01
Įvadas
Naudojant tokius pranašumus kaip koncentruota energija, didelis tikslumas ir minimali deformacija, lazerinio suvirinimo technologija tapo pagrindiniu šiuolaikinės tikslios gamybos procesu. Tačiau dėl greito lydymosi ir kietėjimo charakteristikų kyla didelių iššūkių apdorojant labai atspindinčias medžiagas (pvz., varį ir aliuminį) -konkrečiai, nestabili energijos absorbcija ir jautrumas poringumui bei karštam įtrūkimui. Šios problemos ypač aktualios suvirinant skirtingas medžiagas, kur susidarę trapūs intermetaliniai junginiai gali labai pakenkti jungties veikimui. Šios kliūtys apribojo tolesnį suvirinimo lazeriu taikymą aukščiausios klasės- sektoriuose, pvz., maitinimo baterijose ir kosmose. Pastaraisiais metais ultragarsinės vibracijos technologija vis dažniau buvo įtraukta į medžiagų apdirbimo sritį, siekiant pagerinti tradicines technologijas ir suteikti precedento neturintį gamybos lankstumą. Ultragarso technologija ne tik taikoma valymo, sonochemijos, metalo apdorojimo ir purškimo srityse, bet ir dabar palaipsniui tampa svarbiu pagalbiniu tobulinimo įrankiu pažangiose gamybos platformose,{7}}įskaitant tikslų apdirbimą, pažangų suvirinimą, apdorojimą lazeriu ir priedų gamybą. Todėl, siekiant įveikti tam tikrus lazeriniam suvirinimui būdingus apribojimus, atsirado naujoviškas sprendimas: ultragarsinio vibracijos{9}}pagalbinio lazerinio suvirinimo (UVA{10}}LW) technologija (1 pav.). Ši technologija naujoviškai integruoja aukšto-dažnio ultragarso virpesius į suvirinimo lazeriu procesą, siekdama panaudoti unikalų ultragarso bangų akustinį srautą, kavitaciją ir streso poveikį, kad jie tiesiogiai įsikištų-fiziniu lygiu-į išlydyto baseino srauto dinamiką, dujų elgseną ir kietėjimo procesą. Dėl šios „akusto-optinės sinergijos“ UVA-LW technologija efektyviai sujudina išlydytą baseiną, palengvina dujų pašalinimą, patobulina grūdelių struktūras ir slopina trapių fazių susidarymą. Šis metodas žymiai pagerina suvirinimo kokybę ir našumą, taip atverdamas daug žadantį naują kelią sprendžiant su įprastiniu lazeriniu suvirinimu susijusius iššūkius.
02
Pagrindinis principas: garso ir šviesos sinerginis poveikis
Ultragarsinio vibracinio -suvirinimo lazeriu esmė slypi akustinio energijos lauko gebėjime pasiekti visapusišką, gilų-lygio lazerinio suvirinimo proceso optimizavimą-, apimantį visą grandinę nuo skysčių lydalo baseino fizinės elgsenos iki mikrostruktūros evoliucijos kietėjimo metu ir galiausiai po kietosios įtampos reguliavimo-. Pirma, skystosios fazės metu aukšto dažnio ultragarso bangos sukelia galingą akustinį srautą ir kavitacijos efektą lydalo baseine, efektyviai veikdamos kaip „mikro-maišymo“ ir „veiksmingo“ išlydyto metalo valymo mechanizmas. Kryptinis makroskopinis srautas, kurį sukuria akustinio srauto efektas, -panašiai kaip įmontuotas-maišiklis{10}}smarkiai maišo lydalo telkinį (. 2 pav.), taip priversdamas homogenizuoti elementų sudėtį ir temperatūros pasiskirstymą. Tai ypač svarbu suvirinant skirtingas medžiagas, nes tai veiksmingai sutrikdo ištisinių, trapių intermetalinių junginių, kurie linkę kauptis sąsajoje, susidarymą ir paskleidžia juos į smulkias, atskiras daleles, kad padidintų jungties tvirtumą. Tuo pačiu metu intensyvesnis kavitacijos efektas, -sukeliamas akimirksniu sugriuvus nesuskaičiuojamiems mikroskopiniams burbulams-išleidžia galingas smūgines bangas ir didelio{16}}greičio mikro{17}}purkštus. Viena vertus, šis veiksmas energingai nuvalo oksido plėveles nuo lydalo baseino paviršiaus, taip pagerindamas drėkinimą; kita vertus, jis „iškrato“ baseine įstrigusias kenksmingas dujas, tokias kaip vandenilis ir azotas, priversdamas jas greitai pakilti ir išbėgti, taip iš esmės slopindamas poringumo defektų susidarymą. Vėliau kietėjimo fazės metu periodinės aukšto slėgio smūgio bangos, kurias sukelia kavitacijos efektas, išryškėja kaip galinga priemonė kietėjimo mikrostruktūrai reguliuoti. Kai lydalo baseinas pradeda vėsti ir pradeda augti dendritai, šios smūginės bangos juos veiksmingai sulaužo ir suskaido. Nešiojamos akustinės srovės, šios suskaidytos dendritinės rankos yra išsklaidytos visame lydalo telkinyje, tarnauja kaip daugybė naujų nevienalyčių branduolių susidarymo vietų ir taip pasiekiamas kristalų branduolių „suskaldymas{23}}sukeltas proliferacija“. Šis mechanizmas iš esmės pakeičia tradicinius kietėjimo modelius, stabdydamas stambaus stulpelio pavidalo grūdelių augimą ir galiausiai sukuria aukštos -našumo suvirinimo mikrostruktūrą, sudarytą iš daugybės smulkių, vienodų lygiagrečių grūdelių-, todėl suvirinimo siūlės stiprumas, plastiškumas ir atsparumas karštam įtrūkimui labai padidėja. Galiausiai po-aušinimo kietosios būsenos{29}}fazės metu ultragarsinė vibracija ir toliau atlieka pagrindinį vaidmenį dėl akustinio minkštinimo ir streso mažinimo mechanizmų. Dėl akustinio minkštinimo efekto suvirinimo siūlės ir karščio paveiktos zonos medžiagos,-būdamos aukštos -temperatūrinės plastinės būsenos-, „akimirksniu suminkštėja“, todėl joms lengviau prisitaikyti ir sumažinti įtempių susitraukimo koncentraciją, atsirandančią dėl mikrokopinio aušinimo. Tuo pačiu metu nuolatinės aukšto{36}}dažnio mechaninės vibracijos suteikia papildomos energijos atomų migracijai ir dislokacijai, taip palengvindamos vidinių įtempių persiskirstymą ir atsipalaidavimą. Todėl-nuo išlydyto baseino valymo ir homogenizavimo iki grūdelių rafinavimo kietėjimo metu ir galiausiai iki įtampos pašalinimo kietoje būsenoje-ultragarsinė vibracija sukuria labai veiksmingą sinerginę sąveiką su lazerio šilumos šaltiniu per šiuos tarpusavyje sujungtus fizinius efektus ir taip sistemingai sprendžia pagrindinius su tradiciniu lazeriu susijusius iššūkius.
03
Taikymo pranašumai: reikšmingas kokybės ir našumo pagerėjimas
Pagrindiniai akustinės{0}}optinės sinergijos principai galiausiai reiškia reikšmingą suvirinimo kokybės ir jungčių našumo šuolį. Palyginti su įprastu lazeriniu suvirinimu, ultragarsinis suvirinimas{2}}suvirinimas lazeriu turi tris pagrindinius pranašumus sprendžiant svarbias pramonės problemas:
3.1 Suvirinimo defektų (poringumo ir įtrūkimų) mažinimas
04
Santrauka
Kaip novatoriškas apdorojimo metodas, kuriame naudojamas sudėtinis energijos laukas, UVA{0}}LW ne tik papildo ir optimizuoja tradicinius lazerinio suvirinimo procesus, bet ir iš esmės išsprendžia keletą ilgalaikių{1}}su jiems būdingų problemų. Tiksliai sujungus aukšto-dažnio akustinės energijos lauką prie lazerio išlydyto baseino, ši technologija leidžia pasiekti gilų fizinį įsikišimą per „akusto-optinę sinergiją“, taip visapusiškai pagerinant medžiagos savybes-, apimančią visą grandinę nuo skysčio-fazės valymo ir kietėjimo struktūros reguliavimo iki kietojo įtempių mažinimo-.
Tokiuose sektoriuose kaip naujos energetinės transporto priemonės (ypač varinių -aliuminio jungčių energijos baterijose), aviacijos ir kosmoso (lengvų, didelio stiprumo lydinių ir skirtingų medžiagų struktūrų) ir aukščiausios klasės tikslios gamybos, keliančios vis griežtesnius sujungimo kokybės reikalavimus, ultragarso suvirinimo lazerinių vibracijų technologijas. Tikėtina, kad būsimos tyrimų kryptys bus sutelktos į: 1) sinerginį ultragarso ir lazerio parametrų optimizavimą ir suderinimą, kad būtų galima „pritaikytas“ suvirinimas konkrečioms medžiagoms ir pritaikymams; 2) šios technologijos integravimas su internetinėmis stebėjimo ir išmaniosiomis valdymo sistemomis, kad suvirinimo procese būtų užtikrintas uždaras-ciklas ir užtikrintas kokybės užtikrinimas realiuoju laiku; ir 3) tolesnis jos pritaikymo pažangiausiose srityse,{11}}pavyzdžiui, priedų gamybos{12}}tyrimas, siekiant kontroliuoti likutinį įtempį ir mikrostruktūros savybes spausdinimo proceso metu. Numatoma, kad ultragarso vibracijos{14}}pagalba lazerinio suvirinimo technologija taps ne tik „problemų{15}sprendimu“ ir taps „našumo didikliu“, skatinančiu gamybos technologijų pažangą, ir taip bus galima pasiekti geresnį{16}}našumą ir patikimesnį medžiagų ryšį.
