Efeito Plasma no Processo de Soldagem a Laser

Efeito plasma no processo de soldagem a laser

No soldagem a laser processo, o plasma é um fenômeno comum, que tem um impacto importante no efeito e na qualidade do processo de soldagem. O plasma é composto de gás ionizado no qual átomos ou moléculas do gás perdem ou ganham elétrons, formando íons positivos e elétrons livres. Este estado da matéria é considerado o quarto estado da matéria, diferente dos sólidos, líquidos e gases.

1.1 Efeito Plasma - Definição de Plasma

Geração de plasma

In soldagem a laser, a geração de plasma geralmente segue as seguintes etapas:

Radiação laser: Quando um feixe de laser de alta energia atinge a superfície de uma peça de trabalho, ele primeiro aquece a superfície, fazendo com que o material evapore rapidamente.

Soldagem a laser geralmente é acompanhado por um vórtice de chamas, que inclui jatos de chamas, luz amarela, luz azul e luz roxa. Esta chama é muitas vezes referida como plasma.

Definição de plasma: O plasma gerado pela vaporização de materiais metálicos devido à radiação laser durante o processo de soldagem a laser é denominado plasma fotoinduzido. Os principais componentes do plasma fotoinduzido são vapor metálico, elétrons livres, íons e partículas eletricamente neutras.

O plasma, também conhecido como gás ionizado, é composto de íons produzidos após a ionização de átomos ou grupos atômicos com alguns elétrons despojados. É um gás ionizado macroscopicamente eletricamente neutro em uma escala maior que o comprimento de Debye. Seu movimento é dominado principalmente por forças eletromagnéticas e apresenta um comportamento coletivo significativo.

1.2 Efeito Plasma - Formação de Plasma

Evaporação e ionização do material: Devido à alta energia do laser, o material evaporado (geralmente vapor metálico) absorverá ainda mais a energia do laser. Quando a energia é alta o suficiente, os átomos e moléculas do vapor serão ionizados para formar um plasma. Durante esse processo, os elétrons são extraídos dos átomos ou moléculas, criando um grande número de elétrons livres e íons positivos.

Formação de nuvem de plasma: O plasma formado formará uma estrutura semelhante a uma nuvem, localizada entre o feixe de laser e a superfície da peça de trabalho. Devido às suas características de alta temperatura e alta densidade, a nuvem de plasma pode absorver e espalhar mais energia do laser, afetando a transmissão do feixe de laser.

Durante o processo de soldagem por penetração profunda a laser, quando a densidade de energia do laser incidente é grande o suficiente, ele pode vaporizar o metal e formar um buraco de fechadura na poça de fusão. Simultaneamente, os elétrons livres no vapor de metal pulverizados da superfície do metal e o O buraco da fechadura, bem como aqueles que fazem parte do gás protetor, são acelerados pela absorção da energia do laser. Isto aumenta a sua energia cinética, levando-os a colidir com as partículas de vapor e o gás protector, desencadeando assim uma reacção em cadeia. Este processo resulta numa ionização substancial, formando uma densa camada de plasma acima do buraco da fechadura. Esta camada de plasma denso pode ter um impacto significativo no processo de soldagem a laser.

1.3 Efeito Plasma - Periodicidade Plasmática

1.4 O papel do plasma na transmissão de energia

Durante o processo de soldagem a laser de alta potência, à medida que o feixe de laser com alta densidade de energia é emitido continuamente, a energia é transferida para a superfície da peça de trabalho, derretendo e evaporando constantemente o material metálico. A nuvem de vapor é rapidamente pulverizada para cima a partir do buraco da fechadura e ioniza-se rapidamente quando atende às condições de ionização, formando assim um plasma. O plasma gerado consiste principalmente em plasma de vapor metálico.

Após a formação do plasma, ele refrata e absorve o feixe de luz incidente, causando reflexão, espalhamento e absorção, o que pode proteger o feixe de laser. Conseqüentemente, isso afeta o acoplamento da energia do laser e da peça, influenciando fatores como a profundidade de fusão, a geração de poros e a composição da costura de solda. Em última análise, isto impacta diretamente a qualidade da soldagem a laser e a confiabilidade do processo.

1.5 Refração do laser por plasma

Quanto mais plasma se acumula, mais afeta a soldagem a laser. Quanto mais o laser diverge, menor é a densidade de energia, levando a uma diminuição acentuada na profundidade de fusão. Portanto, problemas comuns, como soldagem incompleta, ocorrem frequentemente devido à ausência de gás de proteção.

Efeito de lente negativa de plasma

O ar é um meio opticamente denso, enquanto o plasma é um meio opticamente esparso. A refração do laser resulta em um feixe de laser divergente, degradando o desempenho de foco do laser e fazendo com que ele diverja, diminuindo assim a densidade de energia. Quando o feixe de laser incidente passa pelo plasma, ele também causa uma mudança na direção do propagação do raio laser. O ângulo de deflexão está relacionado ao gradiente de densidade eletrônica e ao comprimento do plasma. Isso pode fazer com que a densidade de energia que atinge a superfície do material seja irregular e as flutuações de energia mudarão junto com as flutuações no plasma.

Conforme mostrado na imagem acima: o plasma é como uma lente, situada entre o material e o laser. Diferentes métodos de sopro levarão a diferentes efeitos de soldagem: o sopro lateral pode não soprar o plasma e o sopro direto é melhor.

1.6 Absorção de luz laser por plasma

A absorção da energia do laser pelo plasma faz com que sua temperatura e grau de ionização continuem a aumentar. O processo de absorção pode ser dividido em absorção normal e absorção anormal.

A absorção normal, também conhecida como absorção inversa de Bremsstrahlung, refere-se à situação em que os elétrons são excitados pelo campo elétrico do laser e sofrem oscilações de alta frequência. Eles colidem com as partículas circundantes (principalmente íons), transferindo energia entre si, aumentando assim a temperatura e a ionização do plasma.

A absorção anômala refere-se a um processo em que a energia do laser é convertida em energia de ondas de plasma através de uma série de mecanismos de não colisão e depois convertida em energia térmica de plasma através de diferentes mecanismos de dissipação, que é então conduzida para o ar e dissipada.

Devido ao efeito de absorção do plasma no laser, apenas uma parte da energia incidente do laser pode penetrar no plasma e atingir a superfície da peça. Isto aumenta a perda de transmissão de energia no caminho óptico externo (do laser QBH para a superfície do material), reduz a densidade de energia do laser e diminui a taxa de absorção geral. Se a janela estiver no limite superior, pode facilmente levar a falsa soldagem, especialmente em materiais de alta refletância (como alumínio e cobre).

1.7 Supressão do efeito plasmático

Os principais fatores que afetam o índice de refração do plasma e o efeito negativo da lente são:

Densidade de potência do laser:

Quanto maior a densidade de potência, maior será a temperatura do plasma, o que significa que maior será a densidade eletrônica no plasma. Quanto maior a densidade eletrônica, menor o índice de refração, aumentando assim o efeito negativo da lente.

Comprimento de onda do laser:A relação entre comprimento de onda e frequência angular é ω = 2πc/λ (onde c é a velocidade da luz e λ é o comprimento de onda). Quanto maior o comprimento de onda do laser, menor a frequência angular e o índice de refração, portanto o efeito negativo da lente é mais pronunciado. A soldagem por ondas curtas (luz azul, luz verde) tem vantagens e é relativamente mais estável.

Tipo de gás protetor:Sob a mesma temperatura, o grau de ionização do argônio é maior, resultando em maior densidade eletrônica e menor índice de refração, tornando o efeito de lente negativa mais pronunciado. Em comparação, o efeito protetor do gás hélio é melhor.

Fluxo de gás protetor: Aumentar a taxa de fluxo de gás dentro de uma determinada faixa pode soprar a nuvem de plasma acima da poça derretida, reduzindo assim o efeito de lente negativo do plasma.

Materiais a serem soldados:Geralmente não há escolha. Quando o ponto de fusão do material a ser soldado é baixo e fácil de ionizar, a densidade do número de elétrons no plasma aumenta, resultando em um aumento significativo no efeito de lente negativo. Se esta possibilidade é que o laser tenha um impacto maior, outro processamento de feixe de alta energia, como feixes de elétrons, deve ser considerado.

Existem muitos fatores que afetam o plasma durante o processo de soldagem, que podem ser resumidos da seguinte forma:

Comprimento de onda do laser: O valor de ignição e o limite de manutenção do plasma são proporcionais ao quadrado do comprimento de onda. Lasers de ondas curtas (luz azul, luz verde) têm tempos curtos de manutenção do plasma e o processo será mais estável;

Densidade de potência do laser:A temperatura do elétron e a densidade do plasma aumentam com o aumento da densidade de potência do laser. A densidade de potência excessiva é a principal causa da instabilidade do plasma (fonte de calor composta (ponto anular, composto de fibra-semicondutor, composto de arco de laser) pode alcançar controle de distribuição de energia da fonte de calor Em comparação com a soldagem a laser de fibra única, o efeito do plasma tem menos impacto no processo de soldagem e é mais estável).

Tamanho do ponto: Quanto menor o diâmetro do ponto, maior o valor de ignição do plasma e o valor de manutenção (a soldagem oscilante pode ser evitada);

Propriedades do material: A densidade e a energia de ionização do material têm grande influência no plasma. Quanto menor a energia de ionização e maior a refletividade do metal, mais suscetível ele é ao efeito plasma que afeta a estabilidade da soldagem de penetração profunda;

Gás e pressão ambiente: Geralmente acredita-se que gases com boa condutividade térmica e alta energia de ionização têm alto valor de ignição de plasma e limite de manutenção. Quanto menor a pressão do ar ambiente, menor a temperatura do elétron, a densidade do elétron e a altura do centro do plasma. Sob condições de vácuo e pressão negativa, a soldagem por penetração profunda a laser é mais estável que a pressão normal;

Fluxo de gás: À medida que a taxa de fluxo do gás ambiente aumenta, o volume do plasma diminuirá, reduzindo assim a taxa de absorção do laser, o que também pode reduzir efetivamente o impacto do plasma no processo de soldagem de penetração profunda, no entanto, excesso de ar o fluxo causará flutuações superficiais na poça de soldagem e respingos de metal fundido, bem como rachaduras e defeitos de rugosidade superficial causados ​​​​pela dissipação excessiva de calor.

Velocidade de soldagem: A temperatura central do plasma aumenta com a diminuição da velocidade de soldagem. Quanto menor a velocidade de soldagem, mais fácil é gerar plasma e mais instável ele é. Até certo ponto, aumentar a velocidade também pode melhorar a estabilidade do processo de soldagem.

Controle o plasma alterando alguns dos fatores acima para reduzir ou eliminar sua interferência com o laser

Os métodos de controle incluem o seguinte:

Soldagem oscilante: A cabeça de processamento a laser oscila para frente e para trás ao longo da direção de soldagem. Após o aparecimento do buraco de fechadura e antes da formação do plasma, o ponto de luz é movido instantaneamente para a borda traseira da poça de fusão ou outro local para evitar que o plasma afete o caminho de transmissão da luz.

Soldagem a laser pulsado: Ajuste do pulso e da frequência do laser para tornar o tempo de irradiação do laser menor que o tempo de formação do plasma. Isso garante que o laser atinja sempre durante a fase de dispersão do ciclo de formação e dissipação do plasma, evitando interferência do plasma na transmissão da luz.

Soldagem de baixa pressão: Usando soldagem de pressão reduzida, quando a pressão está abaixo de um certo nível, a densidade do vapor metálico na superfície do material e dentro do buraco da fechadura é pequena e o plasma desaparece.

Golpe de gás protetor:

Uma delas é usar gás auxiliar para soprar o plasma;

Outro método é suprimir a ionização de gases ambientais e comprimir o vapor de íons metálicos usando um gás com boa condutividade térmica e alta energia de ionização. Pode ser utilizado um bico de dupla camada coaxial com o sopro principal. O bocal externo forma um certo ângulo com a direção horizontal. O componente radial do fluxo de ar da camada externa é usado para soprar o plasma. Um bico de tubo reto também pode ser usado para direcionar o plasma e soprar o ar lateralmente na direção da soldagem. Possui requisitos rigorosos para precisão de posicionamento do bico de sopro lateral e controle do fluxo de ar. Entre muitos métodos de controle, controlar o plasma através do fluxo de ar é relativamente flexível e simples. Portanto, o gás de proteção por sopro lateral é um método amplamente utilizado na soldagem de penetração profunda a laser.

O laser emite, irradia a superfície do material e gera um plasma. Quando a densidade do plasma fotoinduzido é muito alta, aumentará significativamente a perda de energia do laser, enfraquecendo a densidade de energia incidente na superfície da peça. A quantidade de vapor metálico produzido diminui e o plasma desaparece gradualmente. Neste momento, o laser pode ser irradiado diretamente na superfície da peça, regenerando uma grande quantidade de vapor metálico, e a intensidade do plasma aumenta gradativamente, protegendo o laser incidente novamente.A intensidade do plasma permanece em um processo de mudança periódica. Através da análise espectral e gravação de vídeo em alta velocidade, observa-se que a frequência das oscilações de intensidade do plasma é de aproximadamente algumas centenas de Hertz. Isso também pode levar a flutuações serrilhadas periódicas na soldagem a laser, especialmente na soldagem de placas finas (a modulação do laser modulada em CW é uma direção para resolver esses problemas).