Лазерная сварка - это процесс, подходящий для соединения металлов и термопластов. Он особенно хорошо зарекомендовал себя в высокоавтоматизированном производстве, например, в автомобильной промышленности, поскольку лазер работает практически без износа, работает очень быстро и обеспечивает высокую точность. Но до сих пор качество сварного шва можно было задокументировать только ретроспективно, либо с помощью рентгеновских лучей, методов магнитного анализа, либо путем препарирования отдельных образцов из производства. Мониторинг качества сварного шва в реальном времени был бы большим преимуществом.
В то время как при кондуктивной сварке расплавляется только поверхность материала, при сварке с глубоким проплавлением лазерный луч быстро и глубоко проникает в материал и образует тонкое отверстие, заполненное парами металла и газа, которое называется «замочной скважиной». Если замочная скважина становится слишком глубокой, давление паров металла уменьшается, а поверхностное натяжение расплавленного металла увеличивается. Замочная скважина становится нестабильной и может в конечном итоге разрушиться, оставив поры в сварном шве - нежелательный дефект в материале. Поэтому для качества лазерных сварных швов важно определять момент, когда замочная скважина становится нестабильной. До сих пор это было невозможно в достаточной степени. Заглянуть в замочную скважину сверху можно было только оптическими методами.
Группе исследователей Empa во главе с Килианом Васмером теперь удалось точно обнаружить и задокументировать момент нестабильности при лазерной сварке с глубоким проплавлением. Для этого они, с одной стороны, используют недорогой акустический датчик, а с другой - измеряют отражение лазерного луча от металлической поверхности. Объединенные данные анализируются всего за 70 миллисекунд с помощью искусственного интеллекта (сверточной нейронной сети). Это позволяет контролировать качество процесса лазерной сварки в режиме реального времени.
Исследователи Empa недавно продемонстрировали точность своего метода мониторинга на Европейском синхротроне ESRF в Гренобле. Используя свой лазер, они превратили замочную скважину в небольшую алюминиевую пластину, которая одновременно сканировалась жестким рентгеновским излучением. Весь процесс, занимающий менее сотой доли секунды, был зафиксирован высокоскоростной рентгеновской камерой. Результат: отдельные фазы процесса сварки можно было правильно идентифицировать с уверенностью более 90 процентов.
Как только лазерный луч попадает на металл, начинается первая фаза процесса теплопроводной сварки - расплавляется только поверхность. Впоследствии образуется устойчивая замочная скважина, которая «колеблется» (нестабильная замочная скважина) при более длительной выдержке. Иногда из замочной скважины выплевывает жидкий металл, как при извержении вулкана (выбросе). Если он неконтролируемо схлопывается, образуется пора. Все эти фазы можно обнаружить в режиме реального времени с помощью технологии Empa.
В некоторых экспериментах исследователям удалось создать поры в сварном шве, а затем снова закрыть их вторым лазерным импульсом. Формирование поры можно было обнаружить с уверенностью 87%, успешное удаление - до 73%. Этот метод исправления ошибок чрезвычайно перспективен для лазерной сварки . До сих пор поры в сварном шве можно было обнаружить только после завершения работ. С помощью технологии Empa местоположение поры известно уже во время процесса. Последующая обработка с помощью лазера может быть начата немедленно.
Контроль качества в аддитивном производстве
Процесс мониторинга, разработанный в Empa, может использоваться не только для лазерной сварки , но и для контроля качества металлических деталей с трехмерной печатью. В процессе нанесения порошкового покрытия - одном из наиболее распространенных методов, используемых в трехмерной печати на металле, - лазерный луч проходит через слой металлических шариков и сваривает их вместе. Если поры появляются, лазер можно направить на дефектную область второй раз, чтобы впоследствии удалить каждую пору . Однако это можно сделать только с помощью мониторинга в реальном времени , потому что любые образовавшиеся поры должны быть устранены непосредственно перед тем, как они будут покрыты дополнительными слоями металла .
«Одним из преимуществ нашего метода мониторинга является то, что акустические и оптические датчики, которые мы используем, недороги и надежны, и их можно легко модернизировать на существующих промышленных предприятиях», - говорит Килиан Васмер, координировавший работу. Его коллега Сергей Шевчик, разработавший искусственный интеллект для обработки сигналов, доволен высокой скоростью вычислений при умеренных затратах на оборудование. «Мы используем графические процессоры, которые могут вычислять несколько задач параллельно. Такие процессоры также используются в современных игровых консолях и доступны по разумной цене. Таким образом, быстрый технический прогресс в Playstation and Co. очень помог нашей работе».
