Plasma-effect bij laserlasproces Nederland

Plasma-effect bij laserlasproces

In het laserlassen Bij dit proces is plasma een veel voorkomend fenomeen dat een belangrijke invloed heeft op het effect en de kwaliteit van het lasproces. Plasma bestaat uit geïoniseerd gas waarin atomen of moleculen in het gas elektronen verliezen of winnen, waardoor positieve ionen en vrije elektronen worden gevormd. Deze toestand van materie wordt beschouwd als de vierde toestand van materie, verschillend van vaste stoffen, vloeistoffen en gassen.

1.1 Plasma-effect - Plasmadefinitie

Generatie van plasma

In laserlassen, volgt plasmageneratie gewoonlijk de volgende stappen:

Laserstraling: Wanneer een laserstraal met hoge energie het oppervlak van een werkstuk raakt, verwarmt deze eerst het oppervlak, waardoor het materiaal snel verdampt.

Laserlassen gaat meestal gepaard met een vlamvortex, die vlammenstralen, geel licht, blauw licht en paars licht omvat. Deze vlam wordt vaak plasma genoemd.

Plasmadefinitie: Het plasma dat wordt gegenereerd door de verdamping van metalen materialen als gevolg van laserstraling tijdens het laserlasproces wordt foto-geïnduceerd plasma genoemd. De belangrijkste componenten van foto-geïnduceerd plasma zijn metaaldamp, vrije elektronen, ionen en elektrisch neutrale deeltjes.

Plasma, ook bekend als geïoniseerd gas, bestaat uit ionen die worden geproduceerd na de ionisatie van atomen of atoomgroepen met enkele gestripte elektronen. Het is een macroscopisch elektrisch neutraal geïoniseerd gas op een schaal groter dan de Debye-lengte. De beweging ervan wordt voornamelijk gedomineerd door elektromagnetische krachten en vertoont aanzienlijk collectief gedrag.

1.2 Plasma-effect - Plasmavorming

Materiaalverdamping en ionisatie: Door de hoge energie van de laser zal het verdampte materiaal (meestal metaaldamp) de laserenergie verder absorberen. Wanneer de energie hoog genoeg is, worden de atomen en moleculen in de damp geïoniseerd om een ​​plasma te vormen. Tijdens dit proces worden elektronen uit atomen of moleculen geperst, waardoor een groot aantal vrije elektronen en positieve ionen ontstaat.

Vorming van plasmawolk: Het gevormde plasma zal een wolkachtige structuur vormen, die zich tussen de laserstraal en het oppervlak van het werkstuk bevindt. Vanwege de hoge temperatuur en hoge dichtheid kan de plasmawolk meer laserenergie absorberen en verstrooien, waardoor de transmissie van de laserstraal wordt beïnvloed.

Tijdens het lasproces met laserdiepe penetratie, wanneer de energiedichtheid van de invallende laser groot genoeg is, kan deze het metaal verdampen en een sleutelgat in het gesmolten zwembad vormen. Tegelijkertijd worden de vrije elektronen in de metaaldamp uit het metalen oppervlak gespoten en de sleutelgat, evenals die in een deel van het beschermende gas, worden versneld door laserenergie te absorberen. Dit verhoogt hun kinetische energie, waardoor ze in botsing komen met de dampdeeltjes en het beschermende gas, waardoor een kettingreactie ontstaat. Dit proces resulteert in een aanzienlijke ionisatie, waardoor een dichte plasmalaag boven het sleutelgat ontstaat. Deze laag dicht plasma kan een aanzienlijke impact hebben op het laserlasproces.

1.3 Plasma-effect - Plasmaperiodiciteit

1.4 De rol van plasma in energietransmissie

Tijdens het laserlasproces met hoog vermogen wordt, omdat de laserstraal met een hoge energiedichtheid continu wordt afgegeven, energie overgebracht naar het oppervlak van het werkstuk, waardoor het metalen materiaal voortdurend smelt en verdampt. De dampwolk spuit snel omhoog vanuit het sleutelgat en ioniseert snel zodra hij aan de ionisatievoorwaarden voldoet, waardoor een plasma ontstaat. Het gegenereerde plasma bestaat voornamelijk uit metaaldampplasma.

Nadat het plasma is gevormd, breekt en absorbeert het de invallende lichtbundel, wat reflectie, verstrooiing en absorptie veroorzaakt, waardoor de laserstraal kan worden afgeschermd. Dit beïnvloedt bijgevolg de koppeling van de laserenergie en het werkstuk en beïnvloedt factoren zoals de smeltdiepte, het ontstaan ​​van poriën en de samenstelling van de lasnaad. Uiteindelijk heeft dit direct invloed op de kwaliteit van het laserlassen en de betrouwbaarheid van het proces.

1.5 Breking van laser door plasma

Hoe meer plasma zich ophoopt, hoe meer dit het laserlassen beïnvloedt. Hoe meer de laser divergeert, hoe lager de energiedichtheid, wat leidt tot een scherpe afname van de smeltdiepte. Daarom treden veelvoorkomende problemen, zoals onvolledig lassen, vaak op vanwege de afwezigheid van beschermgas.

Plasma-negatief lenseffect

Lucht is een optisch dicht medium, terwijl plasma een optisch schaars medium is. De breking van de laser resulteert in een divergerende laserstraal, waardoor de scherpstellingsprestaties van de laser afnemen en de laser gaat divergeren, waardoor de energiedichtheid wordt verlaagd. Wanneer de invallende laserstraal door het plasma gaat, veroorzaakt dit ook een verandering in de richting van de laser. voortplanting van de laserstraal. De afbuighoek houdt verband met de elektronendichtheidsgradiënt en de lengte van het plasma. Dit kan ervoor zorgen dat de energiedichtheid die het materiaaloppervlak bereikt ongelijkmatig is, en de energiefluctuaties zullen samen met de fluctuaties in het plasma veranderen.

Zoals je op de afbeelding hierboven kunt zien: het plasma is als een lens, die tussen het materiaal en de laser ligt. Verschillende blaasmethoden leiden tot verschillende laseffecten: zijwaarts blazen kan het plasma niet blazen, en direct blazen is beter.

1.6 Absorptie van laserlicht door plasma

De absorptie van laserenergie door het plasma zorgt ervoor dat de temperatuur en de ionisatiegraad blijven stijgen. Het absorptieproces kan worden onderverdeeld in normale absorptie en abnormale absorptie.

Normale absorptie, ook bekend als inverse remstralingsabsorptie, verwijst naar de situatie waarin elektronen worden opgewonden door het elektrische veld van de laser en hoogfrequente oscillaties ondergaan. Ze botsen met omringende deeltjes (voornamelijk ionen), waardoor energie aan elkaar wordt overgedragen, waardoor de temperatuur en ionisatie van het plasma toenemen.

Abnormale absorptie verwijst naar een proces waarbij laserenergie wordt omgezet in plasmagolfenergie via een reeks niet-botsingsmechanismen, en vervolgens wordt omgezet in thermische plasma-energie via verschillende dissipatiemechanismen, die vervolgens in de lucht wordt geleid en wordt verspreid.

Vanwege het absorberende effect van het plasma op de laser kan slechts een deel van de invallende laserenergie het plasma binnendringen en het oppervlak van het werkstuk bereiken. Dit verhoogt het energietransmissieverlies in het externe optische pad (van de laser QBH naar het materiaaloppervlak), vermindert de laserenergiedichtheid en verlaagt de algehele absorptiesnelheid. Als het raam zich aan de bovengrens bevindt, kan dit gemakkelijk tot vals lassen leiden, vooral bij materialen met een hoge reflectie (zoals aluminium en koper).

1.7 Onderdrukking van plasma-effecten

De belangrijkste factoren die de plasmabrekingsindex en het negatieve lenseffect beïnvloeden zijn:

Laservermogensdichtheid:

Hoe hoger de vermogensdichtheid, hoe hoger de temperatuur van het plasma, wat betekent hoe groter de elektronendichtheid in het plasma. Hoe hoger de elektronendichtheid, hoe kleiner de brekingsindex, waardoor het negatieve lenseffect wordt versterkt.

Lasergolflengte: De relatie tussen golflengte en hoekfrequentie is ω = 2πc/λ (waarbij c de lichtsnelheid is en λ de golflengte). Hoe groter de lasergolflengte, hoe kleiner de hoekfrequentie en brekingsindex, waardoor het negatieve lenseffect meer uitgesproken is. Kortegolflassen (blauw licht, groen licht) heeft voordelen en is relatief stabieler.

Type beschermgas: Bij dezelfde temperatuur is de ionisatiegraad van argon groter, wat resulteert in een grotere elektronendichtheid en een kleinere brekingsindex, waardoor het negatieve lenseffect duidelijker wordt. Ter vergelijking: het beschermende effect van heliumgas is beter.

Beschermende gasstroom: Het verhogen van de gasstroomsnelheid binnen een bepaald bereik kan de plasmawolk boven het gesmolten bad wegblazen, waardoor het negatieve lenseffect van het plasma wordt verminderd.

Te lassen materialen: Over het algemeen is er geen keus. Wanneer het smeltpunt van het te lassen materiaal laag is en gemakkelijk te ioniseren, neemt de elektronendichtheid in het plasma toe, wat resulteert in een aanzienlijke toename van het negatieve lenseffect. Als deze mogelijkheid bestaat dat de laser een grotere impact heeft, moeten andere hoogenergetische bundelverwerkingen, zoals elektronenbundels, als vorm worden beschouwd.

Er zijn veel factoren die plasma beïnvloeden tijdens het lasproces, die als volgt kunnen worden samengevat:

Lasergolflengte: De ontstekingswaarde en onderhoudsdrempel van het plasma zijn evenredig met het kwadraat van de golflengte. Kortegolflasers (blauw licht, groen licht) hebben korte plasma-onderhoudstijden en het proces zal stabieler zijn;

Laservermogensdichtheid: De elektronentemperatuur en dichtheid van het plasma nemen toe met de toename van de laservermogensdichtheid. Overmatige vermogensdichtheid is de belangrijkste oorzaak van plasma-instabiliteit (composietwarmtebron (ringvormige vlek, vezel-halfgeleidercomposiet, laserboogcomposiet) kan bereiken Controle van de energieverdeling van de warmtebron. Vergeleken met laserlassen met enkele vezels heeft het plasma-effect minder invloed op het lasproces en is het stabieler.

Vlekgrootte: Hoe kleiner de vlekdiameter, hoe hoger de plasmaontstekingswaarde en de onderhoudswaarde (wiebellassen kan worden vermeden);

Materiaaleigenschappen: De dichtheid en ionisatie-energie van het materiaal hebben een grote invloed op het plasma. Hoe lager de ionisatie-energie en hoe hoger de reflectiviteit van het metaal, des te gevoeliger het is voor het plasma-effect dat de stabiliteit van diep penetratielassen beïnvloedt;

Omgevingsgas en druk: Algemeen wordt aangenomen dat gassen met een goede thermische geleidbaarheid en hoge ionisatie-energie een hoge plasma-ontstekingswaarde en onderhoudsdrempel hebben. Hoe lager de omgevingsluchtdruk, hoe lager de elektronentemperatuur, de elektronendichtheid en de plasmacentrumhoogte. Onder vacuüm- en onderdrukomstandigheden is laserdieppenetratielassen stabieler dan normale druk;

Gasstroom: Naarmate de stroomsnelheid van het omgevingsgas toeneemt, zal het volume van het plasma afnemen, waardoor de absorptiesnelheid van de laser wordt verminderd, wat ook de impact van het plasma op het lasproces met diepe penetratie effectief kan verminderen, maar overtollige lucht stroming veroorzaakt oppervlaktefluctuaties in het lasbad en spatten van gesmolten metaal, evenals scheuren en oppervlakteruwheidsdefecten veroorzaakt door overmatige warmteafvoer.

Lassnelheid: De kerntemperatuur van plasma neemt toe met de afname van de lassnelheid. Hoe lager de lassnelheid, hoe gemakkelijker het is om plasma te genereren en hoe instabieler het is. Tot op zekere hoogte kan het verhogen van de snelheid ook de stabiliteit van het lasproces verbeteren.

Controleer het plasma door enkele van de bovenstaande factoren te veranderen om de interferentie met de laser te verminderen of te elimineren

De controlemethoden omvatten het volgende:

Zwenklassen: De laserbewerkingskop zwaait heen en weer in de lasrichting. Nadat het sleutelgat verschijnt en voordat het plasma zich vormt, wordt de lichtvlek onmiddellijk naar de achterrand van het smeltbad of een andere locatie verplaatst om te voorkomen dat het plasma het lichttransmissiepad beïnvloedt.

Pulslaserlassen: aanpassing van de puls en frequentie van de laser om de bestralingstijd van de laser korter te maken dan de vormingstijd van het plasma. Dit zorgt ervoor dat de laser altijd toeslaat tijdens de dispersiefase van de vormings- en dissipatiecyclus van het plasma, waardoor interferentie van het plasma op de lichttransmissie wordt vermeden.

Lagedruklassen: Bij gebruik van verlaagde druklassen is de metaaldampdichtheid op het materiaaloppervlak en in het sleutelgat klein wanneer de druk onder een bepaald niveau ligt en verdwijnt het plasma.

Blaasbeschermgas:

Eén daarvan is het gebruik van hulpgas om het plasma weg te blazen;

Een andere methode is het onderdrukken van de ionisatie van gassen uit de omgeving en het comprimeren van metaalionendamp met behulp van een gas met goede thermische geleidbaarheid en hoge ionisatie-energie. Er kan een dubbellaags mondstuk worden gebruikt dat coaxiaal is met de hoofdblaas. Het buitenste mondstuk vormt een bepaalde hoek met de horizontale richting. De radiale component van de luchtstroom uit de buitenste laag wordt gebruikt om het plasma rond te blazen. Ook kan een rechte buismondstuk worden gebruikt om op het plasma te richten en lucht zijdelings in de lasrichting te blazen. Het heeft strikte eisen voor de nauwkeurigheid van de positionering van de zijblaasmondstukken en de controle van de luchtstroom. Van de vele controlemethoden is het regelen van het plasma via de luchtstroom relatief flexibel en eenvoudig. Daarom is zijwaarts blazend beschermgas een methode die veel wordt gebruikt bij laserlassen met diepe penetratie.

De laser voert uit, bestraalt het oppervlak van het materiaal en genereert een plasma. Wanneer de dichtheid van het foto-geïnduceerde plasma te hoog is, zal het verlies aan laserenergie aanzienlijk toenemen, waardoor de energiedichtheid die op het werkstukoppervlak valt, wordt verzwakt. De hoeveelheid geproduceerde metaaldamp neemt af en het plasma verdwijnt geleidelijk. Op dit moment kan de laser rechtstreeks op het oppervlak van het werkstuk worden bestraald, waardoor een grote hoeveelheid metaaldamp wordt geregenereerd, en de plasma-intensiteit neemt geleidelijk toe, waardoor de invallende laser wordt afgeschermd. opnieuw. De intensiteit van het plasma blijft in een periodiek veranderingsproces. Door middel van spectrale analyse en snelle video-opnamen wordt waargenomen dat de frequentie van plasma-intensiteitsoscillaties ongeveer een paar honderd Hertz bedraagt. Dit kan ook leiden tot periodieke gekartelde fluctuaties bij het laserlassen, vooral bij het lassen van dunne platen (lasermodulatie CW-gemoduleerd is een richting om deze problemen aan te pakken).