Efekt plazmowy w procesie spawania laserowego

Efekt plazmowy w procesie spawania laserowego

W spawanie laserowe W procesie spawania plazma jest powszechnym zjawiskiem, które ma istotny wpływ na efekt i jakość procesu spawania. Plazma składa się ze zjonizowanego gazu, w którym atomy lub cząsteczki gazu tracą lub zyskują elektrony, tworząc jony dodatnie i wolne elektrony. Ten stan materii uważany jest za czwarty stan skupienia, różniący się od ciał stałych, cieczy i gazów.

1.1 Efekt plazmowy – definicja plazmy

Wytwarzanie plazmy

In spawanie laserowe, wytwarzanie plazmy zwykle przebiega w następujący sposób:

Promieniowanie laserowe: Kiedy wiązka lasera o wysokiej energii uderza w powierzchnię przedmiotu obrabianego, najpierw ją nagrzewa, powodując szybkie odparowanie materiału.

Spawanie laserowe zwykle towarzyszy wir płomienia, który obejmuje strumienie płomieni, światło żółte, światło niebieskie i światło fioletowe. Płomień ten często nazywany jest plazmą.

Definicja plazmy: Plazma wytwarzana w wyniku odparowania materiałów metalowych pod wpływem promieniowania laserowego podczas procesu spawania laserowego nazywana jest plazmą fotoindukowaną. Głównymi składnikami plazmy fotoindukowanej są pary metali, wolne elektrony, jony i cząstki obojętne elektrycznie.

Plazma, znana również jako zjonizowany gaz, składa się z jonów powstałych w wyniku jonizacji atomów lub grup atomowych za pomocą niektórych pozbawionych elektronów. Jest to makroskopowo elektrycznie obojętny zjonizowany gaz w skali większej niż długość Debye'a. Jego ruch jest zdominowany głównie przez siły elektromagnetyczne i wykazuje znaczące zachowania zbiorowe.

1.2 Efekt plazmowy – tworzenie się plazmy

Parowanie i jonizacja materiału: Ze względu na wysoką energię lasera odparowany materiał (zwykle pary metalu) będzie dodatkowo absorbować energię lasera. Kiedy energia jest wystarczająco wysoka, atomy i cząsteczki pary zostaną zjonizowane, tworząc plazmę. Podczas tego procesu elektrony są wyciskane z atomów lub cząsteczek, tworząc dużą liczbę wolnych elektronów i jonów dodatnich.

Tworzenie chmury plazmy: Utworzona plazma utworzy strukturę przypominającą chmurę, która znajduje się pomiędzy wiązką lasera a powierzchnią przedmiotu obrabianego. Ze względu na wysoką temperaturę i wysoką gęstość chmura plazmy może absorbować i rozpraszać więcej energii lasera, wpływając na transmisję wiązki lasera.

Podczas procesu spawania laserowego z głęboką penetracją, gdy gęstość energii padającego lasera jest wystarczająco duża, może on odparować metal i utworzyć dziurkę od klucza w roztopionym jeziorku. Jednocześnie wolne elektrony w parach metalu są rozpylane z powierzchni metalu i dziurka od klucza, a także te znajdujące się w części gazu ochronnego, ulegają przyspieszeniu poprzez pochłanianie energii lasera. Zwiększa to ich energię kinetyczną, prowadząc do zderzenia z cząsteczkami pary i gazu ochronnego, wywołując w ten sposób reakcję łańcuchową. Proces ten powoduje znaczną jonizację, tworząc gęstą warstwę plazmy nad dziurką od klucza. Ta warstwa gęstej plazmy może mieć znaczący wpływ na proces spawania laserowego.

1.3 Efekt plazmowy – Okresowość plazmy

1.4 Rola plazmy w przenoszeniu energii

Podczas procesu spawania laserowego dużej mocy, gdy wiązka lasera o dużej gęstości energii emituje w sposób ciągły, energia jest przekazywana na powierzchnię przedmiotu obrabianego, stale topiąc i odparowując materiał metalowy. Chmura pary szybko unosi się w górę od dziurki od klucza i szybko jonizuje, gdy spełni warunki jonizacji, tworząc w ten sposób plazmę. Wygenerowana plazma składa się głównie z plazmy z par metali.

Po utworzeniu plazma załamuje i pochłania padającą wiązkę światła, powodując odbicie, rozproszenie i absorpcję, co może osłonić wiązkę lasera. W konsekwencji wpływa to na sprzężenie energii lasera i przedmiotu obrabianego, wpływając na takie czynniki, jak głębokość topienia, powstawanie porów i skład szwu spawalniczego. Ostatecznie wpływa to bezpośrednio na jakość spawania laserowego i niezawodność procesu.

1.5 Załamanie lasera przez plazmę

Im więcej plazmy się gromadzi, tym bardziej wpływa ona na spawanie laserowe. Im bardziej laser jest rozbieżny, tym niższa jest gęstość energii, co prowadzi do gwałtownego zmniejszenia głębokości topnienia. Dlatego często występują typowe problemy, takie jak niepełne spawanie, spowodowane brakiem gazu osłonowego.

Efekt soczewki ujemnej w plazmie

Powietrze jest ośrodkiem gęstym optycznie, podczas gdy plazma jest ośrodkiem optycznie rzadkim. Załamanie lasera powoduje powstanie rozbieżnej wiązki laserowej, co pogarsza zdolność ogniskowania lasera i powoduje rozbieżność lasera, a tym samym obniżenie gęstości energii. Kiedy padająca wiązka lasera przechodzi przez plazmę, powoduje to również zmianę kierunku wiązki lasera propagacja wiązki laserowej. Kąt odchylenia jest powiązany z gradientem gęstości elektronów i długością plazmy. Może to spowodować, że gęstość energii docierającej do powierzchni materiału będzie nierówna, a wahania energii będą się zmieniać wraz z wahaniami plazmy.

Jak widać na powyższym obrazku: plazma przypomina soczewkę znajdującą się pomiędzy materiałem a laserem. Różne metody przedmuchu prowadzą do różnych efektów spawania: przedmuch boczny może nie wdmuchnąć plazmy, a lepszy jest przedmuch bezpośredni.

1.6 Absorpcja światła laserowego przez plazmę

Absorpcja energii lasera przez plazmę powoduje ciągły wzrost jej temperatury i stopnia jonizacji. Proces wchłaniania można podzielić na wchłanianie normalne i wchłanianie nieprawidłowe.

Absorpcja normalna, znana również jako absorpcja odwrotna bremsstrahlunga, odnosi się do sytuacji, w której elektrony są wzbudzane przez laserowe pole elektryczne i podlegają oscylacjom o wysokiej częstotliwości. Zderzają się z otaczającymi je cząstkami (głównie jonami), przekazując sobie nawzajem energię, zwiększając w ten sposób temperaturę i jonizację plazmy.

Anomalna absorpcja odnosi się do procesu, w którym energia lasera jest przekształcana w energię fal plazmowych poprzez szereg mechanizmów bezkolizyjnych, a następnie przekształcana w energię cieplną plazmy poprzez różne mechanizmy rozpraszania, która następnie jest odprowadzana do powietrza i rozpraszana.

Ze względu na absorpcyjne działanie plazmy na laser, tylko część padającej energii lasera może przeniknąć przez plazmę i dotrzeć do powierzchni przedmiotu obrabianego. Zwiększa to straty w transmisji energii w zewnętrznej ścieżce optycznej (od lasera QBH do powierzchni materiału), zmniejsza gęstość energii lasera i zmniejsza ogólną szybkość absorpcji. Jeśli okno znajduje się na górnej granicy, może łatwo spowodować fałszywe spawanie, szczególnie w materiałach o wysokim współczynniku odbicia (takich jak aluminium i miedź).

1.7 Tłumienie efektu plazmowego

Głównymi czynnikami wpływającymi na współczynnik załamania światła plazmy i negatywny efekt soczewki są:

Gęstość mocy lasera:

Im wyższa gęstość mocy, tym wyższa temperatura plazmy, co oznacza większą gęstość elektronów w plazmie. Im wyższa gęstość elektronów, tym mniejszy współczynnik załamania światła, co zwiększa efekt soczewki ujemnej.

Długość fali lasera: Związek między długością fali a częstotliwością kątową wynosi ω = 2πc/λ (gdzie c to prędkość światła, a λ to długość fali). Im większa długość fali lasera, tym mniejsza częstotliwość kątowa i współczynnik załamania światła, przez co negatywny efekt soczewki jest bardziej wyraźny. Spawanie krótkofalowe (światło niebieskie, światło zielone) ma zalety i jest stosunkowo bardziej stabilne.

Rodzaj gazu ochronnego: W tej samej temperaturze stopień jonizacji argonu jest większy, co skutkuje większą gęstością elektronów i mniejszym współczynnikiem załamania światła, co sprawia, że ​​efekt soczewki ujemnej jest bardziej wyraźny. Dla porównania, działanie ochronne helu jest lepsze.

Przepływ gazu ochronnego: Zwiększenie natężenia przepływu gazu w pewnym zakresie może wydmuchać chmurę plazmy nad jeziorkiem stopionego, zmniejszając w ten sposób negatywny efekt soczewki plazmy.

Materiały do ​​spawania: Generalnie nie ma wyboru. Gdy temperatura topnienia spawanego materiału jest niska i łatwo ulega jonizacji, gęstość liczby elektronów w plazmie wzrasta, co powoduje znaczny wzrost ujemnego efektu soczewki. Jeżeli istnieje taka możliwość, że laser ma większy wpływ, należy rozważyć inne przetwarzanie wiązek wysokoenergetycznych, takie jak wiązki elektronów.

Istnieje wiele czynników wpływających na plazmę podczas procesu spawania, które można podsumować w następujący sposób:

Długość fali lasera: Wartość zapłonu i próg utrzymania plazmy są proporcjonalne do kwadratu długości fali. Lasery krótkofalowe (światło niebieskie, światło zielone) mają krótki czas konserwacji plazmy, a proces będzie bardziej stabilny;

Gęstość mocy lasera: Temperatura elektronów i gęstość plazmy rosną wraz ze wzrostem gęstości mocy lasera. Nadmierna gęstość mocy jest główną przyczyną niestabilności plazmy (kompozytowe źródło ciepła (plamka pierścieniowa, kompozyt włókno-półprzewodnik, kompozyt łuku laserowego) może osiągnąć kontrola dystrybucji energii źródła ciepła w porównaniu ze spawaniem laserowym z pojedynczym włóknem, efekt plazmy ma mniejszy wpływ na proces spawania i jest bardziej stabilny).

Rozmiar plamki: Im mniejsza średnica plamki, tym wyższa wartość zapłonu plazmy i wartość konserwacji (można uniknąć spawania wahliwego);

Właściwości materiału: Gęstość i energia jonizacji materiału mają ogromny wpływ na plazmę. Im niższa energia jonizacji i im wyższy współczynnik odbicia metalu, tym bardziej jest on podatny na efekt plazmowy wpływający na stabilność spawania z głębokim wtopieniem;

Gaz otoczenia i ciśnienie: Ogólnie uważa się, że gazy o dobrej przewodności cieplnej i wysokiej energii jonizacji mają wysoką wartość zapłonu plazmy i próg konserwacji. Im niższe ciśnienie powietrza otoczenia, tym niższa temperatura elektronów, gęstość elektronów i wysokość środka plazmy. W warunkach próżni i podciśnienia spawanie laserowe z głęboką penetracją jest bardziej stabilne niż normalne ciśnienie;

Przepływ gazu: Wraz ze wzrostem natężenia przepływu otaczającego gazu objętość plazmy będzie się zmniejszać, zmniejszając w ten sposób szybkość absorpcji lasera, co może również skutecznie zmniejszyć wpływ plazmy na proces spawania z głęboką penetracją, jednak nadmiar powietrza przepływ spowoduje wahania powierzchni w jeziorku spawalniczym i rozpryski stopionego metalu, a także pęknięcia i wady chropowatości powierzchni spowodowane nadmiernym odprowadzaniem ciepła.

Prędkość spawania: Temperatura rdzenia plazmy wzrasta wraz ze spadkiem prędkości spawania. Im niższa prędkość spawania, tym łatwiej jest wygenerować plazmę i tym jest ona bardziej niestabilna. W pewnym stopniu zwiększenie prędkości może również poprawić stabilność procesu spawania.

Kontroluj plazmę, zmieniając niektóre z powyższych czynników, aby zmniejszyć lub wyeliminować jej zakłócenia z laserem

Metody kontroli obejmują:

Spawanie obrotowe: Głowica do obróbki laserowej porusza się w przód i w tył zgodnie z kierunkiem spawania. Po pojawieniu się dziurki od klucza, a przed wytworzeniem się plazmy, plamka świetlna jest natychmiast przesuwana na tylną krawędź jeziorka spawalniczego lub w inne miejsce, aby plazma nie wpływała na ścieżkę transmisji światła.

Spawanie laserem impulsowym: Regulacja impulsu i częstotliwości lasera, aby czas naświetlania lasera był krótszy niż czas tworzenia plazmy. Dzięki temu laser zawsze trafia w fazę dyspersji w cyklu tworzenia i rozpraszania plazmy, unikając zakłóceń plazmy w transmisji światła.

Spawanie niskociśnieniowe: Podczas spawania pod zmniejszonym ciśnieniem, gdy ciśnienie spada poniżej pewnego poziomu, gęstość par metalu na powierzchni materiału i wewnątrz dziurki od klucza jest niewielka, a plazma znika.

Przedmuch gazu ochronnego:

Jednym z nich jest użycie gazu pomocniczego do wydmuchania plazmy;

Inną metodą jest tłumienie jonizacji gazów środowiskowych i sprężanie par jonów metali przy użyciu gazu o dobrej przewodności cieplnej i wysokiej energii jonizacji. Można zastosować dyszę dwuwarstwową współosiową z nadmuchem głównym. Dysza zewnętrzna tworzy pewien kąt z kierunkiem poziomym. Promieniowa składowa strumienia powietrza z warstwy zewnętrznej wykorzystywana jest do rozdmuchu plazmy. Można także zastosować dyszę z prostą rurką, aby skierować plazmę i wydmuchać powietrze bocznie w kierunku spawania. Ma rygorystyczne wymagania dotyczące dokładności pozycjonowania dyszy z nadmuchem bocznym i kontroli przepływu powietrza. Wśród wielu metod sterowania kontrolowanie plazmy przez przepływ powietrza jest stosunkowo elastyczne i proste. Dlatego też boczny wdmuch gazu osłonowego jest metodą szeroko stosowaną w spawaniu laserowym z głęboką penetracją.

Laser emituje światło, napromieniowuje powierzchnię materiału i generuje plazmę. Gdy gęstość plazmy fotoindukowanej jest zbyt duża, znacznie zwiększa to straty energii lasera, osłabiając gęstość energii padającą na powierzchnię przedmiotu obrabianego. Ilość wytwarzanych par metali maleje, a plazma stopniowo zanika. W tym czasie laser można napromieniować bezpośrednio na powierzchnię przedmiotu obrabianego, regenerując dużą ilość par metalu, a intensywność plazmy stopniowo wzrasta, osłaniając padający laser ponownie. Intensywność plazmy podlega okresowym procesom zmian. Dzięki analizie widmowej i nagrywaniu wideo z dużą szybkością zaobserwowano, że częstotliwość oscylacji natężenia plazmy wynosi w przybliżeniu kilkaset herców. Może to również prowadzić do okresowych wahań ząbkowanych podczas spawania laserowego, szczególnie przy spawaniu cienkich blach (modulacja laserowa z modulacją CW jest kierunkiem rozwiązania tych problemów).