På dess yta, verket är bedrägligt enkelt:Skjut en laserstråle med hög effekt på en metallbit i en bråkdel av en sekund och se vad som händer. Men forskare säger att lasersvetsningens fysik är förvånansvärt komplex. En bättre förståelse av samspelet mellan laser och metall kan ge industrin mer kontroll över lasersvetsning, en teknik som blir allt populärare inom tillverkning.

De senaste tre åren, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har samlat in data om de mest grundläggande aspekterna av lasersvetsning. Omfattningen av deras studie är snäv, men mätningarna av denna komplicerade process är mer exakta och omfattande än någon data som någonsin samlats in om ämnet, säger forskarna.

Nu, denna information börjar användas av datormodeller för att förbättra simuleringar av lasersvetsprocesser, ett nödvändigt steg för att förbereda arbetet för industrin.

"Våra resultat är nu mogna nog till där akademiska forskare börjar använda våra data för att noggrant testa sina datormodeller på ett sätt som de bara inte har kunnat göra tidigare, eftersom den här typen av data inte har varit tillgänglig, "sa NIST -fysikern Brian Simonds.

Svetsning är nödvändigt för många industriella processer, från att bygga bilar och flygplan till bärbara datorer och mobiltelefoner. Konventionell svetsning använder vanligtvis en båge av elektricitet för att värma och smälta material. I kontrast, en laserstråle med flera kilowatt kan värma ett mindre område av metaller som sammanfogas, skapa en mindre, slätare söm än en konventionell svets, i storleksordningen millimeter snarare än centimeter. Lasersvetsning är också snabbare och mer energieffektiv än konventionell svetsning, säger forskarna.

Även med dessa och andra fördelar, Lasersvetsning utgör endast en liten del av de totala svetsinsatserna i USA som kan dra nytta av denna teknik. En bättre förståelse av processen kan göra det lättare för industrier att överväga att investera i lasersvetsinfrastruktur, säger forskarna.

"Det slutliga målet för industrin är att en dag, om du har en idé om något du vill göra, du dumpar den i en dator och datorn berättar exakt hur du gör den, " sa Simonds. Även om det idealet är ett decennium eller mer bort, han fortsatte, tillverkare kan börja se en fördel mycket tidigare, eftersom NIST -samarbetets framsteg hjälper till att förfina datormodellerna.

Bättre data, Bättre modell

Om tillverkare vill svetsa två bitar av en okänd metalllegering, de kan använda trial and error för att ta reda på vilken kombination av laserinställningar som ger den bästa svetsen för deras applikation. Men de flesta tillverkare föredrar att effektivisera forskningsprocessen och gå in i produktion så snabbt som möjligt.

Det är där datormodeller kommer in. Dessa simuleringar hjälper tillverkare att förutsäga vilka typer av svetsar de kan förvänta sig med olika inställningar.

För att göra modellerna, fastän, forskare behöver data från tidigare experiment. Och för tillfället, att forskningen är spridd över hundratals studier, representerar decennier av arbete från dussintals laboratorier. Till exempel, de kan hitta information om värmekapaciteten för en legering i ett papper från 1970, värmeledningsförmågan hos en liknande legering i ett papper från 1992, och experimentella data om svetsbeteende från 2007. Men att sammanställa denna information kräver att man introducerar mycket av vad Simonds kallade "fudge -faktorer".

"Modellerare tittar igenom alla dessa resurser från olika laboratorier efter olika material, och de klämmer ihop dem på ett sätt som de tror är mest tillämpligt på deras experiment, "Simonds sa." Och de säger, "Det är tillräckligt nära." Men de vet inte riktigt. "

I kontrast, NIST -teamet försöker bygga en mycket fastare grund för en modell. NIST -forskare mäter allt som en simulator skulle behöva - mängden kraft som träffar metallen, mängden energi som metallen absorberar, mängden material som avdunstar från metallen när den värms upp - allt i realtid.

Där ingen har gått tidigare

Många av de tekniker forskarna använder för att samla in data är antingen utformade eller utvecklade vid NIST för att mäta nya aspekter av svetsning. Till exempel, tills nyligen kunde forskare inte mäta laserkraft under en svetsning. NIST -fysikerna John Lehman och Paul Williams och deras kollegor designade och byggde en enhet som kan åstadkomma detta med hjälp av själva ljusets tryck.

De var också tvungna att bli kreativa för att känna av mängden ljus som absorberas av det uppvärmda materialet, eftersom det ändras hela tiden. "Du går från en grov metall till en blank pool till en djup ficka som i huvudsak är en svart kropp, "vilket betyder att den absorberar nästan allt ljus som träffar den, Sa Lehman. Fysiken, han sa, är "superkomplex".

För att lösa det här problemet, de omringade metallprovet med en enhet som kallas en integrerande sfär, designad för att fånga allt ljus som studsar av metallen. Med denna teknik, de upptäckte att den traditionella metoden för att göra denna mätning "rejält underskattar" energin som absorberas av metallen under en lasersvets. Den integrerande sfären gör det också möjligt att mäta data i realtid.

De hittade också ett sätt att bättre mäta svetsplymen, ett moln av förångade material som innehåller små mängder element som avdunstar ur provet under svetsning. Att upptäcka de exakta mängderna av dessa element när de lämnar svetsen skulle ge forskare värdefull information om styrkan hos det material som finns kvar. Dock, traditionella tekniker misslyckas med att exakt känna av koncentrationerna av vissa element, såsom kol och kväve, som finns i extremt låga koncentrationer.

För att känna av dessa små signaler, NIST-forskare anpassar en teknik som kallas laser-inducerad fluorescens (LIF) spektroskopi. Metoden går ut på att slå plymen med en andra laser som riktar sig mot bara ett slags element åt gången. Det riktade elementet absorberar den andra laserens energi och släpper den sedan med en något förskjuten energi, producerar en stark signal som också är en unik markör för det elementet. Än så länge, forskare har visat att LIF kan känna av spårämnen i svetsplumen med 40, 000 gånger mer känslighet än traditionella metoder.

En annan viktig aspekt av arbetet är att forskare utför alla sina experiment med en typ av rostfritt stål som är ett NIST -standardreferensmaterial (SRM), vilket betyder att dess sammansättning är extremt välkänd. Genom att använda SRM i rostfritt stål säkerställs att experiment som utförs var som helst i världen kan få tillgång till metallprover med identisk sammansättning, så att alla effektivt bidrar till ett stort projekt.

"Om 20 år från nu, om någon säger, 'Åh man, Jag önskar att de hade mätt detta, 'eller någon ny teknik uppfinns som ger mycket bättre data än vi kan ta idag, de kan köpa SRM och knyta den till all forskning vi redan har gjort, "Sa Simonds." Så det är typ av framtidssäkerhet vad vi gör. "

Expanderande horisonter

När de fortsätter att samla information, NIST -forskarna samarbetar med institut runt om i världen för att utöka datauppsättningen. Den här sommaren, de kommer att samarbeta med US Department of Energy's Argonne National Laboratory för att dra nytta av laboratoriets unika förmåga att göra höghastighets röntgenbildning av den smälta poolen av metall i realtid. Andra samarbetspartners inkluderar Graz tekniska universitet i Österrike, Queen's University i Ontario, Kanada, och University of Utah i Salt Lake City.

Simonds och kollegor vidgar också omfattningen av sitt arbete när de riktar sina kraftfulla laserstrålar mot metallpulver istället för fasta ämnen. Pulverstudierna bör direkt stödja gemenskapen av additiv tillverkning (en vanlig form av 3D-utskrift), vars marknad för produkter och tjänster var värd mer än uppskattningsvis 7,3 miljarder dollar 2017.

NIST -forskare säger att svetsforskningsprojektet är ett utmärkt tillfälle för dem att föra sina fysikkotletter till ett komplicerat problem.

"Jag är förvånad över hur små människor förstår den här saken som är så viktig, denna vitala interaktion som ligger till grund för alla dessa industriella processer, "Simonds sa." Ju djupare jag tittar på detta mycket enkla problem med vad som händer när en riktigt intensiv laserstråle träffar metall i 10 millisekunder, ju mer jag inser att det här är en del komplexa saker. Det är roligt att försöka förstå."