Sulla sua superficie, il lavoro è apparentemente semplice:spara un raggio laser ad alta potenza su un pezzo di metallo per una frazione di secondo e guarda cosa succede. Ma i ricercatori affermano che la fisica della saldatura laser è sorprendentemente complessa. Una migliore comprensione dell'interazione tra laser e metallo potrebbe dare all'industria un maggiore controllo sulla saldatura laser, una tecnologia che sta diventando sempre più popolare nella produzione.

Negli ultimi tre anni, gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno raccolto dati sugli aspetti fondamentali della saldatura laser. L'ambito del loro studio è ristretto, ma le misurazioni di questo complicato processo sono più accurate e complete di qualsiasi dato mai raccolto sull'argomento, dicono i ricercatori.

Ora, queste informazioni stanno iniziando ad essere utilizzate dai modellisti al computer per migliorare le simulazioni dei processi di saldatura laser, un passo necessario per preparare il lavoro per l'industria.

"I nostri risultati sono ora abbastanza maturi da consentire ai ricercatori accademici di iniziare a utilizzare i nostri dati per testare a fondo i loro modelli di computer in un modo che non erano mai stati in grado di fare prima, perché questo tipo di dati non era disponibile, ", ha detto il fisico del NIST Brian Simonds.

La saldatura è necessaria per molti processi industriali, dalla costruzione di automobili e aeroplani a laptop e cellulari. La saldatura convenzionale utilizza tipicamente un arco di elettricità per riscaldare e fondere i materiali. In contrasto, un raggio laser multi-kilowatt può riscaldare un'area più piccola dei metalli da unire, creando un più piccolo, cucitura più liscia di una saldatura convenzionale, nell'ordine dei millimetri anziché dei centimetri. La saldatura laser è anche più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alla saldatura convenzionale, dicono i ricercatori.

Anche con questi ed altri vantaggi, la saldatura laser costituisce solo una piccola frazione degli sforzi complessivi di saldatura negli Stati Uniti che potrebbero trarre vantaggio da questa tecnica. Una migliore comprensione del processo potrebbe rendere più facile per le industrie considerare di investire in infrastrutture di saldatura laser, dicono i ricercatori.

"L'obiettivo finale per l'industria è che un giorno, se hai un'idea su qualcosa che vuoi realizzare, lo scarichi in un computer e il computer ti dice esattamente come farlo, " disse Simonds. Anche se quell'ideale è lontano un decennio o più, Lui continuò, i produttori potrebbero iniziare a vedere un vantaggio molto prima, poiché i progressi della collaborazione del NIST aiutano a perfezionare i modelli informatici.

Dati migliori, Modello migliore

Se i produttori vogliono saldare due pezzi di una lega di metallo sconosciuta, potrebbero usare tentativi ed errori per capire quale combinazione di impostazioni del laser produrrà la migliore saldatura per la loro applicazione. Ma la maggior parte dei produttori preferirebbe semplificare il processo di ricerca e passare alla produzione il più rapidamente possibile.

È qui che entrano in gioco i modelli al computer. Queste simulazioni aiutano i produttori a prevedere quali tipi di saldature possono aspettarsi con impostazioni diverse.

Per realizzare i modelli, anche se, i ricercatori hanno bisogno di dati da esperimenti passati. E al momento, che la ricerca è distribuita su centinaia di studi, rappresentando decenni di lavoro di decine di laboratori. Per esempio, potrebbero trovare informazioni sulla capacità termica di una lega in un articolo del 1970, la conducibilità termica di una lega simile in una carta del 1992, e dati sperimentali sul comportamento della saldatura dal 2007. Ma mettere insieme queste informazioni richiede l'introduzione di molti di quelli che Simonds chiamava "fattori di fusione".

"I modellisti esaminano tutte queste risorse di diversi laboratori per materiali diversi, e li mettono insieme nel modo che ritengono più applicabile al loro esperimento, " Simonds ha detto. "E dicono, "È abbastanza vicino." Ma in realtà non lo sanno".

In contrasto, il team del NIST sta cercando di costruire una base molto più solida per un modello. I ricercatori del NIST stanno misurando tutto ciò di cui un simulatore avrebbe bisogno:la quantità di energia che colpisce il metallo, la quantità di energia che il metallo sta assorbendo, la quantità di materiale che evapora dal metallo mentre viene riscaldato, tutto in tempo reale.

Dove nessuno è mai andato prima

Molte delle tecniche utilizzate dai ricercatori per raccogliere i dati sono state progettate o sviluppate al NIST per misurare nuovi aspetti della saldatura. Per esempio, fino a poco tempo fa i ricercatori non potevano misurare la potenza del laser durante una saldatura. I fisici del NIST John Lehman e Paul Williams e i loro colleghi hanno progettato e costruito un dispositivo in grado di raggiungere questo obiettivo utilizzando la pressione della luce stessa.

Dovevano anche essere creativi per percepire la quantità di luce assorbita dal materiale riscaldato, visto che cambia continuamente. "Si passa da un metallo grezzo a una piscina lucida a una tasca profonda che è essenzialmente un corpo nero, " nel senso che assorbe quasi tutta la luce che lo colpisce, ha detto Lehman. La fisica, Egli ha detto, è "super complesso".

Risolvere questo problema, circondavano il campione di metallo con un dispositivo chiamato sfera integratrice, progettato per catturare tutta la luce che rimbalza sul metallo. Utilizzando questa tecnica, hanno scoperto che il metodo tradizionale per effettuare questa misurazione "sottovaluta gravemente" l'energia assorbita dal metallo durante una saldatura laser. La sfera integratrice permette inoltre di misurare i dati in tempo reale.

Hanno anche trovato un modo per misurare meglio il pennacchio di saldatura, una nuvola di materiali vaporizzati che include piccole quantità di elementi che evaporano dal campione durante la saldatura. Rilevare le quantità esatte di questi elementi mentre lasciano la saldatura darebbe agli scienziati preziose informazioni sulla resistenza del materiale che rimane. Però, le tecniche tradizionali non riescono a rilevare con precisione le concentrazioni di alcuni elementi, come carbonio e azoto, che esistono in concentrazioni estremamente basse.

Per percepire questi minuscoli segnali, I ricercatori del NIST stanno adattando una tecnica chiamata spettroscopia di fluorescenza indotta da laser (LIF). Il metodo prevede di colpire il pennacchio con un secondo laser che mira a un solo tipo di elemento alla volta. L'elemento mirato assorbe l'energia del secondo laser e quindi la rilascia con un'energia leggermente spostata, producendo un segnale forte che è anche un indicatore univoco di quell'elemento. Finora, ricercatori hanno dimostrato che LIF può rilevare oligoelementi nel pennacchio di saldatura con 40, 000 volte più sensibilità rispetto ai metodi tradizionali.

Un altro aspetto importante del lavoro è che i ricercatori stanno conducendo tutti i loro esperimenti con un tipo di acciaio inossidabile che è un materiale di riferimento standard NIST (SRM), il che significa che la sua composizione è estremamente nota. L'utilizzo dell'SRM in acciaio inossidabile garantisce che gli esperimenti condotti in qualsiasi parte del mondo possano avere accesso a campioni di metallo con una composizione identica, in modo che tutti contribuiscano efficacemente a un grande progetto.

"Tra 20 anni, se qualcuno dice, 'Oddio, Vorrei che avessero misurato questo, ' o viene inventata una nuova tecnica che fornisce dati molto migliori di quelli che possiamo prendere oggi, possono andare a comprare l'SRM e collegarlo a tutte le ricerche che abbiamo già fatto, "Simonds ha detto. "Quindi è a prova di futuro quello che stiamo facendo."

Orizzonti in espansione

Mentre continuano a raccogliere informazioni, gli scienziati del NIST stanno collaborando con istituti di tutto il mondo per espandere il set di dati. Quest'estate, collaboreranno con l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per sfruttare la capacità unica del laboratorio di eseguire immagini a raggi X ad alta velocità del pool di metallo fuso in tempo reale. Altri collaboratori includono Graz University of Technology in Austria, Queen's University in Ontario, Canada, e l'Università dello Utah a Salt Lake City.

Simonds e colleghi stanno anche ampliando l'ambito del loro lavoro mentre dirigono i loro raggi laser ad alta potenza su polveri metalliche anziché su solidi. Gli studi sulle polveri dovrebbero supportare direttamente la comunità della produzione additiva (una forma comune di stampa 3D), il cui mercato per prodotti e servizi valeva più di 7,3 miliardi di dollari nel 2017.

I ricercatori del NIST affermano che il progetto di ricerca sulla saldatura è una grande opportunità per loro di portare le loro abilità di fisica a un problema complicato.

"Sono sorpreso di quanto poco capiscano questa cosa così importante, questa interazione vitale che sta alla base di tutti questi processi industriali, " ha detto Simonds. "Più approfondisco questo problema molto semplice di cosa succede quando un raggio laser davvero intenso colpisce il metallo per 10 millisecondi, più mi rendo conto che si tratta di cose complesse. È divertente cercare di capire".