Op zijn oppervlak, het werk is bedrieglijk eenvoudig:schiet een krachtige laserstraal een fractie van een seconde op een stuk metaal en kijk wat er gebeurt. Maar onderzoekers zeggen dat de fysica van laserlassen verrassend complex is. Een beter begrip van de interactie tussen laser en metaal zou de industrie meer controle kunnen geven over laserlassen, een technologie die steeds populairder wordt in de productie.

De afgelopen drie jaar, wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben gegevens verzameld over de meest fundamentele aspecten van laserlassen. De reikwijdte van hun onderzoek is beperkt, maar de metingen van dit gecompliceerde proces zijn nauwkeuriger en uitgebreider dan alle gegevens die ooit over dit onderwerp zijn verzameld, zeggen de onderzoekers.

Nutsvoorzieningen, deze informatie begint door computermodelleurs te worden gebruikt om simulaties van laserlasprocessen te verbeteren, een noodzakelijke stap om het werk voor de industrie voor te bereiden.

"Onze resultaten zijn nu zo volwassen dat academische onderzoekers onze gegevens beginnen te gebruiken om hun computermodellen grondig te testen op een manier die ze voorheen niet konden. omdat dit soort gegevens niet beschikbaar waren, " zei NIST-natuurkundige Brian Simonds.

Lassen is nodig voor veel industriële processen, van het bouwen van auto's en vliegtuigen tot laptops en mobiele telefoons. Conventioneel lassen gebruikt meestal een elektrische boog om materialen te verhitten en te smelten. In tegenstelling tot, een multi-kilowatt laserstraal kan een kleiner gebied van de metalen die worden verbonden verwarmen, het creëren van een kleinere, gladdere naad dan een conventionele las, in de orde van millimeters in plaats van centimeters. Laserlassen is ook sneller en energiezuiniger dan conventioneel lassen, zeggen de onderzoekers.

Zelfs met deze en andere voordelen, laserlassen vormt slechts een klein deel van de totale lasinspanningen in de VS die baat kunnen hebben bij deze techniek. Een beter begrip van het proces zou het voor industrieën gemakkelijker kunnen maken om te overwegen te investeren in laserlasinfrastructuur, zeggen de onderzoekers.

"Het uiteindelijke doel voor de industrie is dat op een dag, als je een idee hebt over iets dat je wilt maken, je dumpt het in een computer en de computer vertelt je precies hoe je het moet maken, "Zei Simonds. Hoewel dat ideaal een decennium of meer verwijderd is, hij ging verder, fabrikanten kunnen veel eerder een voordeel beginnen te zien, naarmate de voortgang van de NIST-samenwerking helpt bij het verfijnen van de computermodellen.

Betere gegevens, Beter model

Als fabrikanten twee stukken van een onbekende metaallegering willen lassen, ze kunnen met vallen en opstaan ​​uitzoeken welke combinatie van laserinstellingen de beste las voor hun toepassing oplevert. Maar de meeste fabrikanten willen het onderzoeksproces liever stroomlijnen en zo snel mogelijk in productie gaan.

Dat is waar computermodellen om de hoek komen kijken. Deze simulaties helpen fabrikanten te voorspellen wat voor soort lassen ze kunnen verwachten met verschillende instellingen.

Om de modellen te maken, Hoewel, onderzoekers hebben gegevens nodig van eerdere experimenten. En op dit moment, dat onderzoek is verspreid over honderden onderzoeken, die tientallen jaren werk van tientallen laboratoria vertegenwoordigen. Bijvoorbeeld, ze zouden informatie kunnen vinden over de warmtecapaciteit van een legering in een paper uit 1970, de thermische geleidbaarheid van een soortgelijke legering in een papier uit 1992, en experimentele gegevens over lasgedrag uit 2007. Maar om deze informatie samen te voegen, moet je veel introduceren van wat Simonds 'fudge-factoren' noemde.

"Modelbouwers bekijken al deze bronnen van verschillende laboratoria voor verschillende materialen, en ze knoeien ze samen op een manier die volgens hen het meest van toepassing is op hun experiment, ' zei Simonds. 'En ze zeggen:'Het is dichtbij genoeg.' Maar ze weten het niet echt."

In tegenstelling tot, het NIST-team probeert een veel steviger fundament voor een model te bouwen. NIST-onderzoekers meten alles wat een simulator nodig heeft:de hoeveelheid stroom die het metaal raakt, de hoeveelheid energie die het metaal opneemt, de hoeveelheid materiaal die uit het metaal verdampt terwijl het wordt verwarmd - allemaal in realtime.

Waar niemand eerder is geweest

Veel van de technieken die de onderzoekers gebruiken om de gegevens te verzamelen, zijn ontworpen of ontwikkeld door NIST om nieuwe aspecten van lassen te meten. Bijvoorbeeld, tot voor kort konden onderzoekers het laservermogen tijdens een las niet meten. NIST-natuurkundigen John Lehman en Paul Williams en hun collega's ontwierpen en bouwden een apparaat dat dit kan bereiken met behulp van de druk van het licht zelf.

Ze moesten ook creatief worden om de hoeveelheid licht te voelen die door het verwarmde materiaal wordt geabsorbeerd, omdat het constant verandert. "Je gaat van een ruw metaal naar een glanzend zwembad naar een diepe zak die in wezen een zwart lichaam is, " wat betekent dat het bijna al het licht absorbeert dat erop valt, zei Lehman. Fysica, hij zei, is "supercomplex".

Om dit probleem op te lossen, ze omringden het metalen monster met een apparaat dat een integrerende bol wordt genoemd, ontworpen om al het licht op te vangen dat van het metaal weerkaatst. Met behulp van deze techniek, ze ontdekten dat de traditionele methode voor het maken van deze meting de energie die door het metaal wordt geabsorbeerd tijdens een laserlas "ernstig onderschat". Dankzij de integrerende bol kunnen de gegevens ook in realtime worden gemeten.

Ze vonden ook een manier om de laspluim beter te meten, een wolk van verdampte materialen die kleine hoeveelheden elementen bevat die tijdens het lassen uit het monster verdampen. Het detecteren van de exacte hoeveelheden van deze elementen wanneer ze de las verlaten, zou wetenschappers waardevolle informatie geven over de sterkte van het materiaal dat overblijft. Echter, traditionele technieken slagen er niet in om de concentraties van bepaalde elementen nauwkeurig waar te nemen, zoals koolstof en stikstof, die in extreem lage concentraties voorkomen.

Om deze minuscule signalen te voelen, NIST-onderzoekers passen een techniek aan die laser-geïnduceerde fluorescentie (LIF) spectroscopie wordt genoemd. De methode omvat het raken van de pluim met een tweede laser die zich op slechts één soort element tegelijk richt. Het doelelement absorbeert de energie van de tweede laser en geeft deze vervolgens af met een licht verschoven energie, het produceren van een sterk signaal dat ook een unieke marker van dat element is. Tot dusver, onderzoekers hebben aangetoond dat LIF sporenelementen in de laspluim kan detecteren met 40, 000 keer meer gevoeligheid dan traditionele methoden.

Een ander belangrijk aspect van het werk is dat onderzoekers al hun experimenten uitvoeren met een type roestvrij staal dat een NIST-standaardreferentiemateriaal (SRM) is, wat betekent dat de samenstelling ervan buitengewoon bekend is. Het gebruik van de roestvrijstalen SRM zorgt ervoor dat experimenten overal ter wereld toegang hebben tot metaalmonsters met een identieke samenstelling, zodat iedereen effectief bijdraagt ​​aan één groot project.

"Over twintig jaar als iemand zegt, 'Oh man, Ik wou dat ze dit hadden gemeten, ' of er wordt een nieuwe techniek uitgevonden die veel betere gegevens oplevert dan we vandaag kunnen nemen, ze kunnen de SRM gaan kopen en het koppelen aan al het onderzoek dat we al hebben gedaan, "Zei Simonds. "Dus het is een soort toekomstbestendig wat we doen."

Horizons verbreden

Terwijl ze informatie blijven verzamelen, de NIST-wetenschappers werken samen met instituten over de hele wereld om de dataset uit te breiden. Deze zomer, ze zullen samenwerken met het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie om te profiteren van het unieke vermogen van het laboratorium om in realtime high-speed röntgenbeeldvorming van de gesmolten metaalplas te maken. Andere medewerkers zijn de Technische Universiteit van Graz in Oostenrijk, Queen's University in Ontario, Canada, en de Universiteit van Utah in Salt Lake City.

Simonds en collega's verbreden ook de reikwijdte van hun werk door hun krachtige laserstralen op metaalpoeders te richten in plaats van op vaste stoffen. De poederstudies moeten de gemeenschap van additive manufacturing (een veel voorkomende vorm van 3D-printen) rechtstreeks ondersteunen, waarvan de markt voor producten en diensten in 2017 meer dan naar schatting $ 7,3 miljard waard was.

NIST-onderzoekers zeggen dat het lasonderzoeksproject een geweldige kans voor hen is om hun natuurkundige karbonades naar een gecompliceerd probleem te brengen.

"Het verbaast me hoe weinig mensen dit ding begrijpen dat zo belangrijk is, deze vitale interactie die ten grondslag ligt aan al deze industriële processen, Simonds zei. "Hoe dieper ik inga op dit zeer eenvoudige probleem van wat er gebeurt als een heel intense laserstraal 10 milliseconden op metaal raakt, hoe meer ik besef dat dit complexe materie is. Het is leuk om te proberen en te begrijpen."