In-situ deformation monitoring during laser welding using single time-gated camera stereo-DIC
Questo studio presenta un metodo stereo-DIC a singola camera con gating temporale che sopprime efficacemente l'intensa radiazione termica e del plasma per consentire il monitoraggio della deformazione in situ e a campo completo durante la saldatura laser di leghe di Ti6Al4V, superando i limiti di sovraesposizione dei sistemi DIC a luce blu convenzionali e fornendo dati critici sull'evoluzione della deformazione e sugli effetti di vincolo dei bordi.
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Il titanio è un metallo che gli ingegneri amano per la sua resistenza e leggerezza, il che lo rende un preferito per la costruzione di aeromobili, sottomarini e veicoli spaziali. Tuttavia, unire i pezzi di titanio è un'operazione delicata. Quando il metallo viene riscaldato a temperature estreme per fondere e saldare, si espande e poi si contrae mentre si raffredda. Questo ciclo crea forze interne invisibili chiamate stress residuo. Se queste forze non vengono comprese e controllate, possono deformare il componente finale o causarne la rottura sotto pressione in una fase successiva della sua vita utile. Per risolvere questo problema, gli scienziati devono osservare il movimento del metallo in tempo reale mentre viene saldato, catturando esattamente come si dilata e si contrae. Il problema è che il processo di saldatura è accecante. Il laser utilizzato per fondere il metallo crea una nuvola di gas supercaldo e plasma che emette una luce intensa, oscurando qualsiasi telecamera che tenti di scattare una foto. È come cercare di leggere un libro mentre qualcuno punta una torcia ad alta potenza direttamente nei tuoi occhi; i dettagli della pagina semplicemente svaniscono.
Ricercatori dell'Università Beihang e dell'Accademia Cinese delle Scienze hanno sviluppato un nuovo modo per vedere attraverso questo bagliore accecante. Hanno creato un sistema che utilizza una telecamera speciale capace di scattare immagini in una frazione infinitesimale di secondo, abbastanza veloce da ignorare la luce continua e accecante del plasma di saldatura. Invece di cercare di bloccare la luce con schermi fisici, che nasconderebbero proprio l'area che vogliono studiare, utilizzano un trucco di tempistica. Illuminano il metallo con un laser blu che lampeggia per soli 150 nanosecondi — un tempo così breve che è quasi istantaneo. La telecamera è sincronizzata per aprire l'otturatore esattamente per quel brevissimo momento. Poiché la luce accecante del plasma è continua e il lampo del laser è così breve, la telecamera cattura solo il riflesso nitido del laser blu dalla superficie del metallo, mentre il bagliore travolgente del plasma rimane efficacemente invisibile. Ciò consente loro di vedere il pattern a macchie (speckle pattern) dipinto sul metallo e tracciarne il movimento con alta precisiono, anche quando la temperatura vicino alla saldatura supera i 2.000 gradi Celsius.
Per testare questo metodo, il team ha saldato insieme due piastre di lega di titanio, un materiale noto come Ti6Al4V, ampiamente utilizzato nel settore aerospaziale. Hanno allestito l'esperimento in due modi diversi: uno in cui le piastre di metallo erano tenute rigidamente in posizione da un morsetto, e un altro in cui le piastre erano libere di muoversi durante il raffreddamento. Utilizzando il loro nuovo sistema a singola telecamera, hanno registrato migliaia di immagini mentre il laser si muoveva lungo la giuntura. In un confronto diretto, un sistema di telecamere standard che utilizza la luce blu è fallito immediatamente, con le immagini che diventavano completamente bianche e inutilizzabili nel momento in cui la saldatura è iniziata. Al contrario, il nuovo sistema ha prodotto immagini chiare e nitide durante tutto il processo, dal momento in cui il laser ha toccato il metallo fino al lungo periodo di raffreddamento che è seguito. I ricercatori sono stati in grado di mappare l'intera superficie del metallo, osservando come si espandesse durante il riscaldamento e poi si contraesse durante il raffreddamento.
I risultati hanno mostrato una storia chiara di come si comporta il metallo. Mentre il laser si muoveva, l'area direttamente davanti ad esso si espandeva a causa del calore, mentre l'area dietro di esso iniziava a contrarsi. I ricercatori hanno osservato che il metallo si allungava lungo la direzione della saldatura e inoltre veniva tirato verso l'interno dai lati. Quando il metallo era bloccato in un morsetto, il movimento laterale era limitato, portando a una minore distorsione complessiva. Quando il metallo era libero di muoversi, si contraeva in modo più significativo, risultando in deformazioni finali più grandi. Ciò ha confermato che tenere il metallo in posizione cambia il modo in cui lo stress si accumula e si assesta. Lo studio dimostra che questa tecnica di telecamera a gate temporale può catturare con successo l'intera storia della deformazione durante la saldatura laser, un compito precedentemente impossibile a causa della luce intensa. Fornendo dati chiari su come il titanio si muove e cambia forma durante il processo, questo metodo offre un modo affidabile per verificare i modelli informatici e migliorare la produzione di componenti critici, garantendo che la prossima generazione di velivoli e navi oceaniche rimanga sicura e durevole.
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