Efecto plasma en el proceso de soldadura láser

Efecto plasma en el proceso de soldadura láser.

En Los soldadura por láser En el proceso, el plasma es un fenómeno común que tiene un impacto importante en el efecto y la calidad del proceso de soldadura. El plasma está compuesto de gas ionizado en el que los átomos o moléculas del gas pierden o ganan electrones, formando iones positivos y electrones libres. Este estado de la materia se considera el cuarto estado de la materia, diferente de los sólidos, líquidos y gases.

1.1 Efecto del plasma: definición de plasma

Generación de plasma

In soldadura por láser, la generación de plasma suele seguir los siguientes pasos:

Radiación láser: cuando un rayo láser de alta energía incide en la superficie de una pieza de trabajo, primero calienta la superficie, lo que hace que el material se evapore rápidamente.

Soldadura por láser Suele ir acompañado de un vórtice de llamas, que incluye chorros de llamas, luz amarilla, luz azul y luz violeta. Esta llama a menudo se denomina plasma.

Definición de plasma: El plasma generado por la vaporización de materiales metálicos debido a la radiación láser durante el proceso de soldadura láser se denomina plasma fotoinducido. Los principales componentes del plasma fotoinducido son vapores metálicos, electrones libres, iones y partículas eléctricamente neutras.

El plasma, también conocido como gas ionizado, está compuesto por iones producidos tras la ionización de átomos o grupos atómicos con algunos electrones despojados. Es un gas ionizado macroscópicamente eléctricamente neutro en una escala mayor que la longitud de Debye. Su movimiento está dominado principalmente por fuerzas electromagnéticas y muestra un comportamiento colectivo significativo.

1.2 Efecto del plasma: formación del plasma

Evaporación e ionización del material: debido a la alta energía del láser, el material evaporado (generalmente vapor de metal) absorberá aún más la energía del láser. Cuando la energía es lo suficientemente alta, los átomos y moléculas del vapor se ionizarán para formar un plasma. Durante este proceso, los electrones se extraen de los átomos o moléculas, creando una gran cantidad de electrones libres e iones positivos.

Formación de una nube de plasma: el plasma formado formará una estructura similar a una nube, que se ubica entre el rayo láser y la superficie de la pieza de trabajo. Debido a sus características de alta temperatura y alta densidad, la nube de plasma puede absorber y dispersar más energía láser, afectando la transmisión del rayo láser.

Durante el proceso de soldadura por penetración profunda con láser, cuando la densidad de energía del láser incidente es lo suficientemente grande, puede vaporizar el metal y formar un ojo de cerradura en el charco fundido. Simultáneamente, los electrones libres en el vapor metálico se rocían desde la superficie del metal y el El ojo de la cerradura, así como los que forman parte del gas protector, se aceleran al absorber la energía del láser. Esto aumenta su energía cinética, lo que los lleva a chocar con las partículas de vapor y el gas protector, desencadenando así una reacción en cadena. Este proceso da como resultado una ionización sustancial, formando una densa capa de plasma sobre el ojo de la cerradura. Esta capa de plasma denso puede tener un impacto significativo en el proceso de soldadura láser.

1.3 Efecto del plasma: periodicidad del plasma

1.4 El papel del plasma en la transmisión de energía.

Durante el proceso de soldadura láser de alta potencia, a medida que el rayo láser con una alta densidad de energía emite continuamente, la energía se transfiere a la superficie de la pieza de trabajo, derritiendo y evaporando constantemente el material metálico. La nube de vapor se pulveriza rápidamente hacia arriba desde el ojo de la cerradura y se ioniza rápidamente una vez que cumple las condiciones de ionización, formando así un plasma. El plasma generado se compone principalmente de plasma de vapor metálico.

Una vez formado el plasma, refracta y absorbe el haz de luz incidente provocando reflexión, dispersión y absorción, lo que puede proteger el rayo láser. Esto afecta en consecuencia al acoplamiento de la energía láser y la pieza de trabajo, influyendo en factores como la profundidad de fusión, la generación de poros y la composición de la costura de soldadura. En última instancia, esto afecta directamente a la calidad de la soldadura láser y a la fiabilidad del proceso.

1.5 Refracción del láser por plasma

Cuanto más plasma se acumula, más afecta a la soldadura láser. Cuanto más diverge el láser, menor es la densidad de energía, lo que provoca una fuerte disminución en la profundidad de fusión. Por lo tanto, a menudo se producen problemas comunes como una soldadura incompleta debido a la ausencia de gas protector.

Efecto de lente negativa de plasma

El aire es un medio ópticamente denso, mientras que el plasma es un medio ópticamente escaso. Su refracción del láser da como resultado un rayo láser divergente, lo que degrada el rendimiento de enfoque del láser y hace que el láser diverja, reduciendo así la densidad de energía. Cuando el rayo láser incidente pasa a través del plasma, también provoca un cambio en la dirección del Propagación del rayo láser. El ángulo de desviación está relacionado con el gradiente de densidad de electrones y la longitud del plasma. Esto puede hacer que la densidad de energía que llega a la superficie del material sea desigual y las fluctuaciones de energía cambiarán junto con las fluctuaciones del plasma.

Como se muestra en la imagen de arriba: el plasma es como una lente, situada entre el material y el láser. Los diferentes métodos de soplado producirán diferentes efectos de soldadura: es posible que el soplado lateral no sople el plasma y el soplado directo es mejor.

1.6 Absorción de luz láser por plasma.

La absorción de energía láser por parte del plasma hace que su temperatura y grado de ionización sigan aumentando. El proceso de absorción se puede dividir en absorción normal y absorción anormal.

La absorción normal, también conocida como absorción de bremsstrahlung inversa, se refiere a la situación en la que los electrones son excitados por el campo eléctrico del láser y sufren oscilaciones de alta frecuencia. Chocan con las partículas circundantes (principalmente iones), transfiriéndose energía entre sí, aumentando así la temperatura y la ionización del plasma.

La absorción anómala se refiere a un proceso en el que la energía del láser se convierte en energía de ondas de plasma a través de una serie de mecanismos sin colisión y luego se convierte en energía térmica de plasma a través de diferentes mecanismos de disipación, que luego se conduce al aire y se disipa.

Debido al efecto de absorción del plasma sobre el láser, sólo una parte de la energía láser incidente puede atravesar el plasma y alcanzar la superficie de la pieza de trabajo. Esto aumenta la pérdida de transmisión de energía en la trayectoria óptica externa (desde el láser QBH hasta la superficie del material), reduce la densidad de energía del láser y disminuye la tasa de absorción general. Si la ventana está en el límite superior, puede provocar fácilmente una soldadura falsa, especialmente en materiales de alta reflectancia (como el aluminio y el cobre).

1.7 Supresión del efecto plasma

Los principales factores que afectan el índice de refracción del plasma y el efecto negativo de la lente son:

Densidad de potencia del láser:

Cuanto mayor sea la densidad de potencia, mayor será la temperatura del plasma, lo que significa mayor será la densidad de electrones en el plasma. Cuanto mayor es la densidad de electrones, menor es el índice de refracción, lo que mejora el efecto de lente negativo.

Longitud de onda del láser: la relación entre la longitud de onda y la frecuencia angular es ω = 2πc/λ (donde c es la velocidad de la luz y λ es la longitud de onda). Cuanto mayor es la longitud de onda del láser, menores son la frecuencia angular y el índice de refracción, por lo que el efecto negativo de la lente es más pronunciado. La soldadura de onda corta (luz azul, luz verde) tiene ventajas y es relativamente más estable.

Tipo de gas protector: A la misma temperatura, el grado de ionización del argón es mayor, lo que da como resultado una mayor densidad electrónica y un índice de refracción menor, lo que hace que el efecto de lente negativa sea más pronunciado. En comparación, el efecto protector del gas helio es mejor.

Flujo de gas protector: aumentar el caudal de gas dentro de un cierto rango puede eliminar la nube de plasma sobre el charco fundido, reduciendo así el efecto de lente negativo del plasma.

Materiales a soldar: Generalmente no hay elección. Cuando el punto de fusión del material a soldar es bajo y fácil de ionizar, la densidad del número de electrones en el plasma aumenta, lo que resulta en un aumento significativo del efecto de lente negativo. Si esta posibilidad es que el láser tenga un mayor impacto, se deben considerar otros procesamientos de haz de alta energía, como por ejemplo haces de electrones.

Existen muchos factores que afectan al plasma durante el proceso de soldadura, que se pueden resumir en los siguientes:

Longitud de onda del láser: el valor de ignición y el umbral de mantenimiento del plasma son proporcionales al cuadrado de la longitud de onda. Los láseres de onda corta (luz azul, luz verde) tienen tiempos de mantenimiento del plasma cortos y el proceso será más estable;

Densidad de potencia del láser: la temperatura de los electrones y la densidad del plasma aumentan con el aumento de la densidad de potencia del láser. La densidad de potencia excesiva es la causa principal de la inestabilidad del plasma (la fuente de calor compuesta (punto anular, compuesto de fibra semiconductora, compuesto de arco láser) puede lograr control de distribución de energía de fuente de calor en comparación con la soldadura láser de fibra única, el efecto plasma tiene menos impacto en el proceso de soldadura;

Tamaño del punto: cuanto menor sea el diámetro del punto, mayor será el valor de ignición del plasma y el valor de mantenimiento (se puede evitar la soldadura oscilante);

Propiedades del material: La densidad y la energía de ionización del material tienen una gran influencia en el plasma. Cuanto menor es la energía de ionización y mayor la reflectividad del metal, más susceptible es al efecto plasma que afecta la estabilidad de la soldadura de penetración profunda;

Gas ambiente y presión: generalmente se cree que los gases con buena conductividad térmica y alta energía de ionización tienen un valor de ignición del plasma y un umbral de mantenimiento altos. Cuanto menor sea la presión del aire ambiente, menor será la temperatura de los electrones, la densidad de los electrones y la altura del centro del plasma. En condiciones de vacío y presión negativa, la soldadura láser de penetración profunda es más estable que la presión normal;

Flujo de gas: a medida que aumenta el caudal de gas ambiental, el volumen del plasma disminuirá, reduciendo así la tasa de absorción del láser, lo que también puede reducir eficazmente el impacto del plasma en el proceso de soldadura de penetración profunda, sin embargo, el exceso de aire. El flujo provocará fluctuaciones en la superficie del baño de soldadura y salpicaduras de metal fundido, así como grietas y defectos de rugosidad de la superficie causados ​​por una disipación excesiva de calor.

Velocidad de soldadura: la temperatura central del plasma aumenta con la disminución de la velocidad de soldadura. Cuanto menor sea la velocidad de soldadura, más fácil será generar plasma y más inestable será. Hasta cierto punto, aumentar la velocidad también puede mejorar la estabilidad del proceso de soldadura.

Controle el plasma cambiando algunos de los factores anteriores para reducir o eliminar su interferencia con el láser.

Los métodos de control incluyen los siguientes:

Soldadura por oscilación: el cabezal de procesamiento láser oscila hacia adelante y hacia atrás a lo largo de la dirección de soldadura. Después de que aparece el ojo de la cerradura y antes de que se forme el plasma, el punto de luz se mueve instantáneamente al borde posterior del baño de soldadura u otra ubicación para evitar que el plasma afecte la ruta de transmisión de la luz.

Soldadura por láser de pulso: Ajuste del pulso y la frecuencia del láser para que el tiempo de irradiación del láser sea menor que el tiempo de formación del plasma. Esto garantiza que el láser siempre incida durante la fase de dispersión del ciclo de formación y disipación del plasma, evitando interferencias del plasma en la transmisión de luz.

Soldadura a baja presión: al utilizar soldadura a presión reducida, cuando la presión está por debajo de cierto nivel, la densidad del vapor metálico en la superficie del material y dentro del ojo de la cerradura es pequeña y el plasma desaparece.

Soplar gas protector:

Una es utilizar gas auxiliar para eliminar el plasma;

Otro método consiste en suprimir la ionización de gases ambientales y comprimir el vapor de iones metálicos utilizando un gas con buena conductividad térmica y alta energía de ionización. Se puede utilizar una boquilla de doble capa coaxial con el soplado principal. La boquilla exterior forma un cierto ángulo con la dirección horizontal. El componente radial del flujo de aire de la capa exterior se utiliza para soplar el plasma. También se puede utilizar una boquilla de tubo recto para apuntar al plasma y soplar aire lateralmente en la dirección de soldadura. Tiene requisitos estrictos para la precisión del posicionamiento de la boquilla de soplado lateral y el control del flujo de aire. Entre muchos métodos de control, controlar el plasma a través del flujo de aire es relativamente flexible y simple. Por lo tanto, el gas protector de soplado lateral es un método ampliamente utilizado en la soldadura láser de penetración profunda.

El láser emite, irradia la superficie del material y genera un plasma. Cuando la densidad del plasma fotoinducido es demasiado alta, aumentará significativamente la pérdida de energía del láser, debilitando la densidad de energía incidente en la superficie de la pieza de trabajo. La cantidad de vapor metálico producido disminuye y el plasma desaparece gradualmente. En este momento, el láser se puede irradiar directamente sobre la superficie de la pieza de trabajo, regenerando una gran cantidad de vapor metálico y la intensidad del plasma aumenta gradualmente, protegiendo el láser incidente. de nuevo. La intensidad del plasma permanece en un proceso de cambio periódico. Mediante análisis espectral y grabación de vídeo de alta velocidad, se observa que la frecuencia de las oscilaciones de intensidad del plasma es de aproximadamente unos pocos cientos de hercios. Esto también puede provocar fluctuaciones dentadas periódicas en la soldadura por láser, especialmente en la soldadura de placas delgadas (la modulación láser con modulación CW es una dirección para abordar estos problemas).