На первый взгляд, работа обманчиво проста: стреляйте мощным лазерным лучом в кусок металла за доли секунды и посмотрите, что получится. Но исследователи говорят, что физика лазерной сварки удивительно сложна. Лучшее понимание взаимодействия между лазером и металлом может дать промышленности больший контроль над лазерной сваркой, технология, которая становится все более популярной в производстве.
В течение последних трех лет ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) собирали данные о наиболее фундаментальных аспектах лазерной сварки. Исследователи утверждают, что сфера их исследования узка, но измерения этого сложного процесса являются более точными и всеобъемлющими, чем любые данные, когда-либо собранные по этому вопросу.
Теперь эта информация начинает использоваться компьютерными специалистами по моделированию для улучшения моделирования процессов лазерной сварки, что является необходимым шагом для подготовки работы для промышленности.
«Наши результаты в настоящее время достаточно зрелы, чтобы академические исследователи начали использовать наши данные для тщательного тестирования своих компьютерных моделей таким способом, которого они просто не могли сделать раньше, потому что такого рода данные не были доступны», сказал физик NIST Брайан Саймондс.
Сварка необходима для многих производственных процессов, от сборки автомобилей и самолетов до ноутбуков и мобильных телефонов. Обычная сварка обычно использует электрическую дугу для нагрева и плавления материалов. Напротив, лазерный луч мощностью в несколько киловатт может нагревать меньшую площадь соединяемых металлов, создавая меньший, более гладкий шов, чем обычный сварной шов, порядка миллиметров, а не сантиметров. Исследователи говорят, что лазерная сварка также более быстрая и более энергоэффективная, чем обычная сварка.
Даже с этими и другими преимуществами лазерная сварка составляет лишь небольшую долю общих сварочных усилий в США, которые могут извлечь выгоду из этой технологии. Исследователи считают, что лучшее понимание этого процесса может помочь предприятиям подумать об инвестициях в инфраструктуру лазерной сварки.
«Конечная цель для промышленности состоит в том, чтобы однажды, если у вас была идея о том, что вы хотите сделать, вы сбросили это в компьютер, и компьютер сказал вам, как это сделать», — сказал Саймондс. Хотя до достижения этого идеала еще десять лет или больше, продолжил он, производители могут начать получать выгоду гораздо раньше, поскольку прогресс сотрудничества NIST помогает усовершенствовать компьютерные модели.
Лучшие данные, лучшая модель
Если производители хотят сварить два куска незнакомого металлического сплава, они могут использовать метод проб и ошибок, чтобы выяснить, какая комбинация настроек лазера даст лучший сварной шов для их применения. Но большинство производителей предпочли бы упростить процесс исследования и как можно быстрее перейти к производству.
Вот тут-то и появляются компьютерные модели. Это моделирование помогает производителям предсказать, какие виды сварных швов они могут ожидать с различными настройками.
Однако для создания моделей исследователям нужны данные прошлых экспериментов. И в настоящее время это исследование распространяется на сотни исследований, представляющих десятилетия работы десятков лабораторий. Например, они могут найти информацию о теплоемкости одного сплава в бумаге 1970 г., теплопроводности аналогичного сплава в бумаге 1992 г. и экспериментальных данных о поведении сварного шва от 2007 г. Но для объединения этой информации воедино необходимо ввести многое из того, что Саймондс назвал «факторами выдумки».
Напротив, команда NIST пытается создать более прочную основу для модели. Исследователи NIST измеряют все, что потребуется симулятору — количество энергии, попадающей на металл, количество энергии, поглощаемой металлом, количество материала, который испаряется из металла при его нагреве — и все это на самом деле экономит время.