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激光焊接

NIST 研究提高激光焊接的可行性和市场性

文/Gail Overton

研 究人员表示，激光焊接的物理过程非常复杂。
更好地理解激光与金属的相互作用，可以帮助
工业界对激光焊接过程有更多的控制 ；而激光
焊接是制造业中越来越受欢迎的一种焊接技术。在过去的
三年中，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家们，
一直在收集与激光焊接相关的最基本数据。研究人员表示，
他们的研究范围很窄，但这一复杂过程的测量结果比该主
题曾收集的任何数据都更加准确和全面。
现在，计算机建模人员正在开始使用这些信息来改进
激光焊接过程的模拟，这是为该项工作进入工业界做准备
的必要步骤。 图1：在NIST的激光焊接室内，高功率激光熔化一块金属，形成字母NIST。
“我们的研究成果已经足够成熟，学术研究人员开始
使用我们的数据以他们之前无法做到的方式，彻底测试他 项研究分布在数百项研究中，代表了数十个实验室数十年
们的计算机模型，因为之前没有这类数据。” NIST 物理学 的研究成果。例如，他们可能会从 1970 年的文献中找到
家 Brian Simonds 说。 关于一种合金的热容量信息，从 1992 年的文献中找到类
传统焊接通常使用电弧来加热和熔化材料。相比之 似合金的热导率，从 2007 年的文献中找到焊接的实验数
下，数千瓦的激光束可以对焊接金属的更小区域进行加热， 据。但将这些信息拼凑在一起需要引入很多 Simonds 所说
产生比传统焊缝更小、更光滑的接缝，焊缝的尺寸是毫米 的“经验系数”。“建模人员阅读这些来自于不同实验室的
而不是厘米级。研究人员表示，激光焊接比传统焊接更快、 不同材料的资料，并以他们认为最适合实验的方式将这些
更节能。 资料混合在一起，”Simonds 说，“虽然他们觉得已经足够
即使有上述这些优点以及其他优点，但是激光焊接的 接近想要的结果了，但仍然存在很多不确定性。”
使用，在美国可能受益于该技术的所有焊接工作中，仅占 相比之下，NIST 团队正在尝试为模型建立一个更坚
很小的一部分。研究人员表示，更好地理解激光焊接过程， 实的基础。NIST 的研究人员正在测量模拟器需要的所有
将有助于促进工业界考虑投资更多的激光焊接基础设施。 信息，包括击中金属的能量、金属吸收的能量、金属加热
Simonds 说 ：“工业界的最终目标是有一天如果你想 时蒸发的材料量，所有这些信息都是实时测量。
要制作某样东西，你可以将它转储到计算机中，计算机会 研究人员用于收集数据的许多技术是在 NIST 设计或
告诉你如何制作它”。Simonds 接着说，虽然这个目标距 开发的，用于测量焊接的新颖层面。例如，研究人员直到
现在还有十年或者更长的时间，但是制造商可能很快就能 最近还无法在焊接过程中测量激光功率。NIST 物理学家
开始看到好处，因为 NIST 合作的进展有助于改进计算机 John Lehman、Paul Williams 和他们的同事们，设计并制
模型。这些模拟可以帮助制造商预测不同的设置能够实现 造了一种可以利用光本身的压力来实现这一目标的设备。
哪种焊接。 为了解决这个问题，他们用一种称为积分球的装置包
然而，研究人员需要过去实验的数据来制作模型。这 围金属样品，积分球设计用于捕获金属反射的所有光。使

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