레이저 용접 공정의 플라즈마 효과

레이저 용접 공정의 플라즈마 효과

. 레이저 용접 플라즈마는 용접 공정의 효과와 품질에 중요한 영향을 미치는 일반적인 현상입니다. 플라즈마는 가스 중의 원자 또는 분자가 전자를 잃거나 얻어 양이온과 자유 전자를 형성하는 이온화된 가스로 구성됩니다. 이 물질 상태는 고체, 액체, 기체와는 다른 물질의 네 번째 상태로 간주됩니다.

1.1 플라즈마 효과 - 플라즈마 정의

플라즈마 생성

In 레이저 용접, 플라즈마 생성은 일반적으로 다음 단계를 따릅니다.

레이저 방사선: 고에너지 레이저 빔이 가공물의 표면에 닿으면 먼저 표면을 가열하여 재료를 빠르게 증발시킵니다.

레이저 용접 일반적으로 화염 제트, 노란색 빛, 파란색 빛 및 보라색 빛을 포함하는 화염 소용돌이가 동반됩니다. 이 불꽃을 흔히 플라즈마라고 합니다.

플라즈마 정의: 레이저 용접 공정 중 레이저 방사선으로 인해 금속 재료가 기화하여 생성된 플라즈마를 광유도 플라즈마라고 합니다. 광 유도 플라즈마의 주요 구성 요소는 금속 증기, 자유 전자, 이온 및 전기적으로 중성인 입자입니다.

이온화된 가스라고도 알려진 플라즈마는 원자나 원자단이 일부 벗겨진 전자와 함께 이온화된 후 생성된 이온으로 구성됩니다. 이는 Debye 길이보다 큰 규모의 거시적으로 전기적으로 중성인 이온화된 가스입니다. 그 움직임은 주로 전자기력에 의해 지배되며 중요한 집단적 행동을 보여줍니다.

1.2 플라즈마 효과 - 플라즈마 형성

재료 증발 및 이온화: 레이저의 높은 에너지로 인해 증발된 재료(일반적으로 금속 증기)는 레이저 에너지를 더욱 흡수합니다. 에너지가 충분히 높으면 증기 속의 원자와 분자가 이온화되어 플라즈마를 형성합니다. 이 과정에서 전자가 원자나 분자에서 압착되어 수많은 자유 전자와 양이온이 생성됩니다.

플라즈마 구름의 형성: 형성된 플라즈마는 레이저 빔과 가공물의 표면 사이에 위치하는 구름과 같은 구조를 형성합니다. 고온 및 고밀도 특성으로 인해 플라즈마 구름은 더 많은 레이저 에너지를 흡수하고 분산시켜 레이저 빔의 전송에 영향을 줄 수 있습니다.

레이저 심용입 용접 공정 중에 입사 레이저의 에너지 밀도가 충분히 크면 금속을 기화시키고 용융 풀에 열쇠 구멍을 형성할 수 있습니다. 동시에 금속 표면에서 분사되는 금속 증기의 자유 전자와 열쇠 구멍과 보호 가스의 일부는 레이저 에너지를 흡수하여 가속됩니다. 이로 인해 운동 에너지가 증가하여 증기 입자 및 보호 가스와 충돌하여 연쇄 반응을 촉발합니다. 이 프로세스로 인해 상당한 이온화가 발생하여 열쇠 구멍 위에 조밀한 플라즈마 층이 형성됩니다. 이 고밀도 플라즈마 층은 레이저 용접 공정에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

1.3 플라즈마 효과 - 플라즈마 주기성

1.4 에너지 전달에서 플라즈마의 역할

고출력 레이저 용접 공정에서는 에너지 밀도가 높은 레이저 빔이 연속적으로 출력되면서 에너지가 가공물의 표면으로 전달되어 금속 재료가 끊임없이 녹고 증발합니다. 증기운은 열쇠 구멍에서 위쪽으로 빠르게 분사되며, 이온화 ​​조건을 충족하면 빠르게 이온화되어 플라즈마를 형성합니다. 생성된 플라즈마는 주로 금속 증기 플라즈마로 구성됩니다.

플라즈마가 형성된 후 입사된 광선을 굴절, 흡수하여 반사, 산란, 흡수를 일으켜 레이저 광선을 차폐할 수 있습니다. 이는 결과적으로 레이저 에너지와 가공물의 결합에 영향을 미치고, 용융 깊이, 기공 생성, 용접 이음매 구성과 같은 요인에 영향을 미칩니다. 궁극적으로 이는 레이저 용접의 품질과 공정의 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다.

1.5 플라즈마에 의한 레이저의 굴절

플라즈마가 많이 축적될수록 레이저 용접에 더 많은 영향을 미칩니다. 레이저가 발산할수록 에너지 밀도가 낮아져 용융 깊이가 급격히 감소합니다. 따라서 보호가스 부족으로 인해 불완전 용접 등의 일반적인 문제가 발생하는 경우가 많습니다.

플라즈마 네거티브 렌즈 효과

공기는 광학적으로 밀도가 높은 매질인 반면, 플라즈마는 광학적으로 희박한 매질입니다. 레이저의 굴절로 인해 레이저 빔이 발산되어 레이저의 포커싱 성능이 저하되고 레이저가 발산되어 에너지 밀도가 낮아지게 됩니다. 입사된 레이저 빔이 플라즈마를 통과할 때 레이저의 방향도 변경됩니다. 레이저 빔 전파. 편향각은 전자 밀도 구배 및 플라즈마 길이와 관련이 있습니다. 이로 인해 재료 표면에 도달하는 에너지 밀도가 고르지 않게 될 수 있으며 에너지 변동은 플라즈마 변동에 따라 변경됩니다.

위 그림에서 볼 수 있듯이 플라즈마는 재료와 레이저 사이에 있는 렌즈와 같습니다. 분사 방법에 따라 용접 효과가 달라집니다. 측면 분사는 플라즈마를 분사하지 않을 수 있으며 직접 분사하는 것이 더 좋습니다.

1.6 플라즈마에 의한 레이저 광의 흡수

플라즈마가 레이저 에너지를 흡수하면 온도와 이온화 정도가 계속해서 증가합니다. 흡수 과정은 정상 흡수와 비정상 흡수로 나눌 수 있습니다.

역 브레름스트랄룽 흡수라고도 알려진 정상 흡수는 전자가 레이저 전기장에 의해 여기되어 고주파 진동을 겪는 상황을 의미합니다. 그들은 주변 입자(주로 이온)와 충돌하여 서로 에너지를 전달함으로써 플라즈마의 온도와 이온화를 증가시킵니다.

이상흡수란 레이저 에너지가 일련의 비충돌 메커니즘을 통해 플라즈마 파동 에너지로 변환된 후, 다양한 소산 메커니즘을 통해 플라즈마 열에너지로 변환되어 공기 중으로 전도되어 소멸되는 과정을 말합니다.

레이저에 대한 플라즈마의 흡수 효과로 인해 입사 레이저 에너지의 일부만 플라즈마를 관통하여 가공물의 표면에 도달할 수 있습니다. 이는 외부 광 경로(레이저 QBH에서 재료 표면까지)에서 에너지 전송 손실을 증가시키고 레이저 에너지 밀도를 감소시키며 전체 흡수율을 감소시킵니다. 창이 위쪽 경계에 있으면 특히 반사율이 높은 재료(예: 알루미늄 및 구리)에서 잘못된 용접이 발생할 수 있습니다.

1.7 플라즈마 효과 억제

플라즈마 굴절률과 네거티브 렌즈 효과에 영향을 미치는 주요 요인은 다음과 같습니다.

레이저 출력 밀도:

전력 밀도가 높을수록 플라즈마의 온도가 높아지며, 이는 플라즈마 내 전자 밀도가 높아진다는 것을 의미합니다. 전자 밀도가 높을수록 굴절률이 작아져 네거티브 렌즈 효과가 향상됩니다.

레이저 파장: 파장과 각주파수 사이의 관계는 Ω = 2πc/λ입니다(여기서 c는 빛의 속도, λ는 파장). 레이저 파장이 클수록 각주파수와 굴절률이 작아지므로 네거티브 렌즈 효과가 더욱 두드러집니다. 단파(청색광, 녹색광) 용접은 장점이 있으며 상대적으로 더 안정적입니다.

보호 가스 유형:동일한 온도에서 아르곤의 이온화 정도가 더 높아 전자 밀도가 높아지고 굴절률이 낮아져 네거티브 렌즈 효과가 더욱 두드러집니다. 이에 비해 헬륨 가스의 보호 효과가 더 좋습니다.

보호 가스 흐름: 특정 범위 내에서 가스 흐름 속도를 높이면 용융 풀 위의 플라즈마 구름이 날아가서 플라즈마의 네거티브 렌즈 효과가 감소할 수 있습니다.

용접 재료:일반적으로 선택의 여지가 없습니다. 용접 대상 재료의 융점이 낮고 이온화되기 쉬운 경우 플라즈마 내의 전자 수 밀도가 증가하여 네거티브 렌즈 효과가 크게 증가합니다. 이러한 가능성이 레이저의 영향이 더 크다면 전자빔과 같은 다른 고에너지 빔 처리 방식을 고려해야 합니다.

용접 공정 중 플라즈마에 영향을 미치는 요소는 다양하며 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

레이저 파장: 플라즈마의 점화 값과 유지 임계값은 파장의 제곱에 비례합니다. 단파장 레이저(청색광, 녹색광)는 플라즈마 유지 관리 시간이 짧고 공정이 더 안정적입니다.

레이저 출력 밀도: 레이저 출력 밀도가 증가함에 따라 플라즈마의 전자 온도와 밀도가 증가합니다. 과도한 출력 밀도는 플라즈마 불안정성의 주요 원인입니다(복합 열원(환형 스폿, 섬유 반도체 복합재, 레이저 아크 복합재)은 달성할 수 있음) 열원 에너지 분포 제어는 단일 광섬유 레이저 용접과 비교하여 플라즈마 효과가 용접 공정에 미치는 영향이 더 안정적입니다.

스폿 크기: 스폿 직경이 작을수록 플라즈마 점화 값과 유지 관리 값이 높아집니다(워블 용접을 피할 수 있음).

재료 특성: 재료의 밀도와 이온화 에너지는 플라즈마에 큰 영향을 미칩니다. 이온화 에너지가 낮고 금속의 반사율이 높을수록 심용입 용접의 안정성에 영향을 미치는 플라즈마 효과에 더 민감해집니다.

주변 가스 및 압력: 일반적으로 열 전도성이 좋고 이온화 에너지가 높은 가스는 플라즈마 점화 값과 유지 관리 임계값이 높다고 믿어집니다. 주변 기압이 낮을수록 전자 온도, 전자 밀도 및 플라즈마 중심 높이가 낮아집니다. 진공 및 부압 조건에서 레이저 심용입 용접은 일반 압력보다 안정적입니다.

가스 흐름: 주변 가스의 유속이 증가함에 따라 플라즈마의 부피가 감소하여 레이저의 흡수율이 감소하여 심용입 용접 공정에 대한 플라즈마의 영향을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 그러나 과도한 공기 과도한 열 방출로 인해 용접 풀의 표면 변동 및 용탕의 비산이 발생하고 균열 및 표면 거칠기 결함이 발생합니다.

용접 속도: 용접 속도가 감소함에 따라 플라즈마의 중심 온도가 증가합니다. 용접 속도가 낮을수록 플라즈마가 발생하기 쉽고 불안정해집니다. 속도를 높이면 용접 공정의 안정성도 어느 정도 향상될 수 있습니다.

레이저와의 간섭을 줄이거나 제거하기 위해 위의 요소 중 일부를 변경하여 플라즈마를 제어하십시오.

제어 방법에는 다음이 포함됩니다.

스윙 용접: 레이저 가공 헤드가 용접 방향을 따라 앞뒤로 스윙합니다. 열쇠 구멍이 나타난 후 플라즈마가 형성되기 전에 광점은 광 전송 경로에 영향을 미치는 플라즈마를 피하기 위해 즉시 용접 풀의 후면 가장자리 또는 다른 위치로 이동합니다.

펄스 레이저 용접: 레이저의 펄스와 주파수를 조정하여 레이저 조사 시간을 플라즈마 형성 시간보다 짧게 만드는 것입니다. 이를 통해 플라즈마 형성 및 소산 주기의 분산 단계에서 레이저가 항상 충돌하여 광 전송에 대한 플라즈마 간섭을 피할 수 있습니다.

저압 용접: 감압 용접을 사용하여 압력이 일정 수준 이하로 떨어지면 재료 표면과 열쇠 구멍 내부의 금속 증기 밀도가 작아지고 플라즈마가 사라집니다.

블로우 보호 가스:

하나는 보조 가스를 사용하여 플라즈마를 날려버리는 것입니다.

또 다른 방법은 열전도도가 좋고 이온화 에너지가 높은 가스를 이용해 환경가스의 이온화를 억제하고 금속이온 증기를 압축하는 것이다. 주 타격과 동축인 이중층 노즐을 사용할 수 있습니다. 외부 노즐은 수평 방향과 일정한 각도를 형성합니다. 외부 레이어에서 나오는 공기 흐름의 방사형 구성 요소는 플라즈마를 주변으로 분사하는 데 사용됩니다. 직선형 튜브 노즐을 사용하여 플라즈마를 겨냥하고 용접 방향으로 측면으로 공기를 분사할 수도 있습니다. 측면 블로우 노즐 위치 정확도 및 공기 흐름 제어에 대한 엄격한 요구 사항이 있습니다. 많은 제어 방법 중에서 공기 흐름을 통해 플라즈마를 제어하는 ​​것은 상대적으로 유연하고 간단합니다. 따라서 사이드 블로잉 실드 가스는 레이저 심용입 용접에 널리 사용되는 방식이다.

레이저가 출력되어 소재 표면에 조사되어 플라즈마를 발생시킵니다. 광 유도 플라즈마의 밀도가 너무 높으면 레이저 에너지 손실이 크게 증가하여 공작물 표면에 입사되는 에너지 밀도가 약화됩니다. 생성되는 금속 증기의 양은 감소하고 플라즈마는 점차 사라진다. 이때, 레이저를 가공물의 표면에 직접 조사하여 많은 양의 금속 증기를 재생시킬 수 있으며, 플라즈마 강도가 점차 증가하여 입사된 레이저를 차폐한다. 다시. 플라즈마의 강도는 주기적인 변화 과정에 남아 있습니다. 스펙트럼 분석과 고속 비디오 녹화를 통해 플라즈마 강도 진동의 주파수는 약 수백 헤르츠인 것으로 관찰됩니다. 이는 또한 레이저 용접, 특히 박판 용접에서 주기적인 톱니 모양 변동으로 이어질 수 있습니다(레이저 변조 CW 변조는 이러한 문제를 해결하는 방향입니다).