Forskere brukte kraftige røntgenstråler for å få høyoppløselige bilder av ARM-lasersveiseprosessen, og dykket dypere inn i sveiseprosessen for å utvikle bedre prosesser.
Ingeniører ved Coherents Applications Lab har ved hjelp av røntgenbilder sett nærmere på fiberlaser-sveiseprosessen.
Hva skjer under overflaten av lasersveising?
Tidligere har forskere studert fiberlaser-sveiseprosessen omfattende ved bruk av konvensjonell høyhastighetsvideo. Høyhastighetsvideo gir en referanse for å studere dynamikken til smeltet metall og dampbassenger (kalt "vias") som dannes under sveiseprosessen.
Vanligvis plasseres et kamera over delen for å registrere hva som skjer på sveiseoverflaten fra et ovenfra-og-ned-perspektiv. Imidlertid skjer det mye mer inne i et lite hull enn det som kan sees fra toppen.
Hvordan kan du virkelig forstå endringene som skjer inne i delen? Folk har gjort dette tidligere med røntgenvideoer. Men disse videoene ga aldri nok detaljer fordi røntgenkilden ikke var kraftig nok.
I et forskningssamarbeid mellom produksjonsteknologiteamet ved det tekniske universitetet i Ilmenau, Tyskland, og Coherent Application Laboratory i Hamburg, så de for seg å bruke en røntgenkilde som er kraftigere enn noen gang før for å se endringene som skjer inne i en del ved å føre den direkte gjennom solid metall. Dette gjør det mulig å se høyoppløselige bilder av sveiseprosessen fra siden, noe som gjør det mulig å se den nøyaktige formen og utviklingen av små hull under sveiseprosessen.
Forbedring av ARM fiberlasersveiseytelse
Teamet brukte denne tilnærmingen til å studere driften av Coherent Tunable Annular Mode Fiber Laser (FL-ARM), som ga fantastiske resultater - sprekkfri sveising av høyfast stål, aluminiumsveising uten fylltråd og vellykket sveising av kobber. Dette skyldtes i stor grad ARM-laserens evne til nøyaktig å kontrollere oppvarming og avkjøling av delen under sveiseprosessen; Vi forsto imidlertid ikke helt hvordan dette skjedde og nyansene i hvert trinn.
Teamet studerte sveiseprosessen til fiberlasere i sveising av kobber, aluminium og andre svært tynne, termisk følsomme plater som er vanskeligere å sveise. De tok en dypere titt på hvordan alle disse prosessene fungerer ved å visualisere sveiseprosessen, avsløre små hulls dynamikk og forstå effekten av forskjellige ARM-laserkraftfordelinger på sprutdannelse under sveising av kobbermaterialer. Det endelige målet med forskningen er å forbedre sveiseresultatene og utvikle mer pålitelige produksjonsmetoder.
Europeiske synkrotronstrålingsenheter
Det er bare en håndfull enheter i verden som kan produsere røntgenstråler som er kraftige nok til å utføre den typen bildebehandling teamet trenger. En av de mest kjente kildene til kraftig røntgenstråler er European Synchrotron Radiation Facility Extremely Bright Source (ESRF-EBS) i Grenoble, Frankrike, som spesialiserer seg på å betjene forskere innen så forskjellige felt som helse, ren energi, materialvitenskap, kunst og antropologi, og som til og med har blitt brukt til å studere bikuber og 119-millioner år gamle fiskefossiler.
Selve synkrotronen er et rør med en omkrets på 844 meter og et meget høyt internt vakuum. Elektroner omgir den og akselereres til nær lysets hastighet. Magneter rundt ringen brukes for å få elektronene til å raskt endre reiseretning, og når dette skjer sender elektronene ut uvanlig høyenergiske røntgenstråler.
Disse røntgenstrålene blir deretter rettet nedover i en eller flere av 44 forskjellige "strålelinjer". Disse beamlines er plassert i laboratorier og instrumenter der selve forskningen foregår.
Bilde 1: Ingeniører ved Coherent Applications Laboratory brukte svært kraftige røntgenstråler for å få en høyoppløselig tverrsnittsvisning av ARM lasersveiseprosessen ved European Synchrotron Radiation Facility.
Coherent Applications Lab-teamet satte sammen et sveiseoppsett som inkluderte en 8kW HighLight FL-ARM fiberlaser. En liten gruppe forskere fra produksjonsteknologi-teamet ved det tekniske universitetet i Ilmenau bygde en mekanisme for automatisk å holde og flytte deler under sveiseprosessen, i tillegg til å fokusere optikk og et ekstra gassleveringssystem.
Alt dette utstyret ble brakt til ESRF og plassert i en av strålelinjene i et "eksperimentelt kammer" (et rom fullstendig innkapslet i 75 mm tykk solid blyskjerming). Forskerne satt trygt i et annet rom et stykke unna og utførte datastyrt lodding mens de utsatte enheten for røntgenstråler. Et kamerasystem som konverterer røntgenstrålene til synlig lys, registrerer sveisehandlingen med 50,000 bilder per sekund. Teamet utførte hundrevis av individuelle sveisetester på en rekke metaller, inkludert rustfritt stål, kobber og aluminium.
Hvilken informasjon ga denne prosessen? Det er 14 terabyte med data å analysere, og det vil ta litt tid å svare fullt ut på det spørsmålet. Men som vi har sett, i sveisetestene for kobberskinne, viser videoen tydelig at: med riktig kraftfordeling (omtrent lik effekt i midtbjelken og ringbjelken), oppfører de små hullene seg stabilt og det er ingen innsnevring i bunnen av de små hullene; i kontrast, når senterpunktkraften er for høy, trekker kapillærene seg sammen i bunnen, noe som fører til sprut og dannelse av lufthull; og hvis ringeffekten er for høy, renner det smeltede materialet over i de små hullene, fordamper plutselig og fører til materialutkast.
I tillegg undersøkte teamet effekten av beskyttelsesgass på kapillærrørdannelse, og disse funnene gir en dypere innsikt i profilsveising.
Ytterligere analyse av dataene vil bidra til å gi en bedre og mer nøyaktig forståelse av hvordan effektforholdene mellom senter- og ringbjelkene, påvirker resultatene av ulike sveiseprosesser. Denne kunnskapen vil hjelpe Coherent Application Labs med å utvikle mer robuste og konsistente sveiseprosessformuleringer, og gi kundene bedre og enda raskere sveiser.
