En su superficie, el trabajo es engañosamente simple:dispara un rayo láser de alta potencia sobre una pieza de metal durante una fracción de segundo y observa qué sucede. Pero los investigadores dicen que la física de la soldadura por láser es sorprendentemente compleja. Una mejor comprensión de la interacción entre el láser y el metal podría dar a la industria un mayor control sobre la soldadura por láser. una tecnología que se está volviendo cada vez más popular en la fabricación.

Por los últimos tres años, Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han estado recopilando datos sobre los aspectos más fundamentales de la soldadura por láser. El alcance de su estudio es estrecho, pero las mediciones de este complicado proceso son más precisas y completas que cualquier dato jamás recopilado sobre el tema, dicen los investigadores.

Ahora, esta información está comenzando a ser utilizada por los modeladores informáticos para mejorar las simulaciones de los procesos de soldadura por láser, un paso necesario para preparar el trabajo para la industria.

"Nuestros resultados ahora son lo suficientemente maduros como para que los investigadores académicos estén comenzando a usar nuestros datos para probar a fondo sus modelos informáticos de una manera que simplemente no habían podido hacer antes". porque este tipo de datos no ha estado disponible, ", dijo el físico del NIST Brian Simonds.

La soldadura es necesaria para muchos procesos industriales, desde la construcción de automóviles y aviones hasta computadoras portátiles y teléfonos celulares. La soldadura convencional generalmente usa un arco de electricidad para calentar y fusionar materiales. A diferencia de, un rayo láser de varios kilovatios puede calentar un área más pequeña de los metales que se unen, creando un más pequeño, costura más suave que una soldadura convencional, del orden de milímetros en lugar de centímetros. La soldadura láser también es más rápida y energéticamente más eficiente que la soldadura convencional. dicen los investigadores.

Incluso con estas y otras ventajas, La soldadura láser representa solo una pequeña fracción de los esfuerzos de soldadura totales en los EE. UU. que podrían beneficiarse de esta técnica. Una mejor comprensión del proceso podría facilitar que las industrias consideren invertir en infraestructura de soldadura por láser, dicen los investigadores.

"El objetivo final de la industria es que algún día, si tienes una idea sobre algo que quieres hacer, lo viertes en una computadora y la computadora te dice exactamente cómo hacerlo, ", Dijo Simonds. Aunque ese ideal está a una década o más de distancia, él continuó, los fabricantes pueden comenzar a ver un beneficio mucho antes, a medida que el progreso de la colaboración NIST ayuda a refinar los modelos informáticos.

Mejores datos, Mejor modelo

Si los fabricantes quieren soldar dos piezas de una aleación de metal desconocida, pueden usar prueba y error para determinar qué combinación de ajustes de láser producirá la mejor soldadura para su aplicación. Pero la mayoría de los fabricantes preferirían agilizar el proceso de investigación y pasar a la producción lo más rápido posible.

Ahí es donde entran los modelos de computadora. Estas simulaciones ayudan a los fabricantes a predecir qué tipo de soldaduras pueden esperar con diferentes configuraciones.

Para hacer los modelos, aunque, los investigadores necesitan datos de experimentos pasados. Y por el momento que la investigación se distribuye en cientos de estudios, que representa décadas de trabajo de decenas de laboratorios. Por ejemplo, pueden encontrar información sobre la capacidad calorífica de una aleación en un papel de 1970, la conductividad térmica de una aleación similar en un papel de 1992, y datos experimentales sobre el comportamiento de las soldaduras de 2007. Pero juntar esta información requiere introducir muchos de los que Simonds llamó "factores de fudge".

"Los modeladores buscan en todos estos recursos de diferentes laboratorios diferentes materiales, y los combinan de la manera que creen que es más aplicable a su experimento, "Simonds dijo." Y ellos dicen, Está lo suficientemente cerca. Pero ellos realmente no lo saben ".

A diferencia de, el equipo de NIST está intentando construir una base mucho más firme para un modelo. Los investigadores del NIST están midiendo todo lo que necesitaría un simulador:la cantidad de energía que golpea el metal, la cantidad de energía que absorbe el metal, la cantidad de material que se evapora del metal a medida que se calienta, todo en tiempo real.

Donde nadie ha ido antes

Muchas de las técnicas que los investigadores están utilizando para recopilar los datos fueron diseñadas o desarrolladas en NIST para medir aspectos novedosos de la soldadura. Por ejemplo, hasta hace poco, los investigadores no podían medir la potencia del láser durante una soldadura. Los físicos del NIST John Lehman y Paul Williams y sus colegas diseñaron y construyeron un dispositivo que puede lograr esto usando la presión de la luz misma.

También tuvieron que ser creativos para sentir la cantidad de luz absorbida por el material calentado. ya que cambia constantemente. "Pasas de un metal en bruto a una piscina brillante a un bolsillo profundo que es esencialmente un cuerpo negro, "lo que significa que absorbe casi toda la luz que le llega, Dijo Lehman. Los físicos, él dijo, es "supercomplejo".

Para resolver este problema, rodearon la muestra de metal con un dispositivo llamado esfera integradora, diseñado para capturar toda la luz que rebota en el metal. Usando esta técnica, descubrieron que el método tradicional para realizar esta medición "subestima gravemente" la energía absorbida por el metal durante una soldadura con láser. La esfera integradora también permite medir los datos en tiempo real.

También encontraron una manera de medir mejor la pluma de soldadura, una nube de materiales vaporizados que incluye pequeñas cantidades de elementos que se evaporan de la muestra durante la soldadura. La detección de las cantidades exactas de estos elementos a medida que salen de la soldadura proporcionaría a los científicos información valiosa sobre la resistencia del material que queda. Sin embargo, Las técnicas tradicionales no logran detectar con precisión las concentraciones de ciertos elementos, como carbono y nitrógeno, que existen en concentraciones extremadamente bajas.

Para sentir estas minúsculas señales, Los investigadores del NIST están adaptando una técnica llamada espectroscopia de fluorescencia inducida por láser (LIF). El método consiste en golpear la pluma con un segundo láser que apunta solo a un tipo de elemento a la vez. El elemento objetivo absorbe la energía del segundo láser y luego la libera con una energía ligeramente desplazada, produciendo una señal fuerte que también es un marcador único de ese elemento. Hasta aquí, Los investigadores han demostrado que LIF puede detectar oligoelementos en la columna de soldadura con 40, 000 veces más sensibilidad que los métodos tradicionales.

Otro aspecto importante del trabajo es que los investigadores están realizando todos sus experimentos con un tipo de acero inoxidable que es un material de referencia estándar del NIST (SRM), lo que significa que su composición es muy conocida. El uso del SRM de acero inoxidable garantiza que los experimentos realizados en cualquier parte del mundo puedan tener acceso a muestras de metal con una composición idéntica. para que todos contribuyan eficazmente a un gran proyecto.

"En 20 años a partir de ahora, si alguien dice 'Oh hombre, Ojalá hubieran medido esto 'o se inventa alguna técnica nueva que proporciona datos mucho mejores de los que podemos obtener hoy, pueden comprar el SRM y vincularlo a todas las investigaciones que ya hemos realizado, ", Dijo Simonds." Así que es una especie de prueba de futuro de lo que estamos haciendo ".

Expandiendo Horizontes

A medida que continúan recopilando información, los científicos del NIST están colaborando con institutos de todo el mundo para ampliar el conjunto de datos. Este verano, Colaborarán con el Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de los EE. UU. para aprovechar la capacidad única del laboratorio de obtener imágenes de rayos X de alta velocidad de la piscina de metal fundido en tiempo real. Otros colaboradores incluyen la Universidad de Tecnología de Graz en Austria, Universidad de Queen en Ontario, Canadá, y la Universidad de Utah en Salt Lake City.

Simonds y sus colegas también están ampliando el alcance de su trabajo, ya que dirigen sus rayos láser de alta potencia sobre polvos metálicos en lugar de sólidos. Los estudios de polvo deben apoyar directamente a la comunidad de fabricación aditiva (una forma común de impresión 3-D), cuyo mercado de productos y servicios valía más de $ 7.3 mil millones en 2017.

Los investigadores del NIST dicen que el proyecto de investigación de soldadura es una gran oportunidad para que ellos lleven sus habilidades físicas a un problema complicado.

"Me sorprende lo poco que la gente entiende esto que es tan importante, esta interacción vital que sustenta todos estos procesos industriales, ", Dijo Simonds." Cuanto más profundizo en este problema muy simple de lo que sucede cuando un rayo láser realmente intenso golpea el metal durante 10 milisegundos, cuanto más me doy cuenta de que esto es algo complejo. Es divertido intentar comprenderlo ".