Исследователи использовали мощные рентгеновские лучи для получения изображений процесса лазерной сварки ARM с высоким разрешением, углубляясь в процесс сварки и разрабатывая более эффективные процессы.
Инженеры прикладной лаборатории компании Coherent с помощью рентгеновских лучей более внимательно изучили процесс сварки волоконным лазером.
Что происходит под поверхностью лазерной сварки?
В прошлом исследователи широко изучали процесс сварки волоконным лазером, используя обычное высокоскоростное видео. Высокоскоростное видео является отправной точкой для изучения динамики расплавленного металла и паровых ванн (так называемых «переходных отверстий»), образующихся в процессе сварки.
Обычно над деталью размещают камеру, которая записывает происходящее на поверхности сварного шва сверху вниз. Однако внутри маленькой дыры происходит гораздо больше, чем можно увидеть сверху.
Как можно реально понять изменения, происходящие внутри детали? В прошлом люди делали это с помощью рентгеновских видео. Но эти видео никогда не давали достаточно подробностей, потому что источник рентгеновского излучения был недостаточно мощным.
В ходе исследовательского сотрудничества группы производственных технологий Технического университета Ильменау (Германия) и Лаборатории когерентных приложений в Гамбурге они предложили использовать источник рентгеновского излучения, который является более мощным, чем когда-либо прежде, чтобы увидеть изменения, происходящие внутри детали. пропуская его непосредственно через твердый металл. Это позволяет просматривать изображения процесса сварки с высоким разрешением сбоку, что позволяет увидеть точную форму и эволюцию небольших отверстий во время процесса сварки.
Повышение производительности сварки волоконным лазером ARM
Команда использовала этот подход для изучения работы когерентного перестраиваемого кольцевого волоконного лазера (FL-ARM), который дал потрясающие результаты — сварку без трещин высокопрочных сталей, сварку алюминия без присадочной проволоки и успешную сварку меди. Во многом это произошло благодаря способности лазера ARM точно контролировать нагрев и охлаждение детали в процессе сварки; однако мы не до конца понимали, как это произошло и нюансы каждого шага.
Команда изучила процесс сварки волоконными лазерами при сварке меди, алюминия и других очень тонких термочувствительных пластин, которые труднее сваривать. Они более глубоко изучили, как работают все эти процессы, визуализируя процесс сварки, выявляя динамику малых отверстий и понимая влияние различного распределения мощности лазера ARM на образование брызг во время сварки медных материалов. Конечная цель исследований — улучшение результатов сварки и разработка более надежных методов производства.
Европейские устройства синхротронного излучения
В мире существует лишь несколько устройств, которые могут производить рентгеновские лучи, достаточно мощные, чтобы выполнить тот вид визуализации, который нужен команде. Одним из наиболее известных источников мощного рентгеновского излучения является Чрезвычайно яркий источник европейского синхротронного излучения (ESRF-EBS) в Гренобле, Франция, который специализируется на обслуживании исследователей в таких разнообразных областях, как здравоохранение, чистая энергетика, материаловедение, искусство и антропология, и который даже использовался для изучения ульев и окаменелостей рыб возрастом 119-миллионов лет.
Сам синхротрон представляет собой трубку окружностью 844 метра и очень высоким внутренним вакуумом. Электроны окружают его и ускоряются почти до скорости света. Магниты вокруг кольца используются для того, чтобы заставить электроны быстро менять направление своего движения, и когда это происходит, электроны испускают рентгеновские лучи необычайно высокой энергии.
Эти рентгеновские лучи затем направляются вниз в одну или несколько из 44 различных «линий лучей». Эти лучи расположены в лабораториях и приборах, где проводятся фактические исследования.
Изображение 1: Инженеры лаборатории когерентных приложений использовали очень мощные рентгеновские лучи, чтобы получить в высоком разрешении поперечное сечение процесса лазерной сварки ARM в Европейском центре синхротронного излучения.
Команда Coherent Applications Lab собрала сварочную установку, включающую волоконный лазер HighLight FL-ARM мощностью 8 кВт. Небольшая группа исследователей из отдела технологии производства Технического университета Ильменау создала механизм автоматического удержания и перемещения деталей в процессе сварки, а также фокусирующую оптику и систему подачи вспомогательного газа.
Все это оборудование было доставлено в ESRF и размещено на одном из каналов в «экспериментальной камере» (комнате, полностью закрытой сплошной свинцовой защитой толщиной 75 мм). Исследователи сидели в безопасности в другой комнате на некотором расстоянии и выполняли пайку под управлением компьютера, подвергая устройство воздействию рентгеновских лучей. Система камер, преобразующая рентгеновские лучи в видимый свет, записывает процесс сварки со скоростью 50000 кадров в секунду. Команда выполнила сотни отдельных испытаний сварных швов на различных металлах, включая нержавеющую сталь, медь и алюминий.
Какую информацию предоставил этот процесс? Это 14 терабайт данных для анализа, и чтобы полностью ответить на этот вопрос, потребуется некоторое время. Но как мы видели, в тестах по сварке медных шин на видео четко видно, что: при правильном распределении мощности (примерно равная мощность в центральной балке и кольцевой балке) небольшие отверстия ведут себя стабильно и нет перетяжек внизу из маленьких дырочек; напротив, когда сила центрального пятна слишком велика, капилляры сужаются внизу, что приводит к разбрызгиванию и образованию воздушных дыр; а если мощность кольца слишком высока, расплавленный материал переливается в маленькие отверстия, внезапно испаряется и приводит к выбросу материала.
Кроме того, команда исследовала влияние защитного газа на формирование капиллярных трубок, и эти результаты дают более глубокое понимание сварки профилей.
Дальнейший анализ данных поможет лучше и точнее понять, как соотношения мощностей между центральной и кольцевой балками влияют на результаты различных сварочных процессов. Эти знания помогут лабораториям Coherent Application Labs разработать более надежные и последовательные рецептуры процессов сварки, предоставляя клиентам более качественные и быстрые сварные швы.
