Effetto plasma nel processo di saldatura laser

Effetto plasma nel processo di saldatura laser

Nel saldatura laser processo, il plasma è un fenomeno comune, che ha un impatto importante sull'effetto e sulla qualità del processo di saldatura. Il plasma è composto da gas ionizzato in cui atomi o molecole nel gas perdono o acquistano elettroni, formando ioni positivi ed elettroni liberi. Questo stato della materia è considerato il quarto stato della materia, diverso da solidi, liquidi e gas.

1.1 Effetto Plasma – Definizione di Plasma

Generazione di plasma

In saldatura laser, la generazione del plasma solitamente segue i seguenti passaggi:

Radiazione laser: quando un raggio laser ad alta energia colpisce la superficie di un pezzo, riscalda innanzitutto la superficie, facendo evaporare rapidamente il materiale.

Saldatura laser è solitamente accompagnato da un vortice di fiamma, che comprende getti di fiamme, luce gialla, luce blu e luce viola. Questa fiamma viene spesso definita plasma.

Definizione di plasma: Il plasma generato dalla vaporizzazione di materiali metallici dovuta alla radiazione laser durante il processo di saldatura laser è chiamato plasma fotoindotto. I componenti principali del plasma fotoindotto sono vapore metallico, elettroni liberi, ioni e particelle elettricamente neutre.

Il plasma, noto anche come gas ionizzato, è composto da ioni prodotti dopo la ionizzazione di atomi o gruppi atomici con alcuni elettroni privati. È un gas ionizzato macroscopicamente elettricamente neutro su una scala maggiore della lunghezza di Debye. Il suo movimento è dominato principalmente da forze elettromagnetiche e mostra un comportamento collettivo significativo.

1.2 Effetto Plasma – Formazione del Plasma

Evaporazione e ionizzazione del materiale: a causa dell'elevata energia del laser, il materiale evaporato (solitamente vapore metallico) assorbirà ulteriormente l'energia del laser. Quando l'energia è sufficientemente elevata, gli atomi e le molecole nel vapore verranno ionizzati per formare un plasma. Durante questo processo, gli elettroni vengono espulsi dagli atomi o dalle molecole, creando un gran numero di elettroni liberi e ioni positivi.

Formazione della nuvola di plasma: il plasma formato formerà una struttura simile a una nuvola, che si trova tra il raggio laser e la superficie del pezzo. A causa delle caratteristiche di alta temperatura e alta densità, la nuvola di plasma può assorbire e disperdere più energia laser, influenzando la trasmissione del raggio laser.

Durante il processo di saldatura a penetrazione profonda del laser, quando la densità di energia del laser incidente è sufficientemente grande, può vaporizzare il metallo e formare un buco della serratura nel bagno fuso. Allo stesso tempo, gli elettroni liberi nel vapore metallico vengono spruzzati dalla superficie metallica e dal il buco della serratura, così come quelli contenuti in parte del gas protettivo, vengono accelerati assorbendo l'energia del laser. Ciò aumenta la loro energia cinetica, portandoli a scontrarsi con le particelle di vapore e il gas protettivo, innescando così una reazione a catena. Questo processo provoca una sostanziale ionizzazione, formando un denso strato di plasma sopra il buco della serratura. Questo strato di plasma denso può avere un impatto significativo sul processo di saldatura laser.

1.3 Effetto Plasma – Periodicità del Plasma

1.4 Il ruolo del plasma nella trasmissione di energia

Durante il processo di saldatura laser ad alta potenza, poiché il raggio laser con un'elevata densità di energia viene emesso continuamente, l'energia viene trasferita alla superficie del pezzo, fondendo ed evaporando costantemente il materiale metallico. La nuvola di vapore spruzza rapidamente verso l'alto dal buco della serratura e si ionizza rapidamente una volta soddisfatte le condizioni di ionizzazione, formando così un plasma. Il plasma generato è costituito principalmente da plasma di vapori metallici.

Dopo che il plasma si è formato, rifrange e assorbe il raggio di luce incidente provocando riflessione, diffusione e assorbimento, che possono schermare il raggio laser. Ciò influisce di conseguenza sull'accoppiamento dell'energia laser e del pezzo da lavorare, influenzando fattori come la profondità di fusione, la formazione di pori e la composizione del cordone di saldatura. In definitiva, ciò ha un impatto diretto sulla qualità della saldatura laser e sull’affidabilità del processo.

1.5 Rifrazione del laser mediante plasma

Più plasma si accumula, più influisce sulla saldatura laser. Più il laser diverge, minore è la densità di energia, portando ad una forte diminuzione della profondità di fusione. Pertanto, spesso si verificano problemi comuni come una saldatura incompleta a causa dell'assenza di gas di protezione.

Effetto lente negativa al plasma

L'aria è un mezzo otticamente denso, mentre il plasma è un mezzo otticamente sparso. La loro rifrazione del laser provoca un raggio laser divergente, degradando le prestazioni di messa a fuoco del laser e causando la divergenza del laser, riducendo così la densità di energia. Quando il raggio laser incidente passa attraverso il plasma, provoca anche un cambiamento nella direzione del laser propagazione del raggio laser. L'angolo di deflessione è correlato al gradiente di densità elettronica e alla lunghezza del plasma. Ciò può far sì che la densità di energia che raggiunge la superficie del materiale non sia uniforme e le fluttuazioni di energia cambieranno insieme alle fluttuazioni nel plasma.

Come mostrato nell'immagine sopra: il plasma è come una lente, che si trova tra il materiale e il laser. Diversi metodi di soffiaggio porteranno a diversi effetti di saldatura: il soffiaggio laterale potrebbe non soffiare il plasma e il soffiaggio diretto è migliore.

1.6 Assorbimento della luce laser da parte del plasma

L'assorbimento dell'energia laser da parte del plasma fa sì che la sua temperatura e il grado di ionizzazione continuino ad aumentare. Il processo di assorbimento può essere suddiviso in assorbimento normale e assorbimento anormale.

L'assorbimento normale, noto anche come assorbimento di bremsstrahlung inverso, si riferisce alla situazione in cui gli elettroni vengono eccitati dal campo elettrico del laser e subiscono oscillazioni ad alta frequenza. Si scontrano con le particelle circostanti (principalmente ioni), trasferendo energia tra loro, aumentando così la temperatura e la ionizzazione del plasma.

L'assorbimento anomalo si riferisce a un processo in cui l'energia laser viene convertita in energia dell'onda del plasma attraverso una serie di meccanismi di non collisione, e quindi convertita in energia termica del plasma attraverso diversi meccanismi di dissipazione, che viene quindi condotta nell'aria e dissipata.

A causa dell'effetto assorbente del plasma sul laser, solo una parte dell'energia laser incidente può penetrare nel plasma e raggiungere la superficie del pezzo. Ciò aumenta la perdita di trasmissione di energia nel percorso ottico esterno (dal laser QBH alla superficie del materiale), riduce la densità di energia del laser e diminuisce il tasso di assorbimento complessivo. Se la finestra si trova al limite superiore, può facilmente portare a false saldature, soprattutto in materiali ad alta riflettenza (come alluminio e rame).

1.7 Soppressione dell'effetto plasma

I principali fattori che influenzano l’indice di rifrazione del plasma e l’effetto lente negativa sono:

Densità di potenza del laser:

Maggiore è la densità di potenza, maggiore è la temperatura del plasma, il che significa maggiore è la densità elettronica nel plasma. Maggiore è la densità elettronica, minore è l'indice di rifrazione, migliorando così l'effetto lente negativa.

Lunghezza d'onda del laser: la relazione tra la lunghezza d'onda e la frequenza angolare è ω = 2πc/λ (dove c è la velocità della luce e λ è la lunghezza d'onda). Maggiore è la lunghezza d'onda del laser, minori sono la frequenza angolare e l'indice di rifrazione, quindi l'effetto lente negativa è più pronunciato. La saldatura a onde corte (luce blu, luce verde) presenta vantaggi ed è relativamente più stabile.

Tipo di gas protettivo: alla stessa temperatura, il grado di ionizzazione dell'argon è maggiore, con conseguente maggiore densità elettronica e un indice di rifrazione inferiore, rendendo l'effetto lente negativa più pronunciato. In confronto, l’effetto protettivo del gas elio è migliore.

Flusso di gas protettivo: l'aumento della portata del gas entro un certo intervallo può spazzare via la nube di plasma sopra la vasca fusa, riducendo così l'effetto lente negativo del plasma.

Materiali da saldare: Generalmente non c'è scelta. Quando il punto di fusione del materiale da saldare è basso e facile da ionizzare, la densità del numero di elettroni nel plasma aumenta, determinando un aumento significativo dell'effetto lente negativa. Se questa possibilità è che il laser abbia un impatto maggiore, dovrebbero essere prese in considerazione altre lavorazioni con raggi ad alta energia come i raggi di elettroni.

I fattori che influenzano il plasma durante il processo di saldatura sono molteplici e possono essere così riassunti:

Lunghezza d'onda del laser: il valore di accensione e la soglia di mantenimento del plasma sono proporzionali al quadrato della lunghezza d'onda. I laser a onde corte (luce blu, luce verde) hanno tempi di mantenimento del plasma brevi e il processo sarà più stabile;

Densità di potenza del laser: la temperatura degli elettroni e la densità del plasma aumentano con l'aumento della densità di potenza del laser, un'eccessiva densità di potenza è la causa principale dell'instabilità del plasma (fonte di calore composita (spot anulare, composito fibra-semiconduttore, composito arco laser) può raggiungere controllo della distribuzione dell'energia della fonte di calore rispetto alla saldatura laser a fibra singola, l'effetto plasma ha un impatto minore sul processo di saldatura ed è più stabile).

Dimensione del punto: minore è il diametro del punto, maggiore è il valore di accensione e mantenimento del plasma (è possibile evitare la saldatura a oscillazione);

Proprietà del materiale: la densità e l'energia di ionizzazione del materiale hanno una grande influenza sul plasma. Quanto più bassa è l'energia di ionizzazione e quanto maggiore è la riflettività del metallo, tanto più suscettibile è l'effetto plasma che influenza la stabilità della saldatura a penetrazione profonda;

Gas e pressione ambiente: si ritiene generalmente che i gas con buona conduttività termica ed elevata energia di ionizzazione abbiano un valore di accensione del plasma e una soglia di mantenimento elevati. Minore è la pressione dell'aria ambiente, minore è la temperatura degli elettroni, la densità degli elettroni e l'altezza del centro del plasma. In condizioni di vuoto e pressione negativa, la saldatura a penetrazione profonda del laser è più stabile della pressione normale;

Flusso di gas: all'aumentare della portata del gas ambiente, il volume del plasma diminuirà, riducendo così il tasso di assorbimento del laser, che può anche ridurre efficacemente l'impatto del plasma sul processo di saldatura a penetrazione profonda, tuttavia, l'aria eccessiva Il flusso causerà fluttuazioni superficiali nel bagno di saldatura e spruzzi di metallo fuso, nonché crepe e difetti di rugosità superficiale causati da un'eccessiva dissipazione del calore.

Velocità di saldatura: la temperatura interna del plasma aumenta con la diminuzione della velocità di saldatura. Quanto più bassa è la velocità di saldatura, tanto più facile è generare plasma e tanto più instabile è. In una certa misura, l’aumento della velocità può anche migliorare la stabilità del processo di saldatura.

Controllare il plasma modificando alcuni dei fattori sopra indicati per ridurre o eliminare la sua interferenza con il laser

I metodi di controllo includono quanto segue:

Saldatura oscillante: la testa di lavorazione laser oscilla avanti e indietro lungo la direzione di saldatura. Dopo la comparsa del buco della serratura e prima che si formi il plasma, il punto luminoso viene spostato istantaneamente sul bordo posteriore del bagno di saldatura o in un'altra posizione per evitare che il plasma influenzi il percorso di trasmissione della luce.

Saldatura laser a impulsi: regolazione dell'impulso e della frequenza del laser per rendere il tempo di irradiazione del laser inferiore al tempo di formazione del plasma. Ciò garantisce che il laser colpisca sempre durante la fase di dispersione del ciclo di formazione e dissipazione del plasma, evitando interferenze del plasma sulla trasmissione della luce.

Saldatura a bassa pressione: utilizzando la saldatura a pressione ridotta, quando la pressione è inferiore a un certo livello, la densità del vapore metallico sulla superficie del materiale e all'interno del buco della serratura è piccola e il plasma scompare.

Soffiare gas protettivo:

Il primo consiste nell'usare gas ausiliario per soffiare via il plasma;

Un altro metodo consiste nel sopprimere la ionizzazione dei gas ambientali e comprimere il vapore di ioni metallici utilizzando un gas con buona conduttività termica ed elevata energia di ionizzazione. È possibile utilizzare un ugello a doppio strato coassiale al soffio principale. L'ugello esterno forma un certo angolo con la direzione orizzontale. La componente radiale del flusso d'aria proveniente dallo strato esterno viene utilizzata per soffiare il plasma. È inoltre possibile utilizzare un ugello a tubo dritto per puntare il plasma e soffiare aria lateralmente nella direzione della saldatura. Ha requisiti rigorosi per la precisione del posizionamento dell'ugello di soffiaggio laterale e il controllo del flusso d'aria. Tra i molti metodi di controllo, il controllo del plasma attraverso il flusso d'aria è relativamente flessibile e semplice. Pertanto, il gas di protezione a soffiaggio laterale è un metodo ampiamente utilizzato nella saldatura laser a penetrazione profonda.

Il laser emette, irradia la superficie del materiale e genera un plasma. Quando la densità del plasma fotoindotto è troppo elevata, aumenterà significativamente la perdita di energia laser, indebolendo la densità di energia incidente sulla superficie del pezzo. La quantità di vapore metallico prodotto diminuisce e il plasma scompare gradualmente. A questo punto, il laser può essere irradiato direttamente sulla superficie del pezzo, rigenerando una grande quantità di vapore metallico e l'intensità del plasma aumenta gradualmente, schermando il laser incidente di nuovo. L'intensità del plasma rimane in un processo di cambiamento periodico. Attraverso l'analisi spettrale e la registrazione video ad alta velocità, si osserva che la frequenza delle oscillazioni dell'intensità del plasma è di circa poche centinaia di Hertz. Ciò può anche portare a fluttuazioni periodiche nella saldatura laser, in particolare nella saldatura di lamiere sottili (la modulazione laser modulata in senso orario è una direzione per affrontare questi problemi).