Se dice que la soldadura es más un arte que una ciencia. En parte, este es un guiño a lo vital, trabajo calificado que realizan los soldadores. También es un reconocimiento del hecho de que la física del proceso es realmente, realmente difícil de entender.

Me uní a un proyecto del NIST sobre soldadura láser hace unos dos años. Antes de esto, Había estudiado materiales para paneles solares y había trabajado en procesamiento láser, pero tenía poco interés en la soldadura por láser. Lo que finalmente me atrajo y lo que me motiva ahora, es lo compleja que es la soldadura por láser y la oportunidad de contribuir a la comprensión de un proceso que está tan entrelazado con la vida cotidiana, pero tan misterioso.

Acto I:Creando un ojo de cerradura

Comienza el proceso de soldadura por láser, como uno podría imaginar, cuando un láser se enfoca a la superficie de un metal. Aunque inicialmente la superficie refleja la mayor parte de la luz, absorbe lo suficiente como para causar un calentamiento significativo. Este calentamiento cambia ligeramente la forma en que el metal interactúa con la luz, lo que a su vez provoca más absorción e incluso más calentamiento. Una vez que el metal se calienta lo suficiente, comienza a derretirse y evaporarse. La piscina de metal ahora fundido reacciona a esta evaporación retrocediendo y creando una depresión en la superficie, como un trampolín reaccionando a una carga pesada. Cuando esta depresión sea lo suficientemente profunda, envía parte de la luz reflejada sobre sí mismo, que aumenta la luz absorbida, creando más fusión, generando más evaporación, haciendo una depresión más profunda, creando más absorción, luego más derretido, etcétera. Esto continúa hasta que se absorbe toda la luz y un agujero profundo, llamado ojo de cerradura, formas. En sección transversal, esto se parece a un tornado de metal fundido con una cavidad hueca rodeada por un embudo turbulento de líquido muy caliente. Todo esto sucede en los primeros milisegundos.

En su libro de texto Modern Welding Technology, que ha sido soldado metafóricamente a mi neocorteza, MEDIA PENSIÓN. Cary y S. Helzer estiman que hasta el 50 por ciento del producto interno bruto de EE. UU. Depende de la soldadura de una forma u otra. Las aplicaciones obvias de la soldadura están en la fabricación de grandes cosas como automóviles y trenes, pero hay otros menos obvios como la carcasa de la batería de su teléfono móvil o los stents metálicos que se utilizan para reabrir las arterias obstruidas. Resulta que podemos utilizar la soldadura láser en muchos de estos escenarios de fabricación, y al hacerlo, podemos obtener numerosos beneficios. En algunas aplicaciones, El haz de luz muy enfocado del láser permite soldaduras de mejor precisión como las que se necesitan en los dispositivos biomédicos. baterías y recipientes de contención nuclear, pero en la mayoría de los otros casos, usar láseres es un buen negocio.

Por ejemplo, la mayor parte de la energía de un láser se destina a realizar la propia soldadura, con muy poco desperdicio en calentar el área circundante. Menos desperdicio significa facturas de servicios públicos más bajas. También, la última tecnología láser se basa en fibra óptica, que podemos montar directamente en robots de fabricación, acelerar las líneas de producción y aumentar el rendimiento de fabricación. Estudios recientes también muestran que la huella ecológica de la soldadura láser sobre la soldadura tradicional es significativamente menor tanto en términos de recursos necesarios como de residuos peligrosos producidos.

Siendo un ex chico de células solares, Encuentro este beneficio particularmente motivador.

Acto II:un tornado de metal fundido

Debido al caos de abajo, se forma una nube caliente sobre la superficie de nuestro tornado de metal fundido. Esta nube está formada por cuatro estados diferentes de la materia:partículas sólidas, gotitas de liquido, un gas caliente, e incluso un poco de plasma. Cada uno de estos estados de la materia interactúa con la superficie fundida y la luz entrante de una manera especial.

La industria elige aleaciones metálicas para adaptarse a una aplicación particular en función de sus requisitos de resistencia, dureza, resistencia a la corrosión, etc. Curiosamente, muchas propiedades de los aceros no se deben al hierro, pero a las pequeñas cantidades (a menudo una fracción del uno por ciento del total) de otros elementos como el carbono, fosforoso, silicio y zinc. Como un chef que modifica el sabor de una sopa con especias, un metalúrgico afina las propiedades de un metal rociando pequeñas cantidades de estos elementos. Sin embargo, el proceso dinámico de la soldadura por láser puede alterar el sabor al eliminar más de algunos elementos que de otros. Esto puede dejarle con una región soldada que "sabe" ligeramente diferente a las regiones no soldadas circundantes. Este desajuste en las propiedades puede provocar grietas, fatiga, estrés o corrosión.

En otras palabras, una mala soldadura.

Lo que hago es medir los elementos traza de aleación a medida que son arrojados fuera del tornado. Los encuentro usando un proceso un poco como los experimentos del mechero Bunsen que podrías haber hecho en química de la escuela secundaria. Si recuerdas pones una sustancia "misteriosa" en una llama y descubres su identidad al observar los colores de la luz que emite en un visor especial. En mi caso, sin embargo, Elijo hacer algunos colores más brillantes al apuntar selectivamente a los elementos con un segundo láser especialmente ajustado que dispara a través de la columna de soldadura. Esta técnica hace que esos oligoelementos generen más luz, lo que me permite ver elementos que de otro modo serían demasiado tenues.

Acto III:El enfriamiento

Aunque haya pasado la tormenta, se está determinando cómo funcionará la soldadura. Una vez que el láser se ha movido, el charco de metal fundido se enfría rápidamente y se vuelve sólido de nuevo, ahora uniendo lo que antes era un espacio entre dos piezas de metal separadas. La velocidad a la que se forma este puente (la velocidad de enfriamiento) determina mucho sobre la calidad de la estructura final de la soldadura. El proceso de enfriamiento determinará en última instancia si se formarán grietas y qué estructura tendrá el metal soldado.

Para estudiar la calidad de la soldadura resultante, tenemos que desarmar la soldadura y mirarla. Para hacer esto, nos dirigimos a nuestros socios del proyecto en el Laboratorio de Medición de Materiales del NIST. Allí tienen la capacidad de diseccionar una soldadura para buscar grietas y defectos. Usando una variedad de técnicas de imágenes a escala atómica, La ingeniera de investigación de materiales Ann Debay Chiaramonti, del Grupo de Fiabilidad a nanoescala, puede ver cómo el proceso de soldadura desplazó átomos individuales. El metalúrgico y experto en soldadura Jeffrey Sowards del Grupo de Materiales Estructurales prueba las soldaduras separándolas o comprimiéndolas hasta su punto de rotura bajo cargas extremadamente pesadas. Estudiar estos procesos es vital para comprender por qué fallan las soldaduras y cómo esas fallas se relacionan con el proceso de soldadura.

Debido a la complejidad del proceso de soldadura por láser, Estudiar directamente el proceso de forma sistemática puede resultar difícil de forma experimental. Por lo tanto, la comunidad de la soldadura confía en modelos complejos para ayudar a resolver el misterio. La calidad de la salida de estos modelos está intrínsecamente vinculada a la calidad de las entradas de datos utilizadas.

Como dice el refrán:basura en, la basura fuera.

Para ayudar a guiar los modelos de soldadura hacia soluciones más realistas, Nuestro equipo está desarrollando herramientas de medición para medir con precisión todas las entradas necesarias en cada etapa del proceso de soldadura por láser. La capacidad de medir con precisión estas propiedades en tan grandes, tiempo dinámico, largo, y los rangos de temperatura requieren una combinación única de capacidades que solo el NIST puede proporcionar, haciendo que este trabajo sea vital para la comunidad de la soldadura.

Aunque la soldadura láser tiene el potencial de reemplazar el 25 por ciento de las actividades de soldadura existentes, actualmente solo se usa en alrededor del 0.5 por ciento. Haciendo esa diferencia y dándose cuenta de todos los aspectos tecnológicos, Los beneficios económicos y ambientales que la acompañan requerirán esfuerzos como el que buscamos en NIST. Estoy muy orgulloso de ser parte de un grupo así y feliz de contribuir a un esfuerzo de investigación que tiene el potencial de hacer un gran impacto significativo.