Na sua superfície, o trabalho é aparentemente simples:atire um feixe de laser de alta potência em um pedaço de metal por uma fração de segundo e veja o que acontece. Mas os pesquisadores dizem que a física da soldagem a laser é surpreendentemente complexa. Uma melhor compreensão da interação entre o laser e o metal poderia dar à indústria mais controle sobre a soldagem a laser, uma tecnologia que está se tornando cada vez mais popular na fabricação.

Nos últimos três anos, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) têm coletado dados sobre os aspectos mais fundamentais da soldagem a laser. O escopo de seu estudo é estreito, mas as medições deste processo complicado são mais precisas e abrangentes do que quaisquer dados já coletados sobre o assunto, dizem os pesquisadores.

Agora, esta informação está começando a ser usada por modeladores de computador para melhorar as simulações de processos de soldagem a laser, uma etapa necessária para preparar o trabalho para a indústria.

"Nossos resultados agora estão maduros o suficiente para que os pesquisadores acadêmicos estejam começando a usar nossos dados para testar completamente seus modelos de computador de uma forma que eles simplesmente não eram capazes de fazer antes, porque esse tipo de dado não está disponível, "disse o físico do NIST Brian Simonds.

A soldagem é necessária para muitos processos industriais, desde a construção de carros e aviões até laptops e telefones celulares. A soldagem convencional normalmente usa um arco elétrico para aquecer e fundir materiais. Em contraste, um feixe de laser de vários quilowatts pode aquecer uma área menor dos metais que estão sendo unidos, criando um menor, costura mais lisa do que uma solda convencional, na ordem de milímetros em vez de centímetros. A soldagem a laser também é mais rápida e eficiente em termos de energia do que a soldagem convencional, dizem os pesquisadores.

Mesmo com essas e outras vantagens, A soldagem a laser representa apenas uma pequena fração dos esforços gerais de soldagem nos EUA que podem se beneficiar desta técnica. Uma melhor compreensão do processo pode tornar mais fácil para as indústrias considerarem o investimento em infraestrutura de soldagem a laser, dizem os pesquisadores.

"O objetivo final para a indústria é que, um dia, se você tem uma ideia sobre algo que deseja fazer, você despeja em um computador e o computador lhe diz exatamente como fazê-lo, "Simonds disse. Embora esse ideal ainda esteja a uma década ou mais de distância, Ele continuou, os fabricantes podem começar a ver um benefício muito mais cedo, à medida que o progresso da colaboração do NIST ajuda a refinar os modelos de computador.

Better Data, Melhor modelo

Se os fabricantes quiserem soldar duas peças de uma liga de metal desconhecida, eles podem usar tentativa e erro para descobrir qual combinação de configurações de laser produzirá a melhor solda para sua aplicação. Mas a maioria dos fabricantes prefere simplificar o processo de pesquisa e passar à produção o mais rápido possível.

É aí que entram os modelos de computador. Essas simulações ajudam os fabricantes a prever que tipos de soldas podem esperar com configurações diferentes.

Para fazer os modelos, no entanto, os pesquisadores precisam de dados de experimentos anteriores. E no momento, que a pesquisa está espalhada por centenas de estudos, representando décadas de trabalho de dezenas de laboratórios. Por exemplo, eles podem encontrar informações sobre a capacidade térmica de uma liga em um papel de 1970, a condutividade térmica de uma liga semelhante em um papel de 1992, e dados experimentais sobre o comportamento de solda de 2007. Mas juntar essas informações requer a introdução de muito do que Simonds chamou de "fatores de correção".

"Os modeladores analisam todos esses recursos de diferentes laboratórios em busca de diferentes materiais, e eles os juntam de uma maneira que eles acham que é mais aplicável ao seu experimento, "Simonds disse." E eles dizem, - É perto o suficiente. Mas eles realmente não sabem. "

Em contraste, a equipe do NIST está tentando construir uma base muito mais firme para um modelo. Os pesquisadores do NIST estão medindo tudo que um simulador precisa - a quantidade de energia que está atingindo o metal, a quantidade de energia que o metal está absorvendo, a quantidade de material que está evaporando do metal à medida que é aquecido - tudo em tempo real.

Onde ninguém foi antes

Muitas das técnicas que os pesquisadores estão usando para coletar os dados foram projetadas ou desenvolvidas no NIST para medir novos aspectos da soldagem. Por exemplo, até recentemente, os pesquisadores não podiam medir a potência do laser durante uma solda. Os físicos do NIST John Lehman e Paul Williams e seus colegas projetaram e construíram um dispositivo que pode fazer isso usando a pressão da própria luz.

Eles também tiveram que ser criativos para sentir a quantidade de luz absorvida pelo material aquecido, uma vez que muda constantemente. "Você vai de um metal áspero a uma piscina brilhante para um bolso fundo que é essencialmente um corpo negro, "o que significa que absorve quase toda a luz que o atinge, Lehman disse. A física, ele disse, é "supercomplexo".

Para resolver este problema, eles cercaram a amostra de metal com um dispositivo chamado esfera integradora, projetado para capturar toda a luz refletida no metal. Usando esta técnica, eles descobriram que o método tradicional para fazer essa medição "subestima severamente" a energia absorvida pelo metal durante uma solda a laser. A esfera integradora também permite que os dados sejam medidos em tempo real.

Eles também encontraram uma maneira de medir melhor a pluma de solda, uma nuvem de materiais vaporizados que inclui pequenas quantidades de elementos que evaporam da amostra durante a soldagem. Detectar as quantidades exatas desses elementos quando eles saem da solda daria aos cientistas informações valiosas sobre a resistência do material que resta. Contudo, as técnicas tradicionais falham em detectar com precisão as concentrações de certos elementos, como carbono e nitrogênio, que existem em concentrações extremamente baixas.

Para sentir esses sinais minúsculos, Os pesquisadores do NIST estão adaptando uma técnica chamada espectroscopia de fluorescência induzida por laser (LIF). O método envolve atingir a pluma com um segundo laser que visa apenas um tipo de elemento por vez. O elemento alvo absorve a energia do segundo laser e, em seguida, a libera com uma energia ligeiramente alterada, produzindo um sinal forte que também é um marcador exclusivo daquele elemento. Até aqui, pesquisadores demonstraram que o LIF pode detectar oligoelementos na pluma de solda com 40, 000 vezes mais sensibilidade do que os métodos tradicionais.

Outro aspecto importante do trabalho é que os pesquisadores estão conduzindo todos os seus experimentos com um tipo de aço inoxidável que é um material de referência padrão do NIST (SRM), o que significa que sua composição é extremamente conhecida. O uso do SRM de aço inoxidável garante que os experimentos conduzidos em qualquer lugar do mundo possam ter acesso a amostras de metal com uma composição idêntica, para que todos estejam efetivamente contribuindo para um grande projeto.

"Daqui a 20 anos, se alguém disser, 'Oh cara, Eu gostaria que eles tivessem medido isso, 'ou alguma nova técnica é inventada que fornece dados muito melhores do que podemos obter hoje, eles podem ir comprar o SRM e vinculá-lo a todas as pesquisas que já fizemos, "Simonds disse." Portanto, é uma espécie de prova de futuro o que estamos fazendo. "

Expansão de horizontes

À medida que continuam a coletar informações, os cientistas do NIST estão colaborando com institutos de todo o mundo para expandir o conjunto de dados. Este Verão, eles irão colaborar com o Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA para aproveitar a capacidade única do laboratório de fazer imagens de raios-X de alta velocidade da poça de metal fundido em tempo real. Outros colaboradores incluem a Graz University of Technology, na Áustria, Queen's University em Ontário, Canadá, e a Universidade de Utah em Salt Lake City.

Simonds e seus colegas também estão ampliando o escopo de seu trabalho ao direcionar seus feixes de laser de alta potência para pós de metal em vez de sólidos. Os estudos de pó devem apoiar diretamente a comunidade de manufatura aditiva (uma forma comum de impressão 3-D), cujo mercado de produtos e serviços valia mais do que cerca de US $ 7,3 bilhões em 2017.

Os pesquisadores do NIST dizem que o projeto de pesquisa de soldagem é uma grande oportunidade para eles trazerem seus conhecimentos físicos para um problema complicado.

"Estou surpreso como poucas pessoas entendem isso que é tão importante, esta interação vital que sustenta todos esses processos industriais, "Simonds disse." Quanto mais eu analiso este problema muito simples do que acontece quando um feixe de laser realmente intenso atinge o metal por 10 milissegundos, mais eu percebo que isso é algo complexo. É divertido tentar entender. "