01
Giới thiệu
Công nghệ hàn laser với ưu điểm là năng lượng tập trung, độ chính xác cao và độ biến dạng tối thiểu đã trở thành quy trình cốt lõi trong sản xuất chính xác hiện đại. Tuy nhiên, đặc tính nóng chảy và hóa rắn nhanh của nó phải đối mặt với những thách thức khi xử lý các vật liệu có độ phản chiếu cao (như đồng và nhôm), bao gồm sự hấp thụ năng lượng không ổn định, dễ bị xốp và nứt nhiệt. Điều này đặc biệt rõ ràng khi hàn các vật liệu khác nhau, nơi sự hình thành các hợp chất liên kim loại giòn làm suy yếu nghiêm trọng hiệu suất của mối nối. Những điểm nghẽn này hạn chế các ứng dụng tiếp theo trong các lĩnh vực-cao cấp 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 phương pháp truyền thống và đạt được tính linh hoạt trong sản xuất chưa từng có. Ngoài các ứng dụng hiện có trong làm sạch, hóa âm, xử lý kim loại và nguyên tử hóa, siêu âm đang dần trở thành một phương pháp cải tiến phụ trợ quan trọng trong các nền tảng sản xuất tiên tiến, bao gồm gia công chính xác, hàn tiên tiến, xử lý laser và sản xuất bồi đắp. Vì mục đích này, để khắc phục một số hạn chế trong hàn laze, một giải pháp cải tiến-rung siêu âm-hàn laze hỗ trợ (UVA-LW)-đã xuất hiện (Hình 1). Công nghệ này đưa rung động siêu âm tần số cao vào quy trình hàn laser một cách sáng tạo, nhằm mục đích sử dụng các hiệu ứng dòng âm, tạo bọt và ứng suất độc đáo của siêu âm để can thiệp vật lý vào dòng chảy, hoạt động của khí và quá trình đông đặc của bể nóng chảy. Thông qua 'sức mạnh tổng hợp quang học' này, công nghệ UVA{16}}LW có thể khuấy trộn bể nóng chảy một cách hiệu quả, thúc đẩy quá trình khử khí, tinh chế hạt và ức chế sự hình thành các pha giòn, từ đó cải thiện đáng kể chất lượng và hiệu suất hàn, đồng thời mở ra một con đường mới đầy hứa hẹn để giải quyết những khó khăn cố hữu của hàn laser truyền thống.
Hình 1. Sơ đồ: (a) Thiết lập thử nghiệm UVA{1}}LW; (b) hình thái của bể nóng chảy trong quá trình UVA{2}}LW; (c) đặc điểm của dòng chảy bể nóng chảy trong quá trình UVA-LW [1].
Nguyên tắc cốt lõi: Tác dụng hiệp đồng của âm thanh và ánh sáng
Bản chất của hàn laser có hỗ trợ rung siêu âm-nằm ở sự tối ưu hóa mà trường năng lượng âm thanh đạt được trong toàn bộ quá trình hàn laser, từ hoạt động vật lý của bể nóng chảy chất lỏng, thông qua sự phát triển của tổ chức trong quá trình hóa rắn, đến sự điều chỉnh ứng suất ở trạng thái rắn sau khi làm mát. Thứ nhất, ở giai đoạn chất lỏng, sóng siêu âm tần số cao- tạo ra hiệu ứng tạo bọt và truyền âm thanh mạnh mẽ trong bể nóng chảy, hoạt động như một "máy khuấy vi mô" và "máy lọc hiệu quả" cho kim loại nóng chảy. Dòng vĩ mô định hướng được tạo ra bởi dòng âm thanh hoạt động giống như một bộ trộn bên trong, khuấy trộn mạnh mẽ bể nóng chảy, từ đó thực thi sự phân bố đồng đều các nguyên tố và nhiệt độ. Điều này đặc biệt quan trọng khi hàn các vật liệu khác nhau, vì nó phá vỡ một cách hiệu quả các hợp chất kim loại giòn có xu hướng hình thành các lớp liên tục tại bề mặt tiếp xúc, phân phối chúng một cách mịn và đồng đều, do đó cải thiện độ bền của mối nối. Đồng thời, hiệu ứng tạo bọt mạnh hơn, thông qua sự sụp đổ tức thời của vô số vi bọt, giải phóng sóng xung kích mạnh và các tia siêu nhỏ tốc độ cao. Điều này không chỉ loại bỏ màng oxit trên bề mặt bể nóng chảy để cải thiện khả năng thấm ướt mà còn trục xuất các khí độc hại như hydro và nitơ ra khỏi bể, buộc chúng thoát ra ngoài nhanh chóng và 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-định kỳ được tạo ra bởi hiệu ứng xâm thực trở thành một công cụ mạnh mẽ để kiểm soát cấu trúc đông đặc. Khi bể nóng chảy nguội đi và các sợi nhánh phát triển, những sóng xung kích này sẽ phá vỡ và phân mảnh chúng một cách hiệu quả. Các nhánh dendrite bị phân mảnh, được truyền đi khắp bể bằng dòng âm thanh, hoạt động như nhiều vị trí tạo mầm không{12}}tự phát mới, đạt được "sự tăng sinh phân mảnh" của các hạt nhân. Cơ chế này về cơ bản thay đổi mô hình đông đặc truyền thống, ngăn chặn sự phát triển của các tinh thể cột thô và tạo ra cấu trúc mối hàn{14}hiệu suất cao bao gồm một số lượng lớn các tinh thể cân bằng đồng đều, mịn, giúp tăng cường đáng kể độ bền, độ dẻo và khả năng chống nứt nhiệt của mối hàn. Cuối cùng, ở giai đoạn{16}trạng thái rắn được làm mát, rung siêu âm tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc làm mềm âm thanh và giảm căng thẳng. Hiệu ứng làm mềm âm thanh làm mềm tạm thời mối hàn và các vật liệu vùng bị ảnh hưởng nhiệt ở trạng thái dẻo nhiệt độ cao, khiến chúng có khả năng thích ứng và giảm bớt nồng độ ứng suất do co rút do làm mát thông qua biến dạng dẻo vi mô. Ngoài ra, rung động cơ học tần số cao{21}}được duy trì liên tục cung cấp thêm năng lượng cho sự di chuyển của các nguyên tử và sự lệch vị trí, thúc đẩy sự phân phối lại và giảm bớt các ứng suất bên trong. Do đó, từ quá trình tinh chế và đồng nhất hóa chất lỏng, đến sàng lọc hạt trong quá trình hóa rắn và giảm ứng suất ở trạng thái rắn, rung siêu âm, thông qua chuỗi hiệu ứng vật lý có liên quan với nhau này, tạo thành tác động hiệp lực hiệu quả với nguồn nhiệt laser, giải quyết một cách có hệ thống những thách thức cốt lõi của hàn laser truyền thống. ...
Hình 2. Ảnh hưởng của siêu âm đến dòng chất lỏng trong bể nóng chảy: (a) không có siêu âm; (b) bằng siêu âm [1].
03
Ưu điểm của ứng dụng: Cải thiện đáng kể về chất lượng và hiệu suất
Nguyên tắc cốt lõi của sự kết hợp quang âm cuối cùng sẽ tạo ra bước nhảy vọt đáng kể về chất lượng mối hàn và hiệu suất của mối hàn. So với hàn laze truyền thống, hàn laze có hỗ trợ rung siêu âm-thể hiện ba ưu điểm cốt lõi trong việc giải quyết các điểm khó khăn trong ngành:
3.1 Giảm khuyết tật hàn (độ xốp, vết nứt)
Độ xốp và vết nứt là hai “kẻ sát nhân” chính ảnh hưởng đến độ tin cậy của mối hàn và rung động siêu âm có tác dụng ức chế mạnh mẽ những điều này.
(1) Ức chế độ xốp: Trong hàn laser truyền thống, đặc biệt là hàn xuyên sâu, độ xốp dễ hình thành do lỗ khóa không ổn định và bị hơi kim loại cuốn vào. Sự ra đời của sóng siêu âm cung cấp lực khử khí mạnh cho bể nóng chảy thông qua hiệu ứng xâm thực và truyền âm thanh. Một mặt, sóng xung kích tạo ra do sự sụp đổ của bong bóng tạo bọt có thể trực tiếp phá vỡ các bong bóng hydro và nitơ nhỏ trong bể nóng chảy hoặc buộc chúng kết hợp lại và dâng lên nhanh chóng. Mặt khác, hiệu ứng khuấy liên tục của dòng âm thanh tạo ra một con đường và lực nổi để bong bóng thoát ra ngoài. Điều này cải thiện đáng kể mật độ mối hàn, giảm độ xốp theo một mức độ lớn hoặc hơn, điều này rất quan trọng đối với độ kín của mối nối và tuổi thọ mỏi.
(2) Ức chế hình thành vết nứt: Vết nứt hàn có thể được phân thành vết nứt nóng và vết nứt nguội. Đối với các vết nứt nóng, rung siêu âm về cơ bản cải thiện cấu trúc hóa rắn bằng cách phá vỡ các hạt dạng cột thô và hình thành các hạt mịn cân bằng, giảm sự phân tách các chất cùng tinh-điểm nóng chảy-thấp ở các ranh giới hạt, từ đó nâng cao khả năng chống nứt của vật liệu ở các vùng nhiệt độ-cao. Đối với các vết nứt nguội, hiệu ứng làm mềm siêu âm và giải phóng ứng suất làm giảm đáng kể ứng suất dư sau khi hàn, ngăn ngừa sự tập trung ứng suất, do đó ức chế hiệu quả các vết nứt nguội do vết nứt do hydro gây ra hoặc ứng suất cao. Hiệu ứng này đặc biệt rõ rệt khi hàn thép cường độ-cao và vật liệu có độ cứng-cao.
3.2 Cải thiện hiệu suất của các mối nối vật liệu khác nhau
Thách thức lớn nhất trong hàn kim loại khác nhau nằm ở sự khác biệt lớn về tính chất vật lý (như điểm nóng chảy và độ dẫn nhiệt) và xu hướng hình thành các hợp chất liên kim loại dày và giòn (IMC) tại bề mặt tiếp xúc, gây ra hiện tượng giòn nghiêm trọng ở mối nối. Rung siêu âm cung cấp một giải pháp độc đáo cho việc này:
(1) Ngăn chặn và sàng lọc lớp IMC: Dòng siêu âm mạnh mẽ hoạt động như một cơ chế khuấy, phá vỡ lớp IMC giòn mới hình thành, ngăn chặn sự phát triển liên tục của nó và cuốn các mảnh vỡ của nó vào bể tan chảy, khiến chúng được phân bố trong mối hàn dưới dạng các hạt phân tán mịn. Bằng cách này, pha giòn không còn là bề mặt liên tục yếu mà được bao quanh bởi một ma trận chắc chắn và dẻo dai, cải thiện đáng kể độ dẻo và độ bền của mối nối. Ví dụ, trong hàn nhôm/thép và nhôm/đồng, độ dày của lớp IMC có thể được kiểm soát một cách hiệu quả dưới giá trị tới hạn chỉ vài micron hoặc thậm chí ít hơn.
3.3 Tối ưu hóa hình thành mối hàn và tính chất cơ học
Ngoài việc giải quyết các vấn đề về khuyết tật, rung siêu âm có thể nâng cao toàn diện chất lượng hình thành mối hàn.
(1) Cải thiện sự hình thành mối hàn: Rung siêu âm làm giảm độ nhớt biểu kiến của kim loại nóng chảy và tăng tính lưu động của nó. Điều này giúp kim loại lỏng dễ dàng lan rộng và lấp đầy, dẫn đến bề mặt mối hàn mịn hơn và đồng đều hơn, giảm các khuyết tật hình thành như vết cắt và thiếu độ xuyên thấu. Đồng thời, khả năng thấm ướt được cải thiện giúp cho quá trình chuyển đổi giữa mối hàn và vật liệu nền diễn ra từ từ hơn, giảm các điểm tập trung ứng suất.
(2) Nâng cao toàn diện tính chất cơ học: Đây là kết quả cuối cùng của tất cả các ưu điểm trên. Do loại bỏ độ xốp và vết nứt nhỏ cũng như quá trình sàng lọc hạt đáng kể (Hình 3), độ bền và độ dẻo của mối hàn có thể được cải thiện đồng thời, phá vỡ sự đánh đổi thông thường-giữa độ bền và độ dẻo trong khoa học vật liệu truyền thống. Cấu trúc hạt cân bằng mịn làm cho đường truyền vết nứt trở nên quanh co, giúp tăng cường đáng kể độ bền gãy và khả năng chống mỏi của khớp.
04
Bản tóm tắt
Là một phương pháp xử lý trường năng lượng tổng hợp cải tiến, UVA{0}}LW không chỉ bổ sung và tối ưu hóa các quy trình hàn laze truyền thống mà còn giải quyết cơ bản một số vấn đề cốt lõi lâu dài. Bằng cách ghép chính xác trường năng lượng âm thanh tần số cao- với bể nóng chảy laze, công nghệ này đạt được sự can thiệp vật lý sâu thông qua 'sức mạnh tổng hợp quang âm', nâng cao toàn bộ chuỗi hiệu suất từ lọc chất lỏng và kiểm soát cấu trúc vi mô hóa rắn đến giảm căng thẳng ở trạng thái rắn-.
Với các yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt về chất lượng kết nối trong 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 (hợp kim có độ bền-nhẹ và các thành phần cấu trúc vật liệu khác nhau) cũng như sản xuất-có độ chính xác cao cấp, công nghệ hàn laser có hỗ trợ rung siêu âm- cho thấy tiềm năng ứng dụng đáng kể. 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 đạt được khả năng hàn 'tùy chỉnh' cho các vật liệu và ứng dụng cụ thể; 2) tích hợp công nghệ này với hệ thống giám sát trực tuyến và điều khiển thông minh để cho phép phản hồi-vòng kín và đảm bảo chất lượng theo thời gian thực-trong quá trình hàn; 3) khám phá thêm các ứng dụng của nó trong các lĩnh vực tiên tiến như sản xuất bồi đắp để kiểm soát ứng suất dư và các đặc tính cấu trúc vi mô trong quá trình in. Có thể thấy trước rằng công nghệ hàn laser có hỗ trợ rung siêu âm-sẽ không chỉ đơn thuần là 'công cụ giải quyết vấn đề' mà sẽ trở thành 'công cụ nâng cao hiệu suất' thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ sản xuất tiên tiến, mang lại con đường khả thi hướng tới hiệu suất cao hơn và kết nối vật liệu đáng tin cậy hơn.
