01
Introduzzjoni
It-teknoloġija tal-iwweldjar bil-lejżer, bil-vantaġġi tagħha ta 'enerġija kkonċentrata, preċiżjoni għolja, u distorsjoni minima, saret proċess ewlieni fil-manifattura ta' preċiżjoni moderna. Madankollu, il-karatteristiċi tat-tidwib u s-solidifikazzjoni mgħaġġla tiegħu jiffaċċjaw sfidi meta jipproċessaw materjali li jirriflettu ħafna (bħar-ram u l-aluminju), inkluż assorbiment ta 'enerġija instabbli, suxxettibilità għall-porożità, u qsim termali. Dan huwa ppronunzjat b'mod speċjali meta l-iwweldjar ta 'materjali differenti, fejn il-formazzjoni ta' komposti intermetalliċi fraġli ddgħajjef ħafna l-prestazzjoni konġunta. Dawn il-konġestjonijiet jillimitaw aktar applikazzjonijiet f'oqsma ta'-high-end bħal batteriji tal-enerġija u aerospazjali. F'dawn l-aħħar snin, it-teknoloġija tal-vibrazzjoni ultrasonika ġiet introdotta dejjem aktar fil-qasam tal-ipproċessar tal-materjal biex ittejjeb il-metodi tradizzjonali u tikseb flessibilità tal-manifattura mingħajr preċedent. Lil hinn mill-applikazzjonijiet eżistenti tagħha fit-tindif, sonochemistry, trattament tal-metall, u atomizzazzjoni, l-ultrasound qed isir gradwalment metodu ta 'titjib awżiljarju kruċjali fi pjattaformi ta' manifattura avvanzati, inkluż makkinar ta 'preċiżjoni, iwweldjar avvanzat, ipproċessar bil-lejżer u manifattura addittiva. Għal dan il-għan, biex jingħelbu xi limitazzjonijiet fl-iwweldjar bil-lejżer, ħarġet soluzzjoni innovattiva-vibrazzjoni ultrasonika-iwweldjar bil-lejżer assistit (UVA-LW)-(Figura 1). Din it-teknoloġija tintroduċi b'mod kreattiv-vibrazzjoni ultrasonika ta' frekwenza għolja fil-proċess tal-iwweldjar bil-lejżer, bil-għan li tuża l-fluss akustiku uniku, il-kavitazzjoni, u l-effetti tal-istress tal-ultrasound biex tintervjeni fiżikament fil-fluss, l-imġiba tal-gass, u l-proċessi ta 'solidifikazzjoni tal-pool imdewweb. Permezz ta 'din is-'sinerġija akusto-ottika', it-teknoloġija UVA-LW tista' effettivament tħawwad il-pool imdewweb, tippromwovi d-degassing, tirfina l-ħbub, u tinibixxi l-formazzjoni ta 'fażijiet fraġli, u b'hekk ittejjeb b'mod sinifikanti l-kwalità u l-prestazzjoni tal-iwweldjar u tiftaħ triq ġdida promettenti biex tindirizza d-diffikultajiet inerenti tal-laser welding tradizzjonali.
Figura 1. Dijagramma skematika: (a) Setup sperimentali UVA-LW; (b) morfoloġija tal-pool imdewweb matul il-proċess UVA-LW; (c) karatteristiċi tal-fluss tal-pool imdewweb matul il-proċess UVA-LW [1].
Prinċipju Ewlieni: Effett Sinerġistiku tal-Ħoss u d-Dawl
L-essenza tal-vibrazzjoni ultrasonika-iwweldjar bil-lejżer assistit tinsab fl-ottimizzazzjoni miksuba mill-qasam tal-enerġija akustika matul il-proċess kollu tal-iwweldjar bil-lejżer, mill-imġieba fiżika tal-pool imdewweb likwidu, permezz tal-evoluzzjoni organizzattiva matul is-solidifikazzjoni, għar-regolazzjoni tal-istress fl-istat solidu wara t-tkessiħ. L-ewwelnett, fl-istadju likwidu, mewġ ultrasoniku ta 'frekwenza għolja -jiġġenera effetti akustiċi qawwija ta' streaming u cavitation fi ħdan il-pool imdewweb, li jaġixxi bħala "ħawwad mikroskopiku" u "purifikatur effiċjenti" għall-metall imdewweb. Il-fluss makroskopiku direzzjonali ġġenerat minn streaming akustiku jaġixxi bħal mixer intern, li jħawwad b'mod vigoruż il-pool imdewweb, u b'hekk jinforza d-distribuzzjoni uniformi tal-elementi u t-temperatura. Dan huwa partikolarment kruċjali meta jiġu wweldjar materjali differenti, peress li jfixkel b'mod effettiv komposti intermetalliċi fraġli li għandhom it-tendenza li jiffurmaw saffi kontinwi fl-interface, iqassmuhom b'mod fin u uniformi, u b'hekk itejbu l-ebusija tal-ġogi. Fl-istess ħin, l-effett ta 'cavitation aktar intens, permezz tal-kollass istantanju ta' mikrobżieżaq bla għadd, jirrilaxxa mewġ ta 'xokk qawwi u microjets ta' -veloċità għolja. Dan mhux biss ineħħi films ta 'ossidu fuq il-wiċċ tal-pool imdewweb biex itejjeb it-tixrib iżda wkoll ikeċċi gassijiet ta' ħsara bħall-idroġenu u n-nitroġenu mill-pool, u jġiegħelhom jaħarbu malajr u b'mod fundamentali jipprevjenu l-formazzjoni ta 'difetti tal-porożità. Sussegwentement, matul l-istadju tas-solidifikazzjoni, mewġ ta 'xokk ta' pressjoni għolja perjodika-ġġenerat mill-effett tal-kavitazzjoni jsir għodda qawwija għall-kontroll tal-istruttura tas-solidifikazzjoni. Hekk kif il-pool imdewweb jibred u d-dendriti jikbru, dawn il-mewġ ta 'xokk effettivament ikissruhom u jifframmentawhom. L-armi tad-dendriti frammentati, li jinġarru fil-pool permezz ta' streaming akustiku, jaġixxu bħala bosta siti ġodda ta' nukleazzjoni mhux-spontanja, u jiksbu "proliferazzjoni frammentata" ta' nuklei. Dan il-mekkaniżmu jibdel b'mod fundamentali l-mudell ta 'solidifikazzjoni tradizzjonali, li jrażżan it-tkabbir ta' kristalli kolonni oħxon u jirriżulta fi struttura ta 'weldjatura ta' prestazzjoni għolja-komposti minn numru kbir ta 'kristalli ekwiassi fini u uniformi, li jtejbu ħafna s-saħħa, id-duttilità u r-reżistenza tal-weldjatura għall-qsim termali. Fl-aħħarnett, fl-istadju tal-istat solidu mkessaħ-, il-vibrazzjoni ultrasonika tkompli jkollha rwol ewlieni fit-trattib akustiku u s-serħan tal-istress. L-effett ta' trattib akustiku jrattab b'mod temporanju l-weldjatura u l-materjali taż-żona affettwati bis-sħana-fl-istat tal-plastik tagħhom b'temperatura għolja-, li jagħmilhom aktar kapaċi jadattaw u jirrilassaw il-konċentrazzjonijiet tal-istress ikkawżati mit-tnaqqis tat-tkessiħ permezz ta 'deformazzjoni plastika mikroskopika. Barra minn hekk, vibrazzjoni mekkanika ta'-frekwenza għolja sostnuta tipprovdi enerġija żejda għall-migrazzjoni tal-atomi u d-dislokazzjonijiet, u tippromwovi r-ridistribuzzjoni u r-rilassament tal-istress interni. Għalhekk, mill-purifikazzjoni u l-omoġenizzazzjoni tal-likwidu, għall-irfinar tal-qamħ matul is-solidifikazzjoni, u eżenzjoni mill-istress fl-istat solidu, vibrazzjoni ultrasonika, permezz ta 'din is-serje ta' effetti fiżiċi interrelatati, tifforma azzjoni sinerġistika effiċjenti mas-sors tas-sħana tal-lejżer, li tindirizza sistematikament l-isfidi ewlenin tal-iwweldjar bil-lejżer tradizzjonali . ...
Figura 2. Effett tal-ultrasound fuq il-fluss tal-fluwidu fil-pool imdewweb: (a) mingħajr ultrasound; (b) bl-ultrasound [1].
03
Vantaġġi tal-Applikazzjoni: Titjib Sinjifikanti fil-Kwalità u l-Prestazzjoni
Il-prinċipju ewlieni tas-sinerġija fotoakustika finalment jissarraf f'qabża sinifikanti fil-kwalità tal-iwweldjar u l-prestazzjoni konġunta. Meta mqabbel mal-iwweldjar bil-lejżer tradizzjonali, l-iwweldjar bil-lejżer assistit bil-vibrazzjoni ultrasonika-juri tliet vantaġġi ewlenin fl-indirizzar tal-punti tal-uġigħ tal-industrija:
3.1 Tnaqqis tad-Difetti tal-Iwweldjar (Porożità, Xquq)
Il-porożità u x-xquq huma ż-żewġ "qattiela" ewlenin li jaffettwaw l-affidabilità tal-weldjatura, u l-vibrazzjoni ultrasonika għandha effett inibitorju qawwi fuq dawn.
(1) Inibizzjoni tal-porożità: Fl-iwweldjar bil-lejżer tradizzjonali, speċjalment l-iwweldjar ta 'penetrazzjoni profonda, il-porożità hija ffurmata faċilment minħabba l-instabilità tat-toqba tas-serratura u t-training tal-fwar tal-metall. L-introduzzjoni ta 'l-ultrasound tipprovdi forza qawwija ta' degassing għall-pool imdewweb permezz ta 'kavitazzjoni u effetti ta' streaming akustiċi. Min-naħa waħda, mewġ ta 'xokk iġġenerat mill-kollass tal-bżieżaq tal-kavitazzjoni jistgħu jkissru direttament bżieżaq ċkejkna tal-idroġenu u tan-nitroġenu fil-pool imdewweb jew iġiegħelhom jingħaqdu u jogħlew malajr. Min-naħa l-oħra, l-effett kontinwu ta 'taħwid ta' streaming akustiku joffri mogħdija u galleġġjar għall-ħarba tal-bużżieqa. Dan itejjeb b'mod sinifikanti d-densità tal-weldjatura, u jnaqqas il-porożità b'ordni ta 'kobor jew aktar, li hija kruċjali għas-siġillar tal-ġogi u l-ħajja tal-għeja.
(2) Inibizzjoni tal-formazzjoni ta 'xquq: Xquq tal-iwweldjar jistgħu jiġu kklassifikati fi xquq sħun u xquq kesħin. Għal xquq sħan, il-vibrazzjoni ultrasonika ttejjeb b'mod fundamentali l-istruttura tas-solidifikazzjoni billi tkisser ħbub kolonni oħxon u tifforma ħbub ekwiassi fini, tnaqqas is-segregazzjoni ta 'ewtektiċi ta' punt ta '-tidwib-baxx fil-konfini tal-qamħ, u b'hekk ittejjeb ir-reżistenza tal-materjal għall-qsim f'żoni ta' {{4}temperatura għolja. Għal xquq kesħin, l-effett ta 'trattib ultrasoniku u r-rilaxx tal-istress inaqqsu b'mod sinifikanti l-istress residwu wara l-iwweldjar, jipprevjenu l-konċentrazzjoni tal-istress, u b'hekk jinibixxu b'mod effettiv xquq kesħin ikkawżati minn qsim imdewwem tal-idroġenu jew stress għoli. Dan l-effett huwa partikolarment evidenti meta l-iwweldjar ta' azzar ta'-qawwa għolja u materjali ta'-ebusija għolja.
3.2 Titjib tal-prestazzjoni ta 'ġonot materjali differenti
L-akbar sfida fl-iwweldjar tal-metall differenti tinsab fid-differenzi kbar fil-proprjetajiet fiżiċi (bħal punt tat-tidwib u konduttività termali) u t-tendenza li jiffurmaw komposti intermetalliċi ħoxnin u fraġli (IMCs) fl-interface, li tikkawża embrittlement sever tal-ġonta. Il-vibrazzjoni ultrasonika tipprovdi soluzzjoni unika għal dan:
(1) Soppressjoni u rfinar tas-saff IMC: Il-fluss akustiku qawwi ta 'ultrasoniċi jaġixxi bħala mekkaniżmu ta' tħawwad, jikser is-saff IMC fraġli ffurmat frisk, jipprevjeni t-tkabbir kontinwu tiegħu, u jdaħħal il-frammenti tiegħu fil-pool tat-tidwib, u jġiegħelhom jitqassmu fil-weldjatura bħala partiċelli fini u mxerrda. B'dan il-mod, il-fażi fraġli m'għadhiex interface kontinwu dgħajfa iżda hija mdawra b'matriċi b'saħħitha u iebsa, li ttejjeb ħafna l-plastiċità u l-ebusija tal-ġonta. Pereżempju, fl-iwweldjar ta 'aluminju/azzar u aluminju/ram, il-ħxuna tas-saff IMC tista' tiġi kkontrollata b'mod effettiv taħt valur kritiku ta 'ftit mikroni biss jew saħansitra inqas.
3.3 Ottimizzazzjoni tal-formazzjoni tal-weldjatura u l-proprjetajiet mekkaniċi
Minbarra li ssolvi kwistjonijiet ta 'difetti, il-vibrazzjoni ultrasonika tista' ttejjeb b'mod komprensiv il-kwalità tal-formazzjoni tal-weldjatura.
(1) Titjib tal-formazzjoni tal-weldjatura: Il-vibrazzjoni ultrasonika tnaqqas il-viskożità apparenti tal-metall imdewweb u żżid il-fluwidità tiegħu. Dan jagħmilha aktar faċli għall-metall likwidu biex jinfirex u jimla, li jirriżulta f'wiċċ ta 'weldjatura aktar lixx u uniformi, u jnaqqas id-difetti tal-formazzjoni bħal undercutting u nuqqas ta' penetrazzjoni. Fl-istess ħin, it-tixrib imtejjeb jagħmel it-tranżizzjoni bejn il-weldjatura u l-materjal bażi aktar gradwali, u tnaqqas il-punti ta 'konċentrazzjoni tal-istress.
(2) Titjib komprensiv tal-proprjetajiet mekkaniċi: Dan huwa r-riżultat aħħari tal-vantaġġi kollha ta 'hawn fuq. Minħabba l-eliminazzjoni tal-porożità u l-mikroxquq, kif ukoll ir-raffinament sinifikanti tal-qamħ (Figura 3), is-saħħa u l-plastiċità tal-weldjatura jistgħu jitjiebu fl-istess ħin, u jitkisser il-kummerċ konvenzjonali-off bejn is-saħħa u l-plastiċità fix-xjenza tal-materjali tradizzjonali. L-istruttura tal-qamħa ekwiaxe fina tagħmel il-mogħdija tal-propagazzjoni tal-qasma tortuous, u ttejjeb ħafna l-ebusija tal-ksur u r-reżistenza għall-għeja tal-ġonta.
04
Sommarju
Bħala metodu innovattiv ta' pproċessar tal-kamp tal-enerġija kompost, UVA-LW mhux biss jikkumplimenta u jottimizza l-proċessi tradizzjonali tal-iwweldjar bil-lejżer iżda wkoll jindirizza b'mod fundamentali diversi kwistjonijiet ewlenin-widna fit-tul. Billi tgħaqqad preċiżament qasam ta 'enerġija akustika ta' frekwenza għolja-fil-pool imdewweb bil-lejżer, din it-teknoloġija tikseb intervent fiżiku profond permezz ta ''sinerġija fotoakustika', ittejjeb il-katina kollha ta 'prestazzjoni mill-purifikazzjoni likwida u l-kontroll tal-mikrostruttura tas-solidifikazzjoni għal eżenzjoni mill-istress ta' stat-solidu.
B'rekwiżiti dejjem aktar stretti għall-kwalità tal-konnessjoni f'oqsma bħal vetturi tal-enerġija ġodda (speċjalment konnessjonijiet tar-ram-aluminju f'batteriji tal-enerġija), aerospazjali (ligi ħfief-qawwa għolja u komponenti strutturali materjali differenti), u manifattura ta' preċiżjoni għolja-, vibrazzjoni ultrasonika-megħjuna teknoloġija tal-iwweldjar bil-lejżer potenzjalment sinifikanti ta' applikazzjoni. Ir-riċerka futura tista' tiffoka fuq 1) l-ottimizzazzjoni sinerġistika u t-tqabbil tal-parametri ultrasoniċi u tal-lejżer biex jinkiseb iwweldjar 'personalizzat' għal materjali u applikazzjonijiet speċifiċi; 2) l-integrazzjoni ta 'din it-teknoloġija ma' monitoraġġ onlajn u sistemi ta 'kontroll intelliġenti biex jippermettu feedback ta' ċirku magħluq-u assigurazzjoni tal-kwalità fil--ħin reali matul il-proċess tal-iwweldjar; 3) tkompli tesplora l-applikazzjonijiet tagħha f'oqsma ta' qtugħ-tal-aktar avvanzata bħall-manifattura addittiva biex tikkontrolla l-istress residwu u l-proprjetajiet mikrostrutturali matul il-proċess tal-istampar. Huwa prevedibbli li t-teknoloġija tal-iwweldjar bil-lejżer assistita mill-vibrazzjoni ultrasonika-mhux sempliċiment se tkun 'solvutur ta' problemi' iżda se ssir 'jtejjeb il-prestazzjoni' li tmexxi l-iżvilupp ta' teknoloġiji avvanzati tal-manifattura, li tipprovdi triq fattibbli lejn prestazzjoni ogħla u konnessjonijiet materjali aktar affidabbli.
