised: kvaliteedi ja jõudluse märkimisväärne paranemine
Fotoakustilise sünergia põhiprintsiip tähendab lõppkokkuvõttes märkimisväärset hüpet keevitamise kvaliteedis ja liigeste jõudluses. Võrreldes traditsioonilise laserkeevitusega on ultraheli vibratsiooni{1}}toega laserkeevitusel kolm peamist eelist tööstuse valupunktide lahendamisel:
3.1 Keevitusdefektide (poorsus, praod) vähendamine
Poorsus ja praod on kaks peamist "tapjat", mis mõjutavad keevisõmbluse töökindlust ning ultrahelivibratsioonil on neile tugev pärssiv mõju.
(1) Poorsuse pärssimine: Traditsioonilises laserkeevituses, eriti sügaval läbitungimiskeevituses, tekib poorsus kergesti võtmeaugu ebastabiilsuse ja metalliauru kaasahaaramise tõttu. Ultraheli kasutuselevõtt tagab sulabasseinile tugeva degaseerimisjõu kavitatsiooni ja akustiliste voogedastusefektide kaudu. Ühest küljest võivad kavitatsioonimullide kokkuvarisemisel tekkivad lööklained sulabasseinis olevad pisikesed vesiniku- ja lämmastikumullid otse lõhkuda või sundida neid ühinema ja kiiresti tõusma. Teisest küljest pakub akustilise voogedastuse pidev segav efekt teed ja ujuvust mullide põgenemiseks. See parandab oluliselt keevisõmbluse tihedust, vähendades poorsust suurusjärgu või rohkemgi, mis on vuukide tihendamise ja väsimuse jaoks ülioluline.
(2) Pragude tekke takistamine: keevituspraod võib liigitada kuuma- ja külmapragudeks. Kuumade pragude korral parandab ultrahelivibratsioon oluliselt tahkestumise struktuuri, purustades jämedad sammaskujulised terad ja moodustades peeneid võrdseteljelisi terasid, vähendades madala -sulamistemperatuuriga-eutektika eraldumist terade piiridel, suurendades seeläbi materjali vastupidavust pragunemisele kõrgel-temperatuuri tsoonides. Külmade pragude korral vähendab ultraheli pehmendav efekt ja pingevabastus märkimisväärselt keevitamise järgset jääkpinget, vältides pingete kontsentratsiooni, pidurdades seega tõhusalt vesinikuga viivitatud pragunemisest või suurest pingest põhjustatud külmade pragude tekkimist. See efekt ilmneb eriti tugeva -terase ja kõrge{8} kõvadusega materjalide keevitamisel.
3.2 Erinevate materjalide liigeste toimivuse parandamine
Erinevate metallide keevitamise suurim väljakutse seisneb suurtes erinevustes füüsikalistes omadustes (nt sulamistemperatuur ja soojusjuhtivus) ning kalduvuses moodustada liidesel pakse ja rabedaid metallidevahelisi ühendeid (IMC), mis põhjustab vuugi tugevat haprust. Ultraheli vibratsioon pakub selleks ainulaadset lahendust:
(1) IMC kihi mahasurumine ja täiustamine: Ultraheli võimas akustiline vool toimib segamismehhanismina, purustades äsja moodustunud rabeda IMC kihi, takistades selle pidevat kasvu ja kaasates selle killud sulamisbasseini, põhjustades nende jaotumise keevisõmbluses peente hajutatud osakestena. Sel viisil ei ole rabe faas enam nõrk pidev liides, vaid seda ümbritseb tugev ja sitke maatriks, mis parandab oluliselt vuugi plastilisust ja sitkust. Näiteks alumiiniumi/terase ja alumiiniumi/vase keevitamisel saab IMC kihi paksust tõhusalt reguleerida alla mõne mikroni või isegi väiksema kriitilise väärtuse.
3.3 Keevisõmbluse moodustumise ja mehaaniliste omaduste optimeerimine
Lisaks defektiprobleemide lahendamisele võib ultrahelivibratsioon igakülgselt parandada keevisõmbluse moodustamise kvaliteeti.
(1) Keevisõmbluse moodustumise parandamine: Ultraheli vibratsioon vähendab sulametalli näivat viskoossust ja suurendab selle voolavust. See hõlbustab vedela metalli levikut ja täitmist, mille tulemuseks on sujuvam ja ühtlasem keevispind, mis vähendab moodustumise defekte, nagu allalõige ja läbitungimise puudumine. Samal ajal muudab paranenud märguvus ülemineku keevisõmbluse ja alusmaterjali vahel järkjärgulisemaks, vähendades pingekontsentratsiooni punkte.
(2) Mehaaniliste omaduste põhjalik parandamine: see on kõigi ülaltoodud eeliste ülim tulemus. Tänu poorsuse ja mikropragude kõrvaldamisele ning teravilja olulisele viimistlemisele (joonis 3) saab keevisõmbluse tugevust ja plastilisust samaaegselt parandada, katkestades traditsioonilises materjaliteaduses tavapärase tugevuse ja plastilisuse vahelise-kaubanduse. Peen, ühtlane teraline struktuur muudab pragude levimise tee käänuliseks, suurendades oluliselt vuugi purunemiskindlust ja väsimuskindlust.
04
Kokkuvõte
Uuendusliku komposiitenergiavälja töötlemismeetodina UVA{0}}LW mitte ainult ei täienda ja optimeerib traditsioonilisi laserkeevitusprotsesse, vaid lahendab põhimõtteliselt ka mitmed pikaajalised-põhiprobleemid. Ühendades täpselt kõrgsagedusliku-akustilise energiavälja lasersulamisbasseiniga, saavutab see tehnoloogia fotoakustilise sünergia kaudu sügava füüsilise sekkumise, täiustades kogu jõudluse ahelat vedeliku puhastamisest ja tahkestamise mikrostruktuuri juhtimisest kuni tahke oleku stressi leevendamiseni.
Üha rangemate nõuetega ühenduse kvaliteedile sellistes valdkondades nagu uued energiasõidukid (eriti vask{0}}alumiiniumühendused toiteakudes), kosmosetööstus (kerged ülitugevad sulamid ja erinevatest materjalidest konstruktsioonikomponendid) ja ülitäpse -täpse tootmine, demonstreerib ultraheli vibratsiooni-toega laserkeevitustehnoloogia märkimisväärset potentsiaali. Tulevased uuringud võivad keskenduda 1) ultraheli- ja laserparameetrite sünergilisele optimeerimisele ja sobitamisele, et saavutada spetsiifiliste materjalide ja rakenduste jaoks kohandatud keevitus; 2) selle tehnoloogia integreerimine võrguseire ja intelligentsete juhtimissüsteemidega, et võimaldada suletud-ahela tagasisidet ja reaalajas-kvaliteedi tagamist keevitusprotsessi ajal; 3) selle rakenduste edasine uurimine eesrindlikes valdkondades, nagu lisandite tootmine, et kontrollida printimisprotsessi ajal jääkpingeid ja mikrostruktuurilisi omadusi. On ette näha, et ultrahelivibratsiooni{12}}toega laserkeevitustehnoloogia ei ole pelgalt „probleemide lahendaja”, vaid sellest saab „jõudluse parandaja”, mis juhib täiustatud tootmistehnoloogiate arengut, pakkudes teostatavat teed suurema jõudluse ja usaldusväärsemate materjaliühenduste poole.
