Plasmaeffekt im Laserschweißprozess

Plasmaeffekt im Laserschweißprozess

Im Laserschweißen Plasma ist ein weit verbreitetes Phänomen, das einen wichtigen Einfluss auf die Wirkung und Qualität des Schweißprozesses hat. Plasma besteht aus ionisiertem Gas, in dem Atome oder Moleküle im Gas Elektronen verlieren oder gewinnen und so positive Ionen und freie Elektronen bilden. Dieser Aggregatzustand wird als vierter Aggregatzustand betrachtet und unterscheidet sich von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen.

1.1 Plasmaeffekt – Plasmadefinition

Erzeugung von Plasma

In LaserschweißenDie Plasmaerzeugung erfolgt üblicherweise in folgenden Schritten:

Laserstrahlung: Wenn ein hochenergetischer Laserstrahl auf die Oberfläche eines Werkstücks trifft, erhitzt er zunächst die Oberfläche, wodurch das Material schnell verdampft.

Laserschweißen wird normalerweise von einem Flammenwirbel begleitet, der Flammenstrahlen, gelbes Licht, blaues Licht und violettes Licht umfasst. Diese Flamme wird oft als Plasma bezeichnet.

Plasmadefinition: Das durch die Verdampfung metallischer Werkstoffe durch Laserstrahlung während des Laserschweißprozesses erzeugte Plasma wird als fotoinduziertes Plasma bezeichnet. Die Hauptbestandteile des photoinduzierten Plasmas sind Metalldampf, freie Elektronen, Ionen und elektrisch neutrale Teilchen.

Plasma, auch ionisiertes Gas genannt, besteht aus Ionen, die nach der Ionisierung von Atomen oder Atomgruppen mit einigen entzogenen Elektronen entstehen. Es handelt sich um ein makroskopisch elektrisch neutrales ionisiertes Gas auf einer Skala größer als die Debye-Länge. Seine Bewegung wird hauptsächlich von elektromagnetischen Kräften dominiert und zeigt ein signifikantes kollektives Verhalten.

1.2 Plasmaeffekt – Plasmabildung

Materialverdampfung und Ionisierung: Aufgrund der hohen Energie des Lasers absorbiert das verdampfte Material (normalerweise Metalldampf) die Laserenergie weiter. Wenn die Energie hoch genug ist, werden die Atome und Moleküle im Dampf ionisiert und bilden ein Plasma. Bei diesem Prozess werden Elektronen aus Atomen oder Molekülen herausgedrückt, wodurch eine große Anzahl freier Elektronen und positiver Ionen entsteht.

Bildung einer Plasmawolke: Das gebildete Plasma bildet eine wolkenartige Struktur, die sich zwischen dem Laserstrahl und der Oberfläche des Werkstücks befindet. Aufgrund ihrer hohen Temperatur und hohen Dichte kann die Plasmawolke mehr Laserenergie absorbieren und streuen, was die Übertragung des Laserstrahls beeinträchtigt.

Während des Laser-Tiefschweißens kann die Energiedichte des einfallenden Lasers, wenn die Energiedichte des einfallenden Lasers groß genug ist, das Metall verdampfen und ein Schlüsselloch im Schmelzbad bilden. Gleichzeitig werden die freien Elektronen im Metalldampf von der Metalloberfläche gesprüht Schlüsselloch sowie Teile des Schutzgases werden durch die Absorption von Laserenergie beschleunigt. Dadurch erhöht sich ihre kinetische Energie, wodurch sie mit den Dampfpartikeln und dem Schutzgas kollidieren und so eine Kettenreaktion auslösen. Dieser Prozess führt zu einer starken Ionisierung und bildet eine dichte Plasmaschicht über dem Schlüsselloch. Diese Schicht aus dichtem Plasma kann erhebliche Auswirkungen auf den Laserschweißprozess haben.

1.3 Plasmaeffekt – Plasmaperiodizität

1.4 Die Rolle von Plasma bei der Energieübertragung

Während des Hochleistungslaserschweißprozesses wird durch die kontinuierliche Abgabe eines Laserstrahls mit hoher Energiedichte Energie auf die Oberfläche des Werkstücks übertragen, wodurch das Metallmaterial ständig geschmolzen und verdampft wird. Die Dampfwolke sprüht schnell aus dem Schlüsselloch nach oben und ionisiert schnell, sobald sie die Ionisierungsbedingungen erfüllt, wodurch ein Plasma entsteht. Das erzeugte Plasma besteht hauptsächlich aus Metalldampfplasma.

Nachdem sich das Plasma gebildet hat, bricht und absorbiert es den einfallenden Lichtstrahl, was zu Reflexion, Streuung und Absorption führt, die den Laserstrahl abschirmen können. Dies hat Auswirkungen auf die Kopplung von Laserenergie und Werkstück und beeinflusst Faktoren wie die Einschmelztiefe, die Porenbildung und die Zusammensetzung der Schweißnaht. Dies wirkt sich letztlich direkt auf die Qualität des Laserschweißens und die Zuverlässigkeit des Prozesses aus.

1.5 Laserbrechung durch Plasma

Je mehr Plasma sich ansammelt, desto stärker beeinträchtigt es das Laserschweißen. Je stärker der Laser divergiert, desto geringer ist die Energiedichte, was zu einem starken Rückgang der Schmelztiefe führt. Daher treten aufgrund des Fehlens von Schutzgas häufig Probleme wie unvollständiges Schweißen auf.

Plasma-Negativlinseneffekt

Luft ist ein optisch dichtes Medium, während Plasma ein optisch dünnes Medium ist. Ihre Brechung des Lasers führt zu einem divergierenden Laserstrahl, der die Fokussierungsleistung des Lasers beeinträchtigt und dazu führt, dass der Laser divergiert, wodurch die Energiedichte sinkt. Wenn der einfallende Laserstrahl das Plasma durchquert, führt dies auch zu einer Richtungsänderung des Lasers Laserstrahlausbreitung. Der Ablenkwinkel hängt vom Elektronendichtegradienten und der Länge des Plasmas ab. Dies kann dazu führen, dass die Energiedichte, die die Materialoberfläche erreicht, ungleichmäßig ist und sich die Energieschwankungen zusammen mit den Schwankungen im Plasma ändern.

Wie im Bild oben gezeigt: Das Plasma liegt wie eine Linse zwischen dem Material und dem Laser. Unterschiedliche Blasmethoden führen zu unterschiedlichen Schweißeffekten: Seitenblasen bläst das Plasma möglicherweise nicht, direktes Blasen ist besser.

1.6 Absorption von Laserlicht durch Plasma

Durch die Absorption der Laserenergie durch das Plasma steigen dessen Temperatur und Ionisierungsgrad weiter an. Der Absorptionsprozess kann in normale und abnormale Absorption unterteilt werden.

Unter normaler Absorption, auch als inverse Bremsstrahlungsabsorption bekannt, versteht man die Situation, in der Elektronen durch das elektrische Feld des Lasers angeregt werden und hochfrequente Schwingungen erfahren. Sie kollidieren mit umgebenden Teilchen (hauptsächlich Ionen), übertragen Energie aufeinander und erhöhen dadurch die Temperatur und Ionisierung des Plasmas.

Anomale Absorption bezieht sich auf einen Prozess, bei dem Laserenergie durch eine Reihe von kollisionsfreien Mechanismen in Plasmawellenenergie umgewandelt wird und dann durch verschiedene Dissipationsmechanismen in thermische Plasmaenergie umgewandelt wird, die dann in die Luft geleitet und dissipiert wird.

Aufgrund der absorbierenden Wirkung des Plasmas auf den Laser kann nur ein Teil der einfallenden Laserenergie das Plasma durchdringen und die Oberfläche des Werkstücks erreichen. Dies erhöht den Energieübertragungsverlust im externen optischen Pfad (vom Laser-QBH zur Materialoberfläche), verringert die Laserenergiedichte und verringert die Gesamtabsorptionsrate. Befindet sich das Fenster an der oberen Grenze, kann es insbesondere bei stark reflektierenden Materialien (wie Aluminium und Kupfer) leicht zu Fehlschweißungen kommen.

1.7 Unterdrückung des Plasmaeffekts

Die Hauptfaktoren, die den Plasmabrechungsindex und den negativen Linseneffekt beeinflussen, sind:

Laserleistungsdichte:

Je höher die Leistungsdichte, desto höher ist die Temperatur des Plasmas und desto größer ist die Elektronendichte im Plasma. Je höher die Elektronendichte, desto kleiner ist der Brechungsindex, wodurch der negative Linseneffekt verstärkt wird.

Laserwellenlänge: Die Beziehung zwischen Wellenlänge und Kreisfrequenz beträgt ω = 2πc/λ (wobei c die Lichtgeschwindigkeit und λ die Wellenlänge ist). Je größer die Laserwellenlänge, desto kleiner sind Kreisfrequenz und Brechungsindex, wodurch der negative Linseneffekt stärker ausgeprägt ist. Kurzwellenschweißen (blaues Licht, grünes Licht) hat Vorteile und ist relativ stabiler.

Art des Schutzgases: Bei gleicher Temperatur ist der Ionisierungsgrad von Argon höher, was zu einer höheren Elektronendichte und einem kleineren Brechungsindex führt, wodurch der negative Linseneffekt stärker ausgeprägt ist. Im Vergleich dazu ist die Schutzwirkung von Heliumgas besser.

Schutzgasfluss: Durch Erhöhen des Gasflusses innerhalb eines bestimmten Bereichs kann die Plasmawolke über dem Schmelzbad weggeblasen werden, wodurch der negative Linseneffekt des Plasmas verringert wird.

Zu schweißende Materialien: Im Allgemeinen gibt es keine Wahl. Wenn der Schmelzpunkt des zu schweißenden Materials niedrig und leicht ionisierbar ist, erhöht sich die Elektronenzahldichte im Plasma, was zu einem deutlichen Anstieg des negativen Linseneffekts führt. Wenn die Möglichkeit besteht, dass der Laser eine größere Wirkung hat, sollten andere hochenergetische Strahlbearbeitungen wie Elektronenstrahlen in Betracht gezogen werden.

Es gibt viele Faktoren, die das Plasma während des Schweißprozesses beeinflussen, die sich wie folgt zusammenfassen lassen:

Laserwellenlänge: Zündwert und Erhaltungsschwelle des Plasmas sind proportional zum Quadrat der Wellenlänge. Kurzwellige Laser (blaues Licht, grünes Licht) haben kurze Plasmaerhaltungszeiten und der Prozess ist stabiler;

Laserleistungsdichte: Die Elektronentemperatur und die Dichte des Plasmas steigen mit zunehmender Laserleistungsdichte. Eine übermäßige Leistungsdichte ist die Hauptursache für die Plasmainstabilität (Verbundwärmequelle (Ringfleck, Faser-Halbleiter-Verbundwerkstoff, Laserbogen-Verbundwerkstoff)). Kontrolle der Wärmequellenenergieverteilung (im Vergleich zum Einzelfaserlaserschweißen hat der Plasmaeffekt weniger Einfluss auf den Schweißprozess).

Punktgröße: Je kleiner der Punktdurchmesser, desto höher sind der Plasmazündwert und der Erhaltungswert (Wackelschweißen kann vermieden werden);

Materialeigenschaften: Die Dichte und Ionisierungsenergie des Materials haben großen Einfluss auf das Plasma. Je niedriger die Ionisierungsenergie und je höher das Reflexionsvermögen des Metalls, desto anfälliger ist es für den Plasmaeffekt, der die Stabilität des Tiefschweißens beeinträchtigt.

Umgebungsgas und Druck: Es wird allgemein angenommen, dass Gase mit guter Wärmeleitfähigkeit und hoher Ionisierungsenergie einen hohen Plasmazündwert und eine hohe Aufrechterhaltungsschwelle haben. Je niedriger der Umgebungsluftdruck, desto niedriger sind die Elektronentemperatur, die Elektronendichte und die Höhe des Plasmazentrums. Unter Vakuum- und Unterdruckbedingungen ist das Laser-Tiefschweißen stabiler als Normaldruck;

Gasfluss: Wenn die Flussrate des Umgebungsgases zunimmt, nimmt das Volumen des Plasmas ab, wodurch die Absorptionsrate des Lasers verringert wird, wodurch auch die Auswirkungen des Plasmas auf den Tiefschweißprozess wirksam verringert werden können, jedoch überschüssige Luft Die Strömung führt zu Oberflächenschwankungen im Schweißbad und Spritzern von geschmolzenem Metall sowie zu Rissen und Oberflächenrauheitsfehlern, die durch übermäßige Wärmeableitung verursacht werden.

Schweißgeschwindigkeit: Die Kerntemperatur des Plasmas steigt mit abnehmender Schweißgeschwindigkeit. Je niedriger die Schweißgeschwindigkeit, desto leichter lässt sich Plasma erzeugen und desto instabiler ist es. In gewissem Maße kann eine Erhöhung der Geschwindigkeit auch die Stabilität des Schweißprozesses verbessern.

Steuern Sie das Plasma, indem Sie einige der oben genannten Faktoren ändern, um seine Interferenz mit dem Laser zu reduzieren oder zu beseitigen

Die Kontrollmethoden umfassen Folgendes:

Schwenkschweißen: Der Laserbearbeitungskopf schwenkt entlang der Schweißrichtung hin und her. Nachdem das Schlüsselloch erscheint und bevor sich das Plasma bildet, wird der Lichtfleck sofort an die Hinterkante des Schweißbades oder an eine andere Stelle bewegt, um zu vermeiden, dass das Plasma den Lichtübertragungsweg beeinträchtigt.

Pulslaserschweißen: Anpassen des Pulses und der Frequenz des Lasers, um die Bestrahlungszeit des Lasers kürzer als die Bildungszeit des Plasmas zu machen. Dadurch wird sichergestellt, dass der Laser immer während der Dispersionsphase des Plasmabildungs- und -dissipationszyklus trifft, wodurch eine Beeinträchtigung der Lichtübertragung durch das Plasma vermieden wird.

Niederdruckschweißen: Beim Unterdruckschweißen ist die Metalldampfdichte auf der Materialoberfläche und im Schlüsselloch gering, wenn der Druck unter einem bestimmten Wert liegt, und das Plasma verschwindet.

Schutzgas einblasen:

Eine besteht darin, Hilfsgas zum Wegblasen des Plasmas zu verwenden.

Eine andere Methode besteht darin, die Ionisierung von Umweltgasen zu unterdrücken und Metallionendampf mithilfe eines Gases mit guter Wärmeleitfähigkeit und hoher Ionisierungsenergie zu komprimieren. Es kann eine zur Hauptblasdüse koaxiale Doppelschichtdüse verwendet werden. Die äußere Düse bildet mit der horizontalen Richtung einen bestimmten Winkel. Die radiale Komponente des Luftstroms aus der Außenschicht wird zum Umblasen des Plasmas genutzt. Eine gerade Rohrdüse kann auch verwendet werden, um auf das Plasma zu zielen und Luft seitlich in Schweißrichtung zu blasen. Es werden strenge Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit der Seitenblasdüsen und die Luftstromsteuerung gestellt. Unter vielen Steuerungsmethoden ist die Steuerung des Plasmas durch Luftstrom relativ flexibel und einfach. Daher ist das seitliche Einblasen von Schutzgas eine weit verbreitete Methode beim Laser-Tiefschweißen.

Der Laser emittiert, bestrahlt die Oberfläche des Materials und erzeugt ein Plasma. Wenn die Dichte des fotoinduzierten Plasmas zu hoch ist, erhöht sich der Verlust an Laserenergie erheblich und die auf die Werkstückoberfläche einfallende Energiedichte wird geschwächt. Die Menge des erzeugten Metalldampfs nimmt ab und das Plasma verschwindet allmählich. Zu diesem Zeitpunkt kann der Laser direkt auf die Oberfläche des Werkstücks gestrahlt werden, wodurch eine große Menge Metalldampf regeneriert wird, und die Plasmaintensität nimmt allmählich zu, wodurch der einfallende Laser abgeschirmt wird wieder. Die Intensität des Plasmas befindet sich in einem periodischen Veränderungsprozess. Durch Spektralanalyse und Hochgeschwindigkeitsvideoaufzeichnung wurde beobachtet, dass die Frequenz der Plasmaintensitätsschwankungen etwa einige hundert Hertz beträgt. Dies kann auch zu periodischen zackenförmigen Schwankungen beim Laserschweißen führen, insbesondere beim Schweißen dünner Bleche (Lasermodulation CW-moduliert ist eine Richtung, um diese Probleme anzugehen).