本文主要介紹了超聲波輔助加工的優(yōu)點(diǎn)以及超聲波輔助加工在激光熔覆，激光直接沉積（LENS）和激光焊接中的應(yīng)用。

在最近，超聲波技術(shù)在各種不同的加工制造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，在應(yīng)用超聲時(shí)可以提高加工的性能和改善部件的質(zhì)量。本綜述介紹了近年來(lái)在超聲振動(dòng)輔助加工制造(ultrasonic vibration-assisted (UV-A))工藝中的最新進(jìn)展，專(zhuān)注于在激光加工中的應(yīng)用。基于超聲振動(dòng)的能量在固體和液體中進(jìn)行傳播，UV-A制造工藝可以分為機(jī)械制造過(guò)程(包括傳統(tǒng)的機(jī)加工，致密化，成形和固態(tài)化)和熱制造過(guò)程(包括非傳統(tǒng)的熱加工，熔化焊，激光熔覆和直接沉積等)。

大量的文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果強(qiáng)烈的表明超聲振動(dòng)技術(shù)在材料加工過(guò)程中的有益的作用。在UV-A機(jī)械制造過(guò)程中，載荷的降低可以同時(shí)由于摩擦力的減少而實(shí)現(xiàn)致密化和成形，由于超聲振動(dòng)造成的氧化膜破碎可以促進(jìn)工件界面的結(jié)合力增加.。在UV-A熱制造過(guò)程中，另外一方面，超聲振動(dòng)可以施加非線性效應(yīng)(聲流與空化)，從而對(duì)液態(tài)的熔化金屬的凝固產(chǎn)生影響。熱制造過(guò)程中的部件的精密制造和部件的高質(zhì)量由此可以得到提高，其提高的途徑是通過(guò)各種現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如元素的均勻化，材料的去脂，裂紋的減少，顯微組織的細(xì)化等。文獻(xiàn)主要瞄準(zhǔn)對(duì)不同超聲振動(dòng)對(duì)UV-A制造過(guò)程的影響，并對(duì)后續(xù)的發(fā)展指出方向。

圖1 在UV-A機(jī)械制造過(guò)程中的超聲的作用和影響(其中UC指超聲固化，外文即 ultrasonic consolidation)

超聲是一種物理波，其傳播的頻率為超過(guò)20 KHz，這一聲波是超過(guò)了人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)的上限。超聲波在不同介質(zhì)中的傳播取決于材料的彈性性質(zhì)和密度。由于超聲產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)可以造成介質(zhì)在其靜止位置產(chǎn)生一個(gè)非常微小的位移。形成的超聲振動(dòng)可以以波的形式從介質(zhì)的一部分區(qū)域傳播到另外一個(gè)區(qū)域。超聲波及其傳播受到很多因素的影響，諸如超聲頻率，幅度等。超聲的頻率同每秒完成的振動(dòng)次數(shù)相關(guān)。超聲頻率和幅度決定著超聲強(qiáng)度的數(shù)值，這是功率穿過(guò)單位橫截面的數(shù)值。為了實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)可以有效地對(duì)被加工材料的振動(dòng)，非常有必要在超聲振動(dòng)器和材料之間通過(guò)一個(gè)介質(zhì)，如喇叭/工裝夾具，超聲波探頭，超聲振動(dòng)平臺(tái)等。

圖2 在UV-A 熱制造工藝中的超聲振動(dòng)的作用和影響

施加超聲振動(dòng)來(lái)提高部件加工性能的概念已經(jīng)誕生很多年了。自那個(gè)時(shí)候開(kāi)始，采用超聲振動(dòng)就在許多制造過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用和研究。同其他低頻率的振動(dòng)相比較，超聲振動(dòng)工藝的頻率比制造系統(tǒng)的固有頻率要高得多?；谶@個(gè)原因，超聲振動(dòng)可以用來(lái)維持或甚至提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性而不需要在制造系統(tǒng)中增加有害的低頻率的振動(dòng)裝置。依據(jù)大量的發(fā)表的文獻(xiàn)結(jié)果，超聲振動(dòng)已經(jīng)強(qiáng)有力地證明了它可以對(duì)制造過(guò)程施加顯著的影響和有利于不同制造過(guò)程的輔助加工。

圖3 UV-A輔助的激光熔覆制造過(guò)程

超聲振動(dòng)可以通過(guò)具有特殊性能的固相或者液相材料進(jìn)行傳輸。基于傳輸?shù)慕橘|(zhì)，UV-A制造工藝在本綜述中可以分為兩個(gè)部分，包括UV-A機(jī)械制造過(guò)程(傳統(tǒng)的機(jī)加工，致密化，成形和固化)和UV-A熱制造過(guò)程(非傳統(tǒng)熱加工，鑄造，熔化焊，激光熔覆和直接沉積等)。在UV-A機(jī)械制造工藝中，,超聲振動(dòng)的施加改變機(jī)械工具和被加工固態(tài)工件的接觸行為，由此增加了制造效率和改善了部件的質(zhì)量。在UV-A熱制造工藝中，然而，超聲振動(dòng)的引入影響著熔化的液態(tài)金屬的凝固行為。聲流與空化，是超聲振動(dòng)所帶來(lái)的兩個(gè)非線性效應(yīng)，經(jīng)常會(huì)造成熔化的材料中的周期性的正負(fù)壓力和劇烈的運(yùn)動(dòng)。這些效應(yīng)可以用來(lái)解釋在UV-A熱制造過(guò)程中的現(xiàn)象。

本綜述的目的是為大家提供在應(yīng)用超聲振動(dòng)技術(shù)在不同的加工工藝中所取得的最新進(jìn)展，本文主要聚焦在UV-A在激光加工中的應(yīng)用上。需要注意的是，UV-A制造工藝是一個(gè)非常寬泛的話題，,是不可能僅僅通過(guò)一個(gè)文獻(xiàn)綜述給予完整的說(shuō)明和介紹的。在這里，我們的綜述范圍主要在于識(shí)別超聲振動(dòng)作用在不同UV-A制造過(guò)程中的背后的不同機(jī)理。因此，超聲振動(dòng)對(duì)工藝性能和部件質(zhì)量的作用以及超聲振動(dòng)在UV-A制造工藝中的原理給予介紹。相當(dāng)多的工作集中在對(duì)超聲加工的現(xiàn)象的理解和UV-A制造工藝過(guò)程的原理的解釋上。UV-A未來(lái)的發(fā)展方向也給予了介紹。

UV-A 激光熔覆(UV-A laser cladding)

激光熔覆是一種熔化和凝固高性能涂層的工藝。在近年來(lái)，超聲振動(dòng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在激光熔覆的輔助工藝，圖3 為UV-A激光熔覆制備涂層的示意圖。粉末通過(guò)保護(hù)氣體，利用同軸噴嘴輸送到熔池中，然后被激光輻照熔化后形成凝固層。在激光熔覆的過(guò)程中，垂直的超聲波振動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生和從基材傳輸?shù)酵繉拥娜鄢刂小榱颂峁╋@著的效應(yīng)，超聲波的功率發(fā)生器需要提供足夠的功率用于超聲波的發(fā)生器來(lái)提供給基材以足夠的超聲波的振動(dòng)幅度。

大量的研究用來(lái)研究超聲振動(dòng)對(duì)激光熔覆涂層的顯微組織和性能的影響上。同沒(méi)有施加超聲振動(dòng)相比較，UV-A激光熔覆可以造成Ti6AL4V平板上制備的Y穩(wěn)定的ZrO2陶瓷涂層具有平整的形狀尺寸和精細(xì)的顯微組織。平整的熔覆層輪廓被認(rèn)為是由于超聲波場(chǎng)中的輻射壓力造成的氣體-液體界面的變形所導(dǎo)致的。此外，顯微組織的細(xì)化被認(rèn)為是由于超聲波的聲流和空化造成的氣泡碰撞造成的枝晶破碎和孕育。

除了顯微組織的細(xì)化之外，還有元素的均勻分布也在鋼基材上進(jìn)行UV-A激光熔覆Ni60的時(shí)候被觀察到。這歸因于熔化的材料的流動(dòng)性在超聲振動(dòng)的作用下變成更加均勻的溫度場(chǎng)而形成的。有人采用熱紅外影像技術(shù)研究了在UV-A激光熔覆過(guò)程中，以及沒(méi)有超聲進(jìn)行熔覆時(shí)的在線溫度的監(jiān)控和收集。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在UV-A激光熔覆的過(guò)程中溫度的波動(dòng)比較小。在熔池中的溫度場(chǎng)的均勻分布同時(shí)也在采用有限元技術(shù)進(jìn)行模擬UV-A激光熔覆 TiC/FeAl的過(guò)程中被證實(shí)。

UV-A LENS

直接激光沉積是一種增材制造技術(shù)，是一種具有激光熔覆技術(shù)特征的快速制造技術(shù)。這一技術(shù)是美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)展起來(lái)并注冊(cè)為L(zhǎng)ENS商標(biāo)。LENS的原理同激光熔覆非常相似，只是在細(xì)節(jié)上存在差別。不同于激光熔覆主要用來(lái)制造薄層的涂層相比較，LENS則主要通過(guò)編程，利用CAD技術(shù)進(jìn)行分層，來(lái)層層堆積制造出所需要的部件來(lái)。

圖4 UV-A LENS系統(tǒng)的裝置示意圖

LENS制造不銹鋼，鈦合金和鎳基合金的時(shí)候，超聲振動(dòng)對(duì)形狀，顯微組織和機(jī)械性能的影響給予了研究。發(fā)展的UV-A LENS系統(tǒng)的裝置示意圖見(jiàn)圖4。粉末流通過(guò)氬氣進(jìn)行輸送并覆蓋在激光的焦點(diǎn)處，熔化凝固后形成凝固層。在沉積一層之后，激光沉積頭上升一個(gè)熔覆層的厚度用于下一層的沉積，直到形成整個(gè)部件。垂直的超聲波振動(dòng)通過(guò)一個(gè)壓電陶瓷振子( piezoelectric ceramic vibrator)而產(chǎn)生并傳輸至基材以輔助LENS的工藝。

在UV-A LENS中的超聲振動(dòng)的能量可以給熔池提供額外的熱源以實(shí)現(xiàn)更高的溫度和更高的能量密度.。Marangoni對(duì)流由此就會(huì)增加，導(dǎo)致在熔池中形成更高的表面分布。更高的表面分布可以有效地減少表面粗糙度的值。另外一方面，由于超聲振動(dòng)所誘導(dǎo)的提高的Marangoni對(duì)流增加了整個(gè)熔池的形狀(熔池寬度，稀釋率的深度和熱影響區(qū)的深度)，這一增加是Marangoni 對(duì)流和熔池尺寸面積之間的關(guān)系造成的。然而，超聲振動(dòng)同時(shí)還會(huì)造成部件獲得更少的氣孔和微裂紋，見(jiàn)圖5所示。

這些效應(yīng)減輕是由于超聲的聲化和空化造成的，改變了金屬液體和內(nèi)部氣體之間的輻射壓力。導(dǎo)致了氣體造成的氣孔的破裂。同UV-A鑄造和UV-A激光熔覆相似，UV-A LENS也可以細(xì)化晶粒，其晶?？梢约?xì)化到25 μm。由于額外的超聲能量造成的增加的熱溫度梯度可以加速凝固，反過(guò)來(lái)可以造成晶粒細(xì)化。與此同時(shí)，超聲波的空化和聲化的動(dòng)力學(xué)行為在液體材料中產(chǎn)生大的瞬時(shí)壓力。這一超聲波所產(chǎn)生的壓力造成柱狀晶的碎裂，促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變。增加超聲波的頻率，UV-A LENS工藝中的晶粒尺寸可以進(jìn)一步的得到細(xì)化，這是因?yàn)榇藭r(shí)可以有更多的超聲波產(chǎn)生和實(shí)現(xiàn)更加嚴(yán)重的碎裂。這一顯微組織的細(xì)化進(jìn)一步的造成了部件的拉伸性能的提高和顯微硬度的提高，顯示采用超聲波輔助LENS是一種有效的提高部件機(jī)械性能的好策略。

圖5 LENS制造時(shí)部件不同截面的形貌和顯微組織：(a) 沒(méi)有施加超聲波； (b) 施加了超聲波

UV-A 激光焊接

超聲波輔助的激光焊接以及激光復(fù)合焊接( laser-MIG)也得到了廣泛的應(yīng)用，其中超聲波輔助激光焊接的歷史相對(duì)比較悠久，在這里就不單獨(dú)介紹。關(guān)于超聲波輔助激光復(fù)合焊接的技術(shù)，長(zhǎng)春理工大學(xué)的研究人員報(bào)道了采用該技術(shù)來(lái)克服鋁合金焊接過(guò)程中的氣孔，晶粒粗大和機(jī)械性能差等問(wèn)題。在激光-MIG復(fù)合焊接的過(guò)程中，采用的超聲波的功率為0-200 W。超聲波對(duì)焊接接頭的氣孔，顯微組織和機(jī)械性能的影響均進(jìn)行了研究。結(jié)果表明在增加功率的時(shí)候，焊接接頭的氣孔率先下降，然后再增加，接頭的顯微組織得到了顯著的細(xì)化。與此同時(shí)，超聲波激光-MIG復(fù)合焊接后，焊接接頭的強(qiáng)度得到了增加，從而導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度的增加和在焊接區(qū)顯微硬度的均勻性。此外，焊接區(qū)的強(qiáng)度隨著超聲波功率的增加而增加，導(dǎo)致拉伸斷裂的位置從焊接區(qū)向焊接熱影響區(qū)過(guò)渡。

圖6 (a) 超聲波輔助激光-MIG復(fù)合焊接系統(tǒng)實(shí)物圖， (b) 超聲波輔助激光-MIG復(fù)合焊接過(guò)程的示意圖

結(jié)論

在過(guò)去，已經(jīng)有大量的工作是應(yīng)用超聲波振動(dòng)來(lái)獲得理想的加工效果，導(dǎo)致了超聲波輔助加工（UV-A）在許多領(lǐng)域中的應(yīng)用。在UV-A熱制造過(guò)程中，輸入的超聲波振動(dòng)到熔化的材料中可以產(chǎn)生非線性效應(yīng)，包括聲化和空化。這些效應(yīng)可以改變物質(zhì)和熱的傳遞，與此同時(shí)，包括液態(tài)熔化材料的晶體生長(zhǎng)和再結(jié)晶過(guò)程。幾個(gè)非直接的作用，包括攪動(dòng)和混合，晶粒的彌散以及晶體的孕育也會(huì)產(chǎn)生，從而導(dǎo)致對(duì)液態(tài)熔化材料的最終的影響。報(bào)道的結(jié)果表明超聲波振動(dòng)可以通過(guò)液體攪拌幫助均勻化元素成分，減少元素偏析和阻礙晶粒的長(zhǎng)大，細(xì)化顯微組織和降低溫度梯度，造成粒子的重新排列和減少氣孔和裂紋。結(jié)果，熱制造過(guò)程中的部件的精密制造和部件質(zhì)量的改善可以通過(guò)這些現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這一綜述可以幫助我們獲得關(guān)于超聲波振動(dòng)對(duì)不同UV-A制造工藝的有益的影響。UV-A制造工藝的未來(lái)的研究方向應(yīng)該在機(jī)械和熱因素中同時(shí)開(kāi)展。

文章來(lái)源：Ultrasonic vibration-assisted (UV-A) manufacturing processes: State of the art and future perspectives，Journal of Manufacturing Processes,Volume 51, March 2020, Pages 174-190，

參考文獻(xiàn)：Effect of ultrasonic power on porosity, microstructure, mechanical properties of the aluminum alloy joint by ultrasonic assisted laser-MIG hybrid welding,Optics & Laser Technology,Volume 119, November 2019, 105619,