کاربرد ارتعاش التراسونیک در جوشکاری لیزری

01

مقدمه

با استفاده از مزایایی مانند انرژی متمرکز، دقت بالا و حداقل تغییر شکل، فناوری جوش لیزری به عنوان یک فرآیند اصلی در تولید دقیق مدرن ظاهر شده است. با این حال، ویژگی‌های ذوب و انجماد سریع آن چالش‌های مهمی را هنگام پردازش مواد بسیار بازتابنده (مانند مس و آلومینیوم)-به‌ویژه، جذب انرژی ناپایدار و حساسیت به تخلخل و ترک‌خوردگی داغ ایجاد می‌کند. این مسائل به ویژه هنگام جوشکاری مواد غیر مشابه حاد است، جایی که تشکیل ترکیبات بین فلزی شکننده می تواند عملکرد اتصال را به شدت تحت تاثیر قرار دهد. این تنگناها کاربرد بیشتر جوش لیزری را در بخش‌های{4}بالا، مانند باتری‌های نیرو و هوافضا محدود کرده است. در سال‌های اخیر، فناوری ارتعاش اولتراسونیک به طور فزاینده‌ای در زمینه پردازش مواد معرفی شده است تا تکنیک‌های سنتی را بهبود بخشد و انعطاف‌پذیری بی‌سابقه‌ای در تولید ایجاد کند. فراتر از کاربردهای تثبیت شده آن در تمیز کردن، سونوشیمی، تصفیه فلز و اتمیزه کردن، فناوری اولتراسونیک اکنون به تدریج تبدیل به یک ابزار کمکی حیاتی در پلتفرم‌های تولید پیشرفته-از جمله ماشین‌کاری دقیق، جوشکاری پیشرفته، پردازش لیزری و تولید مواد افزودنی می‌شود. در نتیجه، برای غلبه بر برخی محدودیت‌های ذاتی در جوشکاری لیزر، یک راه‌حل خلاقانه پدید آمده است: فناوری ارتعاش اولتراسونیک-جوشکاری لیزری (UVA{10}}LW) (شکل 1). این فناوری به‌طور مبتکرانه ارتعاشات فراصوت با فرکانس بالا را در فرآیند جوشکاری لیزری ادغام می‌کند، با هدف مهار جریان صوتی منحصربفرد، کاویتاسیون و اثرات استرس امواج مافوق صوت برای مداخله مستقیم-در سطح فیزیکی-در دینامیک جریان حوضچه مذاب و رفتار فرآیند جامد شدن، گاز و گاز. از طریق این «هم‌افزایی آکوستو{17}}نوری، فناوری UVA{18}}LW به طور مؤثر حوضچه مذاب را به هم می‌زند، تخلیه گاز را تسهیل می‌کند، ساختارهای دانه را اصلاح می‌کند و تشکیل فازهای شکننده را سرکوب می‌کند. این رویکرد به طور قابل توجهی کیفیت و عملکرد جوش را افزایش می‌دهد و در نتیجه مسیر نویدبخش جدیدی را برای حل چالش‌های ذاتی مرتبط با جوشکاری لیزری معمولی هموار می‌کند.

02

اصل اصلی: اثر هم افزایی صدا و نور

ماهیت ارتعاش اولتراسونیک-جوشکاری لیزری کمکی در توانایی میدان انرژی صوتی برای دستیابی به یک-بهینه سازی سطح جامع و عمیق فرآیند جوشکاری لیزری-که کل زنجیره را از رفتارهای فیزیکی حوضچه مذاب مایع تا تنش ریزساختاری پس از تنظیم حالت انجماد، در نهایت{3} تکامل ریزساختاری تا حالت انجماد} در بر می گیرد، نهفته است. اولاً، در طول فاز مایع، امواج اولتراسونیک با فرکانس بالا، جریان صوتی قوی و اثرات حفره‌ای را در حوضچه مذاب ایجاد می‌کنند، و به طور مؤثر به عنوان مکانیزمی برای «میکرو-هم زدن» و «تصفیه کارآمد» فلز مذاب عمل می‌کنند. جریان ماکروسکوپی جهت دار ایجاد شده توسط اثر جریان آکوستیک-بیشتر شبیه همزن داخلی{10}}به شدت حوضچه مذاب را به هم می زند (شکل. 2) و در نتیجه یکسان سازی ترکیب عنصری و توزیع دما را وادار می کند. این امر به ویژه هنگام جوشکاری مواد غیر مشابه بسیار مهم است، زیرا به طور موثر تشکیل ترکیبات بین فلزی پیوسته و شکننده را که تمایل به تجمع در سطح مشترک دارند، مختل می کند و در عوض آنها را به ذرات ریز و گسسته برای افزایش چقرمگی اتصال پراکنده می کند. همزمان، اثر کاویتاسیون شدیدتر-که توسط فروپاشی آنی حباب‌های میکروسکوپی بی‌شماری ایجاد می‌شود{15}}امواج ضربه‌ای قدرتمند و جت‌های میکرو{17}سرعت بالا-را آزاد می‌کند. از یک طرف، این عمل به شدت لایه‌های اکسیدی را از سطح حوضچه مذاب پاک می‌کند و در نتیجه ترشوندگی را بهبود می‌بخشد. از سوی دیگر، گازهای مضر مانند هیدروژن و نیتروژن به دام افتاده در استخر را "بیرون می زند" و آنها را مجبور می کند تا به سرعت بالا بیایند و فرار کنند، در نتیجه اساساً تشکیل نقص های تخلخل را سرکوب می کند. متعاقباً، در طول فاز انجماد، امواج ضربه‌ای با فشار بالا{20} دوره‌ای که توسط اثر کاویتاسیون ایجاد می‌شوند، به‌عنوان ابزاری قوی برای تنظیم ریزساختار انجماد ظاهر می‌شوند. همانطور که حوضچه مذاب شروع به سرد شدن می کند و دندریت ها شروع به رشد می کنند، این امواج ضربه ای به طور موثر آنها را می شکند و تکه تکه می کنند. این بازوهای دندریتیک تکه تکه شده که توسط جریان صوتی حمل می شوند، در سراسر حوضچه مذاب پراکنده می شوند و به عنوان انبوهی از مکان های هسته زایی ناهمگن جدید عمل می کنند و در نتیجه به «تکه تکثیر-تکثیر القا شده» هسته های کریستالی می رسند. این مکانیسم اساساً الگوهای انجماد سنتی را با مهار رشد دانه‌های ستونی درشت تغییر می‌دهد، و در نهایت یک ساختار جوش با کارایی بالا ایجاد می‌کند که از انبوهی از دانه‌های ریز و یکنواخت هم محور تشکیل شده است-، نتیجه‌ای که استحکام، مقاومت جوش‌پذیری و انعطاف‌پذیری جوش را به شدت افزایش می‌دهد. در نهایت، در طول مرحله{28}}حالت جامد پس از خنک‌سازی{29}}، ارتعاش اولتراسونیک از طریق مکانیسم‌های نرم‌شدن آکوستیک و کاهش استرس همچنان نقش محوری را ایفا می‌کند. اثر نرم شدن صوتی باعث می‌شود که درز و گرما-مواد ناحیه تحت‌تأثیر{32}}در حالی که در حالت پلاستیکی با دمای بالا هستند{34}}تحت «نرم‌شدگی آنی» قرار گیرند، درنتیجه تطبیق و کاهش غلظت‌های تنش خنک ناشی از ریزش‌های پلاستیکی ایجاد شده توسط میکروسکوپ را برای آنها آسان‌تر می‌کند. به طور همزمان، ارتعاشات مکانیکی با فرکانس بالا{36} انرژی اضافی برای مهاجرت اتم‌ها و جابجایی‌ها فراهم می‌کند و در نتیجه توزیع مجدد و کاهش تنش‌های داخلی را تسهیل می‌کند. در نتیجه-از تصفیه و همگن شدن حوضچه مذاب گرفته تا پالایش دانه در طول انجماد، و در نهایت تا کاهش تنش در حالت جامد{39}}ارتعاش اولتراسونیک یک تعامل هم افزایی بسیار کارآمد را با منبع حرارت لیزر از طریق این سری از اثرات فیزیکی به هم پیوسته برقرار می‌کند، و در نتیجه هسته‌های لیزری را به‌طور سنتی به چالش می‌کشند.

03

مزایای برنامه: بهبود قابل توجه در کیفیت و عملکرد

اصول اصلی هم افزایی آکوستو{0}}نوری در نهایت به جهشی قابل توجه در کیفیت جوش و عملکرد اتصال تبدیل می شود. در مقایسه با جوشکاری لیزری معمولی، جوشکاری لیزری با کمک ارتعاش{2}}التراسونیک سه مزیت کلیدی را در پرداختن به نقاط حساس صنعت نشان می‌دهد:

3.1 کاهش عیوب جوش (تخلخل و ترک)

04

خلاصه

UVA{0}}LW به عنوان یک روش پردازش نوآورانه با استفاده از میدان انرژی ترکیبی، نه تنها به عنوان مکمل و بهینه‌سازی فرآیندهای جوشکاری لیزری سنتی عمل می‌کند، بلکه اساساً چندین چالش اصلی طولانی- ذاتی آنها را حل می‌کند. این فناوری با اتصال دقیق یک میدان انرژی صوتی با فرکانس بالا در حوضچه مذاب لیزری، به مداخله فیزیکی عمیق از طریق "هم‌افزایی آکوستو{4}نوری" دست می‌یابد، در نتیجه بهبود جامعی در خواص مواد{5}}در کل زنجیره از مایع-تصفیه فاز و تنش انجماد، تنظیم مجدد حالت جامد{5} ایجاد می‌شود.

با بخش‌هایی مانند وسایل نقلیه جدید انرژی (به ویژه در اتصالات مس-آلومینیوم در باتری‌های نیرو)، هوافضا (شامل آلیاژهای سبک وزن،-با استحکام بالا و ساختارهای مواد غیرمشابه)، و-تولید با دقت بالا که الزامات فزاینده‌ای سختگیرانه‌تر در مورد کیفیت چسبندگی فوق‌العاده سختگیرانه‌ای را تحمیل می‌کند. پتانسیل بسیار زیادی را برای کاربرد نشان می دهد. جهت‌های تحقیقاتی آینده احتمالاً بر روی موارد زیر تمرکز خواهند کرد: 1) بهینه‌سازی و تطبیق پارامترهای اولتراسونیک و لیزر برای فعال کردن جوشکاری "سفارشی" برای مواد و کاربردهای خاص. 2) ادغام این فناوری با نظارت آنلاین و سیستم‌های کنترل هوشمند برای دستیابی به بازخورد حلقه بسته در فرآیند جوشکاری و اطمینان از تضمین کیفیت واقعی{{8}. و 3) کاوش بیشتر در کاربردهای آن در زمینه‌های پیشرفته-مانند تولید افزودنی{12}}برای کنترل تنش پسماند و خواص ریزساختاری در طول فرآیند چاپ. می‌توان پیش‌بینی کرد که فناوری جوش لیزری با کمک ارتعاش{14}} فراصوتی فراتر از صرفاً یک «حل‌ال{15}}مشکل» تبدیل شود و به یک «افزایش‌دهنده عملکرد» تبدیل شود که موجب پیشرفت فناوری‌های تولید می‌شود و در نتیجه مسیری مناسب برای دستیابی به عملکرد مواد{16} بالاتر و قابل اطمینان‌تر ارائه می‌دهد.