Cercetătorii au folosit raze X puternice pentru a obține imagini de înaltă rezoluție ale procesului de sudare cu laser ARM, aprofundând procesul de sudare pentru a dezvolta procese mai bune.
Inginerii de la Laboratorul de aplicații Coherent, cu ajutorul razelor X, au privit mai atent procesul de sudare cu laser cu fibre.
Ce se întâmplă sub suprafața sudării cu laser?
În trecut, cercetătorii au studiat pe larg procesul de sudare cu laser cu fibre utilizând video convențional de mare viteză. Videoclipul de mare viteză oferă o referință pentru studierea dinamicii metalului topit și a bazinelor de vapori (numite „vias”) create în timpul procesului de sudare.
De obicei, o cameră este plasată deasupra piesei pentru a înregistra ceea ce se întâmplă pe suprafața de sudură dintr-o perspectivă de sus în jos. Cu toate acestea, în interiorul unei mici gauri se întâmplă mult mai mult decât se poate vedea din partea de sus.
Cum poți înțelege cu adevărat schimbările care au loc în interiorul piesei? Oamenii au făcut asta în trecut cu videoclipuri cu raze X. Dar aceste videoclipuri nu au oferit niciodată suficiente detalii, deoarece sursa de raze X nu a fost suficient de puternică.
Într-o colaborare de cercetare între echipa de tehnologie de producție de la Universitatea Tehnică din Ilmenau, Germania, și Laboratorul de aplicații coerente din Hamburg, au imaginat utilizarea unei surse de raze X care este mai puternică ca niciodată pentru a vedea schimbările care apar în interiorul unei piese. prin trecerea lui direct prin metal solid. Acest lucru permite vizualizarea laterală a imaginilor de înaltă rezoluție ale procesului de sudare, făcând posibilă vizualizarea exactă a formei și evoluției orificiilor mici în timpul procesului de sudare.
Îmbunătățirea performanței de sudare cu laser cu fibre ARM
Echipa a folosit această abordare pentru a studia funcționarea laserului cu fibre în mod anular ajustabil coerent (FL-ARM), care a oferit rezultate uimitoare - sudarea fără fisuri a oțelurilor de înaltă rezistență, sudarea aluminiului fără sârmă de umplutură și sudarea cu succes a cuprului. Acest lucru sa datorat în mare măsură capacității laserului ARM de a controla cu precizie încălzirea și răcirea piesei în timpul procesului de sudare; cu toate acestea, nu am înțeles pe deplin cum s-a întâmplat acest lucru și nuanțele fiecărui pas.
Echipa a studiat procesul de sudare a laserelor cu fibră în sudarea cuprului, aluminiului și a altor plăci foarte subțiri, sensibile termic, care sunt mai greu de sudat. Ei au aruncat o privire mai profundă asupra modului în care funcționează toate aceste procese prin vizualizarea procesului de sudare, dezvăluirea dinamicii micilor găuri și înțelegerea efectului diferitelor distribuții de putere a laserului ARM asupra formării stropilor în timpul sudării materialelor de cupru. Scopul final al cercetării este de a îmbunătăți rezultatele sudării și de a dezvolta metode de producție mai fiabile.
Dispozitive europene cu radiații sincrotron
Există doar o mână de dispozitive în lume care pot produce raze X suficient de puternice pentru a realiza tipul de imagini de care are nevoie echipa. Una dintre cele mai cunoscute surse de raze X puternice este sursa extrem de strălucitoare a instalației europene de radiații sincrotron (ESRF-EBS) din Grenoble, Franța, care este specializată în deservirea cercetătorilor din domenii atât de diverse precum sănătatea, energia curată, știința materialelor, arte și antropologie și care a fost folosit chiar pentru a studia stupii și fosilele de pești de 119-milioane de ani.
Sincrotronul în sine este un tub cu o circumferință de 844 de metri și un vid intern foarte mare. Electronii îl înconjoară și sunt accelerați până aproape de viteza luminii. Magneții din jurul inelului sunt folosiți pentru a determina electronii să-și schimbe rapid direcția de deplasare, iar atunci când se întâmplă acest lucru, electronii emit raze X cu energie neobișnuit de mare.
Aceste raze X sunt apoi direcționate în jos într-una sau mai multe dintre cele 44 de „linii de lumină” diferite. Aceste linii de lumină sunt amplasate în laboratoarele și instrumentele în care au loc cercetările efective.
Imaginea 1: Inginerii de la Laboratorul de Aplicații Coerente au folosit raze X foarte puternice pentru a obține o vedere în secțiune transversală de înaltă rezoluție a procesului de sudare cu laser ARM la instalația europeană de radiații sincrotron.
Echipa Coherent Applications Lab a asamblat o configurație de sudare care a inclus un laser cu fibră HighLight FL-ARM de 8 kW. Un grup restrâns de cercetători din echipa de Tehnologia producției de la Universitatea Tehnică din Ilmenau a construit un mecanism care să țină și să miște automat piesele în timpul procesului de sudare, precum și optica de focalizare și un sistem auxiliar de livrare a gazului.
Toate aceste echipamente au fost aduse la ESRF și plasate într-una dintre liniile de lumină într-o „cameră experimentală” (o cameră complet acoperită cu ecran de plumb solid de 75 mm grosime). Cercetătorii s-au așezat în siguranță într-o altă cameră aflată la o distanță și au efectuat lipire controlată de computer în timp ce expuneau dispozitivul la raze X. Un sistem de cameră care convertește razele X în lumină vizibilă înregistrează acțiunea de sudare la 50,000 cadre pe secundă. Echipa a efectuat sute de teste individuale de sudură pe o varietate de metale, inclusiv oțel inoxidabil, cupru și aluminiu.
Ce informații a oferit acest proces? Sunt 14 terabytes de date de analizat și va dura ceva timp pentru a răspunde pe deplin la această întrebare. Dar, după cum am văzut, în testele de sudare a barelor de cupru, videoclipul arată clar că: cu o distribuție adecvată a puterii (putere aproximativ egală în fasciculul central și fasciculul inel), găurile mici se comportă stabil și nu există nicio constrângere în partea inferioară. a orificiilor mici; în schimb, când puterea punctului central este prea mare, capilarele se strâng în partea inferioară, ceea ce duce la stropire și formarea de găuri de aer; iar dacă puterea inelului este prea mare, materialul topit se revarsă în găurile mici, se evaporă brusc și duce la ejectarea materialului.
În plus, echipa a investigat efectul gazului de protecție asupra formării tubului capilar, iar aceste constatări oferă o perspectivă mai profundă asupra sudării profilului.
O analiză ulterioară a datelor va ajuta la o înțelegere mai bună și mai precisă a modului în care rapoartele de putere dintre grinzile centrale și inelare afectează rezultatele diferitelor procese de sudare. Aceste cunoștințe vor ajuta Coherent Application Labs să dezvolte formulări mai robuste și mai consistente pentru procesele de sudură, oferind clienților suduri mai bune și chiar mai rapide.
