Изследователите са използвали мощни рентгенови лъчи, за да получат изображения с висока разделителна способност на процеса на лазерно заваряване ARM, навлизайки по-дълбоко в процеса на заваряване, за да разработят по-добри процеси.
Инженерите от лабораторията за приложения на Coherent, с помощта на рентгенови лъчи, са разгледали по-отблизо процеса на лазерно заваряване на влакна.
Какво се случва под повърхността на лазерното заваряване?
В миналото изследователите са изследвали широко процеса на лазерно заваряване на влакна, използвайки конвенционално високоскоростно видео. Високоскоростното видео осигурява справка за изучаване на динамиката на разтопения метал и басейните с пари (наречени „преходни отвори“), създадени по време на процеса на заваряване.
Обикновено камера се поставя върху частта, за да записва какво се случва на заваръчната повърхност от гледна точка отгоре надолу. В една малка дупка обаче се случва много повече, отколкото може да се види отгоре.
Как можете наистина да разберете промените, настъпващи вътре в частта? Хората са правили това в миналото с рентгенови видеоклипове. Но тези видеоклипове никога не предоставят достатъчно подробности, защото източникът на рентгенови лъчи не е достатъчно мощен.
В изследователско сътрудничество между екипа за производствени технологии в Техническия университет в Илменау, Германия, и лабораторията за кохерентни приложения в Хамбург, те предвидиха използването на източник на рентгенови лъчи, който е по-мощен от всякога, за да види промените, които се случват вътре в част като го прекарате директно през твърд метал. Това позволява изображения с висока разделителна способност на процеса на заваряване да се гледат отстрани, което дава възможност да се види точната форма и еволюцията на малките отвори по време на процеса на заваряване.
Подобряване на производителността на ARM Fiber Laser Welding
Екипът използва този подход, за да проучи работата на кохерентния регулируем оптичен лазер с пръстеновиден режим (FL-ARM), който осигури невероятни резултати - заваряване без пукнатини на стомани с висока якост, заваряване на алуминий без тел за пълнене и успешно заваряване на мед. Това до голяма степен се дължи на способността на лазера ARM да контролира прецизно нагряването и охлаждането на частта по време на процеса на заваряване; обаче не разбрахме напълно как се случи това и нюансите на всяка стъпка.
Екипът проучи процеса на заваряване на влакнести лазери при заваряване на мед, алуминий и други много тънки, термично чувствителни плочи, които са по-трудни за заваряване. Те разгледаха по-задълбочено как функционират всички тези процеси, като визуализираха процеса на заваряване, разкриха динамиката на малките дупки и разбраха ефекта на различните разпределения на мощността на лазера ARM върху образуването на пръски по време на заваряването на медни материали. Крайната цел на изследването е да се подобрят резултатите от заваряването и да се разработят по-надеждни производствени методи.
Европейски устройства за синхротронно излъчване
Има само няколко устройства в света, които могат да произвеждат достатъчно мощни рентгенови лъчи, за да извършат вида изображения, от който екипът се нуждае. Един от най-известните източници на мощни рентгенови лъчи е European Synchrotron Radiation Facility Extremely Bright Source (ESRF-EBS) в Гренобъл, Франция, който е специализиран в обслужването на изследователи в различни области като здравеопазване, чиста енергия, наука за материалите, изкуства и антропология, и който дори е бил използван за изследване на пчелни кошери и 119-вкаменелости на риби на милиони години.
Самият синхротрон е тръба с обиколка 844 метра и много висок вътрешен вакуум. Електроните го заобикалят и се ускоряват почти до скоростта на светлината. Магнитите около пръстена се използват, за да накарат електроните бързо да променят посоката си на движение и когато това се случи, електроните излъчват необичайно високоенергийни рентгенови лъчи.
След това тези рентгенови лъчи се насочват надолу към една или повече от 44 различни "лъчеви линии". Тези лъчеви линии се намират в лабораториите и инструментите, където се извършва действителното изследване.
Изображение 1: Инженерите от Coherent Applications Laboratory използваха много мощни рентгенови лъчи, за да получат изглед на напречното сечение с висока разделителна способност на процеса на лазерно заваряване ARM в Европейското съоръжение за синхротронно лъчение.
Екипът на Coherent Applications Lab сглоби заваръчна инсталация, която включва 8kW HighLight FL-ARM фибролазер. Малка група изследователи от екипа по производствени технологии в Техническия университет в Илменау изградиха механизъм за автоматично задържане и преместване на части по време на процеса на заваряване, както и фокусираща оптика и спомагателна система за подаване на газ.
Цялото това оборудване беше донесено до ESRF и поставено в една от лъчевите линии в „експериментална камера“ (стая, изцяло обвита в твърда оловна екранировка с дебелина 75 mm). Изследователите седяха безопасно в друга стая на известно разстояние и извършваха компютърно контролирано запояване, докато излагаха устройството на рентгенови лъчи. Система от камери, която преобразува рентгеновите лъчи във видима светлина, записва заваръчното действие при 50000 кадъра в секунда. Екипът извърши стотици индивидуални тестове за заваряване на различни метали, включително неръждаема стомана, мед и алуминий.
Каква информация предостави този процес? Това са 14 терабайта данни за анализ и ще отнеме известно време, за да се отговори напълно на този въпрос. Но както видяхме, при тестовете за заваряване на медна шина видеото ясно показва, че: с правилното разпределение на мощността (приблизително еднаква мощност в централната греда и пръстеновидната греда), малките отвори се държат стабилно и няма стеснения в долната част на малките дупки; за разлика от това, когато мощността на централното петно е твърде висока, капилярите се свиват на дъното, което води до пръскане и образуване на въздушни дупки; и ако мощността на пръстена е твърде висока, разтопеният материал прелива в малките дупки, внезапно се изпарява и води до изхвърляне на материала.
В допълнение, екипът изследва ефекта на защитния газ върху образуването на капилярна тръба и тези открития осигуряват по-задълбочен поглед върху профилното заваряване.
По-нататъшният анализ на данните ще помогне да се осигури по-добро и по-точно разбиране на това как съотношенията на мощността между централната и пръстеновидната греда влияят върху резултатите от различните процеси на заваряване. Това знание ще помогне на Coherent Application Labs да разработят по-стабилни и последователни формулировки на процеса на заваряване, предоставяйки на клиентите по-добри и дори по-бързи заварки.
