01
Giới thiệu
Tận dụng các ưu điểm như năng lượng tập trung, độ chính xác cao và biến dạng tối thiểu, công nghệ hàn laser đã nổi lên như một quy trình cốt lõi trong sản xuất chính xác hiện đại. Tuy nhiên, đặc tính nóng chảy và hóa rắn nhanh của nó đặt ra những thách thức đáng kể khi xử lý các vật liệu có độ phản chiếu cao (chẳng hạn như đồng và nhôm)-đặc biệt là khả năng hấp thụ năng lượng không ổn định và dễ bị xốp và nứt nóng. Những vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng khi hàn các vật liệu khác nhau, trong đó sự hình thành các hợp chất liên kim loại giòn có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của mối nối. Những trở ngại này đã hạn chế việc ứng dụng rộng rãi hơn phương pháp hàn laze trong các lĩnh vực-cao cấp, chẳng hạn như pin điện và hàng không vũ trụ. Trong những năm gần đây, công nghệ rung siêu âm ngày càng được đưa vào lĩnh vực xử lý vật liệu để nâng cao các kỹ thuật truyền thống và mang lại sự linh hoạt trong sản xuất chưa từng có. Ngoài các ứng dụng đã có trong làm sạch, hóa âm, xử lý kim loại và nguyên tử hóa, công nghệ siêu âm hiện đang dần trở thành một công cụ nâng cao phụ trợ quan trọng trong các nền tảng sản xuất tiên tiến-bao gồm gia công chính xác, hàn tiên tiến, xử lý laze và sản xuất bồi đắp. Do đó, để khắc phục những hạn chế nhất định vốn có của hàn laze, một giải pháp cải tiến đã xuất hiện: Công nghệ hàn laze có hỗ trợ rung siêu âm (UVA{10}}LW) (Hình 1). Công nghệ này tích hợp một cách sáng tạo các rung động siêu âm tần số cao vào quy trình hàn laze, nhằm mục đích khai thác các hiệu ứng truyền âm thanh, tạo bọt và ứng suất độc đáo của sóng siêu âm để can thiệp trực tiếp-ở cấp độ vật lý-vào động lực dòng chảy, trạng thái khí và quá trình hóa rắn của bể nóng chảy. Thông qua "sức mạnh tổng hợp quang học" này, công nghệ UVA{18}}LW khuấy trộn bể nóng chảy một cách hiệu quả, tạo điều kiện đẩy khí ra ngoài, tinh chỉnh cấu trúc hạt và ngăn chặn sự hình thành các pha giòn. Cách tiếp cận này nâng cao đáng kể chất lượng và hiệu suất mối hàn, từ đó mở ra một con đường mới đầy hứa hẹn hướng tới giải quyết những thách thức cố hữu liên quan đến hàn laser thông thường.
02
Nguyên tắc cốt lõi: Tác dụng hiệp lực của âm thanh và ánh sáng
Bản chất của hàn laser-có hỗ trợ rung siêu âm nằm ở khả năng của trường năng lượng âm đạt được mức tối ưu hóa toàn diện,{1}}sâu của quy trình hàn laser-trong toàn bộ dây chuyền từ hoạt động vật lý của bể tan chảy chất lỏng đến sự phát triển cấu trúc vi mô trong quá trình hóa rắn và cuối cùng là điều chỉnh ứng suất ở trạng thái rắn-sau khi làm nguội. Đầu tiên, trong pha lỏng, sóng siêu âm tần số-cao tạo ra hiệu ứng tạo bọt và truyền âm thanh mạnh mẽ trong bể tan chảy, hoạt động hiệu quả như một cơ chế "khuấy vi mô" và "tinh chế hiệu quả" kim loại nóng chảy. Dòng vĩ mô có hướng được tạo ra bởi hiệu ứng truyền âm thanh-giống như một-máy khuấy tích hợp{10}}khuấy trộn mạnh bể tan chảy (Hình. 2), do đó tạo ra sự đồng nhất hóa thành phần nguyên tố và sự phân bố nhiệt độ. Điều này đặc biệt quan trọng khi hàn các vật liệu khác nhau, vì nó phá vỡ hiệu quả sự hình thành các hợp chất liên kim loại giòn, liên tục có xu hướng tích tụ ở bề mặt tiếp xúc, thay vào đó phân tán chúng thành các hạt mịn, rời rạc để tăng cường độ bền của khớp. Đồng thời, hiệu ứng tạo bọt mạnh hơn-được kích hoạt bởi sự sụp đổ tức thời của vô số bong bóng cực nhỏ-giải phóng sóng xung kích mạnh mẽ và các tia-tốc độ vi mô{17}}cao. Một mặt, hành động này làm sạch mạnh mẽ các màng oxit khỏi bề mặt bể tan chảy, nhờ đó cải thiện khả năng thấm ướt; mặt khác, nó "rung chuyển" các khí độc hại như hydro và nitơ bị mắc kẹt trong bể bơi, buộc chúng bay lên và thoát ra ngoài nhanh chóng, từ đó ngăn chặn cơ bản sự hình thành các khuyết tật về độ xốp. Sau đó, trong giai đoạn đông đặc, các sóng xung kích áp suất cao{20}}định kỳ được tạo ra bởi hiệu ứng xâm thực nổi lên như một công cụ mạnh mẽ để điều chỉnh cấu trúc vi mô đông đặc. Khi bể tan chảy bắt đầu nguội đi và các sợi nhánh bắt đầu phát triển, những sóng xung kích này có thể làm gãy và phân mảnh chúng một cách hiệu quả. Được truyền theo dòng âm thanh, các nhánh đuôi gai bị phân mảnh này phân tán khắp bể tan chảy, đóng vai trò như vô số vị trí tạo mầm không đồng nhất mới và do đó đạt được sự "phân mảnh{23}}gây ra sự tăng sinh" của hạt nhân tinh thể. Cơ chế này về cơ bản biến đổi các mô hình hóa rắn truyền thống bằng cách ức chế sự phát triển của các hạt dạng cột thô, cuối cùng mang lại-cấu trúc vi mô mối hàn hiệu suất cao bao gồm vô số các hạt mịn, đều trục{26}}kết quả giúp tăng cường đáng kể độ bền, độ dẻo và khả năng chống nứt nóng của mối hàn. Cuối cùng, trong giai đoạn sau{28}}trạng thái rắn làm mát{29}}, rung động siêu âm tiếp tục đóng vai trò then chốt thông qua cơ chế làm mềm âm thanh và giảm căng thẳng. Hiệu ứng làm mềm âm thanh làm cho đường hàn và các vật liệu ở vùng bị ảnh hưởng nhiệt-trong khi ở-trạng thái dẻo nhiệt độ cao-phải trải qua "làm mềm tức thời", do đó giúp chúng dễ dàng điều chỉnh và giảm bớt nồng độ ứng suất gây ra bởi sự co ngót do làm mát thông qua biến dạng dẻo vi mô. Đồng thời, các dao động cơ học tần số cao{36}}liên tục cung cấp thêm năng lượng cho sự di chuyển của các nguyên tử và sự lệch vị trí, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân phối lại và giảm bớt các ứng suất bên trong. Do đó,-từ quá trình tinh chế và đồng nhất hóa bể nóng chảy đến sàng lọc hạt trong quá trình đông đặc và cuối cùng là giảm ứng suất ở trạng thái rắn-rung siêu âm tạo ra sự tương tác hiệp lực hiệu quả cao với nguồn nhiệt laser thông qua chuỗi hiệu ứng vật lý liên kết với nhau này, từ đó giải quyết một cách có hệ thống những thách thức cốt lõi vốn có trong hàn laser truyền thống.
03
Ưu điểm của ứng dụng: Cải thiện đáng kể về chất lượng và hiệu suất
Các nguyên tắc cốt lõi của sự kết hợp quang học-âm thanh cuối cùng đã mang lại bước tiến đáng kể về chất lượng hàn và hiệu suất của mối hàn. So với hàn laze thông thường, hàn laze có hỗ trợ rung siêu âm-thể hiện ba ưu điểm chính trong việc giải quyết các điểm khó khăn quan trọng của ngành:
3.1 Giảm khuyết tật hàn (độ xốp và vết nứt)
04
Bản tóm tắt
Là một phương pháp xử lý cải tiến sử dụng trường năng lượng tổng hợp, UVA{0}}LW không chỉ đóng vai trò bổ sung và tối ưu hóa cho các quy trình hàn laze truyền thống mà còn giải quyết cơ bản một số thách thức cốt lõi lâu dài vốn có của chúng. Bằng cách ghép chính xác trường năng lượng âm thanh tần số cao-vào bể nóng chảy laze, công nghệ này đạt được sự can thiệp vật lý sâu thông qua "sức mạnh tổng hợp quang học-âm thanh, từ đó nâng cao toàn diện các đặc tính vật liệu-trong toàn bộ chuỗi từ tinh chế pha lỏng-điều chỉnh cấu trúc hóa rắn đến giảm ứng suất ở trạng thái rắn-.
Với các lĩnh vực như phương tiện sử dụng năng lượng mới (đặc biệt là kết nối nhôm-đồng trong pin điện), hàng không vũ trụ (liên quan đến hợp kim nhẹ, độ bền-cao và cấu trúc vật liệu khác nhau) và sản xuất có độ chính xác cao-đặt ra các yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt về chất lượng mối nối, công nghệ hàn laze có hỗ trợ rung siêu âm-cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn. Các hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào: 1) tối ưu hóa tổng hợp và kết hợp các thông số siêu âm và laser để cho phép hàn “tùy chỉnh” cho các vật liệu và ứng dụng cụ thể; 2) việc tích hợp công nghệ này với hệ thống giám sát trực tuyến và điều khiển thông minh để đạt được phản hồi-vòng kín trong quy trình hàn và đảm bảo-đảm bảo chất lượng theo thời gian thực; và 3) khám phá thêm các ứng dụng của nó trong-các lĩnh vực tiên tiến-chẳng hạn như sản xuất bồi đắp{12}}để kiểm soát ứng suất dư và các thuộc tính cấu trúc vi mô trong quá trình in. Có thể dự đoán trước rằng công nghệ hàn laser có hỗ trợ rung siêu âm-sẽ phát triển vượt ra ngoài vai trò đơn thuần là "người giải quyết vấn đề" để trở thành "công cụ nâng cao hiệu suất" thúc đẩy sự tiến bộ của công nghệ sản xuất, từ đó đưa ra lộ trình khả thi để đạt được-hiệu suất cao hơn và kết nối vật liệu đáng tin cậy hơn.
