Effet plasma dans le processus de soudage laser

Effet plasma dans le processus de soudage laser

Dans le la soudure au laser Dans le processus, le plasma est un phénomène courant qui a un impact important sur l'effet et la qualité du processus de soudage. Le plasma est composé de gaz ionisé dans lequel les atomes ou les molécules du gaz perdent ou gagnent des électrons, formant des ions positifs et des électrons libres. Cet état de la matière est considéré comme le quatrième état de la matière, différent des solides, des liquides et des gaz.

1.1 Effet plasma – Définition du plasma

Génération de plasma

In la soudure au laser, la génération de plasma suit généralement les étapes suivantes :

Rayonnement laser : lorsqu'un faisceau laser à haute énergie frappe la surface d'une pièce, il chauffe d'abord la surface, provoquant une évaporation rapide du matériau.

La soudure au laser est généralement accompagné d'un vortex de flammes, qui comprend des jets de flammes, de la lumière jaune, de la lumière bleue et de la lumière violette. Cette flamme est souvent appelée plasma.

Définition du plasma : Le plasma généré par la vaporisation de matériaux métalliques due au rayonnement laser lors du processus de soudage au laser est appelé plasma photo-induit. Les principaux composants du plasma photo-induit sont la vapeur métallique, les électrons libres, les ions et les particules électriquement neutres.

Le plasma, également connu sous le nom de gaz ionisé, est composé d'ions produits après l'ionisation d'atomes ou de groupes atomiques avec certains électrons dépouillés. Il s'agit d'un gaz ionisé macroscopiquement électriquement neutre à une échelle supérieure à la longueur de Debye. Son mouvement est principalement dominé par des forces électromagnétiques et montre un comportement collectif important.

1.2 Effet plasma - Formation de plasma

Évaporation et ionisation du matériau : en raison de l'énergie élevée du laser, le matériau évaporé (généralement de la vapeur métallique) absorbera davantage l'énergie du laser. Lorsque l'énergie est suffisamment élevée, les atomes et les molécules contenus dans la vapeur seront ionisés pour former un plasma. Au cours de ce processus, les électrons sont extraits des atomes ou des molécules, créant ainsi un grand nombre d'électrons libres et d'ions positifs.

Formation d'un nuage de plasma : le plasma formé formera une structure semblable à un nuage, située entre le faisceau laser et la surface de la pièce. En raison de ses caractéristiques de température et de densité élevées, le nuage de plasma peut absorber et diffuser davantage d’énergie laser, affectant ainsi la transmission du faisceau laser.

Pendant le processus de soudage par pénétration profonde au laser, lorsque la densité d'énergie du laser incident est suffisamment grande, il peut vaporiser le métal et former un trou de serrure dans le bain en fusion. Simultanément, les électrons libres de la vapeur métallique pulvérisés depuis la surface métallique et le trou de serrure, ainsi que ceux faisant partie du gaz protecteur, sont accélérés en absorbant l'énergie laser. Cela augmente leur énergie cinétique, les amenant à entrer en collision avec les particules de vapeur et le gaz protecteur, déclenchant ainsi une réaction en chaîne. Ce processus entraîne une ionisation importante, formant une couche de plasma dense au-dessus du trou de serrure. Cette couche de plasma dense peut avoir un impact significatif sur le processus de soudage laser.

1.3 Effet plasma - Périodicité du plasma

1.4 Le rôle du plasma dans la transmission de l'énergie

Pendant le processus de soudage laser à haute puissance, alors que le faisceau laser à haute densité d'énergie émet en continu, l'énergie est transférée à la surface de la pièce, faisant fondre et évaporer constamment le matériau métallique. Le nuage de vapeur se propage rapidement vers le haut depuis le trou de la serrure et s'ionise rapidement une fois qu'il remplit les conditions d'ionisation, formant ainsi un plasma. Le plasma généré est principalement constitué de plasma de vapeur métallique.

Une fois le plasma formé, il réfracte et absorbe le faisceau lumineux incident, provoquant une réflexion, une diffusion et une absorption, ce qui peut protéger le faisceau laser. Cela affecte par conséquent le couplage de l'énergie laser et de la pièce à usiner, influençant des facteurs tels que la profondeur de fusion, la génération de pores et la composition du cordon de soudure. En fin de compte, cela a un impact direct sur la qualité du soudage laser et sur la fiabilité du processus.

1.5 Réfraction du laser par plasma

Plus le plasma s’accumule, plus il affecte le soudage laser. Plus le laser diverge, plus la densité d’énergie est faible, entraînant une forte diminution de la profondeur de fusion. Par conséquent, des problèmes courants tels qu’un soudage incomplet surviennent souvent en raison de l’absence de gaz de protection.

Effet de lentille négative du plasma

L’air est un milieu optiquement dense, tandis que le plasma est un milieu optiquement clairsemé. Leur réfraction du laser entraîne un faisceau laser divergent, dégradant les performances de focalisation du laser et provoquant une divergence du laser, réduisant ainsi la densité d'énergie. Lorsque le faisceau laser incident traverse le plasma, il provoque également un changement de direction du laser. propagation du faisceau laser. L'angle de déviation est lié au gradient de densité électronique et à la longueur du plasma. Cela peut rendre inégale la densité d’énergie atteignant la surface du matériau et les fluctuations d’énergie changeront en même temps que les fluctuations du plasma.

Comme le montre l’image ci-dessus : le plasma est comme une lentille, située entre le matériau et le laser. Différentes méthodes de soufflage entraîneront différents effets de soudage : le soufflage latéral peut ne pas souffler le plasma et le soufflage direct est préférable.

1.6 Absorption de la lumière laser par plasma

L'absorption de l'énergie laser par le plasma entraîne une augmentation continue de sa température et de son degré d'ionisation. Le processus d’absorption peut être divisé en absorption normale et absorption anormale.

L'absorption normale, également connue sous le nom d'absorption de bremsstrahlung inverse, fait référence à la situation dans laquelle les électrons sont excités par le champ électrique du laser et subissent des oscillations à haute fréquence. Ils entrent en collision avec les particules environnantes (principalement des ions), se transférant de l'énergie, augmentant ainsi la température et l'ionisation du plasma.

L'absorption anormale fait référence à un processus dans lequel l'énergie laser est convertie en énergie d'onde plasma par une série de mécanismes sans collision, puis convertie en énergie thermique plasma par différents mécanismes de dissipation, qui est ensuite conduite dans l'air et dissipée.

En raison de l'effet d'absorption du plasma sur le laser, seule une partie de l'énergie laser incidente peut pénétrer dans le plasma et atteindre la surface de la pièce. Cela augmente la perte de transmission d'énergie dans le chemin optique externe (du laser QBH à la surface du matériau), réduit la densité d'énergie du laser et diminue le taux d'absorption global. Si la fenêtre se trouve à la limite supérieure, cela peut facilement conduire à de fausses soudures, en particulier dans les matériaux hautement réfléchissants (comme l'aluminium et le cuivre).

1.7 Suppression de l'effet plasma

Les principaux facteurs affectant l'indice de réfraction du plasma et l'effet de lentille négatif sont :

Densité de puissance laser :

Plus la densité de puissance est élevée, plus la température du plasma est élevée, ce qui signifie que plus la densité électronique dans le plasma est élevée. Plus la densité électronique est élevée, plus l’indice de réfraction est petit, renforçant ainsi l’effet de lentille négatif.

Longueur d'onde du laser : La relation entre la longueur d'onde et la fréquence angulaire est ω = 2πc/λ (où c est la vitesse de la lumière et λ est la longueur d'onde). Plus la longueur d'onde du laser est grande, plus la fréquence angulaire et l'indice de réfraction sont petits, l'effet de lentille négatif est donc plus prononcé. Le soudage à ondes courtes (lumière bleue, lumière verte) présente des avantages et est relativement plus stable.

Type de gaz protecteur : à la même température, le degré d'ionisation de l'argon est plus élevé, ce qui entraîne une plus grande densité électronique et un indice de réfraction plus faible, rendant l'effet de lentille négatif plus prononcé. En comparaison, l’effet protecteur de l’hélium gazeux est meilleur.

Débit de gaz de protection : L'augmentation du débit de gaz dans une certaine plage peut souffler le nuage de plasma au-dessus du bassin en fusion, réduisant ainsi l'effet de lentille négatif du plasma.

Matériaux à souder : Généralement, il n’y a pas le choix. Lorsque le point de fusion du matériau à souder est bas et facile à ioniser, la densité du nombre d'électrons dans le plasma augmente, ce qui entraîne une augmentation significative de l'effet de lentille négatif. Si cette possibilité est que le laser ait un impact plus important, d'autres traitements par faisceaux à haute énergie, tels que des faisceaux d'électrons, doivent être envisagés.

De nombreux facteurs affectent le plasma pendant le processus de soudage, qui peuvent être résumés comme suit :

Longueur d'onde du laser : La valeur d'allumage et le seuil de maintien du plasma sont proportionnels au carré de la longueur d'onde. Les lasers à ondes courtes (lumière bleue, lumière verte) ont des temps de maintenance plasma courts et le processus sera plus stable ;

Densité de puissance laser : la température électronique et la densité du plasma augmentent avec l'augmentation de la densité de puissance laser. Une densité de puissance excessive est la principale cause de l'instabilité du plasma (une source de chaleur composite (tache annulaire, composite fibre-semi-conducteur, composite à arc laser) peut atteindre contrôle de la distribution d'énergie de la source de chaleur. Par rapport au soudage laser à fibre unique, l'effet plasma a moins d'impact sur le processus de soudage et est plus stable) ;

Taille du point : plus le diamètre du point est petit, plus la valeur d'allumage du plasma et la valeur de maintenance sont élevées (le soudage par oscillation peut être évité) ;

Propriétés du matériau : La densité et l'énergie d'ionisation du matériau ont une grande influence sur le plasma. Plus l'énergie d'ionisation est faible et plus la réflectivité du métal est élevée, plus il est sensible à l'effet plasma affectant la stabilité du soudage à pénétration profonde ;

Gaz ambiants et pression : on pense généralement que les gaz ayant une bonne conductivité thermique et une énergie d'ionisation élevée ont une valeur d'inflammation du plasma et un seuil de maintenance élevés. Plus la pression de l’air ambiant est basse, plus la température électronique, la densité électronique et la hauteur du centre du plasma sont faibles. Dans des conditions de vide et de pression négative, le soudage à pénétration profonde au laser est plus stable que la pression normale ;

Débit de gaz : à mesure que le débit de gaz ambiant augmente, le volume du plasma diminuera, réduisant ainsi le taux d'absorption du laser, ce qui peut également réduire efficacement l'impact du plasma sur le processus de soudage à pénétration profonde, cependant, un excès d'air l'écoulement provoquera des fluctuations de surface dans le bain de soudure et des éclaboussures de métal en fusion, ainsi que des fissures et des défauts de rugosité de surface causés par une dissipation thermique excessive.

Vitesse de soudage : La température centrale du plasma augmente avec la diminution de la vitesse de soudage. Plus la vitesse de soudage est faible, plus il est facile de générer du plasma et plus il est instable. Dans une certaine mesure, augmenter la vitesse peut également améliorer la stabilité du processus de soudage.

Contrôlez le plasma en modifiant certains des facteurs ci-dessus pour réduire ou éliminer ses interférences avec le laser

Les méthodes de contrôle sont les suivantes :

Soudage pivotant : la tête de traitement laser oscille d'avant en arrière dans la direction du soudage. Après l'apparition du trou de serrure et avant la formation du plasma, le point lumineux est instantanément déplacé vers le bord arrière du bain de fusion ou vers un autre emplacement pour éviter que le plasma n'affecte le chemin de transmission de la lumière.

Soudage laser pulsé : réglage de l'impulsion et de la fréquence du laser pour rendre le temps d'irradiation du laser inférieur au temps de formation du plasma. Cela garantit que le laser frappe toujours pendant la phase de dispersion du cycle de formation et de dissipation du plasma, évitant ainsi les interférences du plasma sur la transmission de la lumière.

Soudage à basse pression : lors du soudage à pression réduite, lorsque la pression est inférieure à un certain niveau, la densité de vapeur métallique à la surface du matériau et à l'intérieur du trou de serrure est faible et le plasma disparaît.

Souffler du gaz de protection :

La première consiste à utiliser du gaz auxiliaire pour souffler le plasma ;

Une autre méthode consiste à supprimer l'ionisation des gaz environnementaux et à comprimer la vapeur d'ions métalliques en utilisant un gaz ayant une bonne conductivité thermique et une énergie d'ionisation élevée. Une buse double couche coaxiale au coup principal peut être utilisée. La buse extérieure forme un certain angle avec la direction horizontale. La composante radiale du flux d'air provenant de la couche externe est utilisée pour souffler le plasma. Une buse à tube droit peut également être utilisée pour viser le plasma et souffler de l'air latéralement dans la direction du soudage. Il a des exigences strictes en matière de précision de positionnement des buses de soufflage latéral et de contrôle du flux d'air. Parmi les nombreuses méthodes de contrôle, le contrôle du plasma par le flux d'air est relativement flexible et simple. Par conséquent, le gaz de protection à soufflage latéral est une méthode largement utilisée dans le soudage à pénétration profonde au laser.

Le laser émet, irradie la surface du matériau et génère un plasma. Lorsque la densité du plasma photo-induit est trop élevée, la perte d'énergie laser augmente considérablement, affaiblissant ainsi la densité d'énergie incidente sur la surface de la pièce. La quantité de vapeur métallique produite diminue et le plasma disparaît progressivement. À ce moment, le laser peut être directement irradié sur la surface de la pièce, régénérant une grande quantité de vapeur métallique, et l'intensité du plasma augmente progressivement, protégeant le laser incident. encore une fois. L’intensité du plasma reste dans un processus de changement périodique. Grâce à l’analyse spectrale et à l’enregistrement vidéo à grande vitesse, la fréquence des oscillations de l’intensité du plasma est d’environ quelques centaines de Hertz. Cela peut également conduire à des fluctuations dentelées périodiques dans le soudage au laser, en particulier dans le soudage de plaques minces (la modulation laser modulée en CW est une solution pour résoudre ces problèmes).