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激光焊接研究的新视野

2019-11-10 04:05:02来源:励志吧0次阅读

在美国国家标准技术研究所(NIST)的激光焊接间内,一个大功率激光熔化一块金属,构成字母“NIST”的形状。

激光焊接研究的新视野

从表面上看,这项工作仿佛很简单:将一束大功率激光束射到一块金属上几秒钟,然后看看会产生甚么。但是研究人员说激光焊接的物理进程非常复杂。更好地理解激光和金属之间的相互作用可以使工业对激光焊接有更多的控制,这1技术在制造业中越来越流行。

在过去的三年里,美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家们一直在搜集有关激光焊接最基本方面的数据。研究人员说,他们的研究范围很窄,但这1复杂进程的测量结果比任何有关这一课题的数据都更加准确和全面。

现在,计算机建模人员开始使用这些信息来改进激光焊接进程的摹拟,这是为工业做好准备的必要步骤。

美国国家标准技术研究所物理学家布莱恩·西蒙兹说:“我们的研究结果现在已足够成熟,学术研究人员开始使用我们的数据来彻底测试他们的计算机模型,由于这类数据是不可用的。”

焊接对许多工业进程都是必要的,从汽车和飞机到笔记本电脑和手机。传统焊接通常使用电弧来加热和熔合材料。相比之下,一个多千瓦的激光束可以加热被连接的金属的一个较小的区域,创造一个比传统焊接更小,更平滑的焊缝,大约毫米而不是厘米。研究人员说,激光焊接比传统焊接更快、更节能。

即便有了这些优势和其他优势,激光焊接也只占美国整体焊接市场的一小部分,而这些市场可能会从这项先进技术中受益。研究人员说,更好地理解这1进程可以使工业界更容易推敲投资激光焊接基础设施。

西蒙兹说:“工业界的最终目标是,有一天,如果你对你想做的东西有了一个想法,你就把它扔到电脑里,电脑会告诉你如何做。”虽然这一理想离我们还有10年或更长的时间,但他继续说道,随着美国国家标准技术研究所合作的进展有助于完善计算机模型,制造商们可能会更快地看到好处。

更好的数据,更好的模型

如果制造商想焊接两块不熟悉的金属合金,他们可能会使用反复试验来肯定哪种激光设置组合将为他们的运用产生最好的焊接效果。但大多数制造商更愿意简化研究进程并尽快投入生产。

计算机模型就是在这里出现的。这些摹拟有助于制造商预测使用不同设置可以预期的焊接类型。但是,为了建立模型,研究人员需要过去实验的数据。目前,这项研究已散布到数百项研究中,代表了数十个实验室几十年的工作。例如,他们可以从1970年的一篇论文中找到一种合金的热容、1992年的一篇论文中类似合金的热导率和2007年的焊接性能实验数据。但是把这些信息拼凑在一起需要引入很多西蒙兹所谓的“软糖因素”。

西蒙兹说:“建模者从不同的实验室寻觅所有这些资源,寻觅不同的材料,他们以一种他们认为最适用于他们实验的方式将它们拼凑在一起。”他们说:“够近了,但他们仍不是确切知道。”

相比之下,美国国家标准技术研究所团队正试图建立一个更坚实的基础模型。美国国家标准技术研究所的研究人员正在丈量模拟器需要的所有东西:撞击金属的能量、金属吸收的能量、金属被实时加热时蒸发的材料量。

从未被研究的特性

研究人员用来搜集数据的许多技术要末是在美国国家标准技术研究所设计或开发的,用来丈量激光焊接的新特性。例如,直到最近,研究人员还不能测量焊接进程中的激光功率。美国国家标准技术研究所物理学家约翰·雷曼(JohnLehman)、保罗·威廉姆斯(paulWilliams)和他们的同事设计并制造了一种装置,可以利用光本身的压力来实现这一目标。

他们还必须创造性地感知被加热材料吸收的光的数量,由于它会不断变化。雷曼说:“从粗糙的金属到闪亮的水池,再到本质上是黑体的深口袋”,这意味着它几乎吸收了击中它的所有光线。他说,物理学“超级复杂”。

为了解决这个问题,他们用一个称为积分球的装置包围了金属样品,这个装置的设计目的是捕捉从金属上反弹的所有光。利用这项技术,他们发现传统的测量方法“严重低估”了激光焊接进程中金属吸收的能量。积分球还允许实时丈量数据。

他们还找到了一种更好地丈量焊接羽流的方法,这是一团蒸发的材料,其中包括在焊接进程中从样品中蒸发出来的微量元素。当这些元素离开焊接点时,检测它们的确切数量将为科学家们提供有关剩余材料强度的宝贵信息。但是,传统技术没法准确地感知某些元素的浓度,如碳和氮,这些元素的浓度非常低。

为了感知这些微小的信号,美国国家标准技术研究所的研究人员正在采取一种称为激光引导荧光(LIF)光谱的技术。这种方法包括用第二束激光击中羽流,一次只瞄准一种元素。目标元素吸收第二个激光的能量,然后以稍微移动的能量释放,产生强烈的信号,这也是该元素的独特标志。到目前为止,研究人员已证明,LIF能够比传统方法更灵敏地检测出焊缝中的微量元素,其灵敏度是传统方法的4万倍。

这项工作的另一个重要方面是,研究人员正在对一种不锈钢进行所有的实验,这类不锈钢是一种美国国家标准技术研究所标准参考材料(SRM),这意味着它的成分是众所周知的。使用不锈钢SRM可以确保在世界任何地方进行的实验都能获得成份相同的金属样品,这样每个人都能有效地为一个大项目做出贡献。

西蒙兹说:“从现在起的20年里,如果有人说,天哪,我希望他们已丈量了这个,或发明了一种新技术,能够提供比我们今天所能获得的更好的数据,那末他们就可以购买SRM并将其与我们已做过的所有研究联系起来。”所以这是未来的证据。

新视野

当他们继续搜集信息时,美国国家标准技术研究所的科学家正与世界各地的研究机构合作扩大数据集。今年夏天,他们将与美国能源部的阿贡国家实验室合作,利用实验室独特的能力实时对熔融金属池进行高速X射线成像。其他合作者包括奥地利格拉茨理工大学、加拿大安大略女王大学和盐湖城犹他大学。

西蒙兹和他的同事也在扩大他们的工作范围,由于他们将高功率激光束引导到金属粉末而不是固体上。粉末研究应直接支持添加剂制造业(一种常见的3D印刷情势),其产品和服务市场在2017年的价值估计超过73亿美元。

美国国家标准技术研究所的研究人员说,焊接研究项目是一个很好的机会,让他们把他们的物理技能带到一个复杂的问题上。

西蒙兹说:“令人惊讶的是,人们对这件如此重要的事情了解得如此之少,这类至关重要的相互作用支持着所有这些工业进程。我越深入地研究这个非常简单的问题,即当一束非常强烈的激光照耀金属10毫秒后会产生什么,我就越能意想到这是一些复杂的东西。尝试和理解这些问题是很有趣的。”

来源:https://phys.org/news/2019-05-insights-laser-welng.html

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