Lidt let konstruktion - lasersvejsning i tre akter

Svejsning siges at være mere kunst end videnskab. Delvis, dette er et nik til det vitale, dygtigt arbejde, som svejsere udfører. Det er også en erkendelse af, at processens fysik virkelig er, virkelig svært at forstå.

Jeg deltog i et NIST-projekt om lasersvejsning for omkring to år siden. Før dette, Jeg havde studeret materialer til solpaneler og havde arbejdet med laserbehandling, men jeg var lidt interesseret i lasersvejsning. Hvad der til sidst trak mig ind, og hvad der motiverer mig nu, er hvor kompleks lasersvejsning er og muligheden for at bidrage til forståelsen af ​​en proces, der er så sammenflettet med hverdagen, alligevel så mystisk.

Akt I:At skabe et nøglehul

Lasersvejseprocessen begynder, som man kunne forestille sig, når en laser er fokuseret på overfladen af ​​et metal. Selvom overfladen i starten reflekterer det meste af lyset, det absorberer nok til at forårsage betydelig opvarmning. Denne opvarmning ændrer lidt måden metallet interagerer med lyset på, hvilket igen giver mere absorption og endnu mere opvarmning. Når metallet bliver varmt nok, det begynder at smelte og fordampe. Det nu smeltede metalbassin reagerer på denne fordampning ved at trække sig tilbage og skabe en fordybning i overfladen, som en trampolin, der reagerer på en tung belastning. Når denne depression er dyb nok, det sender noget af det reflekterede lys tilbage til sig selv, hvilket øger det absorberede lys, skabe mere smeltning, generere mere fordampning, laver en dybere depression, skabe mere absorption, derefter mere smeltning, og så videre. Dette fortsætter indtil alt lys er absorberet og et dybt hul, kaldet et nøglehul, formularer. I tværsnit, det ligner en smeltet metaltornado med et hult hulrum omgivet af en turbulent tragt med meget varm væske. Alt dette sker inden for de første par millisekunder.

I deres lærebog Modern Welding Technology, som er blevet metaforisk svejset til min neocortex, H.B. Cary og S. Helzer vurderer, at så meget som 50 procent af det amerikanske bruttonationalprodukt er afhængig af svejsning i en eller anden form. De åbenlyse anvendelser af svejsning er i fremstillingen af ​​store ting som biler og tog, men der er mindre oplagte som batterihuset i din mobiltelefon eller metalstents, der bruges til at genåbne tilstoppede arterier. Det viser sig, at vi kan bruge lasersvejsning i mange af disse fremstillingsscenarier, og ved at gøre det, vi kan realisere adskillige fordele. I nogle applikationer, laserens tæt fokuserede stråle giver bedre præcisionssvejsninger som dem, der er nødvendige i biomedicinsk udstyr, batterier, og nukleare indeslutningsfartøjer, men i de fleste andre tilfælde er det bare en god forretning at bruge lasere.

For eksempel, det meste af en lasers energi går til at lave selve svejsningen, med meget lidt spildt på opvarmning af det omkringliggende område. Mindre spild betyder lavere forbrugsregninger. Også, den nyeste laserteknologi er baseret på fiberoptik, som vi kan montere direkte på produktionsrobotter, fremskynde produktionslinjer og øge produktionsgennemstrømningen. Nylige undersøgelser viser også, at lasersvejsningens økologiske fodaftryk i forhold til traditionel svejsning er væsentligt mindre, både hvad angår nødvendige ressourcer og produceret farligt affald.

At være en tidligere solcellefyr, Jeg finder denne fordel særligt motiverende.

Akt II:En tornado af smeltet metal

På grund af kaoset nedenfor, en varm sky dannes over overfladen af ​​vores smeltede metaltornado. Denne sky består af fire forskellige stoftilstande:faste partikler, væskedråber, en varm gas, og endda en smule plasma. Hver af disse stoftilstande interagerer med den smeltede overflade og det indkommende lys på sin egen specielle måde.

Industrien vælger metallegeringer til at passe til en bestemt anvendelse baseret på dets krav til styrke, hårdhed, korrosionsbestandighed, osv. Interessant nok, mange egenskaber ved stål skyldes ikke jernet, men til de små mængder (ofte en brøkdel af en procent af totalen) af andre grundstoffer som kulstof, fosfor, silicium og zink. Som en kok, der justerer smagen af ​​en suppe med krydderier, en metallurg tuner et metals egenskaber ved at drysse i små mængder af disse elementer. Imidlertid, den dynamiske proces med lasersvejsning kan ændre smagen ved at smide flere af nogle elementer ud end andre. Dette kan efterlade dig med en svejset region, der "smager" lidt anderledes end de omgivende ikke-svejsede regioner. Denne uoverensstemmelse i egenskaber kan føre til revner, træthed, stress eller korrosion.

Med andre ord, en dårlig svejsning.

Det, jeg gør, er at måle sporlegeringselementerne, når de slynges ud af tornadoen. Jeg synes, at de bruger en proces lidt ligesom de bunsenbrændereksperimenter, du måske har lavet i gymnasiekemi. Hvis du husker, du satte et "mystisk" stof i en flamme og opdagede dets identitet ved at observere lysfarverne, det afgav på en speciel beskuer. I mit tilfælde dog Jeg vælger at gøre nogle farver lysere ved selektivt at målrette elementer med en anden specialtunet laser, der skyder gennem svejsefanen. Denne teknik får disse sporstoffer til at generere mere lys, hvilket giver mig mulighed for at se elementer, der ellers ville være for svage.

Akt III:The Cooldown

Selvom stormen er overstået, hvordan svejsningen vil udføre er ved at blive bestemt. Når laseren er gået videre, den smeltede metalpøl afkøles hurtigt og bliver igen fast, bygger nu bro over det, der tidligere var et hul mellem to separate metalstykker. Den hastighed, hvormed denne bro dannes (afkølingshastigheden) bestemmer utroligt meget om kvaliteten af ​​svejsningens endelige struktur. Afkølingsprocessen vil i sidste ende afgøre, om der opstår revner, og hvilken struktur det svejste metal vil have.

For at studere den resulterende svejsekvalitet, vi skal skille svejsningen ad og se på den. At gøre dette, vi henvender os til vores projektpartnere på NISTs Materialemålingslaboratorium. Der har de mulighed for at dissekere en svejsning for at se efter revner og defekter. Ved hjælp af en række billeddannelsesteknikker i atomskala, materialeforskningsingeniør Ann Debay Chiaramonti i Nanoscale Reliability Group kan se, hvordan svejseprocessen fortrængte individuelle atomer. Metallurg og svejseekspert Jeffrey Sowards i Structural Materials Group tester svejsninger ved at trække dem fra hinanden eller komprimere dem til deres bristepunkt under ekstremt tunge belastninger. At studere disse processer er afgørende for at forstå, hvorfor svejsninger fejler, og hvordan disse fejl er relateret til svejseprocessen.

På grund af kompleksiteten af ​​lasersvejseprocessen, direkte at studere processen på en systematisk måde kan være svært eksperimentelt. Derfor, svejsesamfundet er afhængig af komplekse modeller for at hjælpe med at løse mysteriet. Kvaliteten af ​​outputtet fra disse modeller er i sagens natur forbundet med kvaliteten af ​​de anvendte datainput.

Som man siger:skrald ind, skrald ud.

For at hjælpe med at guide svejsemodellerne mod mere realistiske løsninger, vores team udvikler måleværktøjer til nøjagtigt at måle alle nødvendige input på hvert trin i lasersvejseprocessen. Evnen til nøjagtigt at måle disse egenskaber over så store, dynamisk tid, længde, og temperaturområder kræver en unik kombination af egenskaber, som kun NIST kan levere, gør dette arbejde afgørende for svejsesamfundet.

Selvom lasersvejsning har potentialet til at erstatte 25 procent af eksisterende svejseaktiviteter, det bruges i øjeblikket kun i omkring 0,5 pct. At gøre den forskel og realisere alt det teknologiske, økonomiske og miljømæssige fordele, der følger med det, vil kræve indsats som den, vi forfølger på NIST. Jeg er meget stolt over at være en del af sådan en gruppe og glad for at kunne bidrage til en forskningsindsats, der har potentiale til at lave en stor, meningsfuld effekt.