На первый взгляд, работа обманчиво проста: направьте мощный лазерный луч на кусок металла на долю секунды и посмотрите, что произойдет. Но исследователи говорят, что физика лазерной сварки удивительно сложна. Лучшее понимание взаимодействия между лазером и металлом может дать промышленности больший контроль над лазерной сваркой, технологией, которая становится все более популярной в производстве.
В течение последних трех лет ученые Национального института стандартов и технологий (NIST) собирали данные о наиболее фундаментальных аспектах лазерной сварки. Исследователи говорят, что масштаб их исследования узок, но измерения этого сложного процесса являются более точными и всеобъемлющими, чем любые данные, когда-либо собранные по этому вопросу.
Теперь эта информация начинает использоваться разработчиками компьютерных моделей для улучшения моделирования процессов лазерной сварки, что является необходимым шагом для подготовки работы для промышленности.
«Наши результаты теперь достаточно зрелые, чтобы академические исследователи начали использовать наши данные для тщательного тестирования своих компьютерных моделей способом, который они просто не могли сделать раньше, потому что такого рода данные не были доступны». сказал физик NIST Брайан Саймондс.
Сварка необходима для многих промышленных процессов, от производства автомобилей и самолетов до ноутбуков и мобильных телефонов. Обычная сварка обычно использует электрическую дугу для нагрева и сплавления материалов. Напротив, многокиловаттный лазерный луч может нагревать меньшую площадь соединяемых металлов, создавая меньший и более гладкий шов, чем обычный сварной шов, порядка миллиметров, а не сантиметров. По словам исследователей, лазерная сварка также быстрее и энергоэффективнее, чем обычная сварка.
Даже с учетом этих и других преимуществ лазерная сварка составляет лишь небольшую долю от общего объема сварочных работ в США, которые могли бы извлечь выгоду из этого метода. Исследователи говорят, что лучшее понимание процесса может помочь предприятиям в рассмотрении вопроса об инвестировании в инфраструктуру лазерной сварки.
«Конечная цель для промышленности состоит в том, что однажды, если у вас есть идея о чем-то, что вы хотите сделать, вы вкладываете ее в компьютер, и компьютер говорит вам, как именно это сделать», — сказал Саймондс. Хотя до этого идеала еще десять лет или даже больше, продолжил он, производители могут увидеть выгоду гораздо раньше, поскольку прогресс сотрудничества с NIST помогает совершенствовать компьютерные модели.
Лучшие данные, лучшая модель
Если производители хотят сварить два куска незнакомого металлического сплава , они могут методом проб и ошибок выяснить, какая комбинация настроек лазера обеспечит наилучший сварной шов для их применения. Но большинство производителей предпочли бы оптимизировать процесс исследований и как можно быстрее перейти к производству.
Вот где на помощь приходят компьютерные модели. Эти симуляции помогают производителям прогнозировать, какие виды сварных швов они могут ожидать при различных настройках.
Однако для создания моделей исследователям нужны данные прошлых экспериментов. И на данный момент это исследование распределено по сотням исследований, представляющих собой десятилетия работы десятков лабораторий. Например, они могут найти информацию о теплоемкости одного сплава в статье 1970 года, теплопроводность аналогичного сплава в статье 1992 года и экспериментальные данные о поведении сварного шва за 2007 год. много того, что Саймондс называл «факторами выдумки».
«Моделеры просматривают все эти ресурсы из разных лабораторий в поисках разных материалов и объединяют их таким образом, который, по их мнению, наиболее подходит для их эксперимента», — сказал Саймондс. «И они говорят:« Это достаточно близко ». Но на самом деле они не знают».
Напротив, команда NIST пытается создать более прочную основу для модели. Исследователи Национального института стандартов и технологий измеряют все, что потребуется симулятору: количество энергии, ударяющей по металлу, количество энергии, поглощаемой металлом, количество материала, испаряющегося из металла при его нагревании, — и все это в режиме реального времени.
ерименты с нержавеющей сталью, которая является стандартным эталонным материалом NIST (SRM), что означает, что ее состав чрезвычайно хорошо известен. Использование SRM из нержавеющей стали гарантирует, что эксперименты, проводимые в любой точке мира, могут иметь доступ к образцам металлов с идентичным составом, так что каждый эффективно участвует в одном большом проекте.
«Через 20 лет, если кто-то скажет: «О, черт возьми, мне жаль, что они не измерили это», или будет изобретена какая-то новая методика, дающая гораздо более точные данные, чем мы можем получить сегодня, они могут пойти купить SRM и связать ее. ко всем исследованиям, которые мы уже провели», — сказал Саймондс. «Так что это своего рода проверка на будущее, что мы делаем».
Расширение горизонтов
Продолжая собирать информацию, ученые NIST сотрудничают с институтами по всему миру, чтобы расширить набор данных. Этим летом они будут сотрудничать с Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США, чтобы воспользоваться уникальной способностью лаборатории делать высокоскоростные рентгеновские снимки расплавленного металла в режиме реального времени. Другие сотрудники включают Технологический университет Граца в Австрии, Королевский университет в Онтарио, Канада, и Университет штата Юта в Солт-Лейк-Сити.
Саймондс и его коллеги также расширяют сферу своей деятельности, направляя мощные лазерные лучи на металлические порошки, а не на твердые тела. Исследования порошков должны напрямую поддерживать сообщество аддитивного производства (распространенная форма 3D-печати), чей рынок продуктов и услуг в 2017 году оценивался более чем в 7,3 миллиарда долларов.
Исследователи из Национального института стандартов и технологий говорят, что исследовательский проект по сварке — это отличная возможность применить свои физические способности к решению сложной проблемы.
«Я удивлен, как мало людей понимают эту столь важную вещь, это жизненно важное взаимодействие, лежащее в основе всех этих производственных процессов», — сказал Саймондс. «Чем глубже я изучаю эту очень простую проблему того, что происходит, когда очень интенсивный лазерный луч попадает на металл в течение 10 миллисекунд, тем больше я понимаю, что это довольно сложная вещь. Интересно попробовать и понять».
