01
Uvod
Tehnologija laserskega varjenja s svojimi prednostmi koncentrirane energije, visoke natančnosti in minimalnega popačenja je postala osrednji proces v sodobni natančni proizvodnji. Vendar se lastnosti njegovega hitrega taljenja in strjevanja soočajo z izzivi pri obdelavi materialov z visoko refleksijo (kot sta baker in aluminij), vključno z nestabilno absorpcijo energije, dovzetnostjo za poroznost in toplotnimi razpokami. To je še posebej izrazito pri varjenju raznovrstnih materialov, kjer tvorba krhkih intermetalnih spojin močno oslabi delovanje spoja. Ta ozka grla omejujejo nadaljnje aplikacije-na visokokakovostnih področjih, kot so napajalne baterije in letalstvo. V zadnjih letih se tehnologija ultrazvočnih vibracij vedno bolj uvaja na področje obdelave materialov, da bi izboljšali tradicionalne metode in dosegli fleksibilnost proizvodnje brez primere. Poleg obstoječih aplikacij pri čiščenju, sonokemiji, obdelavi kovin in atomizaciji ultrazvok postopoma postaja ključna pomožna metoda izboljšave v naprednih proizvodnih platformah, vključno z natančno obdelavo, naprednim varjenjem, lasersko obdelavo in aditivno proizvodnjo. V ta namen, da bi premagali nekatere omejitve pri laserskem varjenju, se je pojavila inovativna rešitev-ultrazvočno vibracijsko-lasersko varjenje (UVA-LW)-(slika 1). Ta tehnologija kreativno uvaja visoko{13}}ultrazvočne vibracije v postopek laserskega varjenja, s ciljem uporabe edinstvenega akustičnega toka, kavitacije in stresnih učinkov ultrazvoka za fizično poseganje v tok, obnašanje plina in procese strjevanja bazena staline. S to 'akustično-optično sinergijo' lahko tehnologija UVA-LW učinkovito premeša bazen staline, spodbuja razplinjevanje, prečisti zrna in zavira nastajanje krhkih faz, s čimer bistveno izboljša kakovost in učinkovitost varjenja ter odpre obetavno novo pot za reševanje inherentnih težav tradicionalnega laserskega varjenja.
Slika 1. Shematski diagram: (a) eksperimentalna postavitev UVA-LW; (b) morfologija bazena staline med postopkom UVA-LW; (c) značilnosti pretoka bazena staline med postopkom UVA-LW [1].
Osnovno načelo: sinergijski učinek zvoka in svetlobe
Bistvo laserskega-varjenja s pomočjo ultrazvočnih vibracij je v optimizaciji, ki jo doseže akustično energijsko polje v celotnem procesu laserskega varjenja, od fizičnega obnašanja bazena tekoče staline, preko organizacijskega razvoja med strjevanjem do regulacije napetosti v trdnem stanju po ohlajanju. Prvič, na stopnji tekočine visoko{2}}frekvenčni ultrazvočni valovi ustvarjajo močne akustične tokove in kavitacijske učinke v bazenu staljene kovine, ki delujejo kot "mikroskopsko mešalo" in "učinkovito čistilo" za staljeno kovino. Usmerjeni makroskopski tok, ki ga ustvari akustično pretakanje, deluje kot notranji mešalnik, ki močno meša staljeno bazo, s čimer zagotavlja enakomerno porazdelitev elementov in temperature. To je še posebej pomembno pri varjenju različnih materialov, saj učinkovito poruši krhke intermetalne spojine, ki težijo k tvorbi neprekinjenih plasti na vmesniku, ter jih fino in enakomerno porazdeli ter tako izboljša žilavost spoja. Hkrati intenzivnejši učinek kavitacije prek takojšnjega sesedanja neštetih mikromehurčkov sprošča močne udarne valove in mikro-hitrostne mikrocurke. To ne samo da odstrani oksidne filme na površini staljenega bazena, da izboljša omočljivost, ampak iz bazena izžene tudi škodljive pline, kot sta vodik in dušik, kar jih prisili, da hitro uidejo, in bistveno prepreči nastanek napak poroznosti. Kasneje, med fazo strjevanja, periodični visoko{9}}tlačni udarni valovi, ki nastanejo zaradi učinka kavitacije, postanejo močno orodje za nadzor strukture strjevanja. Ko se staljeni bazen ohlaja in dendriti rastejo, jih ti udarni valovi učinkovito zlomijo in drobijo. Razdrobljeni dendritni kraki, ki jih akustično pretakanje prenaša po celotnem bazenu, delujejo kot številna nova ne-spontana nukleacijska mesta, ki dosegajo "fragmentirano širjenje" jeder. Ta mehanizem temeljito spremeni tradicionalni vzorec strjevanja, zavira rast grobih stebričastih kristalov in povzroči visoko{14}}zmogljivo strukturo zvara, sestavljeno iz velikega števila finih enakomernih enakoosnih kristalov, kar močno poveča trdnost, duktilnost in odpornost proti toplotnim razpokam zvara. Končno, v fazi ohlajenega trdnega-agregatnega stanja ima ultrazvočna vibracija še naprej ključno vlogo pri akustičnem mehčanju in razbremenitvi napetosti. Učinek akustičnega mehčanja prehodno zmehča zvar in materiale,-prizadete toplotno-območja, v njihovem visoko{19}}temperaturnem plastičnem stanju, zaradi česar so bolj sposobni prilagajanja in sproščanja koncentracij napetosti, ki jih povzroča krčenje pri hlajenju zaradi mikroskopske plastične deformacije. Poleg tega trajna visoko{21}}frekvenčna mehanska vibracija zagotavlja dodatno energijo za migracijo atomov in dislokacij, kar spodbuja prerazporeditev in sprostitev notranjih napetosti. Zato od čiščenja in homogenizacije tekočine do prefinjenosti zrn med strjevanjem in razbremenitve napetosti v trdnem stanju ultrazvočne vibracije prek te serije medsebojno povezanih fizikalnih učinkov tvorijo učinkovito sinergijsko delovanje z laserskim virom toplote, ki sistematično obravnava glavne izzive tradicionalnega laserskega varjenja. ...
Slika 2. Učinek ultrazvoka na pretok tekočine v bazenu staline: (a) brez ultrazvoka; (b) z ultrazvokom [1].
03
Prednosti aplikacije: Bistveno izboljšanje kakovosti in učinkovitosti
Osnovno načelo fotoakustične sinergije se končno prevede v pomemben preskok v kakovosti varjenja in učinkovitosti spoja. V primerjavi s tradicionalnim laserskim varjenjem lasersko varjenje-z ultrazvočno vibracijo dokazuje tri glavne prednosti pri reševanju težav v industriji:
3.1 Zmanjšanje varilnih napak (poroznost, razpoke)
Poroznost in razpoke sta dva glavna "ubijalca", ki vplivata na zanesljivost zvara, ultrazvočne vibracije pa imajo nanje močan zaviralni učinek.
(1) Zaviranje poroznosti: Pri tradicionalnem laserskem varjenju, zlasti pri varjenju z globokim prebojem, se poroznost zlahka oblikuje zaradi nestabilnosti ključavnice in vnosa kovinskih hlapov. Uvedba ultrazvoka zagotavlja močno silo razplinjevanja bazena staline s pomočjo kavitacije in akustičnih učinkov pretakanja. Po eni strani lahko udarni valovi, ki nastanejo zaradi kolapsa kavitacijskih mehurčkov, neposredno razbijejo drobne vodikove in dušikove mehurčke v bazenu staline ali jih prisilijo, da se združijo in hitro dvignejo. Po drugi strani pa neprekinjen učinek mešanja akustičnega pretakanja ponuja pot in vzgon za pobeg mehurčkov. To znatno izboljša gostoto zvara, zmanjša poroznost za red velikosti ali več, kar je ključnega pomena za tesnjenje spojev in življenjsko dobo ob utrujenosti.
(2) Zaviranje nastajanja razpok: Varilne razpoke lahko razvrstimo v vroče in hladne razpoke. Za vroče razpoke ultrazvočne vibracije bistveno izboljšajo strjevalno strukturo z lomljenjem grobih stebričastih zrn in oblikovanjem finih enakoosnih zrn, kar zmanjša ločevanje evtektike z nizkim-tališčem-na mejah zrn, s čimer se poveča odpornost materiala proti razpokam v visoko-temperaturnih območjih. Pri hladnih razpokah učinek ultrazvočnega mehčanja in sproščanje napetosti znatno zmanjšata preostalo napetost po varjenju, preprečujeta koncentracijo napetosti in tako učinkovito zavirata hladne razpoke, ki jih povzročajo razpoke z zakasnitvijo vodika ali velika napetost. Ta učinek je še posebej izrazit pri varjenju visoko-trdnega jekla in materialov z visoko-trdoto.
3.2 Izboljšanje učinkovitosti spojev iz različnih materialov
Največji izziv pri varjenju različnih kovin so velike razlike v fizikalnih lastnostih (kot sta tališče in toplotna prevodnost) in nagnjenost k tvorbi debelih in krhkih intermetalnih spojin (IMC) na vmesniku, kar povzroči močno krhkost spoja. Ultrazvočne vibracije nudijo edinstveno rešitev za to:
(1) Zatiranje in prečiščevanje sloja IMC: močan akustični tok ultrazvoka deluje kot mehanizem za mešanje, zlomi sveže oblikovano krhko plast IMC, prepreči njeno neprekinjeno rast in potegne njene drobce v bazen taline, kar povzroči, da se porazdelijo v zvar kot fini, razpršeni delci. Na ta način krhka faza ni več šibka neprekinjena ploskev, ampak je obdana z močno in žilavo matrico, ki močno izboljša plastičnost in žilavost spoja. Na primer, pri varjenju aluminija/jekla in aluminija/bakra je mogoče debelino sloja IMC učinkovito nadzorovati pod kritično vrednostjo le nekaj mikronov ali celo manj.
3.3 Optimizacija nastajanja zvarov in mehanskih lastnosti
Poleg reševanja težav z napakami lahko ultrazvočne vibracije celovito izboljšajo kakovost oblikovanja zvara.
(1) Izboljšanje tvorbe zvara: Ultrazvočne vibracije zmanjšajo navidezno viskoznost staljene kovine in povečajo njeno fluidnost. To olajša širjenje in polnjenje tekoče kovine, kar ima za posledico bolj gladko in enakomerno površino zvara, kar zmanjšuje tvorbene napake, kot sta spodrezavanje in pomanjkanje penetracije. Hkrati izboljšana omočljivost naredi prehod med zvarom in osnovnim materialom bolj postopen, kar zmanjša točke koncentracije napetosti.
(2) Celovito izboljšanje mehanskih lastnosti: To je končni rezultat vseh zgoraj navedenih prednosti. Zaradi odprave poroznosti in mikrorazpok ter znatnega prečiščevanja zrn (slika 3) je mogoče hkrati izboljšati trdnost in plastičnost zvara, s čimer se prekine konvencionalno razmerje-med trdnostjo in plastičnostjo v tradicionalni znanosti o materialih. Fina enakoosna zrnata struktura naredi pot širjenja razpoke vijugasto, kar močno izboljša lomno žilavost in odpornost spoja na utrujenost.
04
Povzetek
Kot inovativna metoda obdelave kompozitnega energijskega polja UVA-LW ne le dopolnjuje in optimizira tradicionalne postopke laserskega varjenja, ampak tudi v osnovi obravnava več dolgo-glavnih vprašanj. Z natančnim povezovanjem visoko-frekvenčnega akustičnega energijskega polja v bazen laserske staline ta tehnologija doseže globok fizični poseg prek 'fotoakustične sinergije', s čimer izboljša celotno verigo delovanja od čiščenja tekočine in nadzora mikrostrukture strjevanja do razbremenitve-napetosti v trdnem stanju.
Z vse strožjimi zahtevami glede kakovosti povezav na področjih, kot so nova energetska vozila (zlasti bakreni-aluminijasti priključki v električnih baterijah), letalstvo (lahke-zlitine visoke-trdnosti in strukturne komponente iz različnih materialov) in visoko{2}}natančna proizvodnja, ultrazvočna{3}}vibracijska-tehnologija laserskega varjenja dokazuje velik potencial uporabe. Prihodnje raziskave se lahko osredotočijo na 1) sinergijsko optimizacijo in ujemanje ultrazvočnih in laserskih parametrov za doseganje „prilagojenega“ varjenja za posebne materiale in aplikacije; 2) integracija te tehnologije s spletnim nadzorom in inteligentnimi nadzornimi sistemi, da se omogoči-zaprta povratna zanka in-zagotavljanje kakovosti v realnem času med postopkom varjenja; 3) nadaljnje raziskovanje njegovih aplikacij na vrhunskih-poljih, kot je aditivna proizvodnja za nadzor preostale napetosti in mikrostrukturnih lastnosti med postopkom tiskanja. Predvideti je, da tehnologija-laserskega varjenja s pomočjo ultrazvočnih vibracij ne bo le "reševalec težav", ampak bo postala "izboljševalec zmogljivosti", ki bo poganjala razvoj naprednih proizvodnih tehnologij, kar bo zagotavljalo izvedljivo pot do višje učinkovitosti in zanesljivejših povezav materialov.
