01
การแนะนำ
เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ซึ่งมีข้อได้เปรียบในด้านพลังงานที่มีความเข้มข้น ความแม่นยำสูง และการบิดเบือนน้อยที่สุด ได้กลายเป็นกระบวนการหลักในการผลิตที่มีความแม่นยำสมัยใหม่ อย่างไรก็ตาม คุณลักษณะการหลอมละลายและการแข็งตัวอย่างรวดเร็วของวัสดุต้องเผชิญกับความท้าทายเมื่อแปรรูปวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูง (เช่น ทองแดงและอะลูมิเนียม) รวมถึงการดูดซับพลังงานที่ไม่เสถียร ความไวต่อรูพรุน และการแตกร้าวจากความร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทำการเชื่อมวัสดุที่ไม่เหมือนกัน ซึ่งการก่อตัวของสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกที่เปราะจะทำให้ประสิทธิภาพของข้อต่ออ่อนลงอย่างรุนแรง ปัญหาคอขวดเหล่านี้จำกัดการใช้งานเพิ่มเติมในสาขาระดับสูง- เช่น แบตเตอรี่พลังงานและการบินและอวกาศ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกได้ถูกนำมาใช้มากขึ้นในด้านการแปรรูปวัสดุ เพื่อปรับปรุงวิธีการแบบดั้งเดิม และบรรลุความยืดหยุ่นในการผลิตอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน นอกเหนือจากการใช้งานในปัจจุบันในด้านการทำความสะอาด โซโนเคมี การบำบัดโลหะ และการทำให้เป็นละอองแล้ว อัลตราซาวนด์กำลังค่อยๆ กลายเป็นวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพเสริมที่สำคัญในแพลตฟอร์มการผลิตขั้นสูง รวมถึงการตัดเฉือนที่มีความแม่นยำ การเชื่อมขั้นสูง การประมวลผลด้วยเลเซอร์ และการผลิตแบบเติมเนื้อ ด้วยเหตุนี้ เพื่อเอาชนะข้อจำกัดบางประการในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ โซลูชั่นที่เป็นนวัตกรรมใหม่-การสั่นสะเทือนแบบอัลตราโซนิก-จึงได้ถือกำเนิดขึ้นด้วยการเชื่อมด้วยเลเซอร์ (UVA-LW)- (รูปที่ 1) เทคโนโลยีนี้แนะนำการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกความถี่สูง-อย่างสร้างสรรค์ในกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ โดยมีเป้าหมายเพื่อใช้การไหลของเสียง การเกิดโพรงอากาศ และผลกระทบจากความเครียดที่เป็นเอกลักษณ์ของอัลตราซาวนด์ เพื่อแทรกแซงทางกายภาพในการไหล พฤติกรรมของก๊าซ และกระบวนการแข็งตัวของสระหลอมเหลว ด้วย 'การทำงานร่วมกันของเสียง-แสง' เทคโนโลยี UVA-LW สามารถกวนแหล่งหลอมเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งเสริมการกำจัดก๊าซ ขัดเกลาเมล็ดข้าว และยับยั้งการก่อตัวของเฟสที่เปราะ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพของการเชื่อมอย่างมีนัยสำคัญ และเปิดเส้นทางใหม่ที่มีแนวโน้มสำหรับการจัดการปัญหาโดยธรรมชาติของการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิม
รูปที่ 1 แผนผัง: (a) UVA-การตั้งค่าการทดลอง LW; (b) สัณฐานวิทยาของแหล่งน้ำหลอมเหลวในระหว่างกระบวนการ UVA-LW; (c) คุณลักษณะของการไหลของสระน้ำหลอมเหลวในระหว่างกระบวนการ UVA-LW [1]
หลักการหลัก: ผลเสริมฤทธิ์กันของเสียงและแสง
แก่นแท้ของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ด้วยแรงสั่นสะเทือนอัลตราโซนิก-อยู่ที่การปรับปรุงประสิทธิภาพที่ได้รับจากสนามพลังงานเสียงตลอดกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ตั้งแต่พฤติกรรมทางกายภาพของสระหลอมเหลว ไปจนถึงวิวัฒนาการขององค์กรในระหว่างการแข็งตัว ไปจนถึงการควบคุมความเครียดในสถานะของแข็งหลังการเย็นตัวลง ประการแรก ที่ระยะของเหลว คลื่นอัลตราโซนิกความถี่สูง-จะสร้างกระแสเสียงอะคูสติกและเอฟเฟกต์คาวิเทชันอันทรงพลังภายในสระหลอมเหลว โดยทำหน้าที่เป็น "เครื่องกวนด้วยกล้องจุลทรรศน์" และ "เครื่องฟอกที่มีประสิทธิภาพ" สำหรับโลหะหลอมเหลว ทิศทางการไหลขนาดมหึมาที่สร้างขึ้นโดยการสตรีมแบบอะคูสติกทำหน้าที่เหมือนมิกเซอร์ภายใน ทำให้เกิดความปั่นป่วนในสระที่หลอมละลายอย่างแรง ดังนั้นจึงบังคับให้มีการกระจายองค์ประกอบและอุณหภูมิที่สม่ำเสมอ นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการเชื่อมวัสดุที่แตกต่างกัน เนื่องจากจะไปขัดขวางสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกที่เปราะซึ่งมีแนวโน้มที่จะก่อตัวเป็นชั้นต่อเนื่องกันที่ส่วนต่อประสานได้อย่างมีประสิทธิภาพ กระจายพวกมันอย่างประณีตและสม่ำเสมอ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความเหนียวของข้อต่อ ในขณะเดียวกัน เอฟเฟกต์คาวิเทชันที่รุนแรงยิ่งขึ้นผ่านการยุบตัวของฟองไมโครจำนวนนับไม่ถ้วนในทันที จะปล่อยคลื่นกระแทกที่รุนแรงและไมโครเจ็ตความเร็วสูง- สิ่งนี้ไม่เพียงกำจัดฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวสระน้ำที่หลอมละลายเพื่อปรับปรุงความสามารถในการเปียกน้ำ แต่ยังขับก๊าซที่เป็นอันตราย เช่น ไฮโดรเจนและไนโตรเจน ออกจากสระ บังคับให้พวกมันหลบหนีอย่างรวดเร็วและเป็นการป้องกันการก่อตัวของข้อบกพร่องเกี่ยวกับความพรุนโดยพื้นฐาน ต่อจากนั้น ในระหว่างขั้นตอนการแข็งตัว คลื่นกระแทกแรงดันสูง-เป็นระยะๆ ที่เกิดจากเอฟเฟ็กต์คาวิเทชันจะกลายเป็นเครื่องมืออันทรงพลังในการควบคุมโครงสร้างการแข็งตัว เมื่อสระหลอมละลายเย็นลงและเดนไดรต์โตขึ้น คลื่นกระแทกเหล่านี้จะแตกและแยกส่วนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แขนเดนไดรต์ที่กระจัดกระจายซึ่งถูกพาไปทั่วสระโดยการสตรีมแบบอะคูสติก ทำหน้าที่เป็นจุดเกิดนิวเคลียสที่ไม่เกิดขึ้นเอง-จำนวนมาก ทำให้เกิด "การแพร่กระจายแบบกระจัดกระจาย" ของนิวเคลียส กลไกนี้เปลี่ยนรูปแบบการแข็งตัวแบบดั้งเดิมโดยพื้นฐาน โดยยับยั้งการเติบโตของผลึกเรียงเป็นแนวหยาบ และส่งผลให้โครงสร้างการเชื่อมประสิทธิภาพสูง-ประกอบด้วยผลึกที่มีความสมดุลและละเอียดสม่ำเสมอจำนวนมาก ช่วยเพิ่มความแข็งแรง ความเหนียว และความต้านทานต่อการแตกร้าวจากความร้อนได้อย่างมาก สุดท้าย ในสถานะของแข็ง-ที่เย็นลง การสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกยังคงมีบทบาทสำคัญในการทำให้เสียงอ่อนลงและบรรเทาความเครียด เอฟเฟกต์การลดเสียงอะคูสติกจะทำให้รอยเชื่อมและวัสดุบริเวณโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน-อ่อนลงชั่วคราวในสถานะพลาสติกที่มีอุณหภูมิสูง- ทำให้สามารถปรับและผ่อนคลายความเข้มข้นของความเครียดที่เกิดจากการระบายความร้อนด้วยการหดตัวผ่านการเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกขนาดเล็กมากได้ นอกจากนี้ การสั่นสะเทือนทางกลความถี่สูง-ที่ยั่งยืนยังให้พลังงานพิเศษสำหรับการเคลื่อนที่ของอะตอมและการเคลื่อนตัว ซึ่งส่งเสริมการกระจายตัวใหม่และการผ่อนคลายความเครียดภายใน ดังนั้น ตั้งแต่การทำให้ของเหลวบริสุทธิ์และทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน ไปจนถึงการปรับเกรนเกรนในระหว่างการแข็งตัว และการบรรเทาความเครียดในสถานะของแข็ง การสั่นสะเทือนอัลตราโซนิก ผ่านชุดผลกระทบทางกายภาพที่สัมพันธ์กันนี้ ก่อให้เกิดการดำเนินการเสริมฤทธิ์ที่มีประสิทธิภาพกับแหล่งความร้อนด้วยเลเซอร์ โดยจัดการกับความท้าทายหลักของการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิมอย่างเป็นระบบ. ...
รูปที่ 2 ผลของอัลตราซาวนด์ต่อการไหลของของไหลในสระหลอมเหลว: (a) ไม่มีอัลตราซาวนด์; (b) ด้วยอัลตราซาวนด์ [1]
03
ข้อดีของการใช้งาน: การปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญ
หลักการสำคัญของการทำงานร่วมกันของโฟโตอะคูสติกในท้ายที่สุดแปลไปสู่การก้าวกระโดดครั้งสำคัญในด้านคุณภาพการเชื่อมและประสิทธิภาพของข้อต่อ เมื่อเปรียบเทียบกับการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิม การเชื่อมด้วยเลเซอร์ด้วยการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิก-แสดงให้เห็นข้อดีหลักสามประการในการจัดการกับปัญหาในอุตสาหกรรม:
3.1 การลดข้อบกพร่องในการเชื่อม (ความพรุน, รอยแตก)
ความพรุนและรอยแตกเป็น "นักฆ่า" หลักสองประการที่ส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของการเชื่อม และการสั่นสะเทือนแบบอัลตราโซนิคก็มีผลยับยั้งอย่างรุนแรงต่อสิ่งเหล่านี้
(1) การยับยั้งความพรุน: ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิม โดยเฉพาะการเชื่อมแบบเจาะลึก ความพรุนจะเกิดขึ้นได้ง่ายเนื่องจากรูกุญแจไม่แน่นอนและการกักเก็บไอของโลหะ การแนะนำอัลตราซาวนด์ให้แรง degassing ที่แข็งแกร่งแก่สระน้ำที่หลอมละลายผ่านการเกิดโพรงอากาศและเอฟเฟกต์การสตรีมแบบอะคูสติก ในด้านหนึ่ง คลื่นกระแทกที่เกิดจากการยุบตัวของฟองอากาศคาวิเทชั่นสามารถสลายฟองไฮโดรเจนและไนโตรเจนเล็กๆ ในสระหลอมเหลวได้โดยตรง หรือบังคับให้รวมตัวกันและเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในทางกลับกัน เอฟเฟกต์การกวนอย่างต่อเนื่องของการสตรีมแบบอะคูสติกช่วยให้มีทางเดินและการลอยตัวสำหรับการหลบหนีจากฟองสบู่ สิ่งนี้ช่วยเพิ่มความหนาแน่นของการเชื่อมได้อย่างมาก โดยลดความพรุนตามลำดับความสำคัญหรือมากกว่านั้น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการปิดผนึกข้อต่อและอายุความล้า
(2) การยับยั้งการเกิดรอยแตกร้าว: รอยแตกจากการเชื่อมสามารถจำแนกได้เป็นรอยแตกร้อนและรอยแตกเย็น สำหรับรอยแตกที่ร้อน การสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกจะปรับปรุงโครงสร้างการแข็งตัวโดยพื้นฐานโดยการหักเสาเป็นแนวหยาบและสร้างเม็ดที่มีจุดสมดุลที่ละเอียด ช่วยลดการแยกตัวของยูเทคติกส์ที่มีจุดหลอมเหลว-ต่ำ-ที่ขอบเขตของเกรน ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความต้านทานของวัสดุต่อการแตกร้าวในโซนที่มีอุณหภูมิสูง- สำหรับรอยแตกร้าวที่เย็น ผลการทำให้อ่อนลงด้วยอัลตราโซนิกและการปลดปล่อยความเครียดช่วยลดความเครียดที่ตกค้างหลังการเชื่อมได้อย่างมาก ป้องกันความเข้มข้นของความเครียด จึงยับยั้งรอยแตกเย็นที่เกิดจากการแตกร้าวล่าช้าของไฮโดรเจนหรือความเครียดสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผลกระทบนี้จะเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษเมื่อเชื่อมเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง-และวัสดุที่มีความแข็งสูง-
3.2 การปรับปรุงประสิทธิภาพของข้อต่อวัสดุที่แตกต่างกัน
ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการเชื่อมโลหะที่แตกต่างกันคือความแตกต่างอย่างมากในคุณสมบัติทางกายภาพ (เช่น จุดหลอมเหลวและการนำความร้อน) และแนวโน้มที่จะเกิดสารประกอบระหว่างโลหะที่มีความหนาและเปราะ (IMC) ที่ส่วนต่อประสาน ซึ่งทำให้ข้อต่อเกิดการเปราะอย่างรุนแรง การสั่นสะเทือนแบบอัลตราโซนิกมอบโซลูชันที่เป็นเอกลักษณ์สำหรับสิ่งนี้:
(1) การปราบปรามและการปรับแต่งชั้น IMC: การไหลของเสียงอันทรงพลังของอัลตราโซนิกทำหน้าที่เป็นกลไกการกวน ทำลายชั้น IMC ที่เปราะที่เพิ่งเกิดขึ้นใหม่ ป้องกันการเติบโตอย่างต่อเนื่อง และกักเก็บชิ้นส่วนของมันลงในสระหลอมละลาย ทำให้พวกมันถูกกระจายในการเชื่อมเป็นอนุภาคละเอียดและกระจายตัว ด้วยวิธีนี้ ระยะเปราะจึงไม่ใช่ส่วนต่อประสานที่ต่อเนื่องที่อ่อนแออีกต่อไป แต่ถูกล้อมรอบด้วยเมทริกซ์ที่แข็งแกร่งและทนทาน ซึ่งช่วยปรับปรุงความเป็นพลาสติกและความเหนียวของข้อต่อได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น ในการเชื่อมอะลูมิเนียม/เหล็ก และอะลูมิเนียม/ทองแดง ความหนาของชั้น IMC สามารถควบคุมได้อย่างมีประสิทธิภาพต่ำกว่าค่าวิกฤติเพียงไม่กี่ไมครอนหรือน้อยกว่านั้นด้วยซ้ำ
3.3 การเพิ่มประสิทธิภาพของการเชื่อมและคุณสมบัติทางกล
นอกเหนือจากการแก้ปัญหาข้อบกพร่องแล้ว การสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกยังช่วยเพิ่มคุณภาพของการก่อตัวของการเชื่อมได้อย่างครอบคลุมอีกด้วย
(1) การปรับปรุงการก่อตัวของการเชื่อม: การสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกจะช่วยลดความหนืดที่ปรากฏของโลหะหลอมเหลวและเพิ่มความลื่นไหล สิ่งนี้ทำให้โลหะเหลวแพร่กระจายและเติมได้ง่ายขึ้น ส่งผลให้พื้นผิวการเชื่อมเรียบเนียนและสม่ำเสมอมากขึ้น ลดข้อบกพร่องของการก่อตัว เช่น การตัดส่วนล่างและขาดการเจาะ ในเวลาเดียวกัน ความสามารถในการเปียกน้ำที่ดีขึ้นทำให้การเปลี่ยนแปลงระหว่างรอยเชื่อมและวัสดุฐานเป็นไปอย่างค่อยเป็นค่อยไป ส่งผลให้จุดความเข้มข้นของความเค้นลดลง
(2) การปรับปรุงคุณสมบัติทางกลอย่างครอบคลุม: นี่คือผลลัพธ์สุดท้ายของข้อดีข้างต้นทั้งหมด เนื่องจากการกำจัดความพรุนและรอยแตกขนาดเล็ก ตลอดจนการปรับแต่งเกรนอย่างมีนัยสำคัญ (รูปที่ 3) ความแข็งแรงและความเป็นพลาสติกของการเชื่อมจึงสามารถปรับปรุงได้ไปพร้อมๆ กัน ซึ่งทำลายการค้าทั่วไป-ระหว่างความแข็งแกร่งและความเป็นพลาสติกในวัสดุศาสตร์แบบดั้งเดิม โครงสร้างเกรนที่เท่ากันพอดีทำให้เส้นทางการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวมีความคดเคี้ยว ช่วยเพิ่มความทนทานต่อการแตกหักและความต้านทานต่อความล้าของข้อต่ออย่างมาก
04
สรุป
ในฐานะวิธีการประมวลผลสนามพลังงานคอมโพสิตที่เป็นนวัตกรรม UVA-LW ไม่เพียงแต่เสริมและเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิม แต่ยังช่วยแก้ปัญหาหลักหลายประการ-ที่ยืนยาวโดยพื้นฐานอีกด้วย ด้วยการเชื่อมโยงสนามพลังงานเสียงความถี่สูง-เข้ากับสระเลเซอร์หลอมเหลวอย่างแม่นยำ เทคโนโลยีนี้จึงบรรลุการแทรกแซงทางกายภาพเชิงลึกผ่าน 'การทำงานร่วมกันของแสงเสียง' ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพห่วงโซ่ทั้งหมดตั้งแต่การทำให้ของเหลวบริสุทธิ์และการควบคุมโครงสร้างจุลภาคของการแข็งตัวไปจนถึง-การบรรเทาความเครียดในสถานะของแข็ง
ด้วยข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับคุณภาพการเชื่อมต่อในสาขาต่างๆ เช่น ยานพาหนะพลังงานใหม่ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเชื่อมต่อทองแดง-อลูมิเนียมในแบตเตอรี่ที่ให้พลังงาน) การบินและอวกาศ (โลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูง-น้ำหนักเบาและส่วนประกอบโครงสร้างวัสดุที่แตกต่างกัน) และ-การผลิตที่มีความแม่นยำสูงขั้นสูง เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ช่วยสั่นสะเทือนด้วยอัลตราโซนิก- แสดงให้เห็นศักยภาพในการใช้งานที่สำคัญ การวิจัยในอนาคตอาจมุ่งเน้นไปที่ 1) การเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานร่วมกันและการจับคู่พารามิเตอร์อัลตราโซนิกและเลเซอร์เพื่อให้เกิดการเชื่อม 'แบบกำหนดเอง' สำหรับวัสดุและการใช้งานเฉพาะ; 2) บูรณาการเทคโนโลยีนี้เข้ากับการตรวจสอบออนไลน์และระบบควบคุมอัจฉริยะเพื่อให้ได้รับ-ข้อเสนอแนะแบบลูปปิดและ-การรับประกันคุณภาพแบบเรียลไทม์ในระหว่างกระบวนการเชื่อม 3) สำรวจการใช้งานเพิ่มเติมในสาขาที่ล้ำสมัย เช่น การผลิตแบบเติมเนื้อเพื่อควบคุมความเค้นตกค้างและคุณสมบัติทางโครงสร้างจุลภาคในระหว่างกระบวนการพิมพ์ คาดการณ์ได้ว่าเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่ใช้แรงสั่นสะเทือนอัลตราโซนิก-จะไม่เพียงแต่เป็น 'ตัวแก้ปัญหา' เท่านั้น แต่จะกลายเป็น 'ตัวเพิ่มประสิทธิภาพ' ที่ขับเคลื่อนการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตขั้นสูง ซึ่งเป็นเส้นทางที่เป็นไปได้ไปสู่ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและการเชื่อมต่อวัสดุที่เชื่อถือได้มากขึ้น
