Plazmový efekt v procesu laserového svařování Česká republika

Plazmový efekt v procesu laserového svařování

v laserové svařování plazma je běžným jevem, který má významný vliv na účinek a kvalitu svařovacího procesu. Plazma se skládá z ionizovaného plynu, ve kterém atomy nebo molekuly v plynu ztrácejí nebo získávají elektrony, tvoří kladné ionty a volné elektrony. Toto skupenství hmoty je považováno za čtvrté skupenství hmoty, odlišné od pevných látek, kapalin a plynů.

1.1 Plazmový efekt – definice plazmy

Generování plazmy

In laserové svařováníGenerování plazmy obvykle probíhá v následujících krocích:

Laserové záření: Když vysokoenergetický laserový paprsek dopadá na povrch obrobku, nejprve povrch zahřeje, což způsobí rychlé odpaření materiálu.

Laserové svařování je obvykle doprovázeno plamenným vírem, který zahrnuje proudy plamenů, žluté světlo, modré světlo a fialové světlo. Tento plamen je často označován jako plazma.

Definice plazmy: Plazma generované odpařováním kovových materiálů v důsledku laserového záření během procesu laserového svařování se nazývá fotoindukované plazma. Hlavními složkami fotoindukovaného plazmatu jsou kovové páry, volné elektrony, ionty a elektricky neutrální částice.

Plazma, také známé jako ionizovaný plyn, se skládá z iontů vytvořených po ionizaci atomů nebo atomových skupin s některými zbavenými elektrony. Je to makroskopicky elektricky neutrální ionizovaný plyn v měřítku větším, než je Debyeova délka. Jeho pohybu dominují především elektromagnetické síly a vykazuje výrazné kolektivní chování.

1.2 Plazmový efekt – tvorba plazmy

Odpařování a ionizace materiálu: Vzhledem k vysoké energii laseru bude odpařený materiál (obvykle kovové páry) dále absorbovat energii laseru. Když je energie dostatečně vysoká, atomy a molekuly v páře budou ionizovány za vzniku plazmy. Během tohoto procesu jsou elektrony vytlačovány z atomů nebo molekul, čímž vzniká velké množství volných elektronů a kladných iontů.

Vznik plazmového mraku: Vytvořené plazma vytvoří mrakovitou strukturu, která se nachází mezi laserovým paprskem a povrchem obrobku. Díky své vysoké teplotě a vysoké hustotě může plazmový oblak absorbovat a rozptylovat více laserové energie, což ovlivňuje přenos laserového paprsku.

Během procesu svařování hlubokou penetrací laserem, kdy je hustota energie dopadajícího laseru dostatečně velká, může kov odpařit a vytvořit klíčovou dírku v roztavené lázni. Současně volné elektrony v páře kovu stříkají z povrchu kovu a klíčová dírka, stejně jako ty, které jsou součástí ochranného plynu, se urychlují absorbováním laserové energie. To zvyšuje jejich kinetickou energii, což je vede ke kolizi s částicemi páry a ochranným plynem, čímž se spouští řetězová reakce. Tento proces má za následek podstatnou ionizaci, která vytváří hustou plazmatickou vrstvu nad klíčovou dírkou. Tato vrstva husté plazmy může mít významný dopad na proces laserového svařování.

1.3 Plazmový efekt - Plazmová periodicita

1.4 Úloha plazmatu při přenosu energie

Během procesu vysokovýkonného laserového svařování, kdy laserový paprsek s vysokou hustotou energie nepřetržitě vychází, se energie přenáší na povrch obrobku, přičemž se neustále taví a odpařuje kovový materiál. Oblak páry rychle stříká nahoru z klíčové dírky a rychle se ionizuje, jakmile splní podmínky ionizace, čímž se vytvoří plazma. Generované plazma sestává především z plazmatu kovových par.

Poté, co se plazma vytvoří, láme a absorbuje dopadající světelný paprsek, což způsobuje odraz, rozptyl a absorpci, které mohou stínit laserový paprsek. To následně ovlivňuje vazbu energie laseru a obrobku, což ovlivňuje faktory, jako je hloubka tavení, tvorba pórů a složení svarového švu. V konečném důsledku to přímo ovlivňuje kvalitu laserového svařování a spolehlivost procesu.

1.5 Refrakce laseru plazmou

Čím více se plazma hromadí, tím více ovlivňuje laserové svařování. Čím více se laser rozbíhá, tím nižší je hustota energie, což vede k prudkému poklesu hloubky tavení. Proto se často vyskytují běžné problémy, jako je neúplné svařování, kvůli absenci ochranného plynu.

Plazmový negativní efekt čočky

Vzduch je opticky husté médium, zatímco plazma je opticky řídké médium. Jejich lom laseru má za následek divergující laserový paprsek, který zhoršuje zaostřovací výkon laseru a způsobuje divergenci laseru, čímž se snižuje hustota energie. Když dopadající laserový paprsek prochází plazmatem, způsobuje také změnu směru šíření laserového paprsku. Úhel vychýlení souvisí s gradientem elektronové hustoty a délkou plazmatu. To může způsobit, že hustota energie dosahující povrchu materiálu bude nerovnoměrná a kolísání energie se bude měnit spolu s fluktuacemi v plazmatu.

Jak ukazuje obrázek výše: plazma je jako čočka, ležící mezi materiálem a laserem. Různé metody foukání povedou k různým svařovacím efektům: boční foukání nemusí plazmu rozfoukat a přímé foukání je lepší.

1.6 Absorpce laserového světla plazmou

Absorpce laserové energie plazmatem způsobuje, že se jeho teplota a stupeň ionizace stále zvyšují. Absorpční proces lze rozdělit na normální absorpci a abnormální absorpci.

Normální absorpce, známá také jako inverzní brzdná absorpce, označuje situaci, kdy jsou elektrony excitovány elektrickým polem laseru a podléhají vysokofrekvenčním oscilacím. Srážejí se s okolními částicemi (hlavně ionty), předávají si navzájem energii, čímž se zvyšuje teplota a ionizace plazmatu.

Anomální absorpce se týká procesu, kdy je laserová energie přeměněna na energii plazmové vlny prostřednictvím řady nekolizních mechanismů a poté přeměněna na plazmovou tepelnou energii prostřednictvím různých disipačních mechanismů, která je pak vedena do vzduchu a rozptýlena.

V důsledku absorpčního účinku plazmatu na laser může pouze část dopadající laserové energie proniknout plazmatem a dostat se na povrch obrobku. To zvyšuje ztrátu přenosu energie ve vnější optické dráze (od laseru QBH k povrchu materiálu), snižuje hustotu energie laseru a snižuje celkovou míru absorpce. Pokud je okno na horní hranici, může to snadno vést k falešnému svařování, zejména u materiálů s vysokou odrazivostí (jako je hliník a měď).

1.7 Potlačení účinku plazmy

Hlavní faktory ovlivňující index lomu plazmy a negativní efekt čočky jsou:

Hustota výkonu laseru:

Čím vyšší je hustota výkonu, tím vyšší je teplota plazmatu, což znamená větší hustotu elektronů v plazmatu. Čím vyšší je elektronová hustota, tím menší je index lomu, čímž se zesiluje negativní efekt čočky.

Vlnová délka laseru: Vztah mezi vlnovou délkou a úhlovou frekvencí je ω = 2πc/λ (kde c je rychlost světla a λ je vlnová délka). Čím větší je vlnová délka laseru, tím menší je úhlová frekvence a index lomu, takže negativní efekt čočky je výraznější. Krátkovlnné (modré světlo, zelené světlo) svařování má výhody a je relativně stabilnější.

Typ ochranného plynu: Při stejné teplotě je stupeň ionizace argonu vyšší, což má za následek větší hustotu elektronů a menší index lomu, čímž je efekt negativní čočky výraznější. Ve srovnání s tím je ochranný účinek plynného helia lepší.

Ochranný tok plynu: Zvýšení rychlosti toku plynu v určitém rozsahu může odfouknout plazmový oblak nad roztavenou lázní, čímž se sníží negativní čočkový efekt plazmy.

Materiály ke svařování: Obecně není na výběr. Když je bod tání svařovaného materiálu nízký a snadno se ionizuje, hustota elektronového čísla v plazmatu se zvyšuje, což má za následek výrazné zvýšení negativního efektu čočky. Pokud je tato možnost, že laser má větší dopad, mělo by se za formu považovat jiné zpracování vysokoenergetickým paprskem, jako jsou paprsky elektronů.

Plazma během procesu svařování ovlivňuje mnoho faktorů, které lze shrnout následovně:

Vlnová délka laseru: Hodnota vznícení a udržovací práh plazmy jsou úměrné druhé mocnině vlnové délky. Krátkovlnné lasery (modré světlo, zelené světlo) mají krátké doby údržby plazmy a proces bude stabilnější;

Hustota výkonu laseru: Elektronová teplota a hustota plazmy se zvyšují se zvyšující se hustotou výkonu laseru， Nadměrná hustota výkonu je hlavní příčinou nestability plazmatu (kompozitní zdroj tepla (prstencový bod, vlákno-polovodičový kompozit, laserový obloukový kompozit) řízení distribuce energie zdroje tepla Ve srovnání s jednovláknovým laserovým svařováním má plazmový efekt menší dopad na proces svařování.

Velikost bodu: Čím menší je průměr bodu, tím vyšší je hodnota vznícení plazmy a hodnota údržby (lze se vyhnout kolísavému svařování);

Vlastnosti materiálu: Hustota a ionizační energie materiálu mají velký vliv na plazma. Čím nižší je ionizační energie a čím vyšší je odrazivost kovu, tím je náchylnější k plazmovému efektu ovlivňujícímu stabilitu svařování s hlubokým průvarem;

Okolní plyn a tlak: Obecně se má za to, že plyny s dobrou tepelnou vodivostí a vysokou ionizační energií mají vysokou hodnotu vznícení plazmatu a prahovou hodnotu udržení. Čím nižší je tlak okolního vzduchu, tím nižší je teplota elektronů, hustota elektronů a výška středu plazmatu. Za podmínek vakua a podtlaku je svařování laserem s hlubokým průvarem stabilnější než normální tlak;

Průtok plynu: Jak se zvyšuje průtok okolního plynu, objem plazmy se bude snižovat, čímž se sníží rychlost absorpce laseru, což může také účinně snížit dopad plazmy na proces svařování s hlubokým průnikem, nicméně nadměrný vzduch proudění způsobí kolísání povrchu ve svařovací lázni a rozstřikování roztaveného kovu, jakož i trhliny a vady povrchové drsnosti způsobené nadměrným odvodem tepla.

Rychlost svařování: Teplota jádra plazmy se zvyšuje s klesající rychlostí svařování. Čím nižší je rychlost svařování, tím snazší je generování plazmy a tím je nestabilnější. Zvýšením rychlosti lze do určité míry zlepšit i stabilitu svařovacího procesu.

Ovládejte plazmu změnou některých z výše uvedených faktorů, abyste snížili nebo odstranili jeho interferenci s laserem

Kontrolní metody zahrnují následující:

Kyvné svařování: Laserová obráběcí hlava se otáčí tam a zpět ve směru svařování. Poté, co se objeví klíčová dírka a než se vytvoří plazma, se světelný bod okamžitě přesune k zadnímu okraji svarové lázně nebo na jiné místo, aby se zabránilo plazmě ovlivňovat dráhu přenosu světla.

Pulzní laserové svařování: Úprava pulzu a frekvence laseru tak, aby doba ozařování laseru byla kratší než doba tvorby plazmy. To zajišťuje, že laser vždy zasáhne během disperzní fáze cyklu tvorby a rozptylu plazmatu, čímž se zabrání interferenci plazmatu s prostupem světla.

Nízkotlaké svařování: Při použití svařování za sníženého tlaku, když je tlak pod určitou úrovní, je hustota kovových par na povrchu materiálu a uvnitř klíčové dírky malá a plazma mizí.

Ochranný plyn foukat:

Jedním z nich je použití pomocného plynu k odfouknutí plazmy;

Další metodou je potlačení ionizace okolních plynů a stlačování par kovových iontů pomocí plynu s dobrou tepelnou vodivostí a vysokou ionizační energií. Lze použít dvouvrstvou trysku koaxiální s hlavním proudem. Vnější tryska svírá s vodorovným směrem určitý úhel. Radiální složka proudu vzduchu z vnější vrstvy se používá k foukání plazmy kolem. Pro zacílení plazmy a foukání vzduchu laterálně ve směru svařování lze také použít rovnou trubkovou trysku. Má přísné požadavky na přesnost polohování trysky bočního foukání a řízení průtoku vzduchu. Mezi mnoha způsoby řízení je řízení plazmy prouděním vzduchu relativně flexibilní a jednoduché. Ochranný plyn s bočním foukáním je proto metoda široce používaná při laserovém svařování hlubokou penetrací.

Laser vystupuje, ozařuje povrch materiálu a generuje plazmu. Když je hustota fotoindukovaného plazmatu příliš vysoká, výrazně se zvýší ztráta energie laseru a zeslabí se hustota energie dopadající na povrch obrobku. Množství produkovaných kovových par se snižuje a plazma postupně mizí. V této době může být laser přímo ozářen na povrch obrobku, regeneruje se velké množství kovových par a intenzita plazmy se postupně zvyšuje, čímž se stíní dopadající laser Intenzita plazmy zůstává v procesu periodické změny. Pomocí spektrální analýzy a vysokorychlostního záznamu videa je pozorována frekvence oscilací intenzity plazmatu přibližně několik stovek Hz. To může také vést k periodickým vroubkovaným výkyvům při laserovém svařování, zejména při svařování tenkých plechů (laserová modulace CW modulovaná je směr, jak tyto problémy řešit).