I ricercatori hanno utilizzato potenti raggi X per ottenere immagini ad alta risoluzione del processo di saldatura laser ARM, approfondendo il processo di saldatura per sviluppare processi migliori.
Gli ingegneri del Laboratorio Applicazioni di Coherent, con l'aiuto dei raggi X, hanno esaminato più da vicino il processo di saldatura laser a fibra.
Cosa succede sotto la superficie della saldatura laser?
In passato, i ricercatori hanno studiato approfonditamente il processo di saldatura laser a fibra utilizzando video convenzionali ad alta velocità. Il video ad alta velocità fornisce un riferimento per lo studio della dinamica delle pozze di metallo fuso e vapore (chiamate "vias") create durante il processo di saldatura.
In genere, una telecamera viene posizionata sopra la parte per registrare ciò che accade sulla superficie di saldatura da una prospettiva dall'alto verso il basso. Tuttavia, all'interno di un piccolo foro c'è molto di più di quanto si possa vedere dall'alto.
Come puoi realmente comprendere i cambiamenti che avvengono all'interno della parte? Le persone lo hanno fatto in passato con i video a raggi X. Ma questi video non hanno mai fornito dettagli sufficienti perché la sorgente di raggi X non era abbastanza potente.
In una collaborazione di ricerca tra il team di tecnologia di produzione dell'Università Tecnica di Ilmenau, in Germania, e il Laboratorio di Applicazione Coerente di Amburgo, hanno immaginato di utilizzare una sorgente di raggi X più potente che mai per vedere i cambiamenti che si verificano all'interno di una parte facendolo passare direttamente attraverso il metallo solido. Ciò consente di visualizzare lateralmente immagini ad alta risoluzione del processo di saldatura, consentendo di vedere l'esatta forma e l'evoluzione dei piccoli fori durante il processo di saldatura.
Miglioramento delle prestazioni di saldatura laser a fibra ARM
Il team ha utilizzato questo approccio per studiare il funzionamento del laser a fibra in modalità anulare coerente sintonizzabile (FL-ARM), che ha fornito risultati sorprendenti: saldatura senza crepe di acciai ad alta resistenza, saldatura dell’alluminio senza filo di apporto e saldatura riuscita del rame. Ciò è dovuto in gran parte alla capacità del laser ARM di controllare con precisione il riscaldamento e il raffreddamento della parte durante il processo di saldatura; tuttavia, non abbiamo compreso appieno come ciò sia avvenuto e le sfumature di ogni passaggio.
Il team ha studiato il processo di saldatura dei laser a fibra nella saldatura di rame, alluminio e altre piastre molto sottili e termicamente sensibili che sono più difficili da saldare. Hanno dato uno sguardo più approfondito al funzionamento di tutti questi processi visualizzando il processo di saldatura, rivelando la dinamica dei piccoli fori e comprendendo l’effetto delle diverse distribuzioni di potenza del laser ARM sulla formazione di spruzzi durante la saldatura di materiali in rame. L'obiettivo finale della ricerca è migliorare i risultati della saldatura e sviluppare metodi di produzione più affidabili.
Dispositivi europei di radiazione di sincrotrone
Esistono solo pochi dispositivi al mondo in grado di produrre raggi X sufficientemente potenti da eseguire il tipo di imaging di cui il team ha bisogno. Una delle fonti più conosciute di potenti raggi X è la European Synchrotron Radiation Facility Extremely Bright Source (ESRF-EBS) di Grenoble, in Francia, specializzata nel servire ricercatori in campi diversi come la salute, l'energia pulita, la scienza dei materiali, la arti e antropologia, e che è stato utilizzato anche per studiare gli alveari e i fossili di pesci risalenti a 119-milioni di anni fa.
Il sincrotrone stesso è un tubo con una circonferenza di 844 metri e un vuoto interno molto elevato. Gli elettroni lo circondano e vengono accelerati quasi alla velocità della luce. I magneti attorno all’anello vengono utilizzati per far sì che gli elettroni cambino rapidamente la loro direzione di viaggio e, quando ciò accade, gli elettroni emettono raggi X ad energia insolitamente elevata.
Questi raggi X vengono quindi diretti verso il basso in una o più delle 44 diverse "linee di luce". Queste linee di luce si trovano nei laboratori e negli strumenti in cui si svolge la ricerca vera e propria.
Immagine 1: Gli ingegneri del Coherent Applications Laboratory hanno utilizzato raggi X molto potenti per ottenere una vista in sezione trasversale ad alta risoluzione del processo di saldatura laser ARM presso l'impianto europeo di radiazione di sincrotrone.
Il team del Coherent Applications Lab ha assemblato una configurazione di saldatura che includeva un laser a fibra HighLight FL-ARM da 8 kW. Un piccolo gruppo di ricercatori del team di tecnologia di produzione dell'Università tecnica di Ilmenau ha costruito un meccanismo per trattenere e spostare automaticamente le parti durante il processo di saldatura, oltre a un'ottica di focalizzazione e un sistema di erogazione del gas ausiliario.
Tutta questa attrezzatura è stata portata all'ESRF e collocata in una delle linee di luce in una "camera sperimentale" (una stanza completamente rivestita in una solida schermatura di piombo spessa 75 mm). I ricercatori si sono seduti al sicuro in un’altra stanza a una certa distanza ed hanno eseguito la saldatura controllata dal computer esponendo il dispositivo ai raggi X. Un sistema di telecamere che converte i raggi X in luce visibile registra l'azione di saldatura a 50,000 fotogrammi al secondo. Il team ha eseguito centinaia di test di saldatura individuali su una varietà di metalli, tra cui acciaio inossidabile, rame e alluminio.
Quali informazioni ha fornito questo processo? Si tratta di 14 terabyte di dati da analizzare e ci vorrà del tempo per rispondere completamente a questa domanda. Ma come abbiamo visto, nelle prove di saldatura delle sbarre in rame, il video mostra chiaramente che: con la corretta distribuzione della potenza (più o meno uguale potenza nella trave centrale e nella trave anulare), i piccoli fori si comportano in modo stabile e non vi è alcuna costrizione nella parte inferiore dei piccoli fori; al contrario, quando il potere dello spot centrale è troppo elevato, i capillari si restringono nella parte inferiore, provocando spruzzi e formazione di buchi d'aria; e se la potenza dell'anello è troppo elevata, il materiale fuso trabocca nei piccoli fori, evapora improvvisamente e provoca l'espulsione del materiale.
Inoltre, il team ha studiato l’effetto del gas di protezione sulla formazione del tubo capillare e questi risultati forniscono una visione più approfondita della saldatura dei profili.
Un'ulteriore analisi dei dati aiuterà a fornire una comprensione migliore e più accurata di come i rapporti di potenza tra il centro e le travi anulari influenzano i risultati dei vari processi di saldatura. Questa conoscenza aiuterà i Coherent Application Labs a sviluppare formulazioni di processi di saldatura più robuste e coerenti, fornendo ai clienti saldature migliori e ancora più veloci.
