Forskning giver ny indsigt i lasersvejsning

På dens overflade, arbejdet er vildledende enkelt:Skyd en laserstråle med høj effekt på et stykke metal i en brøkdel af et sekund og se, hvad der sker. Men forskere siger, at lasersvejsningens fysik er overraskende kompleks. En bedre forståelse af samspillet mellem laser og metal kan give industrien mere kontrol over lasersvejsning, en teknologi, der bliver stadig mere populær inden for fremstilling.

I de sidste tre år har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har indsamlet data om de mest fundamentale aspekter ved lasersvejsning. Omfanget af deres undersøgelse er snævert, men målingerne af denne komplicerede proces er mere præcise og omfattende end nogen data, der nogensinde er indsamlet om emnet, siger forskerne.

Nu, disse oplysninger begynder at blive brugt af computermodeller til at forbedre simuleringer af lasersvejsningsprocesser, et nødvendigt skridt til at forberede arbejdet til industrien.

"Vores resultater er nu modne nok til, hvor akademiske forskere begynder at bruge vores data til grundigt at teste deres computermodeller på en måde, som de bare ikke har været i stand til før, fordi denne form for data ikke har været tilgængelig, "sagde NIST -fysikeren Brian Simonds.

Svejsning er nødvendig for mange industrielle processer, fra at bygge biler og fly til bærbare computere og mobiltelefoner. Konventionel svejsning bruger typisk en bue af elektricitet til at opvarme og smelte materialer. I modsætning, en multi-kilowatt laserstråle kan opvarme et mindre område af de metaller, der samles, skabe en mindre, glattere søm end en konventionel svejsning, i størrelsesordenen millimeter frem for centimeter. Lasersvejsning er også hurtigere og mere energieffektiv end konventionel svejsning, siger forskerne.

Selv med disse og andre fordele, lasersvejsning udgør kun en lille brøkdel af den samlede svejseindsats i USA, der kan have fordel af denne teknik. En bedre forståelse af processen kan gøre det lettere for industrier at overveje at investere i lasersvejsningsinfrastruktur, siger forskerne.

"Det ultimative mål for industrien er, at en dag, hvis du har en idé om noget, du vil lave, du dumper den ind i en computer, og computeren fortæller dig præcis, hvordan du laver den, "Sagde Simonds. Selvom det ideal er et årti eller mere væk, han fortsatte, producenter kan begynde at se en fordel meget hurtigere, da NIST -samarbejdets fremskridt hjælper med at forfine computermodellerne.

Bedre data, Bedre model

Hvis producenterne ønsker at svejse to stykker af en ukendt metallegering, de kan bruge trial and error til at finde ud af, hvilken kombination af laserindstillinger der giver den bedste svejsning til deres anvendelse. Men de fleste producenter foretrækker at strømline forskningsprocessen og gå i produktion så hurtigt som muligt.

Det er her computermodeller kommer ind. Disse simuleringer hjælper producenterne med at forudsige, hvilke slags svejsninger de kan forvente med forskellige indstillinger.

For at lave modellerne, selvom, forskere har brug for data fra tidligere eksperimenter. Og i øjeblikket, at forskning er spredt over hundredvis af undersøgelser, repræsenterer årtiers arbejde fra snesevis af laboratorier. For eksempel, de kan finde oplysninger om varmekapaciteten af ​​en legering i et papir fra 1970, varmeledningsevnen for en lignende legering i et papir fra 1992, og eksperimentelle data om svejseadfærd fra 2007. Men at samle disse oplysninger sammen kræver, at der introduceres meget af det, Simonds kaldte "fudge -faktorer".

"Modelere kigger igennem alle disse ressourcer fra forskellige laboratorier for forskellige materialer, og de krammer dem sammen på en måde, som de synes er mest anvendelig til deres eksperiment, "Simonds sagde." Og de siger, 'Det er tæt nok.' Men de ved det ikke rigtigt. "

I modsætning, NIST -teamet forsøger at bygge et meget fastere fundament for en model. NIST -forskere måler alt, hvad en simulator ville have brug for - mængden af ​​strøm, der rammer metallet, mængden af ​​energi, metallet absorberer, mængden af ​​materiale, der fordamper fra metallet, når det opvarmes - alt i realtid.

Hvor ingen er gået før

Mange af de teknikker, forskerne bruger til at indsamle dataene, blev enten designet eller udviklet ved NIST for at måle nye aspekter af svejsning. For eksempel, indtil for nylig kunne forskere ikke måle lasereffekt under en svejsning. NIST -fysikere John Lehman og Paul Williams og deres kolleger designede og byggede en enhed, der kan opnå dette ved hjælp af selve lysets tryk.

De var også nødt til at blive kreative for at fornemme mængden af ​​lys, der absorberes af det opvarmede materiale, da det hele tiden ændrer sig. "Du går fra et groft metal til en skinnende pool til en dyb lomme, der egentlig er en sort krop, "hvilket betyder, at den absorberer næsten alt det lys, der rammer det, Sagde Lehman. Fysikken, han sagde, er "super kompleks."

For at løse dette problem, de omgav metalprøven med en enhed kaldet en integrerende kugle, designet til at fange alt lys, der hopper af metallet. Ved hjælp af denne teknik, de opdagede, at den traditionelle metode til at foretage denne måling "alvorligt undervurderer" energien, der optages af metallet under en lasersvejsning. Den integrerende sfære gør det også muligt at måle dataene i realtid.

De fandt også en måde til bedre at måle svejseplommen, en sky af fordampede materialer, der indeholder små mængder elementer, der fordamper ud af prøven under svejsning. At opdage de nøjagtige mængder af disse elementer, når de forlader svejsningen, ville give forskere værdifuld information om styrken af ​​det resterende materiale. Imidlertid, traditionelle teknikker fornemmer ikke nøjagtigt koncentrationerne af visse elementer, såsom kulstof og nitrogen, der findes i ekstremt lave koncentrationer.

For at mærke disse små signaler, NIST-forskere tilpasser en teknik kaldet laserinduceret fluorescens (LIF) spektroskopi. Metoden indebærer at ramme plommen med en anden laser, der kun retter sig mod en slags element ad gangen. Det målrettede element absorberer den anden lasers energi og frigiver den derefter med en lidt forskudt energi, producerer et stærkt signal, der også er en unik markør for det element. Indtil nu, forskere har demonstreret, at LIF kan fornemme sporstoffer i svejseplommen med 40, 000 gange mere følsomhed end traditionelle metoder.

Et andet vigtigt aspekt af arbejdet er, at forskere udfører alle deres eksperimenter med en type rustfrit stål, der er et NIST standard referencemateriale (SRM), hvilket betyder, at dens sammensætning er yderst velkendt. Brug af rustfrit stål SRM sikrer, at forsøg udført overalt i verden kan have adgang til metalprøver med en identisk sammensætning, så alle effektivt bidrager til ét stort projekt.

"Om 20 år fra nu hvis nogen siger, 'Åh mand, Jeg ville ønske, at de havde målt dette, 'eller en ny teknik er opfundet, der giver meget bedre data, end vi kan tage i dag, de kan købe SRM'en og knytte den til al den forskning, vi allerede har foretaget, "Sagde Simonds." Så det er en slags fremtidssikring, hvad vi laver. "

Udvidelse af horisonter

Når de fortsætter med at indsamle oplysninger, NIST -forskerne samarbejder med institutter rundt om i verden for at udvide datasættet. Den her sommer, de vil samarbejde med US Department of Energy's Argonne National Laboratory for at drage fordel af laboratoriets unikke evne til at foretage højhastigheds røntgenbillede af den smeltede pulje af metal i realtid. Andre samarbejdspartnere omfatter Graz University of Technology i Østrig, Queen's University i Ontario, Canada, og University of Utah i Salt Lake City.

Simonds og kolleger udvider også omfanget af deres arbejde, da de retter deres laserstråler med høj effekt på metalpulvere i stedet for faste stoffer. Pulverundersøgelserne bør direkte understøtte fællesskabet for additiv fremstilling (en almindelig form for 3D-print), hvis marked for produkter og tjenester var mere værd end anslået 7,3 milliarder dollar i 2017.

NIST -forskere siger, at svejseforskningsprojektet er en god mulighed for dem at bringe deres fysikkoteletter til et kompliceret problem.

"Jeg er overrasket over, hvor lidt mennesker forstår denne ting, der er så vigtig, denne vitale interaktion, der ligger til grund for alle disse industrielle processer, "Simonds sagde." Jo dybere jeg ser nærmere på dette meget enkle problem med, hvad der sker, når en virkelig intens laserstråle rammer metal i 10 millisekunder, jo mere jeg indser, at dette er nogle komplekse ting. Det er sjovt at prøve og forstå. "