01
pengenalan
Teknologi kimpalan laser, dengan kelebihan tenaga tertumpu, ketepatan tinggi, dan herotan yang minimum, telah menjadi proses teras dalam pembuatan ketepatan moden. Walau bagaimanapun, ciri pencairan dan pemejalannya yang cepat menghadapi cabaran apabila memproses bahan yang sangat pemantul (seperti tembaga dan aluminium), termasuk penyerapan tenaga yang tidak stabil, mudah terdedah kepada keliangan dan keretakan haba. Ini amat ketara apabila mengimpal bahan yang berbeza, di mana pembentukan sebatian antara logam rapuh sangat melemahkan prestasi sendi. Kesesakan ini mengehadkan aplikasi selanjutnya dalam-medan tinggi seperti bateri kuasa dan aeroangkasa. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, teknologi getaran ultrasonik telah semakin diperkenalkan ke dalam bidang pemprosesan bahan untuk meningkatkan kaedah tradisional dan mencapai fleksibiliti pembuatan yang belum pernah terjadi sebelumnya. Di luar aplikasi sedia ada dalam pembersihan, sonokimia, rawatan logam dan pengabusan, ultrasound secara beransur-ansur menjadi kaedah penambahbaikan tambahan yang penting dalam platform pembuatan termaju, termasuk pemesinan ketepatan, kimpalan lanjutan, pemprosesan laser dan pembuatan bahan tambahan. Untuk tujuan ini, untuk mengatasi beberapa batasan dalam kimpalan laser, penyelesaian inovatif-getaran ultrasonik-kimpalan laser berbantu (UVA-LW)-telah muncul (Rajah 1). Teknologi ini secara kreatif memperkenalkan-getaran ultrasonik frekuensi tinggi ke dalam proses kimpalan laser, bertujuan untuk menggunakan aliran akustik unik, peronggaan dan kesan tekanan ultrasound untuk campur tangan secara fizikal dalam aliran, kelakuan gas dan proses pemejalan kolam lebur. Melalui 'acousto-sinergi optik' ini, teknologi UVA-LW boleh mengacau kolam lebur dengan berkesan, menggalakkan penyahgas, menapis bijirin dan menghalang pembentukan fasa rapuh, sekali gus meningkatkan kualiti dan prestasi kimpalan dengan ketara serta membuka laluan baharu yang menjanjikan untuk menangani kesukaran sedia ada pengelasan laser tradisional.
Rajah 1. Gambar rajah skema: (a) Persediaan percubaan UVA-LW; (b) morfologi kolam lebur semasa proses UVA-LW; (c) ciri aliran kolam cair semasa proses UVA-LW [1].
Prinsip Teras: Kesan Sinergis Bunyi dan Cahaya
Intipati getaran ultrasonik-kimpalan laser berbantukan terletak pada pengoptimuman yang dicapai oleh medan tenaga akustik merentas keseluruhan proses kimpalan laser, daripada kelakuan fizikal kolam cair cecair, melalui evolusi organisasi semasa pemejalan, kepada peraturan tegasan dalam keadaan pepejal selepas penyejukan. Pertama, pada peringkat cecair, gelombang ultrasonik-berkekerapan tinggi menjana kesan penstriman akustik dan peronggaan yang berkuasa dalam kolam lebur, bertindak sebagai "pengacau mikroskopik" dan "pembersih yang cekap" untuk logam cair. Aliran makroskopik berarah yang dijana oleh penstriman akustik bertindak seperti pengadun dalaman, menggerakkan kolam cair dengan kuat, dengan itu menguatkuasakan pengagihan seragam unsur dan suhu. Ini amat penting apabila mengimpal bahan yang berbeza, kerana ia berkesan mengganggu sebatian antara logam rapuh yang cenderung membentuk lapisan berterusan pada antara muka, mengagihkannya secara halus dan sekata, sekali gus meningkatkan keliatan sendi. Pada masa yang sama, kesan peronggaan yang lebih sengit, melalui keruntuhan serta-merta buih mikro yang tidak terkira banyaknya, mengeluarkan gelombang kejutan yang kuat dan -microjet berkelajuan tinggi. Ini bukan sahaja mengeluarkan filem oksida pada permukaan kolam cair untuk meningkatkan kebolehbasahan tetapi juga mengeluarkan gas berbahaya seperti hidrogen dan nitrogen dari kolam, memaksa mereka melarikan diri dengan cepat dan pada asasnya menghalang pembentukan kecacatan keliangan. Selepas itu, semasa peringkat pemejalan, gelombang kejutan tekanan tinggi-berkala yang dihasilkan oleh kesan peronggaan menjadi alat berkuasa untuk mengawal struktur pemejalan. Apabila kolam lebur menjadi sejuk dan dendrit tumbuh, gelombang kejutan ini secara berkesan memecahkan dan membelahnya. Lengan dendrit yang berpecah, dibawa ke seluruh kolam melalui penstriman akustik, bertindak sebagai banyak tapak nukleus bukan{12}}spontan baharu, mencapai "percambahan berpecah" nukleus. Mekanisme ini secara asasnya mengubah corak pemejalan tradisional, menyekat pertumbuhan hablur kolumnar kasar dan menghasilkan struktur kimpalan{14}}prestasi tinggi yang terdiri daripada sebilangan besar kristal equiaxed yang halus dan seragam, meningkatkan kekuatan kimpalan, kemuluran dan rintangan kepada keretakan haba. Akhir sekali, dalam peringkat keadaan pepejal{16}}yang disejukkan, getaran ultrasonik terus memainkan peranan penting dalam pelembutan akustik dan pelepasan tekanan. Kesan pelembutan akustik secara sementara melembutkan bahan kimpalan dan haba{18}}zon terjejas dalam keadaan plastik suhu tingginya, menjadikannya lebih berkeupayaan menyesuaikan dan merehatkan kepekatan tegasan yang disebabkan oleh pengecutan penyejukan melalui ubah bentuk plastik mikroskopik. Selain itu, getaran mekanikal frekuensi tinggi yang berterusan-membekalkan tenaga tambahan untuk penghijrahan atom dan kehelan, menggalakkan pengagihan semula dan kelonggaran tekanan dalaman. Oleh itu, daripada penulenan dan penhomogenan cecair, kepada penghalusan butiran semasa pemejalan, dan pelepasan tekanan dalam keadaan pepejal, getaran ultrasonik, melalui siri kesan fizikal yang saling berkaitan ini, membentuk tindakan sinergi yang cekap dengan sumber haba laser, secara sistematik menangani cabaran teras kimpalan laser tradisional. ...
Rajah 2. Kesan ultrasound pada aliran bendalir dalam kolam lebur: (a) tanpa ultrasound; (b) dengan ultrasound [1].
03
Kelebihan Aplikasi: Peningkatan Ketara dalam Kualiti dan Prestasi
Prinsip teras sinergi fotoakustik akhirnya diterjemahkan ke dalam lonjakan ketara dalam kualiti kimpalan dan prestasi sendi. Berbanding dengan kimpalan laser tradisional, getaran ultrasonik-kimpalan laser berbantu menunjukkan tiga kelebihan teras dalam menangani titik kesakitan industri:
3.1 Pengurangan Kecacatan Kimpalan (Keliangan, Retak)
Keliangan dan keretakan adalah dua "pembunuh" utama yang menjejaskan kebolehpercayaan kimpalan, dan getaran ultrasonik mempunyai kesan perencatan yang kuat ke atasnya.
(1) Perencatan keliangan: Dalam kimpalan laser tradisional, terutamanya kimpalan penembusan dalam, keliangan mudah terbentuk disebabkan oleh ketidakstabilan lubang kunci dan terperangkapnya wap logam. Pengenalan ultrabunyi memberikan daya penyahgasan yang kuat kepada kolam lebur melalui kesan peronggaan dan penstriman akustik. Di satu pihak, gelombang kejutan yang dijana oleh keruntuhan buih peronggaan secara langsung boleh memecahkan buih hidrogen dan nitrogen kecil dalam kolam cair atau memaksanya bergabung dan naik dengan cepat. Sebaliknya, kesan kacau berterusan penstriman akustik menawarkan laluan dan daya apungan untuk pelarian gelembung. Ini meningkatkan ketumpatan kimpalan dengan ketara, mengurangkan keliangan dengan susunan magnitud atau lebih, yang penting untuk pengedap sendi dan hayat lesu.
(2) Perencatan pembentukan retak: Retak kimpalan boleh dikelaskan kepada retak panas dan retak sejuk. Untuk retakan panas, getaran ultrasonik secara asasnya menambah baik struktur pemejalan dengan memecahkan butiran kolumnar kasar dan membentuk butiran equiaxed halus, mengurangkan pengasingan eutektik titik-lebur-rendah pada sempadan butiran, dengan itu meningkatkan ketahanan bahan terhadap keretakan dalam-zon suhu tinggi. Untuk retakan sejuk, kesan pelembutan ultrasonik dan pelepasan tegasan dengan ketara mengurangkan tekanan sisa selepas kimpalan, menghalang kepekatan tegasan, dengan itu berkesan menghalang rekahan sejuk yang disebabkan oleh keretakan tertangguh hidrogen atau tekanan tinggi. Kesan ini amat ketara apabila mengimpal-keluli berkekuatan tinggi dan bahan-kekerasan tinggi.
3.2 Meningkatkan prestasi sambungan bahan yang tidak serupa
Cabaran terbesar dalam kimpalan logam yang tidak serupa terletak pada perbezaan besar dalam sifat fizikal (seperti takat lebur dan kekonduksian terma) dan kecenderungan untuk membentuk sebatian antara logam (IMC) tebal dan rapuh pada antara muka, yang menyebabkan kerosakan teruk pada sendi. Getaran ultrasonik menyediakan penyelesaian unik untuk ini:
(1) Penindasan dan penghalusan lapisan IMC: Aliran akustik ultrasonik yang kuat bertindak sebagai mekanisme kacau, memecahkan lapisan IMC rapuh yang baru terbentuk, menghalang pertumbuhan berterusannya, dan memasukkan serpihannya ke dalam kolam cair, menyebabkan ia diagihkan dalam kimpalan sebagai zarah halus yang tersebar. Dengan cara ini, fasa rapuh bukan lagi antara muka berterusan yang lemah tetapi dikelilingi oleh matriks yang kuat dan lasak, meningkatkan keplastikan dan keliatan sendi. Contohnya, dalam kimpalan aluminium/keluli dan aluminium/tembaga, ketebalan lapisan IMC boleh dikawal dengan berkesan di bawah nilai kritikal hanya beberapa mikron atau kurang.
3.3 Pengoptimuman pembentukan kimpalan dan sifat mekanikal
Selain menyelesaikan masalah kecacatan, getaran ultrasonik boleh meningkatkan kualiti pembentukan kimpalan secara menyeluruh.
(1) Penambahbaikan pembentukan kimpalan: Getaran ultrasonik mengurangkan kelikatan ketara logam cair dan meningkatkan kecairannya. Ini memudahkan logam cecair merebak dan mengisi, menghasilkan permukaan kimpalan yang lebih licin dan lebih seragam, mengurangkan kecacatan pembentukan seperti pemotongan dan kekurangan penembusan. Pada masa yang sama, kebolehbasahan yang lebih baik menjadikan peralihan antara kimpalan dan bahan asas lebih beransur-ansur, mengurangkan titik kepekatan tegasan.
(2) Peningkatan sifat mekanikal yang menyeluruh: Ini adalah hasil muktamad semua kelebihan di atas. Disebabkan penghapusan keliangan dan retakan mikro, serta penghalusan bijian yang ketara (Rajah 3), kekuatan dan keplastikan kimpalan boleh dipertingkatkan serentak, memutuskan perdagangan konvensional-antara kekuatan dan keplastikan dalam sains bahan tradisional. Struktur butiran equiaxed yang halus menjadikan laluan perambatan retak berliku-liku, sangat meningkatkan keliatan patah dan rintangan lesu pada sendi.
04
Ringkasan
Sebagai kaedah pemprosesan medan tenaga komposit yang inovatif, UVA-LW bukan sahaja melengkapkan dan mengoptimumkan proses kimpalan laser tradisional tetapi pada asasnya menangani beberapa-isu teras yang telah lama wujud. Dengan menggandingkan secara tepat-medan tenaga akustik frekuensi tinggi ke dalam kolam lebur laser, teknologi ini mencapai campur tangan fizikal yang mendalam melalui 'sinergi fotoakustik', mempertingkatkan keseluruhan rantai prestasi daripada penulenan cecair dan kawalan struktur mikro pemejalan kepada pelepasan tekanan keadaan pepejal-.
Dengan keperluan yang semakin ketat untuk kualiti sambungan dalam bidang seperti kenderaan tenaga baharu (terutamanya sambungan-aluminium tembaga dalam bateri kuasa), aeroangkasa (aloi-kekuatan tinggi ringan dan komponen struktur bahan yang berbeza), dan-pengilangan berketepatan tinggi, getaran ultrasonik-mempamerkan potensi aplikasi teknologi kimpalan laser yang ketara. Penyelidikan masa depan mungkin menumpukan pada 1) pengoptimuman sinergi dan pemadanan parameter ultrasonik dan laser untuk mencapai kimpalan 'disesuaikan' untuk bahan dan aplikasi tertentu; 2) menyepadukan teknologi ini dengan pemantauan dalam talian dan sistem kawalan pintar untuk membolehkan-maklum balas gelung tertutup dan-jaminan kualiti masa sebenar semasa proses kimpalan; 3) meneroka lagi aplikasinya dalam{10}bidang canggih seperti pembuatan bahan tambahan untuk mengawal tegasan sisa dan sifat mikrostruktur semasa proses pencetakan. Boleh dijangka bahawa teknologi kimpalan laser berbantukan getaran ultrasonik{12}}bukan sekadar 'penyelesaikan masalah' tetapi akan menjadi 'peningkatan prestasi' memacu pembangunan teknologi pembuatan termaju, menyediakan laluan yang sesuai ke arah prestasi yang lebih tinggi dan sambungan bahan yang lebih dipercayai.
