Лазерный мир

Лучшее понимание взаимодействия между лазером и металлом даст промышленности больший контроль над лазерной сваркой.

ИЗОБРАЖЕНИЕ: Внутри кабины лазерной сварки NIST мощный лазер плавит кусок металла, образуя буквы NIST. (Изображение предоставлено: Paul Williams / NIST)

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 из Национального института стандартов и технологий (NIST) собирали данные о наиболее фундаментальных аспектах лазерной сварки. Исследователи утверждают, что сфера их исследования узка, но измерения этого сложного процесса являются более точными и всеобъемлющими, чем любые данные, когда-либо собранные по этому вопросу.

Теперь эта информация начинает использоваться компьютерными специалистами по моделированию для улучшения моделирования процессов лазерной сварки, что является необходимым шагом для подготовки работы для промышленности.

«Наши результаты в настоящее время достаточно зрелы, чтобы академические исследователи начали использовать наши данные для тщательного тестирования своих компьютерных моделей таким способом, которого они просто не могли сделать раньше, потому что такого рода данные не были доступны», сказал физик NIST Брайан Саймондс.

Обычная сварка обычно использует электрическую дугу для нагрева и плавления материалов. Напротив, лазерный луч мощностью в несколько киловатт может нагревать меньшую площадь соединяемых металлов, создавая меньший, более гладкий шов, чем обычный сварной шов, порядка миллиметров, а не сантиметров. Исследователи говорят, что лазерная сварка также более быстрая и более энергоэффективная, чем обычная сварка.

Даже с этими и другими преимуществами лазерная сварка составляет лишь небольшую долю общих сварочных усилий в США, которые могут извлечь выгоду из этой технологии. Исследователи считают, что лучшее понимание этого процесса может помочь предприятиям подумать об инвестициях в инфраструктуру лазерной сварки.

«Конечная цель для промышленности состоит в том, чтобы однажды, если у вас была идея о том, что вы хотите сделать, вы сбросили это в компьютер, и компьютер сказал вам, как это сделать», — сказал Саймондс. Хотя до достижения этого идеала еще десять лет или больше, продолжил он, производители могут начать получать выгоду гораздо раньше, поскольку прогресс сотрудничества с NIST помогает усовершенствовать компьютерные модели. Это моделирование помогает производителям предсказать, какие виды сварных швов они могут ожидать с различными настройками.

Однако для создания моделей исследователям нужны данные прошлых экспериментов. И это исследование распространяется на сотни исследований, представляющих десятилетия работы десятков лабораторий. Например, они могут найти информацию о теплоемкости одного сплава в статьях 1970 г., теплопроводности аналогичного сплава в статьях 1992 г. и экспериментальных данных о поведении сварного шва от 2007 г.

Но для объединения этой информации воедино необходимо ввести многое из того, что Саймондс назвал «факторами выдумки». «Разработчики модели просматривают все эти ресурсы из разных лабораторий на предмет различных материалов и объединяют их вместе таким образом, который, по их мнению, наиболее подходит для их эксперимента», — сказал Саймондс. «И они говорят:« Это достаточно близко ». Но этого они в действительности не знают «.

Напротив, команда NIST пытается создать более прочную основу для модели. Исследователи NIST измеряют все, что потребуется симулятору — количество энергии, попадающей на металл, количество энергии, поглощаемой металлом, количество материала, который испаряется из металла при его нагреве — и все это в реальном времени.

Многие из методов, которые исследователи используют для сбора данных, были 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 спроектировали и создали устройство, которое может выполнить это, используя давление самого света.

Чтобы решить эту проблему, они окружили образец металла устройством, называемым интегрирующей сферой, предназначенной для захвата всего света, отражающегося от металла. Используя эту технику, они обнаружили, что традиционный метод проведения этого измерения «сильно недооценивает» энергию, поглощаемую металлом при лазерной сварке. Интегрирующая сфера также позволяет измерять данные в режиме реального времени.

Они также нашли способ лучше измерить сварочный факел, облако испаренных материалов, которое содержит крошечные количества элементов, которые испаряются из образца во время сварки. Чтобы ощутить эти незначительные сигналы, исследователи NIST адаптируют метод, называемый лазерно-индуцированной флуоресцентной (laser-induced fluorescence, LIF) спектроскопией. Метод включает в себя удар по факелу вторым лазером, который нацелен только на один тип элемента за один импульс. Целевой элемент поглощает энергию второго лазера, а затем высвобождает его со слегка смещенной энергией, создавая сильный сигнал, который также является уникальным маркером этого элемента. До сих пор исследователи продемонстрировали, что LIF может распознавать микроэлементы в сварочном шве с чувствительностью в 40000 раз больше, чем традиционными методами.

Другим важным аспектом работы является то, что исследователи проводят все свои эксперименты с типом нержавеющей стали, который является стандартным эталонным материалом NIST (standard reference material, SRM), что означает, что его состав чрезвычайно хорошо известен. Использование SRM из нержавеющей стали гарантирует, что эксперименты, проводимые в любой точке мира, могут иметь доступ к образцам металлов с одинаковым составом, так что каждый эффективно участвует в одном большом проекте.

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 выполнять высокоскоростную рентгеновскую визуализацию расплавленного металла в реальном времени.

Среди других участников кооперации — Технологический университет Граца в Австрии, Королевский Университет в Онтарио, Канада и Университет Юты в Солт-Лейк-Сити.

Саймондс и его коллеги также расширяют объем своей работы, направляя свои мощные лазерные лучи на металлические порошки вместо твердых частиц. Исследования порошков должны оказать непосредственную поддержку сообществу аддитивного производства (распространенная форма 3D-печати), чей рынок продуктов и услуг стоил более 7,3 миллиарда долларов в 2017 году.

Исследователи NIST говорят, что исследовательский проект по сварке — это отличная возможность для них использовать свои исследовательские возможности к сложной проблеме.

Автор Гейл Овертон

NIST; https://www.nist.gov/news-events/news/2019/04/nist-research-sparks-new-insights-laser-welding

Источник: https://www.laserfocusworld.com/lasers-sources/article/16566941/nist-research-to-improve-viability-and-marketability-of-laser-welding