Я присоединился к проекту NIST по лазерной сварке около двух лет назад. До этого я изучал материалы для солнечных панелей и занимался лазерной обработкой, но лазерная сварка меня мало интересовала. Что в конечном итоге привлекло меня и что меня мотивирует сейчас, так это то, насколько сложна лазерная сварка и возможность внести свой вклад в понимание процесса, который так тесно переплетается с повседневной жизнью, но при этом так загадочен.
Акт I: Создание замочной скважины
Как можно догадаться, процесс лазерной сварки начинается, 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. Когда металл достаточно нагревается, он начинает плавиться и испаряться. Теперь расплавленная металлическая ванна реагирует на это испарение, отскакивая и создавая углубление на поверхности, как батут, реагирующий на тяжелую нагрузку. Когда это углубление достаточно глубокое, оно посылает часть отраженного света обратно на себя, что увеличивает поглощаемый свет, создавая большее плавление, вызывая большее испарение, делая более глубокое углубление, создавая большее поглощение, затем большее плавление и так далее. Это продолжается до тех пор, пока весь свет не поглотится и не образуется глубокая дыра, называемая замочной скважиной. В поперечном сечении это выглядит как смерч из расплавленного металла с полой полостью, окруженной турбулентной воронкой очень горячей жидкости. Все это происходит в течение первых нескольких миллисекунд.
В своем учебнике «Современные сварочные технологии», образно приваренном к моему неокортексу, Х. Б. Кэри и С. Хельцер подсчитали, что до 50 процентов валового внутреннего продукта СШАв той или иной форме полагается на сварку. Очевидное применение сварки - это производство больших вещей, таких как автомобили и поезда, но есть и менее очевидные, такие как корпус аккумулятора в вашем мобильном телефоне или металлические стенты, используемые для открытия забитых артерий. Оказывается, мы можем использовать лазерную сварку во многих из этих производственных сценариев, и тем самым мы можем получить множество преимуществ. В некоторых приложениях сильно сфокусированный луч лазера обеспечивает более точные сварные швы, такие как те, которые необходимы в биомедицинских устройствах, батареях и емкостях для ядерной защиты, но в большинстве других случаев использование лазеров - это просто хороший бизнес.
Например, большая часть энергии лазера уходит на сам сварной шов, при этом очень мало тратится на нагрев окружающей области. Меньше отходов означает меньшие счета за коммунальные услуги. Кроме того, новейшая лазерная технология основана на волоконной оптике, которую мы можем подключить непосредственно к производственным роботам, 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 образования опасных отходов.
Поскольку я раньше работал с солнечными батареями, я нахожу это преимущество особенно мотивирующим.
Акт II: Торнадо из расплавленного металла
Из-за хаоса внизу над поверхностью нашего торнадо из расплавленного металла образуется горячее облако. Это облако состоит из четырех различных состояний вещества: твердых частиц, жидких капель, горячего газа и даже небольшого количества плазмы. Каждое из этих состояний вещества по-своему взаимодействует с расплавленной поверхностью и падающим светом.
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 составляющими долю одного процента от всего) других элементов, таких как углерод, фосфор, кремний и цинк. Подобно повару, изменяющему вкус супа со специями, металлург настраивает свойства металла, добавляя небольшое количество этих элементов. Однако динамический процесс лазерной сварки может изменить вкус, выбрасывая больше одних элементов, чем других. Это может привести к тому, что сварная область будет немного отличаться по вкусу 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 следы легирующих элементов, когда они выбрасываются из торнадо. Я обнаружил, что они используют процесс, немного напоминающий эксперименты с горелкой Бунзена, которые вы, возможно, проводили в школьной химии. Если вы помните, вы поместили «загадочную» субстанцию в пламя и открыли его сущность, наблюдая за цветом испускаемого ею света на специальном экране. В моем случае, однако, я предпочитаю сделать некоторые цвета ярче, выборочно нацеливая элементы с помощью второго специально настроенного лазера, который стреляет через шлейф сварного шва. Этот метод заставляет эти микроэлементы генерировать больше света, что позволяет мне видеть элементы, которые в противном случае были бы слишком тусклыми.
Акт III: Восстановление
Несмотря на то, что шторм прошел, качество сварного шва еще не определено. После того, как лазер двинулся дальше, расплавленная ванна металла быстро остывает и снова становится твердой, перекрывая то, что раньше было зазором между двумя отдельными кусками металла. Скорость, с которой образуется этот мост (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 сварной металл.
Чтобы изучить 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 рассечь сварной шов на предмет трещин и дефектов. Используя ряд методов построения изображений в атомном масштабе, инженер-исследователь материалов Энн Дебей Кьярамонти из группы надежности наномасштаба может увидеть, как процесс сварки смещает отдельные атомы. Металлург и эксперт по сварке Джеффри Соуардс из Группы конструкционных материалов проверяет сварные швы, разрывая их или сжимая до предела прочности при чрезвычайно высоких нагрузках. Изучение этих процессов жизненно важно для понимания того, почему сварные швы выходят из строя и как эти отказы связаны со сварочным процессом.
Из-за сложности процесса лазерной сварки непосредственное систематическое изучение процесса может быть затруднено экспериментально. Поэтому сварочное сообщество полагается на сложные модели, чтобы разгадать загадку. Качество выходных данных этих моделей неразрывно связано с качеством используемых входных данных.
Как говорится: мусор на входе, мусор на выходе.
Чтобы помочь моделям сварных швов найти более реалистичные решения, наша команда разрабатывает 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, которое может предоставить только NIST, что делает эту работу жизненно важной для сварочного сообщества.
Хотя лазерная сварка может заменить 25 процентов существующих сварочных работ, в настоящее время она используется только примерно в 0,5 процента. Чтобы устранить эту разницу и реализовать все связанные с ней технологические, экономические и экологические преимущества, потребуются усилия, подобные тем, которые мы прилагаем в NIST. Я очень горжусь тем, что являюсь частью такой группы, и счастлив участвовать в исследовании, которое может оказать большое и значимое влияние.
