本文主要介绍了超声波辅助加工的优点以及超声波辅助加工在激光熔覆，激光直接沉积（LENS）和激光焊接中的应用。

在最近，超声波技术在各种不同的加工制造领域中得到了广泛的应用，在应用超声时可以提高加工的性能和改善部件的质量。本综述介绍了近年来在超声振动辅助加工制造(ultrasonic vibration-assisted (UV-A))工艺中的最新进展，专注于在激光加工中的应用。基于超声振动的能量在固体和液体中进行传播，UV-A制造工艺可以分为机械制造过程(包括传统的机加工，致密化，成形和固态化)和热制造过程(包括非传统的热加工，熔化焊，激光熔覆和直接沉积等)。

大量的文献报道的结果强烈的表明超声振动技术在材料加工过程中的有益的作用。在UV-A机械制造过程中，载荷的降低可以同时由于摩擦力的减少而实现致密化和成形，由于超声振动造成的氧化膜破碎可以促进工件界面的结合力增加.。在UV-A热制造过程中，另外一方面，超声振动可以施加非线性效应(声流与空化)，从而对液态的熔化金属的凝固产生影响。热制造过程中的部件的精密制造和部件的高质量由此可以得到提高，其提高的途径是通过各种现象来实现的，如元素的均匀化，材料的去脂，裂纹的减少，显微组织的细化等。文献主要瞄准对不同超声振动对UV-A制造过程的影响，并对后续的发展指出方向。

图1 在UV-A机械制造过程中的超声的作用和影响(其中UC指超声固化，外文即 ultrasonic consolidation)

超声是一种物理波，其传播的频率为超过20 KHz，这一声波是超过了人类的听觉的上限。超声波在不同介质中的传播取决于材料的弹性性质和密度。由于超声产生的机械振动可以造成介质在其静止位置产生一个非常微小的位移。形成的超声振动可以以波的形式从介质的一部分区域传播到另外一个区域。超声波及其传播受到很多因素的影响，诸如超声频率，幅度等。超声的频率同每秒完成的振动次数相关。超声频率和幅度决定着超声强度的数值，这是功率穿过单位横截面的数值。为了实现超声振动可以有效地对被加工材料的振动，非常有必要在超声振动器和材料之间通过一个介质，如喇叭/工装夹具，超声波探头，超声振动平台等。

图2 在UV-A 热制造工艺中的超声振动的作用和影响

施加超声振动来提高部件加工性能的概念已经诞生很多年了。自那个时候开始，采用超声振动就在许多制造过程中得到了广泛的应用和研究。同其他低频率的振动相比较，超声振动工艺的频率比制造系统的固有频率要高得多。基于这个原因，超声振动可以用来维持或甚至提高系统的稳定性而不需要在制造系统中增加有害的低频率的振动装置。依据大量的发表的文献结果，超声振动已经强有力地证明了它可以对制造过程施加显著的影响和有利于不同制造过程的辅助加工。

图3 UV-A辅助的激光熔覆制造过程

超声振动可以通过具有特殊性能的固相或者液相材料进行传输。基于传输的介质，UV-A制造工艺在本综述中可以分为两个部分，包括UV-A机械制造过程(传统的机加工，致密化，成形和固化)和UV-A热制造过程(非传统热加工，铸造，熔化焊，激光熔覆和直接沉积等)。在UV-A机械制造工艺中，,超声振动的施加改变机械工具和被加工固态工件的接触行为，由此增加了制造效率和改善了部件的质量。在UV-A热制造工艺中，然而，超声振动的引入影响着熔化的液态金属的凝固行为。声流与空化，是超声振动所带来的两个非线性效应，经常会造成熔化的材料中的周期性的正负压力和剧烈的运动。这些效应可以用来解释在UV-A热制造过程中的现象。

本综述的目的是为大家提供在应用超声振动技术在不同的加工工艺中所取得的最新进展，本文主要聚焦在UV-A在激光加工中的应用上。需要注意的是，UV-A制造工艺是一个非常宽泛的话题，,是不可能仅仅通过一个文献综述给予完整的说明和介绍的。在这里，我们的综述范围主要在于识别超声振动作用在不同UV-A制造过程中的背后的不同机理。因此，超声振动对工艺性能和部件质量的作用以及超声振动在UV-A制造工艺中的原理给予介绍。相当多的工作集中在对超声加工的现象的理解和UV-A制造工艺过程的原理的解释上。UV-A未来的发展方向也给予了介绍。

UV-A 激光熔覆(UV-A laser cladding)

激光熔覆是一种熔化和凝固高性能涂层的工艺。在近年来，超声振动已经广泛的应用在激光熔覆的辅助工艺，图3 为UV-A激光熔覆制备涂层的示意图。粉末通过保护气体，利用同轴喷嘴输送到熔池中，然后被激光辐照熔化后形成凝固层。在激光熔覆的过程中，垂直的超声波振动就会产生和从基材传输到涂层的熔池中。为了提供显著的效应，超声波的功率发生器需要提供足够的功率用于超声波的发生器来提供给基材以足够的超声波的振动幅度。

大量的研究用来研究超声振动对激光熔覆涂层的显微组织和性能的影响上。同没有施加超声振动相比较，UV-A激光熔覆可以造成Ti6AL4V平板上制备的Y稳定的ZrO2陶瓷涂层具有平整的形状尺寸和精细的显微组织。平整的熔覆层轮廓被认为是由于超声波场中的辐射压力造成的气体-液体界面的变形所导致的。此外，显微组织的细化被认为是由于超声波的声流和空化造成的气泡碰撞造成的枝晶破碎和孕育。

除了显微组织的细化之外，还有元素的均匀分布也在钢基材上进行UV-A激光熔覆Ni60的时候被观察到。这归因于熔化的材料的流动性在超声振动的作用下变成更加均匀的温度场而形成的。有人采用热红外影像技术研究了在UV-A激光熔覆过程中，以及没有超声进行熔覆时的在线温度的监控和收集。结果发现在UV-A激光熔覆的过程中温度的波动比较小。在熔池中的温度场的均匀分布同时也在采用有限元技术进行模拟UV-A激光熔覆 TiC/FeAl的过程中被证实。

UV-A LENS

直接激光沉积是一种增材制造技术，是一种具有激光熔覆技术特征的快速制造技术。这一技术是美国桑迪亚国家实验室发展起来并注册为LENS商标。LENS的原理同激光熔覆非常相似，只是在细节上存在差别。不同于激光熔覆主要用来制造薄层的涂层相比较，LENS则主要通过编程，利用CAD技术进行分层，来层层堆积制造出所需要的部件来。

图4 UV-A LENS系统的装置示意图

LENS制造不锈钢，钛合金和镍基合金的时候，超声振动对形状，显微组织和机械性能的影响给予了研究。发展的UV-A LENS系统的装置示意图见图4。粉末流通过氩气进行输送并覆盖在激光的焦点处，熔化凝固后形成凝固层。在沉积一层之后，激光沉积头上升一个熔覆层的厚度用于下一层的沉积，直到形成整个部件。垂直的超声波振动通过一个压电陶瓷振子( piezoelectric ceramic vibrator)而产生并传输至基材以辅助LENS的工艺。

在UV-A LENS中的超声振动的能量可以给熔池提供额外的热源以实现更高的温度和更高的能量密度.。Marangoni对流由此就会增加，导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减少表面粗糙度的值。另外一方面，由于超声振动所诱导的提高的Marangoni对流增加了整个熔池的形状(熔池宽度，稀释率的深度和热影响区的深度)，这一增加是Marangoni 对流和熔池尺寸面积之间的关系造成的。然而，超声振动同时还会造成部件获得更少的气孔和微裂纹，见图5所示。

这些效应减轻是由于超声的声化和空化造成的，改变了金属液体和内部气体之间的辐射压力。导致了气体造成的气孔的破裂。同UV-A铸造和UV-A激光熔覆相似，UV-A LENS也可以细化晶粒，其晶粒可以细化到25 μm。由于额外的超声能量造成的增加的热温度梯度可以加速凝固，反过来可以造成晶粒细化。与此同时，超声波的空化和声化的动力学行为在液体材料中产生大的瞬时压力。这一超声波所产生的压力造成柱状晶的碎裂，促进柱状晶向等轴晶转变。增加超声波的频率，UV-A LENS工艺中的晶粒尺寸可以进一步的得到细化，这是因为此时可以有更多的超声波产生和实现更加严重的碎裂。这一显微组织的细化进一步的造成了部件的拉伸性能的提高和显微硬度的提高，显示采用超声波辅助LENS是一种有效的提高部件机械性能的好策略。

图5 LENS制造时部件不同截面的形貌和显微组织：(a) 没有施加超声波； (b) 施加了超声波

UV-A 激光焊接

超声波辅助的激光焊接以及激光复合焊接( laser-MIG)也得到了广泛的应用，其中超声波辅助激光焊接的历史相对比较悠久，在这里就不单独介绍。关于超声波辅助激光复合焊接的技术，长春理工大学的研究人员报道了采用该技术来克服铝合金焊接过程中的气孔，晶粒粗大和机械性能差等问题。在激光-MIG复合焊接的过程中，采用的超声波的功率为0-200 W。超声波对焊接接头的气孔，显微组织和机械性能的影响均进行了研究。结果表明在增加功率的时候，焊接接头的气孔率先下降，然后再增加，接头的显微组织得到了显著的细化。与此同时，超声波激光-MIG复合焊接后，焊接接头的强度得到了增加，从而导致拉伸强度的增加和在焊接区显微硬度的均匀性。此外，焊接区的强度随着超声波功率的增加而增加，导致拉伸断裂的位置从焊接区向焊接热影响区过渡。

图6 (a) 超声波辅助激光-MIG复合焊接系统实物图， (b) 超声波辅助激光-MIG复合焊接过程的示意图

结论

在过去，已经有大量的工作是应用超声波振动来获得理想的加工效果，导致了超声波辅助加工（UV-A）在许多领域中的应用。在UV-A热制造过程中，输入的超声波振动到熔化的材料中可以产生非线性效应，包括声化和空化。这些效应可以改变物质和热的传递，与此同时，包括液态熔化材料的晶体生长和再结晶过程。几个非直接的作用，包括搅动和混合，晶粒的弥散以及晶体的孕育也会产生，从而导致对液态熔化材料的最终的影响。报道的结果表明超声波振动可以通过液体搅拌帮助均匀化元素成分，减少元素偏析和阻碍晶粒的长大，细化显微组织和降低温度梯度，造成粒子的重新排列和减少气孔和裂纹。结果，热制造过程中的部件的精密制造和部件质量的改善可以通过这些现象来实现。

这一综述可以帮助我们获得关于超声波振动对不同UV-A制造工艺的有益的影响。UV-A制造工艺的未来的研究方向应该在机械和热因素中同时开展。

文章来源：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，

参考文献：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,