کاربرد ارتعاش التراسونیک در جوشکاری لیزری

01

مقدمه

فناوری جوش لیزری، با مزایای انرژی متمرکز، دقت بالا و حداقل اعوجاج، به یک فرآیند اصلی در تولید دقیق مدرن تبدیل شده است. با این حال، ویژگی‌های ذوب و انجماد سریع آن هنگام پردازش مواد بسیار بازتابنده (مانند مس و آلومینیوم)، از جمله جذب انرژی ناپایدار، حساسیت به تخلخل، و ترک‌خوردگی حرارتی با چالش‌هایی مواجه است. این امر به ویژه در هنگام جوشکاری مواد غیر مشابه، که در آن تشکیل ترکیبات بین فلزی شکننده به شدت عملکرد اتصال را تضعیف می کند، مشخص می شود. این تنگناها، کاربردهای بیشتر را در زمینه‌های پیشرفته- مانند باتری‌های نیرو و هوافضا محدود می‌کند. در سال‌های اخیر، فناوری ارتعاش اولتراسونیک به‌طور فزاینده‌ای در زمینه پردازش مواد برای بهبود روش‌های سنتی و دستیابی به انعطاف‌پذیری بی‌سابقه‌ای در تولید معرفی شده است. فراصوت فراتر از کاربردهای موجود در تمیز کردن، سونوشیمی، پردازش فلز و اتمیزه کردن، به تدریج به یک روش کمکی مهم در پلتفرم‌های تولید پیشرفته، از جمله ماشین‌کاری دقیق، جوشکاری پیشرفته، پردازش لیزری و ساخت افزودنی تبدیل می‌شود. برای این منظور، برای غلبه بر برخی محدودیت‌ها در جوشکاری لیزر، یک راه‌حل ابتکاری-لرزش اولتراسونیک-جوشکاری لیزری به کمک (UVA-LW){10}} ظهور کرده است (شکل 1). این فناوری به شکلی خلاقانه ارتعاشات فراصوت با فرکانس بالا را در فرآیند جوشکاری لیزری معرفی می‌کند، با هدف استفاده از جریان صوتی منحصربفرد، کاویتاسیون و اثرات استرس اولتراسوند برای مداخله فیزیکی در جریان، رفتار گاز، و فرآیندهای انجماد حوضچه مذاب. فناوری UVA{16}LW از طریق این «هم‌افزایی آکوستو»{15}}LW می‌تواند به طور مؤثری حوضچه مذاب را به هم بزند، گاززدایی را تقویت کند، دانه‌ها را تصفیه کند و از تشکیل فازهای شکننده جلوگیری کند، در نتیجه کیفیت و عملکرد جوش را به‌طور قابل توجهی بهبود بخشد و مسیر نویدبخش جدیدی را برای پرداختن به جوش‌های سنتی لیزری باز کند.

شکل 1. نمودار شماتیک: (الف) راه اندازی آزمایشی UVA{1}}LW; (ب) مورفولوژی حوضچه مذاب در طول فرآیند UVA-LW. (ج) ویژگی‌های جریان حوضچه مذاب در طول فرآیند UVA{3}}LW [1].

اصل اصلی: اثر هم افزایی صدا و نور

ماهیت جوشکاری لیزری به کمک ارتعاش{0}}در بهینه‌سازی میدان انرژی صوتی در کل فرآیند جوشکاری لیزر، از رفتار فیزیکی حوضچه مذاب مایع، از طریق تکامل سازمانی در طول انجماد، تا تنظیم تنش در حالت جامد پس از سرد شدن، نهفته است. اولاً، در مرحله مایع، امواج اولتراسونیک با فرکانس بالا، جریان‌های صوتی قوی و اثرات حفره‌ای را در حوضچه مذاب ایجاد می‌کنند و به عنوان یک «همزن میکروسکوپی» و «تصفیه‌کننده کارآمد» برای فلز مذاب عمل می‌کنند. جریان ماکروسکوپی جهت دار تولید شده توسط جریان صوتی مانند یک میکسر داخلی عمل می کند و به شدت حوضچه مذاب را به هم می زند و در نتیجه توزیع یکنواخت عناصر و دما را تحمیل می کند. این امر به ویژه هنگام جوشکاری مواد غیر مشابه بسیار مهم است، زیرا به طور موثر ترکیبات بین فلزی شکننده را که تمایل به تشکیل لایه‌های پیوسته در سطح مشترک دارند، مختل می‌کند و آنها را به طور ریز و یکنواخت توزیع می‌کند و در نتیجه چقرمگی اتصال را بهبود می‌بخشد. به طور همزمان، اثر کاویتاسیون شدیدتر، از طریق فروپاشی آنی میکروحباب‌های بی‌شماری، امواج ضربه‌ای قوی و میکروجت‌های{6}}سرعت بالا را آزاد می‌کند. این نه تنها لایه های اکسید روی سطح استخر مذاب را برای بهبود ترشوندگی حذف می کند، بلکه گازهای مضر مانند هیدروژن و نیتروژن را از استخر خارج می کند و آنها را مجبور به فرار سریع می کند و اساساً از ایجاد نقص های تخلخل جلوگیری می کند. متعاقباً، در طول مرحله انجماد، امواج ضربه‌ای با فشار بالا{9} دوره‌ای که توسط اثر کاویتاسیون ایجاد می‌شوند، به ابزاری قدرتمند برای کنترل ساختار انجماد تبدیل می‌شوند. با سرد شدن حوضچه مذاب و رشد دندریت ها، این امواج ضربه ای عملاً آنها را می شکنند و تکه تکه می کنند. بازوهای دندریتی تکه تکه شده، که در سراسر حوضچه توسط جریان صوتی حمل می شوند، به عنوان مکان های جدید هسته زایی غیر خودبخودی- عمل می کنند و به "تکثیر تکه تکه شده" هسته ها دست می یابند. این مکانیسم اساساً الگوی انجماد سنتی را تغییر می‌دهد، رشد بلورهای ستونی درشت را سرکوب می‌کند و منجر به ساختار جوشی با کارایی بالا می‌شود که از تعداد زیادی کریستال ریز و یکنواخت تشکیل شده است، استحکام، شکل‌پذیری و مقاومت جوش در برابر ترک‌خوردگی حرارتی را بسیار افزایش می‌دهد. در نهایت، در مرحله حالت جامد سرد{16}، ارتعاش اولتراسونیک همچنان نقش کلیدی در نرم شدن صوتی و کاهش استرس دارد. اثر نرم‌کننده صوتی به‌طور موقت مواد ناحیه جوش و گرما{18}را در حالت پلاستیکی با دمای بالا نرم می‌کند و آنها را قادر می‌سازد تا غلظت‌های تنش ناشی از انقباض خنک‌کننده را از طریق تغییر شکل پلاستیک میکروسکوپی تطبیق داده و آرام کنند. علاوه بر این، ارتعاشات مکانیکی با فرکانس بالا{21} انرژی اضافی برای مهاجرت اتم‌ها و نابجایی‌ها فراهم می‌کند و باعث توزیع مجدد و کاهش تنش‌های داخلی می‌شود. بنابراین، از تصفیه و همگن سازی مایع، تا پالایش دانه در حین انجماد، و کاهش تنش در حالت جامد، ارتعاش اولتراسونیک، از طریق این سری از اثرات فیزیکی مرتبط، یک عمل هم افزایی کارآمد با منبع حرارت لیزر را تشکیل می‌دهد که به طور سیستماتیک چالش‌های اصلی جوشکاری لیزری سنتی را برطرف می‌کند{23}

شکل 2. اثر اولتراسوند بر جریان سیال در حوضچه مذاب: (الف) بدون اولتراسوند. (ب) با سونوگرافی [1].

03

مزایای کاربرد: بهبود قابل توجه در کیفیت و عملکرد

اصل اصلی هم افزایی فوتوآکوستیک در نهایت به یک جهش قابل توجه در کیفیت جوش و عملکرد اتصال تبدیل می شود. در مقایسه با جوشکاری لیزری سنتی، جوشکاری لیزری به کمک ارتعاش-التراسونیک سه مزیت اصلی را در پرداختن به نقاط درد صنعت نشان می‌دهد:

3.1 کاهش عیوب جوشکاری (تخلخل، ترک)

تخلخل و ترک دو "قاتل" اصلی هستند که بر قابلیت اطمینان جوش تاثیر می گذارند و ارتعاش اولتراسونیک اثر بازدارندگی قوی بر روی آنها دارد.

(1) مهار تخلخل: در جوشکاری لیزری سنتی، به ویژه جوشکاری با نفوذ عمیق، تخلخل به راحتی به دلیل ناپایداری سوراخ کلید و حباب بخار فلز ایجاد می شود. معرفی اولتراسوند نیروی گاز زدایی قوی را از طریق کاویتاسیون و اثرات جریان صوتی به حوضچه مذاب ارائه می دهد. از یک طرف، امواج ضربه ای که در اثر فروپاشی حباب های کاویتاسیون ایجاد می شوند، می توانند به طور مستقیم حباب های ریز هیدروژن و نیتروژن را در حوضچه مذاب بشکنند یا آنها را مجبور به ادغام و بالا رفتن سریع کنند. از سوی دیگر، اثر هم‌زن مداوم جریان صوتی مسیر و شناوری برای فرار حباب ارائه می‌دهد. این به طور قابل توجهی چگالی جوش را بهبود می‌بخشد و تخلخل را با یک مرتبه بزرگی یا بیشتر کاهش می‌دهد که برای آب‌بندی اتصالات و عمر خستگی بسیار مهم است.

(2) ممانعت از تشکیل ترک: ترک های جوشکاری را می توان به ترک های گرم و ترک های سرد طبقه بندی کرد. برای ترک‌های داغ، ارتعاش اولتراسونیک اساساً ساختار انجماد را با شکستن دانه‌های درشت ستونی و تشکیل دانه‌های هم محور ریز، کاهش تفکیک یوتکتیک‌های پایین-نقطه ذوب-در مرزهای دانه، بهبود می‌بخشد، در نتیجه مقاومت ماده در برابر ترک‌خوردگی در نواحی بالا- را افزایش می‌دهد. برای ترک های سرد، اثر نرم کنندگی اولتراسونیک و آزاد شدن تنش به طور قابل توجهی تنش پسماند را پس از جوشکاری کاهش می دهد، از تمرکز تنش جلوگیری می کند، بنابراین به طور موثر ترک های سرد ناشی از ترک خوردگی تاخیری هیدروژنی یا استرس بالا را مهار می کند. این اثر به ویژه هنگام جوشکاری-فولاد با استحکام بالا و مواد با سختی بالا مشخص می شود.

3.2 بهبود عملکرد اتصالات مواد غیر مشابه

بزرگترین چالش در جوشکاری فلزات غیرمشابه در تفاوت های زیاد در خواص فیزیکی (مانند نقطه ذوب و هدایت حرارتی) و تمایل به تشکیل ترکیبات بین فلزی ضخیم و شکننده (IMC) در سطح مشترک نهفته است که باعث شکنندگی شدید اتصال می شود. لرزش اولتراسونیک یک راه حل منحصر به فرد برای این ارائه می دهد:

(1) سرکوب و اصلاح لایه IMC: جریان صوتی قدرتمند اولتراسونیک به عنوان یک مکانیسم همزن عمل می کند، لایه شکننده IMC تازه تشکیل شده را می شکند، از رشد مداوم آن جلوگیری می کند و قطعات آن را به حوضچه مذاب می برد و باعث می شود آنها در جوش به صورت ذرات ریز و پراکنده توزیع شوند. به این ترتیب، فاز ترد دیگر یک رابط پیوسته ضعیف نیست، بلکه توسط یک ماتریس قوی و سخت احاطه شده است، که تا حد زیادی انعطاف پذیری و چقرمگی اتصال را بهبود می بخشد. به عنوان مثال، در جوشکاری آلومینیوم/فولاد و آلومینیوم/مس، ضخامت لایه IMC را می توان به طور موثر زیر یک مقدار بحرانی فقط چند میکرون یا حتی کمتر کنترل کرد.

3.3 بهینه سازی شکل گیری جوش و خواص مکانیکی

علاوه بر حل مشکلات نقص، ارتعاش اولتراسونیک می تواند به طور جامع کیفیت تشکیل جوش را افزایش دهد.

(1) بهبود شکل گیری جوش: ارتعاش اولتراسونیک ویسکوزیته ظاهری فلز مذاب را کاهش می دهد و سیالیت آن را افزایش می دهد. این امر پخش و پر شدن فلز مایع را آسان‌تر می‌کند و در نتیجه سطح جوش صاف‌تر و یکنواخت‌تر می‌شود و عیوب شکل‌گیری مانند زیر برش و عدم نفوذ را کاهش می‌دهد. در عین حال، ترشوندگی بهبود یافته، انتقال بین جوش و ماده پایه را تدریجی تر می کند و نقاط تمرکز تنش را کاهش می دهد.

(2) بهبود جامع خواص مکانیکی: این نتیجه نهایی تمام مزایای فوق است. با توجه به حذف تخلخل و ریزترک‌ها، و همچنین پالایش قابل توجه دانه (شکل 3)، استحکام و پلاستیسیته جوش را می‌توان به طور همزمان بهبود بخشید و تجارت متعارف بین استحکام و پلاستیسیته در علم مواد سنتی را شکست. ساختار دانه هم محور ریز مسیر انتشار ترک را پر پیچ و خم می کند و تا حد زیادی چقرمگی شکست و مقاومت در برابر خستگی مفصل را افزایش می دهد.

04

خلاصه

به عنوان یک روش نوآورانه پردازش میدان انرژی مرکب، UVA-LW نه تنها فرآیندهای جوشکاری لیزری سنتی را تکمیل و بهینه می‌کند، بلکه به طور اساسی چندین-مشکلات اصلی قدیمی را نیز برطرف می‌کند. این فناوری با اتصال دقیق یک میدان انرژی صوتی با فرکانس بالا در حوضچه مذاب لیزری، از طریق "هم افزایی فوتوآکوستیک" به مداخله فیزیکی عمیق دست می یابد و کل زنجیره عملکرد را از تصفیه مایع و کنترل ریزساختار انجماد تا کاهش استرس حالت جامد{4} بهبود می بخشد.

با الزامات فزاینده سختگیرانه برای کیفیت اتصال در زمینه هایی مانند وسایل نقلیه انرژی جدید (به ویژه اتصالات مسی-آلومینیوم در باتری های نیرو)، هوافضا (آلیاژهای سبک وزن- با استحکام بالا و اجزای ساختاری مواد غیرمشابه)، و{2}}ساخت با دقت بالا، تولید بالقوه التراسونیک{3}ارتعاش قابل توجهی از لیزر. تحقیقات آینده ممکن است بر روی 1) بهینه سازی هم افزایی و تطبیق پارامترهای اولتراسونیک و لیزر برای دستیابی به جوشکاری "سفارشی" برای مواد و کاربردهای خاص تمرکز کند. 2) ادغام این فناوری با نظارت آنلاین و سیستم‌های کنترل هوشمند برای فعال کردن بازخورد حلقه بسته و تضمین کیفیت زمان واقعی در طول فرآیند جوشکاری؛ 3) بررسی بیشتر کاربردهای آن در زمینه‌های پیشرفته{10}مانند تولید افزودنی برای کنترل تنش پسماند و خواص ریزساختاری در طول فرآیند چاپ. می‌توان پیش‌بینی کرد که فناوری جوش لیزری با کمک ارتعاش{12}}نه تنها یک «حل‌کننده مشکل» باشد، بلکه به یک «افزایش‌دهنده عملکرد» تبدیل شود که باعث توسعه فناوری‌های تولید پیشرفته می‌شود و مسیری امکان‌پذیر به سمت عملکرد بالاتر و اتصالات مواد قابل اطمینان‌تر فراهم می‌کند.