Сварка считается больше искусством, чем наукой. Отчасти это дань уважения жизненно важной квалифицированной работе, которую выполняют сварщики. Это также признание того факта, что физику процесса очень и очень трудно понять.
Около двух лет назад я присоединился к проекту NIST по лазерной сварке. До этого я изучал материалы для солнечных панелей и занимался лазерной обработкой, но меня мало интересовала лазерная сварка. В конечном итоге меня привлекло и мотивирует сейчас то, насколько сложной является лазерная сварка, и возможность внести свой вклад в понимание процесса, который так тесно переплетен с повседневной жизнью, но при этом так загадочен.
Акт I: Создание замочной скважины
Процесс лазерной сварки начинается, как можно себе представить, когда лазер фокусируется на поверхности металла. Хотя поверхность изначально отражает большую часть света, она поглощает достаточно, чтобы вызвать значительный нагрев. Этот нагрев немного меняет способ взаимодействия металла со светом, что, в свою очередь, вызывает большее поглощение и еще больший нагрев. Как только металл становится достаточно горячим, он начинает плавиться и испаряться. Теперь расплавленный металл реагирует на это испарение, отскакивая и создавая углубление на поверхности, подобно батуту, реагирующему на тяжелую нагрузку. Когда эта депрессия достаточно глубокая, она посылает часть отраженного света обратно на себя, что увеличивает поглощенный свет, создавая большее таяние, вызывая большее испарение, делая более глубокую депрессию, создавая большее поглощение, затем большее таяние и так далее. Это продолжается до тех пор, пока весь свет не будет поглощен и не образуется глубокая дыра, называемая замочной скважиной. В разрезе это выглядит как торнадо из расплавленного металла с полой полостью, окруженной турбулентной воронкой очень горячей жидкости. Все это происходит в течение первых нескольких миллисекунд.
В своем учебнике «Современные технологии сварки», который метафорически был приварен к моему неокортексу, Х. Б. Кэри и С. Хельцер оценивают, что до 50 процентов валового внутреннего продукта СШАполагается на сварку в той или иной форме. Очевидные области применения сварки — это производство больших вещей, таких как автомобили и поезда, но есть и менее очевидные, такие как корпус батареи в вашем мобильном телефоне или металлические стенты, используемые для открытия закупоренных артерий. Оказывается, мы можем использовать лазерную сварку во многих из этих производственных сценариев и тем самым получить множество преимуществ. В некоторых случаях резко сфокусированный луч лазера обеспечивает более точные сварные швы, например, в биомедицинских устройствах, батареях и ядерных контейнерах, но в большинстве других случаев использование лазеров — это просто хороший бизнес.
Например, большая часть энергии лазера уходит на создание самого сварного шва, и очень мало энергии тратится на нагрев окружающей области. Меньше отходов – меньше счета за коммунальные услуги. Кроме того, новейшая лазерная технология основана на волоконной оптике, которую мы можем монтировать непосредственно в производственных роботов, ускоряя производственные линии и увеличивая производительность. Недавние исследования также показывают, что экологический след лазерной сварки по сравнению с традиционной сваркой значительно меньше как с точки зрения необходимых ресурсов, так и с точки зрения образующихся опасных отходов.
Будучи бывшим специалистом по солнечным батареям, я нахожу это преимущество особенно мотивирующим.
Акт II: Торнадо расплавленного металла
Из-за хаоса внизу над поверхностью нашего торнадо из расплавленного металла образуется горячее облако. Это облако состоит из четырех различных состояний материи: твердых частиц, капель жидкости, горячего газа и даже небольшого количества плазмы. Каждое из этих состояний вещества взаимодействует с расплавленной поверхностью и падающим светом по-своему.
Промышленность выбирает металлические сплавы для конкретного применения, исходя из требований к прочности, твердости, коррозионной стойкости и т. д. Интересно, что многие свойства стали обусловлены не железом, а небольшими количествами (часто доли одного процента от всего) других элементов, таких как углерод, фосфор, кремний и цинк. Подобно шеф-повару, улучшающему вкус супа со специями, металлург настраивает свойства металла, добавляя в него небольшое количество этих элементов. Однако динамический процесс лазерной сварки может изменить вкус, выбросив больше одних элементов, чем других. Это может привести к тому, что сваренная область будет иметь «вкус», немного отличающийся от окружающих несваренных областей. Это несоответствие свойств может привести к растрескиванию, усталости, напряжению или коррозии. Другими словами, плохой сварной шов.
Что я делаю, так это измеряю микроэлементы, выбрасываемые торнадо. Я нахожу, что они используют процесс, немного похожий на эксперименты с горелкой Бунзена, которые вы, возможно, проводили в средней школе по химии. Если вы помните, вы поместили «загадочное» вещество в пламя и обнаружили его сущность, наблюдая за цветом света, который оно испускало, на специальном зрителе. В моем случае, однако, я решил сделать некоторые цвета ярче, выборочно нацеливаясь на элементы с помощью второго специально настроенного лазера, который стреляет через сварочный шлейф. Этот метод заставляет эти микроэлементы генерировать больше света, что позволяет мне видеть элементы, которые в противном случае были бы слишком тусклыми.
Акт III: Перезарядка
Несмотря на то, что шторм прошел, определяется, как будет работать сварка. Как только лазер перемещается, расплавленный металл быстро остывает и снова становится твердым, теперь перекрывая то, что раньше было зазором между двумя отдельными кусками металла. Скорость, с которой формируется этот мостик (скорость охлаждения), во многом определяет качество окончательной структуры сварного шва. Процесс охлаждения в конечном итоге определит, будут ли образовываться трещины и какую структуру будет иметь свариваемый металл.
Чтобы изучить полученное качество сварного шва, мы должны разобрать сварной шов и посмотреть на него. Для этого мы обращаемся к нашим партнерам по проекту в Лаборатории измерения материалов NIST. Там у них есть возможность вскрыть сварной шов для поиска трещин и дефектов. Используя ряд методов визуализации в атомарном масштабе, инженер-исследователь материалов Энн Дебей Кьярамонти из Группы надежности наноразмеров может увидеть, как в процессе сварки смещаются отдельные атомы. Металлург и эксперт по сварке Джеффри Совардс из группы конструкционных материалов тестирует сварные швы, растягивая их или сжимая до предела прочности при очень больших нагрузках. Изучение этих процессов жизненно важно для понимания причин отказа сварных швов и того, как эти отказы связаны с процессом сварки.
Из-за сложности процесса лазерной сварки непосредственное систематическое изучение процесса может быть затруднено экспериментально. Поэтому сообщество сварщиков полагается на сложные модели, чтобы помочь разгадать тайну. Качество выходных данных этих моделей неразрывно связано с качеством используемых входных данных.
Как говорится: мусор на входе, мусор на выходе.
Чтобы помочь моделям сварки получить более реалистичные решения, наша команда разрабатывает измерительные инструменты для точного измерения всех входных данных, необходимых на каждом этапе процесса лазерной сварки. Возможность точного измерения этих свойств в таких больших динамических диапазонах времени, длины и температуры требует уникального сочетания возможностей, которые может предоставить только NIST, что делает эту работу жизненно важной для сообщества сварщиков.
Хотя лазерная сварка потенциально может заменить 25 процентов существующих сварочных работ, в настоящее время она используется только примерно в 0,5 процентах случаев. Преодоление этой разницы и реализация всех связанных с ней технологических, экономических и экологических преимуществ потребуют усилий, подобных тем, которые мы предпринимаем в NIST. Я очень горжусь тем, что являюсь частью такой группы, и рад внести свой вклад в исследовательскую работу, которая может оказать большое и значимое влияние.
