На первый взгляд, работа обманчиво проста: выстрелите мощным лазерным лучом в кусок металла на долю секунды и посмотрите, что произойдет. Но исследователи говорят, что физика лазерной сварки на удивление сложна. Лучшее понимание взаимодействия между лазером и металлом могло бы дать отрасли 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 по наиболее фундаментальным аспектам лазерной сварки. Объем их исследования ограничен, но измерения этого сложного процесса более точны и полны, чем любые данные, когда-либо собранные по этому вопросу, говорят исследователи.
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 зрелы для того, чтобы академические исследователи начали использовать наши данные для тщательного тестирования своих компьютерных моделей таким образом, 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 строительства автомобилей и самолетов до ноутбуков и мобильных телефонов. В обычной сварке обычно используется электрическая дуга для нагрева и плавления материалов. Напротив, многокиловатный 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 этими и другими преимуществами лазерная сварка составляет лишь небольшую часть общих усилий по сварке в США, которые могут выиграть от использования этого метода. По словам исследователей, лучшее понимание процесса может облегчить отраслям возможность инвестировать в инфраструктуру лазерной сварки.
«Конечная цель промышленности состоит в том, чтобы однажды, если у вас есть идея о чем-то, что вы хотите создать, вы загрузите ее в компьютер, и компьютер скажет вам, как именно это сделать», - сказал Саймондс. Хотя до этого идеала осталось десять или более лет, продолжил он, производители могут начать видеть выгоду гораздо раньше, поскольку прогресс сотрудничества NIST помогает усовершенствовать компьютерные модели.
Лучшие данные, лучшая модель
Если производители хотят сварить две детали из незнакомого сплава металла, они могут методом проб и ошибок выяснить, какая комбинация настроек лазера даст наилучший сварной шов для их применения. Но большинство производителей предпочли бы упростить исследовательский процесс и как можно быстрее приступить к производству.
Вот тут-то и пригодятся компьютерные модели. Эти симуляции помогают производителям предсказать, какие типы сварных швов они могут ожидать при различных настройках.
Однако для создания моделей исследователям нужны данные прошлых экспериментов. И на данный момент эти исследования охватывают сотни исследований, представляющих десятилетия работы в десятках лабораторий. Например, они могут найти информацию о теплоемкости одного сплава в статье 1970 года, теплопроводности аналогичного сплава в статье 1992 года и экспериментальные данные о поведении сварных швов 2007 года. много того, что Саймондс называл «ложными факторами».
«Разработчики моделей просматривают все эти ресурсы из разных лабораторий в поисках разных материалов и собирают их вместе таким образом, который, по их мнению, наиболее применим к их эксперименту», - сказал Саймондс. «И они говорят:« Это достаточно близко ». Но они действительно не знают ».
Напротив, команда NIST пытается построить более прочный фундамент для модели. Исследователи NIST измеряют все, что может понадобиться симулятору - количество энергии, падающей на металл, количество энергии, поглощаемой металлом, количество материала, испаряющегося из металла при нагревании, - и все это в режиме реального времени.
В этом высокоскоростном видео показан сварной шов, выполненный с помощью сфокусированной мощности лазера 360 Вт. Лазер (не виден) нагревает металл до тех пор, пока он не расплавится и не образует лужу, которая затем затвердеет. Глубина готового шва составляет около 470 микрометров (чуть меньше полмиллиметра). Предоставлено: Джек Таннер / NIST.
Многие методы, которые исследователи используют для сбора данных, были разработаны или разработаны в NIST для измерения новых аспектов сварки. Например, до недавнего времени исследователи не могли измерить мощность лазера во время сварки. Физики NIST Джон Леман и Пол Уильямс и их коллеги разработали и построили устройство, которое может делать это, используя давление самого света.
Им также пришлось проявить изобретательность, чтобы ощутить количество света, поглощаемого нагретым материалом, поскольку оно постоянно меняется. «Вы переходите от грубого металла к блестящей лужице и к глубокому карману, который по сути является черным телом», что означает, что он поглощает почти весь падающий на него свет, - сказал Леман. По его словам, физика «суперсложная».
Чтобы решить эту проблему, они окружили металлический образец устройством, называемым интегрирующей сферой, предназначенным для улавливания всего света, отражающегося от металла. Используя эту технику, они обнаружили, что традиционный метод измерения «сильно занижает» энергию, поглощаемую металлом во время лазерной сварки. Интегрирующая сфера также позволяет измерять данные в реальном времени.
Они также нашли способ лучше измерить шлейф сварного шва, облако испаренных материалов, которое включает крошечные количества элементов, которые испаряются из образца во время сварки. Определение точного количества этих элементов, когда они покидают сварной шов, даст ученым ценную информацию о прочности оставшегося материала. Однако традиционные методы не позволяют точно определить концентрации определенных элементов, таких как углерод и азот, которые существуют в чрезвычайно низких концентрациях.
Чтобы уловить эти крохотные сигналы, исследователи NIST применяют метод, называемый спектроскопией лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF). Этот метод включает попадание в шлейф вторым лазером, который нацеливается только на один вид элемента за раз. Целевой элемент поглощает энергию второго лазера, а затем высвобождает ее со слегка смещенной энергией, создавая сильный сигнал, который также является уникальным маркером этого элемента. На данный момент исследователи продемонстрировали, что LIF может обнаруживать микроэлементы в шлейфе сварного шва с чувствительностью в 40 000 раз больше, чем традиционные методы.
Другой важный аспект работы заключается в том, что исследователи проводят все свои эксперименты с типом нержавеющей стали, которая является стандартным эталонным материалом (SRM) NIST, 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 металлическим образцам с идентичным составом, так что каждый эффективно вносит свой вклад в один большой проект.
«Через 20 лет, если кто-то скажет:« Ой, я бы хотел, чтобы они это измерили », или будет изобретена какая-то новая техника, которая дает гораздо лучшие данные, чем мы можем получить сегодня, они могут пойти купить SRM и связать его. ко всем исследованиям, которые мы уже провели », - сказал Саймондс. «Так что это своего рода гарантия будущего того, что мы делаем».
Расширяющиеся горизонты
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 расплавленной ванны металла в режиме реального времени. Среди других сотрудников - Технологический университет Граца в Австрии, Королевский университет в Онтарио, Канада, и Университет Юты в Солт-Лейк-Сити.
Саймондс и его коллеги также расширяют сферу своей работы, поскольку они направляют свои мощные лазерные лучи на металлические порошки, а не на твердые тела. Исследования порошков должны напрямую поддержать сообщество аддитивного производства (распространенная форма трехмерной печати), чей рынок товаров и услуг в 2017 году оценивался более чем в 7,3 миллиарда долларов.
Исследователи NIST говорят, что исследовательский проект в области сварки дает им прекрасную возможность применить свои физические навыки к сложной проблеме.
«Я удивлен, как мало люди понимают эту 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 действительно интенсивный лазерный луч попадает в металл в течение 10 миллисекунд, тем больше я понимаю, что это сложная вещь. Интересно попытаться понять».
