Els investigadors van utilitzar potents raigs X per obtenir imatges d'alta resolució del procés de soldadura per làser ARM, aprofundint en el procés de soldadura per desenvolupar millors processos.
Els enginyers del laboratori d'aplicacions de Coherent, amb l'ajuda de raigs X, han fet una ullada més de prop al procés de soldadura per làser de fibra.
Què passa sota la superfície de la soldadura làser?
En el passat, els investigadors han estudiat àmpliament el procés de soldadura làser de fibra utilitzant vídeo convencional d'alta velocitat. El vídeo d'alta velocitat proporciona una referència per estudiar la dinàmica del metall fos i les piscines de vapor (anomenades "vias") creades durant el procés de soldadura.
Normalment, es col·loca una càmera sobre la peça per gravar el que està passant a la superfície de soldadura des d'una perspectiva de dalt a baix. Tanmateix, hi ha molt més a l'interior d'un petit forat del que es pot veure des de dalt.
Com podeu entendre realment els canvis que es produeixen dins de la peça? La gent ho ha fet en el passat amb vídeos de raigs X. Però aquests vídeos mai no van proporcionar prou detalls perquè la font de raigs X no era prou potent.
En una col·laboració de recerca entre l'equip de tecnologia de producció de la Universitat Tècnica d'Ilmenau, Alemanya, i el Laboratori d'Aplicacions Coherents d'Hamburg, van imaginar utilitzar una font de raigs X més potent que mai per veure els canvis que es produeixen dins d'una peça. passant-lo directament per metall sòlid. Això permet veure imatges d'alta resolució del procés de soldadura des del costat, permetent veure la forma exacta i l'evolució dels petits forats durant el procés de soldadura.
Millora del rendiment de la soldadura làser de fibra ARM
L'equip va utilitzar aquest enfocament per estudiar el funcionament del làser de fibra de mode anular ajustable coherent (FL-ARM), que va proporcionar resultats sorprenents: soldadura sense esquerdes d'acers d'alta resistència, soldadura d'alumini sense fil de farciment i soldadura reeixida de coure. Això es va deure en gran mesura a la capacitat del làser ARM per controlar amb precisió l'escalfament i el refredament de la peça durant el procés de soldadura; tanmateix, no vam entendre del tot com va passar això i els matisos de cada pas.
L'equip va estudiar el procés de soldadura de làsers de fibra en la soldadura de coure, alumini i altres plaques molt primes, tèrmicament sensibles i que són més difícils de soldar. Van aprofundir en com funcionen tots aquests processos visualitzant el procés de soldadura, revelant la dinàmica de petits forats i entenent l'efecte de diferents distribucions de potència làser ARM sobre la formació d'esquitxades durant la soldadura de materials de coure. L'objectiu final de la investigació és millorar els resultats de la soldadura i desenvolupar mètodes de producció més fiables.
Dispositius europeus de radiació de sincrotró
Només hi ha un grapat de dispositius al món que poden produir raigs X prou potents per realitzar el tipus d'imatge que necessita l'equip. Una de les fonts més conegudes de potents raigs X és l'European Synchrotron Radiation Facility Extremely Bright Source (ESRF-EBS) a Grenoble, França, que s'especialitza en servir investigadors en camps tan diversos com la salut, l'energia neta, la ciència dels materials, la arts i antropologia, i que fins i tot s'ha utilitzat per estudiar ruscs i fòssils de peixos de 119-milions d'anys.
El mateix sincrotró és un tub amb una circumferència de 844 metres i un buit intern molt elevat. Els electrons l'envolten i s'acceleren a prop de la velocitat de la llum. Els imants al voltant de l'anell s'utilitzen per fer que els electrons canviïn ràpidament la seva direcció de viatge, i quan això succeeix, els electrons emeten raigs X d'alta energia inusualment.
A continuació, aquests raigs X es dirigeixen cap avall cap a una o més de les 44 "línies de llum". Aquestes línies de llum es troben als laboratoris i instruments on es realitza la investigació real.
Imatge 1: Els enginyers del laboratori d'aplicacions coherents van utilitzar raigs X molt potents per obtenir una visió transversal d'alta resolució del procés de soldadura per làser ARM a la instal·lació europea de radiació de sincrotró.
L'equip de Coherent Applications Lab va muntar una configuració de soldadura que incloïa un làser de fibra HighLight FL-ARM de 8 kW. Un grup reduït d'investigadors de l'equip de Tecnologia de Producció de la Universitat Politècnica d'Ilmenau va construir un mecanisme per subjectar i moure automàticament les peces durant el procés de soldadura, així com l'òptica d'enfocament i un sistema de subministrament de gas auxiliar.
Tot aquest equip es va portar a l'ESRF i es va col·locar en una de les línies de llum en una "cambra experimental" (una habitació completament coberta amb un blindatge de plom sòlid de 75 mm de gruix). Els investigadors es van asseure amb seguretat en una altra habitació a una distància a distància i van realitzar soldadures controlades per ordinador mentre exposaven el dispositiu als raigs X. Un sistema de càmeres que converteix els raigs X en llum visible registra l'acció de soldadura a 50,000 fotogrames per segon. L'equip va realitzar centenars de proves individuals de soldadura en una varietat de metalls, inclosos acer inoxidable, coure i alumini.
Quina informació ha aportat aquest procés? Són 14 terabytes de dades per analitzar i es necessitarà un temps per respondre completament aquesta pregunta. Però, com hem vist, a les proves de soldadura de barres de coure, el vídeo mostra clarament que: amb la distribució de potència adequada (aproximadament la mateixa potència al feix central i al feix d'anell), els forats petits es comporten de manera estable i no hi ha cap constricció a la part inferior. dels petits forats; en canvi, quan la potència del punt central és massa alta, els capil·lars es contrauen a la part inferior, la qual cosa provoca esquitxades i la formació de forats d'aire; i si la potència de l'anell és massa alta, el material fos es desborda als petits forats, s'evapora de sobte i provoca l'expulsió del material.
A més, l'equip va investigar l'efecte del gas de protecció en la formació de tubs capil·lars, i aquestes troballes proporcionen una visió més profunda de la soldadura de perfils.
Una anàlisi més detallada de les dades ajudarà a proporcionar una comprensió millor i més precisa de com afecten els resultats de diversos processos de soldadura les relacions de potència entre el feix central i l'anell. Aquest coneixement ajudarà a Coherent Application Labs a desenvolupar formulacions de processos de soldadura més robustes i consistents, proporcionant als clients soldadures millors i encara més ràpides.
