Forskare använde kraftfulla röntgenstrålar för att få högupplösta bilder av ARM-lasersvetsprocessen och grävde djupare in i svetsprocessen för att utveckla bättre processer.
Ingenjörer på Coherents Applications Lab har med hjälp av röntgenstrålar tittat närmare på fiberlasersvetsprocessen.
Vad händer under ytan av lasersvetsning?
Tidigare har forskare studerat fiberlasersvetsningsprocessen i stor utsträckning med hjälp av konventionell höghastighetsvideo. Höghastighetsvideo ger en referens för att studera dynamiken hos den smälta metallen och ångpoolerna (kallade "vias") som skapas under svetsprocessen.
Vanligtvis placeras en kamera över delen för att registrera vad som händer på svetsytan från ett top-down-perspektiv. Det händer dock mycket mer inuti ett litet hål än vad som kan ses från toppen.
Hur kan du verkligen förstå de förändringar som sker inuti delen? Folk har gjort detta tidigare med röntgenvideor. Men dessa videor gav aldrig tillräckligt med detaljer eftersom röntgenkällan inte var tillräckligt kraftfull.
I ett forskningssamarbete mellan produktionsteknikteamet vid det tekniska universitetet i Ilmenau, Tyskland, och Coherent Application Laboratory i Hamburg, föreställde de sig att använda en röntgenkälla som är kraftfullare än någonsin för att se förändringarna som sker inuti en del genom att föra den direkt genom solid metall. Detta gör att högupplösta bilder av svetsprocessen kan ses från sidan, vilket gör det möjligt att se den exakta formen och utvecklingen av små hål under svetsprocessen.
Förbättring av ARM-fiberlasersvetsningsprestanda
Teamet använde detta tillvägagångssätt för att studera driften av Coherent Tunable Annular Mode Fiber Laser (FL-ARM), som gav fantastiska resultat - sprickfri svetsning av höghållfasta stål, aluminiumsvetsning utan tillsatstråd och framgångsrik svetsning av koppar. Detta berodde till stor del på ARM-laserns förmåga att exakt styra uppvärmningen och kylningen av delen under svetsprocessen; men vi förstod inte helt hur detta hände och nyanserna i varje steg.
Teamet studerade svetsprocessen för fiberlasrar vid svetsning av koppar, aluminium och andra mycket tunna, värmekänsliga plåtar som är svårare att svetsa. De tog en djupare titt på hur alla dessa processer fungerar genom att visualisera svetsprocessen, avslöja små håls dynamik och förstå effekten av olika ARM-lasereffektfördelningar på stänkbildning under svetsning av kopparmaterial. Det yttersta målet med forskningen är att förbättra svetsresultaten och utveckla mer tillförlitliga produktionsmetoder.
Europeiska synkrotronstrålningsanordningar
Det finns bara en handfull enheter i världen som kan producera röntgenstrålar som är kraftfulla nog att utföra den typ av avbildning som laget behöver. En av de mest kända källorna till kraftfull röntgenstrålning är European Synchrotron Radiation Facility Extremely Bright Source (ESRF-EBS) i Grenoble, Frankrike, som specialiserat sig på att betjäna forskare inom så olika områden som hälsa, ren energi, materialvetenskap, konst och antropologi, och som till och med har använts för att studera bikupor och 119-miljonåriga fiskfossiler.
Själva synkrotronen är ett rör med en omkrets på 844 meter och ett mycket högt internt vakuum. Elektroner omger den och accelereras till nära ljusets hastighet. Magneter runt ringen används för att få elektronerna att snabbt ändra färdriktning, och när detta händer sänder elektronerna ut ovanligt högenergiröntgenstrålar.
Dessa röntgenstrålar riktas sedan nedåt i en eller flera av 44 olika "strållinjer". Dessa strållinjer är placerade i de laboratorier och instrument där själva forskningen sker.
Bild 1: Ingenjörer vid Coherent Applications Laboratory använde mycket kraftfulla röntgenstrålar för att få en högupplöst tvärsnittsvy av ARM-lasersvetsprocessen vid European Synchrotron Radiation Facility.
Coherent Applications Lab-teamet satte ihop en svetsuppsättning som inkluderade en 8kW HighLight FL-ARM-fiberlaser. En liten grupp forskare från produktionsteknikteamet vid tekniska universitetet i Ilmenau byggde en mekanism för att automatiskt hålla och flytta delar under svetsprocessen, samt fokusera optik och ett extra gastillförselsystem.
All denna utrustning fördes till ESRF och placerades i en av strållinjerna i en "experimentell kammare" (ett rum helt inneslutet i 75 mm tjockt blyskydd). Forskarna satt trygga i ett annat rum en bit bort och utförde datorstyrd lödning samtidigt som de exponerade enheten för röntgenstrålar. Ett kamerasystem som omvandlar röntgenstrålar till synligt ljus registrerar svetsningen med 50,000 bilder per sekund. Teamet utförde hundratals individuella svetstester på en mängd olika metaller, inklusive rostfritt stål, koppar och aluminium.
Vilken information gav denna process? Det är 14 terabyte data att analysera, och det kommer att ta lite tid att helt svara på den frågan. Men som vi har sett, i kopparskenas svetstesterna visar videon tydligt att: med rätt effektfördelning (ungefär lika stor effekt i mittbalken och ringbalken) beter sig de små hålen stabilt och det finns ingen förträngning i botten av de små hålen; i motsats till detta, när mittpunktskraften är för hög, drar kapillärerna ihop sig i botten, vilket leder till stänk och bildandet av lufthål; och om ringeffekten är för hög rinner det smälta materialet över i de små hålen, förångas plötsligt och leder till materialutstötning.
Dessutom undersökte teamet effekten av skyddsgas på bildning av kapillärrör, och dessa fynd ger en djupare insikt i profilsvetsning.
Ytterligare analys av data kommer att bidra till att ge en bättre och mer exakt förståelse av hur effektförhållandena mellan centrum- och ringbalkarna påverkar resultaten av olika svetsprocesser. Denna kunskap kommer att hjälpa Coherent Application Labs att utveckla mer robusta och konsekventa svetsprocessformuleringar, vilket ger kunderna bättre och ännu snabbare svetsar.
