Bågsvetsning och additiv tillverkning är enormt viktiga för att skapa stora metallkomponenter relativt billigt och snabbt.

Ny forskning ledd av professor Hongbiao Dong från University of Leicesters Department of Engineering har visat hur man kan optimera denna process för att förbättra effektiviteten och kostnaden.

Forskningen, som var ett samarbete mellan University of Leicester, Delfts tekniska universitet, Diamantljuskälla, University College Dublin och TATA Steel Research UK publicerades nyligen i Naturkommunikation .

Den utforskar det interna flödesbeteendet vid additiv tillverkning av metaller och bågsvetsning – den mest använda svetsprocessen inom modern tillverkning.

Arbetet fokuserade på att undersöka de smältbassänger som skapas under svetsprocessen.

Att göra detta, teamet förde in små volfram- och tantalpartiklar i smältbassängen. På grund av deras höga smältpunkter, partiklarna förblev fasta i smältbassängen tillräckligt länge för att de skulle kunna spåras med intensiva strålar av röntgenstrålar.

Röntgenstrålarna genererades med hjälp av synkrotronpartikelacceleratorn vid Diamond Light Source, som är Storbritanniens nationella anläggning för synkrotronljus. Beamline I12 valdes ut för denna forskning på grund av dess specialiserade höga energi, höghastighetsavbildningskapacitet med tusentals bilder per sekund.

Med hjälp av Beamline I12, forskarna kunde skapa höghastighetsfilmer som visar hur ytspänningen påverkar formen på svetssmältbassängen och dess associerade hastighet och flödesmönster. Resultaten visade, för första gången, att smältflödesbeteendet liknar det som tidigare bara setts via datorsimuleringar.

Resultaten avslöjade att bågsvetsning kan optimeras genom att kontrollera flödet av smältbassängen och ändra de tillhörande aktiva elementen på ytan.

Professor Dong sa:"Att förstå vad som händer med vätskan i smältbassänger under svetsning och metallbaserad tillsatstillverkning är fortfarande en utmaning. Resultaten kommer att hjälpa oss att designa och optimera svetsnings- och additiv tillverkningsprocesser för att göra komponenter med förbättrade egenskaper till en reducerad kostnad .

"Svetsning är det mest ekonomiska och effektiva sättet att sammanfoga metaller permanent, och är en viktig komponent i vår tillverkningsekonomi."

Dr Thomas Connolley, Principal Beamline Scientist för I12 vid Diamond Light Source kommenterade:"I12-teamet var nära involverat i experimentet. Strållinjen designades med dessa utmanande in-situ experiment i åtanke och jag är mycket glad att vi har hjälpt till att öka förståelsen för additiv tillverkning och svetsning, med tanke på deras tekniska betydelse."

Det uppskattas att över 50 % av de globala hushålls- och tekniska produkterna innehåller svetsade fogar. I Europa, svetsindustrin har traditionellt stött en mångsidig uppsättning företag inom varvsindustrin, rörledning, bil, flyg, försvars- och byggsektorerna. Intäkterna från marknaderna för svetsutrustning och förbrukningsvaror nådde 3,5 miljarder euro i Europa 2017.

Resultaten kommer att hjälpa till med framtida design och optimering av svetsning och additiv tillverkningsprocessen, och kommer att ha en viktig och långtgående inverkan.