01
Įvadas
Lazerinio suvirinimo technologija, turinti energijos koncentracijos, didelio tikslumo ir minimalaus iškraipymo privalumus, tapo pagrindiniu šiuolaikinės tikslios gamybos procesu. Tačiau jo greito lydymosi ir kietėjimo charakteristikos susiduria su sunkumais apdorojant labai atspindinčias medžiagas (tokias kaip varis ir aliuminis), įskaitant nestabilią energijos absorbciją, jautrumą poringumui ir terminį įtrūkimą. Tai ypač ryšku suvirinant skirtingas medžiagas, kur susidarę trapūs intermetaliniai junginiai labai susilpnina jungties veikimą. Šios kliūtys riboja tolesnius pritaikymus aukščiausios klasės-srityse, pvz., maitinimo baterijose ir kosmose. Pastaraisiais metais ultragarsinės vibracijos technologija vis dažniau buvo įtraukta į medžiagų apdirbimo sritį, siekiant pagerinti tradicinius metodus ir pasiekti precedento neturintį gamybos lankstumą. Be esamų valymo, sonochemijos, metalo apdorojimo ir purškimo taikymo sričių, ultragarsas palaipsniui tampa labai svarbiu pagalbiniu tobulinimo metodu pažangiose gamybos platformose, įskaitant tikslų apdirbimą, pažangų suvirinimą, apdorojimą lazeriu ir priedų gamybą. Šiuo tikslu, siekiant įveikti kai kuriuos suvirinimo lazeriu apribojimus, buvo sukurtas naujoviškas sprendimas-ultragarsine vibracija{8}}pagalba suvirinimas lazeriu (UVA-LW)-(1 pav.). Ši technologija kūrybiškai įveda aukšto-dažnio ultragarso vibraciją į suvirinimo lazeriu procesą, siekiant panaudoti unikalų ultragarso akustinį srautą, kavitaciją ir streso poveikį, kad fiziškai įsikištų į išlydyto baseino srauto, dujų elgseną ir kietėjimo procesus. Naudodama šią „akusto-optinę sinergiją“, UVA-LW technologija gali veiksmingai išmaišyti išlydytą baseiną, skatinti degazavimą, gryninti grūdelius ir slopinti trapių fazių susidarymą, taip žymiai pagerindama suvirinimo kokybę ir našumą bei atverdama daug žadantį kelią tradicinio suvirinimo lazeriu sunkumams spręsti.
1 pav. Scheminė diagrama: (a) UVA-LW eksperimentinė sąranka; b) išlydyto telkinio morfologija UVA-LW proceso metu; c) išlydyto baseino srauto charakteristikos UVA-LW proceso metu [1].
Pagrindinis principas: Sinerginis garso ir šviesos poveikis
Ultragarsinio vibracinio -suvirinimo lazeriu esmė slypi akustinio energijos lauko optimizavime visame lazerinio suvirinimo procese – nuo fizinio išlydyto vandens telkinio elgesio, organizacinės raidos kietėjimo metu iki įtempių reguliavimo kietoje būsenoje po aušinimo. Pirma, skysčių fazėje aukšto -dažnio ultragarso bangos sukuria galingą akustinį srautą ir kavitacijos efektus išlydyto baseino viduje, veikdamos kaip „mikroskopinis maišiklis“ ir „efektyvus išlydyto metalo valytojas“. Kryptinis makroskopinis srautas, kurį sukuria akustinis srautas, veikia kaip vidinis maišytuvas, energingai maišydamas išlydytą baseiną, taip užtikrindamas vienodą elementų ir temperatūros pasiskirstymą. Tai ypač svarbu suvirinant skirtingas medžiagas, nes tai veiksmingai suardo trapius intermetalinius junginius, kurie sąsajoje linkę sudaryti ištisinius sluoksnius, paskirstydami juos smulkiai ir tolygiai, taip pagerindami jungčių tvirtumą. Tuo pačiu metu intensyvesnis kavitacijos efektas, akimirksniu sugriuvus daugybei mikroburbuliukų, išskiria stiprias smūgines bangas ir didelio greičio{6}}mikropurkštus. Tai ne tik pašalina oksido plėveles iš išlydyto baseino paviršiaus, kad pagerintų drėkinimą, bet ir pašalina iš baseino kenksmingas dujas, tokias kaip vandenilis ir azotas, priversdamos jas greitai pasišalinti ir iš esmės užkertant kelią poringumo defektų susidarymui. Vėliau kietėjimo stadijoje periodinės aukšto slėgio smūginės bangos, kurias sukelia kavitacijos efektas, tampa galingu kietėjimo struktūros valdymo įrankiu. Išlydytam baseinui vėstant ir dendritams augant, šios smūginės bangos juos veiksmingai sulaužo ir suskaido. Suskaidytos dendrito rankos, pernešamos visame baseine dėl akustinio srauto, veikia kaip daugybė naujų ne-spontaniškų branduolių susidarymo vietų, todėl branduoliai „išsidaugina fragmentiškai“. Šis mechanizmas iš esmės pakeičia tradicinį kietėjimo modelį, slopindamas stambių stulpinių kristalų augimą ir dėl to susidaro didelio našumo{14}}suvirinimo struktūra, sudaryta iš daugybės smulkių, vienodų lygiagrečių kristalų, o tai labai padidina suvirinimo stiprumą, lankstumą ir atsparumą terminiam įtrūkimui. Galiausiai, atvėsus{16}}kietosios būsenos stadijoje, ultragarsinė vibracija ir toliau atlieka pagrindinį vaidmenį akustiniam minkštinimui ir streso mažinimui. Akustinis minkštinimo efektas laikinai suminkština suvirinimo ir karščio paveiktų zonų medžiagas aukštoje -temperatūroje, todėl jos gali geriau prisitaikyti ir atpalaiduoti įtempių koncentracijas, kurias sukelia aušinimo susitraukimas dėl mikroskopinės plastinės deformacijos. Be to, nuolatinė aukšto{21}}dažnio mechaninė vibracija suteikia papildomos energijos atomų migracijai ir dislokacijai, skatina vidinių įtempių persiskirstymą ir atsipalaidavimą. Todėl nuo skysčio valymo ir homogenizavimo iki grūdelių rafinavimo kietėjimo metu ir įtempių mažinimo kietoje būsenoje, ultragarsinė vibracija dėl šių tarpusavyje susijusių fizinių efektų sukuria veiksmingą sinerginį veiksmą su lazerio šilumos šaltiniu, sistemingai sprendžiant pagrindinius tradicinio lazerinio suvirinimo iššūkius. ...
2 pav. Ultragarso poveikis skysčio srautui išlydytame baseine: (a) be ultragarso; b) ultragarsu [1].
03
Taikymo pranašumai: reikšmingas kokybės ir našumo pagerėjimas
Pagrindinis fotoakustinės sinergijos principas galiausiai reiškia reikšmingą suvirinimo kokybės ir jungčių našumo šuolį. Palyginti su tradiciniu lazeriniu suvirinimu, ultragarsinis vibracinis suvirinimas{1}}atrodo tris pagrindinius pranašumus sprendžiant pramonės problemas:
3.1 Suvirinimo defektų mažinimas (poringumas, įtrūkimai)
Akytumas ir įtrūkimai yra du pagrindiniai „žudikai“, darantys įtaką suvirinimo patikimumui, o ultragarsinė vibracija juos stipriai slopina.
(1) Akytumo slopinimas: Atliekant tradicinį suvirinimą lazeriu, ypač giliai įsiskverbiant, poringumas lengvai susidaro dėl rakto skylutės nestabilumo ir metalo garų įsiskverbimo. Ultragarso įvedimas suteikia stiprią degazavimo jėgą išlydytam baseinui dėl kavitacijos ir akustinio srauto efektų. Viena vertus, smūginės bangos, kurias sukelia kavitacijos burbuliukų griūtis, gali tiesiogiai suskaidyti mažyčius vandenilio ir azoto burbuliukus išlydytame baseine arba priversti juos susijungti ir greitai kilti. Kita vertus, nuolat maišantis akustinio srauto efektas suteikia kelią ir plūdrumą burbulams ištrūkti. Tai žymiai pagerina suvirinimo tankį ir sumažina poringumą dydžiu ar daugiau, o tai yra labai svarbu sujungimų sandarinimui ir nuovargio tarnavimo laikui.
(2) Plyšių susidarymo slopinimas: suvirinimo įtrūkimai gali būti skirstomi į karštus ir šaltus įtrūkimus. Karštųjų įtrūkimų atveju ultragarsinė vibracija iš esmės pagerina kietėjimo struktūrą, nes sulaužo stambius stulpelinius grūdelius ir suformuoja smulkius lygiagrečius grūdelius, sumažina žemos -lydymosi- eutektikos atsiskyrimą prie grūdelių ribų ir taip padidina medžiagos atsparumą įtrūkimams aukštose{4}} temperatūros zonose. Dėl šaltų įtrūkimų ultragarsinis minkštinimo efektas ir įtempių atpalaidavimas žymiai sumažina liekamąjį įtempį po suvirinimo, užkertant kelią įtempių koncentracijai, taip veiksmingai slopinant šaltus įtrūkimus, kuriuos sukelia vandenilis uždelstas įtrūkimas arba didelis įtempis. Šis poveikis ypač ryškus suvirinant didelio-stiprumo plieną ir didelio{8}}kietumo medžiagas.
3.2 Skirtingų medžiagų jungčių veikimo gerinimas
Didžiausias skirtingų metalų suvirinimo iššūkis yra dideli fizikinių savybių (tokių kaip lydymosi temperatūra ir šilumos laidumas) skirtumai ir polinkis susidaryti storus ir trapius intermetalinius junginius (IMC) sąsajoje, dėl kurio jungtis labai trapi. Ultragarsinė vibracija yra unikalus sprendimas:
(1) IMC sluoksnio slopinimas ir tobulinimas: galingas ultragarso akustinis srautas veikia kaip maišymo mechanizmas, suardantis ką tik susidariusį trapų IMC sluoksnį, neleidžiantis jam nuolat augti, o jo fragmentus įtraukiant į lydalo telkinį, todėl jie pasiskirsto suvirinimo siūlėje kaip smulkios, išsklaidytos dalelės. Tokiu būdu trapi fazė nebėra silpna ištisinė sąsaja, bet yra apsupta stiprios ir kietos matricos, labai pagerinančios jungties plastiškumą ir tvirtumą. Pavyzdžiui, suvirinant aliuminį/plieną ir aliuminį/varią, IMC sluoksnio storis gali būti efektyviai kontroliuojamas žemiau kelių mikronų ar net mažesnės kritinės vertės.
3.3 Suvirinimo siūlės formavimo ir mechaninių savybių optimizavimas
Ultragarsinė vibracija gali ne tik išspręsti defektų problemas, bet ir visapusiškai pagerinti suvirinimo suvirinimo kokybę.
(1) Suvirinimo formavimo gerinimas: Ultragarsinė vibracija sumažina tariamą išlydyto metalo klampumą ir padidina jo sklandumą. Dėl to skystas metalas lengviau pasiskirsto ir prisipildo, todėl suvirinimo paviršius tampa lygesnis ir vienodesnis, todėl sumažėja formavimosi defektų, tokių kaip įpjovimas ir prasiskverbimas. Tuo pačiu metu dėl geresnio drėkinimo perėjimas tarp suvirinimo siūlės ir pagrindinės medžiagos tampa laipsniškesnis, sumažinant įtempių koncentracijos taškus.
(2) Visapusiškas mechaninių savybių pagerinimas: tai yra galutinis visų pirmiau minėtų pranašumų rezultatas. Dėl poringumo ir mikroįtrūkimų pašalinimo, taip pat dėl reikšmingo grūdėtumo patobulinimo (3 pav.), suvirinimo siūlės stiprumas ir plastiškumas vienu metu gali būti pagerintas, o tai nutraukia įprastą stiprumo ir plastiškumo{3}}prekybą tradiciniame medžiagų moksle. Dėl smulkių lygiašių grūdelių struktūros plyšio plitimo kelias tampa vingiuotas, todėl labai padidėja jungties atsparumas lūžiams ir atsparumas nuovargiui.
04
Santrauka
UVA{0}}LW, kaip naujoviškas sudėtinio energijos lauko apdorojimo metodas, ne tik papildo ir optimizuoja tradicinius lazerinio suvirinimo procesus, bet ir iš esmės sprendžia keletą ilgalaikių{1}}pagrindinių problemų. Tiksliai sujungus aukšto-dažnio akustinės energijos lauką prie lazerio išlydyto baseino, ši technologija pasiekia gilų fizinį įsikišimą per „fotoakustinę sinergiją“, pagerindama visą veikimo grandinę nuo skysčių valymo ir kietėjimo mikrostruktūros valdymo iki kietosios būsenos įtampos mažinimo.
Vis griežtėjant sujungimo kokybei tokiose srityse kaip naujos energijos transporto priemonės (ypač vario{0}}aliuminio jungtys maitinimo baterijose), kosminė erdvė (lengvi didelio stiprumo lydiniai ir skirtingos medžiagos konstrukciniai komponentai) ir aukščiausios klasės preciziška gamyba, ultragarso vibracijos{3}}pagalbos suvirinimo lazeriu technologija. Būsimi tyrimai gali būti sutelkti į 1) sinerginį ultragarso ir lazerio parametrų optimizavimą ir suderinimą, kad būtų pasiektas „pritaikytas“ suvirinimas konkrečioms medžiagoms ir pritaikymams; 2) šios technologijos integravimas su internetinėmis stebėjimo ir išmaniosiomis valdymo sistemomis, kad suvirinimo proceso metu būtų užtikrintas uždaros-kilpos grįžtamasis ryšys ir kokybės užtikrinimas realiuoju-laiku; 3) toliau tirti jo pritaikymą pažangiausiose srityse, pvz., priedų gamyboje, siekiant kontroliuoti liekamąjį įtempį ir mikrostruktūrines savybes spausdinimo proceso metu. Numatoma, kad ultragarso vibracijos{12}}pagalba suvirinimo lazeriu technologija bus ne tik „problemų sprendėjas“, bet ir „našumo gerinimo priemonė“, skatinanti pažangių gamybos technologijų plėtrą, suteikianti galimybę pasiekti didesnį našumą ir patikimesnes medžiagų jungtis.
