A sa surface, le travail est d'une simplicité trompeuse :tirez un faisceau laser de haute puissance sur un morceau de métal pendant une fraction de seconde et voyez ce qui se passe. Mais les chercheurs disent que la physique du soudage au laser est étonnamment complexe. Une meilleure compréhension de l'interaction entre le laser et le métal pourrait donner à l'industrie plus de contrôle sur le soudage laser, une technologie qui devient de plus en plus populaire dans la fabrication.

Depuis trois ans, des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont collecté des données sur les aspects les plus fondamentaux du soudage au laser. Le champ de leur étude est étroit, mais les mesures de ce processus compliqué sont plus précises et complètes que toutes les données jamais recueillies sur le sujet, disent les chercheurs.

Maintenant, ces informations commencent à être utilisées par les modélisateurs informatiques pour améliorer les simulations des procédés de soudage laser, une étape nécessaire pour préparer le travail pour l'industrie.

"Nos résultats sont maintenant suffisamment matures pour que les chercheurs universitaires commencent à utiliser nos données pour tester en profondeur leurs modèles informatiques d'une manière qu'ils n'avaient tout simplement pas pu faire auparavant, car ce type de données n'était pas disponible, " a déclaré Brian Simonds, physicien du NIST.

Le soudage est nécessaire pour de nombreux procédés industriels, de la construction de voitures et d'avions aux ordinateurs portables et aux téléphones portables. Le soudage conventionnel utilise généralement un arc électrique pour chauffer et fusionner les matériaux. En revanche, un faisceau laser de plusieurs kilowatts peut chauffer une plus petite zone des métaux à assembler, créer un plus petit, couture plus lisse qu'une soudure conventionnelle, de l'ordre du millimètre plutôt que du centimètre. Le soudage laser est également plus rapide et plus économe en énergie que le soudage conventionnel, disent les chercheurs.

Même avec ces avantages et d'autres, le soudage au laser ne représente qu'une petite fraction des efforts de soudage globaux aux États-Unis qui pourraient bénéficier de cette technique. Une meilleure compréhension du processus pourrait permettre aux industries d'envisager plus facilement d'investir dans des infrastructures de soudage laser, disent les chercheurs.

"Le but ultime pour l'industrie est qu'un jour, si vous avez une idée de quelque chose que vous voulez faire, vous le jetez dans un ordinateur et l'ordinateur vous dit exactement comment le faire, " a déclaré Simonds. Bien que cet idéal soit dans une décennie ou plus, il a continué, les fabricants peuvent commencer à voir un avantage beaucoup plus tôt, car les progrès de la collaboration NIST aident à affiner les modèles informatiques.

De meilleures données, Meilleur modèle

Si les fabricants veulent souder deux pièces d'un alliage de métal inconnu, ils peuvent utiliser des essais et des erreurs pour déterminer quelle combinaison de paramètres laser produira la meilleure soudure pour leur application. Mais la plupart des fabricants préféreraient rationaliser le processus de recherche et passer à la production le plus rapidement possible.

C'est là qu'interviennent les modèles informatiques. Ces simulations aident les fabricants à prédire à quels types de soudures ils peuvent s'attendre avec différents réglages.

Pour faire les modèles, bien que, les chercheurs ont besoin de données d'expériences passées. Et en ce moment, que la recherche est répartie sur des centaines d'études, représentant des décennies de travail de dizaines de laboratoires. Par exemple, ils pourraient trouver des informations sur la capacité calorifique d'un alliage dans un papier de 1970, la conductivité thermique d'un alliage similaire dans un papier de 1992, et des données expérimentales sur le comportement des soudures à partir de 2007. Mais pour rassembler ces informations, il faut introduire beaucoup de ce que Simonds a appelé des « facteurs de fudge ».

« Les modélisateurs parcourent toutes ces ressources de différents laboratoires pour différents matériaux, et ils les rassemblent d'une manière qu'ils pensent être la plus applicable à leur expérience, " dit Simonds. " Et ils disent, « C'est assez proche. » Mais ils ne savent pas vraiment."

En revanche, l'équipe du NIST tente de construire une base beaucoup plus solide pour un modèle. Les chercheurs du NIST mesurent tout ce dont un simulateur aurait besoin :la quantité d'énergie qui frappe le métal, la quantité d'énergie que le métal absorbe, la quantité de matière qui s'évapore du métal lorsqu'il est chauffé, le tout en temps réel.

Là où personne n'est allé avant

La plupart des techniques utilisées par les chercheurs pour collecter les données ont été conçues ou développées au NIST pour mesurer de nouveaux aspects du soudage. Par exemple, jusqu'à récemment, les chercheurs ne pouvaient pas évaluer la puissance du laser pendant une soudure. Les physiciens du NIST John Lehman et Paul Williams et leurs collègues ont conçu et construit un appareil qui peut accomplir cela en utilisant la pression de la lumière elle-même.

Ils ont également dû faire preuve de créativité pour détecter la quantité de lumière absorbée par le matériau chauffé, car il change constamment. "Vous passez d'un métal brut à une piscine brillante à une poche profonde qui est essentiellement un corps noir, " c'est-à-dire qu'il absorbe presque toute la lumière qui le frappe, dit Lehman. La physique, il a dit, est "super complexe".

Pour résoudre ce problème, ils ont entouré l'échantillon métallique d'un dispositif appelé sphère d'intégration, conçu pour capturer toute la lumière qui rebondit sur le métal. En utilisant cette technique, ils ont découvert que la méthode traditionnelle pour effectuer cette mesure "sous-estime gravement" l'énergie absorbée par le métal lors d'une soudure laser. La sphère d'intégration permet également de mesurer les données en temps réel.

Ils ont également trouvé un moyen de mieux mesurer le panache de soudure, un nuage de matériaux vaporisés qui comprend de minuscules quantités d'éléments qui s'évaporent de l'échantillon pendant le soudage. Détecter les quantités exactes de ces éléments lorsqu'ils quittent la soudure donnerait aux scientifiques des informations précieuses sur la résistance du matériau qui reste. Cependant, les techniques traditionnelles ne parviennent pas à détecter avec précision les concentrations de certains éléments, comme le carbone et l'azote, qui existent à des concentrations extrêmement faibles.

Pour sentir ces minuscules signaux, Les chercheurs du NIST adaptent une technique appelée spectroscopie de fluorescence induite par laser (LIF). La méthode consiste à frapper le panache avec un deuxième laser qui cible un seul type d'élément à la fois. L'élément ciblé absorbe l'énergie du deuxième laser puis la restitue à une énergie légèrement décalée, produisant un signal fort qui est également un marqueur unique de cet élément. Jusque là, les chercheurs ont démontré que LIF peut détecter des éléments traces dans le panache de soudure avec 40, 000 fois plus de sensibilité que les méthodes traditionnelles.

Un autre aspect important du travail est que les chercheurs mènent toutes leurs expériences avec un type d'acier inoxydable qui est un matériau de référence standard du NIST (SRM), ce qui signifie que sa composition est extrêmement bien connue. L'utilisation du SRM en acier inoxydable garantit que les expériences menées partout dans le monde peuvent avoir accès à des échantillons de métal de composition identique, afin que tout le monde contribue efficacement à un grand projet.

« Dans 20 ans, si quelqu'un dit, 'Oh mec, J'aurais aimé qu'ils aient mesuré cela, ' ou une nouvelle technique est inventée qui donne des données bien meilleures que celles que nous pouvons prendre aujourd'hui, ils peuvent aller acheter le SRM et le lier à toutes les recherches que nous avons déjà faites, " a déclaré Simonds. " Donc, ce que nous faisons est en quelque sorte à l'épreuve du temps. "

Élargir les horizons

Alors qu'ils continuent de recueillir des informations, les scientifiques du NIST collaborent avec des instituts du monde entier pour étendre l'ensemble de données. Cet été, ils collaboreront avec le laboratoire national d'Argonne du département de l'Énergie des États-Unis pour tirer parti de la capacité unique du laboratoire à réaliser une imagerie aux rayons X à grande vitesse du bain de métal en fusion en temps réel. Parmi les autres collaborateurs, citons l'Université de technologie de Graz en Autriche, l'Université Queen's en Ontario, Canada, et l'Université de l'Utah à Salt Lake City.

Simonds et ses collègues élargissent également la portée de leur travail en dirigeant leurs faisceaux laser haute puissance sur des poudres métalliques au lieu de solides. Les études poudres doivent soutenir directement la communauté de la fabrication additive (une forme courante d'impression 3D), dont le marché des produits et services était estimé à plus de 7,3 milliards de dollars en 2017.

Les chercheurs du NIST disent que le projet de recherche sur le soudage est une excellente occasion pour eux d'apporter leurs connaissances physiques à un problème compliqué.

"Je suis surpris de voir à quel point les gens comprennent peu cette chose qui est si importante, cette interaction vitale qui sous-tend tous ces processus industriels, " a déclaré Simonds. " Plus j'examine ce problème très simple de ce qui se passe lorsqu'un faisceau laser vraiment intense frappe le métal pendant 10 millisecondes, plus je me rends compte que c'est quelque chose de complexe. C'est amusant d'essayer de comprendre."