01
Введение
Используя такие преимущества, как концентрированная энергия, высокая точность и минимальная деформация, технология лазерной сварки стала основным процессом в современном точном производстве. Однако его характеристики быстрого плавления и затвердевания создают серьезные проблемы при обработке материалов с высокой отражающей способностью (таких как медь и алюминий),-в частности, нестабильное поглощение энергии и склонность к пористости и горячему растрескиванию. Эти проблемы особенно актуальны при сварке разнородных материалов, где образование хрупких интерметаллических соединений может серьезно ухудшить характеристики соединения. Эти узкие места ограничивают дальнейшее применение лазерной сварки в высокотехнологичных отраслях, таких как производство аккумуляторов и аэрокосмическая промышленность. В последние годы технология ультразвуковой вибрации все чаще внедряется в область обработки материалов, чтобы улучшить традиционные методы и обеспечить беспрецедентную гибкость производства. Помимо традиционных применений в очистке, сонохимии, обработке металлов и распылении, ультразвуковая технология постепенно становится важнейшим вспомогательным инструментом усовершенствования передовых производственных платформ,-включая прецизионную механическую обработку, усовершенствованную сварку, лазерную обработку и аддитивное производство. Следовательно, для преодоления определенных ограничений, присущих лазерной сварке, появилось инновационное решение: технология ультразвуковой вибрационной-лазерной сварки (UVA-LW) (рис. 1). Эта технология инновационно интегрирует высокочастотные ультразвуковые колебания в процесс лазерной сварки, стремясь использовать уникальные акустические потоки, кавитацию и воздействие ультразвуковых волн для непосредственного вмешательства-на физическом уровне-в динамику потока расплавленной ванны, поведение газа и процесс затвердевания. Благодаря этой «акусто-оптической синергии» технология UVA-LW эффективно перемешивает ванну расплава, способствует удалению газа, измельчает зеренную структуру и подавляет образование хрупких фаз. Этот подход значительно повышает качество и производительность сварки, тем самым открывая новый многообещающий путь к решению проблем, присущих традиционной лазерной сварке.
02
Основной принцип: синергетический эффект звука и света
Суть ультразвуковой вибрационной-лазерной сварки заключается в способности поля акустической энергии достигать комплексной, глубокой-оптимизации процесса лазерной сварки-, охватывающей всю цепочку: от физического поведения ванны жидкого расплава до микроструктурной эволюции во время затвердевания и, наконец, до регулирования напряжений в твердом-состоянии после охлаждения. Во-первых, в жидкой фазе высокочастотные-ультразвуковые волны вызывают мощные акустические эффекты течения и кавитации внутри ванны расплава, эффективно действуя как механизм "микро-перемешивания" и "эффективной очистки" расплавленного металла. Направленный макроскопический поток, создаваемый эффектом акустического потока,-подобно встроенной-мешалке-яростно перемешивает ванну расплава (рис. 2), тем самым вызывая гомогенизацию элементного состава и распределения температуры. Это особенно важно при сварке разнородных материалов, поскольку эффективно нарушает образование непрерывных хрупких интерметаллических соединений, которые имеют тенденцию накапливаться на границе раздела, диспергируя их вместо этого на мелкие дискретные частицы для повышения прочности соединения. Одновременно более интенсивный эффект кавитации,-вызванный мгновенным схлопыванием бесчисленных микроскопических пузырьков,-выпускает мощные ударные волны и высокоскоростные-микро-струи. С одной стороны, это действие энергично удаляет оксидные пленки с поверхности ванны расплава, тем самым улучшая смачиваемость; с другой стороны, он «вытряхивает» вредные газы, такие как водород и азот, попавшие в ванну, заставляя их быстро подниматься и уходить, тем самым фундаментально подавляя образование дефектов пористости. Впоследствии, во время фазы затвердевания, периодические ударные волны высокого-давления, генерируемые эффектом кавитации, становятся мощным инструментом регулирования микроструктуры затвердевания. Когда ванна расплава начинает остывать и дендриты начинают расти, эти ударные волны эффективно разрушают и фрагментируют их. Уносимые акустическим потоком, эти фрагментированные дендритные ветви рассеиваются по всей ванне расплава, служа множеством новых гетерогенных мест зародышеобразования и тем самым достигая «фрагментации-индуцированной пролиферации» кристаллических зародышей. Этот механизм коренным образом меняет традиционные схемы затвердевания, подавляя рост крупных столбчатых зерен, что в конечном итоге приводит к созданию высокоэффективной-микроструктуры сварного шва, состоящей из множества мелких однородных равноосных зерен-, что значительно повышает прочность, пластичность и устойчивость сварного шва к горячему растрескиванию. Наконец, во время фазы после-охлаждения в твердом-состоянии ультразвуковая вибрация продолжает играть ключевую роль посредством механизмов акустического смягчения и снятия напряжений. Эффект акустического смягчения приводит к тому, что сварной шов и материалы -затрагиваемой зоны-находятся в высокотемпературном пластическом состоянии-, подвергаясь "мгновенному размягчению", тем самым облегчая их адаптацию и уменьшая концентрацию напряжений, вызванную усадкой при охлаждении в результате микроскопической пластической деформации. Одновременно непрерывные высокочастотные механические колебания дают дополнительную энергию для миграции атомов и дислокаций, тем самым способствуя перераспределению и релаксации внутренних напряжений. Следовательно, -в диапазоне от очистки и гомогенизации расплавленной ванны до измельчения зерна во время затвердевания и, наконец, до снятия напряжений в твердом состоянии-ультразвуковая вибрация обеспечивает высокоэффективное синергетическое взаимодействие с лазерным источником тепла посредством этой серии взаимосвязанных физических эффектов, тем самым систематически решая основные проблемы, присущие традиционной лазерной сварке.
03
Преимущества применения: значительное улучшение качества и производительности.
Основные принципы акусто-оптической синергии в конечном итоге приводят к значительному скачку вперед в повышении качества сварки и производительности соединений. По сравнению с обычной лазерной сваркой ультразвуковая вибрационная-лазерная сварка демонстрирует три ключевых преимущества в решении критических проблем отрасли:
3.1 Уменьшение дефектов сварки (пористости и трещин)
04
Краткое содержание
Являясь инновационным методом обработки, использующим составное энергетическое поле, UVA-LW служит не только дополнением и оптимизацией традиционных процессов лазерной сварки, но и фундаментально решает несколько давних-основных проблем, присущих им. Благодаря точному соединению высокочастотного акустического энергетического поля с лазерной расплавленной ванной эта технология обеспечивает глубокое физическое воздействие посредством "акусто-оптической синергии", тем самым реализуя комплексное улучшение свойств материала,-охватывающее всю цепочку от очистки жидкой-фазы и регулирования структуры затвердевания до снятия напряжений в твердом-состоянии.
В таких отраслях, как новые энергетические транспортные средства (особенно медно-алюминиевые соединения в силовых батареях), аэрокосмическая промышленность (с использованием легких, высокопрочных-сплавов и разнородных материалов), а также высокоточное-производство, предъявляющее все более строгие требования к качеству соединений, технология ультразвуковой вибрационной-лазерной сварки демонстрирует огромный потенциал для применения. Будущие направления исследований, вероятно, будут сосредоточены на: 1) синергетической оптимизации и согласовании параметров ультразвука и лазера, чтобы обеспечить «индивидуальную» сварку для конкретных материалов и применений; 2) интеграция этой технологии с онлайн-мониторингом и интеллектуальными системами управления для достижения замкнутой-обратной связи в процессе сварки и обеспечения контроля качества в-времени; и 3) дальнейшее изучение возможностей его применения в-передовых областях-таких как аддитивное производство-для контроля остаточных напряжений и свойств микроструктуры в процессе печати. Можно предвидеть, что технология ультразвуковой вибрационной-лазерной сварки выйдет из простого средства-решения проблем и превратится в "усилитель производительности", стимулирующий развитие производственных технологий, тем самым предлагая реальный путь к достижению более высоких-производительных характеристик и более надежных соединений материалов.
