在其表面上，工作很简单：将高功率激光束拍摄到一块金属上，一秒钟，看看会发生什么。但研究人员表示，激光焊接的物理令人惊讶地复杂。更好地了解激光器和金属之间的相互作用可以使行业更加控制激光焊接，这是一种在制造业中越来越受欢迎的技术。
在过去的三年中，美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家们一直在收集关于激光焊接最基本方面的数据。研究人员说，他们的研究范围很窄，但对这一复杂过程的测量比在这一主题上收集的任何数据都更加准确和全面。
现在，计算机型号公司开始使用这些信息来改善激光焊接工艺的模拟，这是制备工业工作的必要步骤。
“Our results are now mature enough to where academic researchers are starting to use our data to thoroughly test their computer models in a way that they just haven’t been able to do before, because this kind of data hasn’t been available,” said NIST physicist Brian Simonds.
焊接在许多工业过程中都是必要的，从制造汽车和飞机到笔记本电脑和手机。传统焊接通常使用电弧来加热和熔合材料。相比之下，多千瓦的激光束可以加热更小的金属连接区域，形成一个比传统焊接更小、更光滑的焊缝，大约是毫米量级而不是厘米量级。研究人员说，激光焊接也比传统焊接更快、更节能。
即使是这些等优点，激光焊接也仅占美国的一小部分整体焊接努力。这可能会受益于这种技术。研究人员说，更好地了解该过程可以更容易考虑投资激光焊接基础设施的行业。
“行业的最终目标是，有一天，如果你有一个关于你想要的东西的想法，你把它转化为电脑，电脑告诉你究竟如何制作它，”西蒙斯说。虽然这个理想的是十年或更长时间，但他继续，由于NIST协作的进展帮助改进计算机模型，因此，制造商可能会更快地看到一个好处。
更好的数据，更好的模型
如果制造商想要焊接两块不熟悉的合金，他们可能会通过试错来确定哪种激光设置组合对他们的应用来说是最好的。但大多数制造商更愿意简化研究过程，并尽快投入生产。
这就是计算机模型进来的地方。这些模拟帮助制造商预测他们可以使用不同的设置期望的焊缝。
但是，制定模型，研究人员需要来自过去的实验的数据。目前，该研究遍布数百项研究，代表数十年实验室的工作。例如，他们可以在1970年的纸上找到有关一份合金的热容量的信息，从1992年的纸张中类似合金的导热率，以及2007年焊接行为的实验数据。但是将这些信息剪切需要介绍一个很多叫做“软糖因素”的西蒙斯。
西蒙兹说:“建模人员从不同的实验室寻找不同的材料，然后以一种他们认为最适用于他们的实验的方式将它们拼凑在一起。”“他们说，‘很接近了。’但他们真的不知道。”
相比之下，NIST团队试图为模型构建一个更坚定的基础。NIST研究人员正在测量模拟器需要的一切 - 击中金属的功率量，金属吸收的能量的量，从金属时蒸发的材料的量实时加热。
没有人去过的地方
研究人员用来收集数据的许多技术要么是NIST设计的，要么是NIST开发的，用来测量焊接的新方面。例如，直到最近，研究人员还不能测量焊接过程中的激光功率。NIST的物理学家John Lehman和Paul Williams和他们的同事设计并制造了一种设备，可以利用光本身的压力来完成这个任务。
它们还必须创造性地感知加热材料吸收的光量，因为它不断变化。“你从一块粗糙的金属到一个闪亮的泳池到一个基本上是一个黑体的深井，”雷曼说，它几乎吸收了所有击中它的光线。他说，物理学是“超级复杂”。
为了解决这个问题，它们将金属样品围绕着具有称为集成球体的装置，旨在捕获从金属上弹出的所有光线。使用这种技术，他们发现传统的制造该测量的方法“严重低估了在激光焊接期间由金属吸收的能量。集成领域还允许实时测量数据。
他们还找到了一种更好的方法来测量焊缝羽流，这是一种由蒸发物质组成的云，其中包括在焊接过程中从样品中蒸发出来的微量元素。当这些元素离开焊缝时，检测它们的确切数量将为科学家提供有关残留材料强度的宝贵信息。然而，传统的技术不能准确地感知某些元素的浓度，如碳和氮，它们存在于极低的浓度。
为了感测这些微型信号，NIST研究人员正在调整一种称为激光诱导的荧光（LIF）光谱的技术。该方法涉及用第二激光器击中羽毛，该第二激光器一次瞄准一种元素。目标元件吸收第二激光器的能量，然后将其释放在略微偏移的能量下，产生强的信号，该信号也是该元件的独特标记。到目前为止，研究人员已经证明，LIF可以在焊接羽流中感测到微量元素，比传统方法更灵敏度为40,000倍。
这项工作的另一个重要方面是，研究人员正在用一种不锈钢进行他们的所有实验，这是一种NIST标准参考材料(SRM)，这意味着它的成分是众所周知的。使用不锈钢SRM确保在世界任何地方进行的实验都可以获得具有相同成分的金属样品，这样每个人都可以有效地为一个大项目做出贡献。
“在20年后,如果有人说,‘哦,我希望他们已经测量了这个,”或一些新技术发明使今天比我们可以更好的数据,他们可以去买SRM和领带,在所有的研究中我们已经完成,”西蒙茨说。“所以，我们正在做的事情是对未来的证明。”
扩大视野
随着他们继续收集信息，NIST科学家正在与世界各地的研究所合作，以扩展数据集。今年夏天，他们将与美国能源部的Argonne国家实验室合作，利用实验室的独特能力实时进行熔融金属熔池的高速X射线成像。其他合作者包括奥地利的Graz Theily大学，在加拿大安大略省安大略大学和犹他大学在盐湖城。
西蒙斯及其同事还在扩大他们的工作范围，因为它们将其高功率激光束引导到金属粉末而不是固体上。粉末研究应直接支持添加剂制造业（一种常见的3D打印形式），其产品和服务市场在2017年的价值超过73亿美元。
NIST研究人员表示，焊接研究项目是他们将物理排行到复杂问题的绝佳机会。
“我很惊讶的是小人物如何了解这是如此重要的事情，这种重要的互动，依据所有这些工业流程，”西蒙斯说。“我越来越深刻的这个非常简单的问题，即当一个真正强烈的激光束击中金属10毫秒时会发生什么，我意识到这是一些复杂的东西。尝试和理解很有趣。“
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