Эффект плазмы в процессе лазерной сварки

Плазменный эффект в процессе лазерной сварки

В лазерная сварка Плазма состоит из ионизированного газа, в котором атомы или молекулы газа теряют или приобретают электроны, образуя положительные ионы и свободные электроны. Это состояние вещества считается четвертым состоянием вещества, отличным от твердых тел, жидкостей и газов.

1.1 Эффект плазмы – определение плазмы

Генерация плазмы

In лазерная сваркаГенерация плазмы обычно состоит из следующих этапов:

Лазерное излучение: когда высокоэнергетический лазерный луч попадает на поверхность заготовки, он сначала нагревает поверхность, вызывая быстрое испарение материала.

Лазерная сварка обычно сопровождается огненным вихрем, который включает струи пламени, желтый свет, синий свет и фиолетовый свет. Это пламя часто называют плазмой.

Определение плазмы: Плазма, образующаяся в результате испарения металлических материалов под действием лазерного излучения в процессе лазерной сварки, называется фотоиндуцированной плазмой. Основными компонентами фотоиндуцированной плазмы являются пары металлов, свободные электроны, ионы и электрически нейтральные частицы.

Плазма, также известная как ионизированный газ, состоит из ионов, образующихся в результате ионизации атомов или атомных групп с некоторыми оторванными электронами. Это макроскопически электрически нейтральный ионизированный газ в масштабе, превышающем дебаевскую длину. В его движении в основном преобладают электромагнитные силы, и он демонстрирует значительное коллективное поведение.

1.2 Эффект плазмы – образование плазмы

Испарение материала и ионизация. Из-за высокой энергии лазера испаряемый материал (обычно пары металла) будет дополнительно поглощать энергию лазера. Когда энергия достаточно высока, атомы и молекулы пара ионизируются с образованием плазмы. Во время этого процесса электроны выдавливаются из атомов или молекул, создавая большое количество свободных электронов и положительных ионов.

Формирование плазменного облака: образовавшаяся плазма образует облачную структуру, которая расположена между лазерным лучом и поверхностью заготовки. Благодаря своим характеристикам высокой температуры и высокой плотности плазменное облако может поглощать и рассеивать больше лазерной энергии, влияя на передачу лазерного луча.

В процессе лазерной сварки с глубоким проплавлением, когда плотность энергии падающего лазера достаточно велика, он может испарять металл и образовывать замочную скважину в расплавленной ванне. Одновременно свободные электроны в парах металла распыляются с поверхности металла и замочная скважина, а также находящиеся в составе защитного газа ускоряются за счет поглощения энергии лазера. Это увеличивает их кинетическую энергию, заставляя их сталкиваться с частицами пара и защитным газом, запуская цепную реакцию. Этот процесс приводит к значительной ионизации, образуя плотный слой плазмы над замочной скважиной. Этот слой плотной плазмы может оказать существенное влияние на процесс лазерной сварки.

1.3 Эффект плазмы – периодичность плазмы

1.4 Роль плазмы в передаче энергии

В процессе высокомощной лазерной сварки, поскольку лазерный луч с высокой плотностью энергии непрерывно излучается, энергия передается на поверхность заготовки, постоянно плавя и испаряя металлический материал. Облако пара быстро распыляется вверх из замочной скважины и быстро ионизируется, как только оно соответствует условиям ионизации, образуя таким образом плазму. Генерируемая плазма в основном состоит из плазмы паров металлов.

После образования плазмы она преломляет и поглощает падающий световой луч, вызывая отражение, рассеяние и поглощение, которые могут экранировать лазерный луч. Следовательно, это влияет на взаимодействие энергии лазера и заготовки, влияя на такие факторы, как глубина плавления, образование пор и состав сварного шва. В конечном итоге это напрямую влияет на качество лазерной сварки и надежность процесса.

1.5. Преломление лазера в плазме.

Чем больше накапливается плазмы, тем сильнее она влияет на лазерную сварку. Чем больше расходится лазер, тем ниже плотность энергии, что приводит к резкому уменьшению глубины плавления. Поэтому распространенные проблемы, такие как неполная сварка, часто возникают из-за отсутствия защитного газа.

Эффект плазменного негативного линзирования

Воздух — оптически плотная среда, а плазма — оптически разреженная среда. Их преломление лазера приводит к расхождению лазерного луча, ухудшая фокусирующие характеристики лазера и заставляя лазер расходиться, тем самым снижая плотность энергии. Когда падающий лазерный луч проходит через плазму, это также вызывает изменение направления лазера. распространение лазерного луча. Угол отклонения связан с градиентом электронной плотности и длиной плазмы. Это может привести к тому, что плотность энергии, достигающей поверхности материала, будет неравномерной, и колебания энергии будут меняться вместе с колебаниями в плазме.

Как показано на рисунке выше: плазма похожа на линзу, лежащую между материалом и лазером. Различные методы продувки приводят к разным эффектам сварки: боковая продувка может не выдувать плазму, а прямая продувка лучше.

1.6. Поглощение лазерного света плазмой

Поглощение лазерной энергии плазмой приводит к дальнейшему увеличению ее температуры и степени ионизации. Процесс абсорбции можно разделить на нормальную абсорбцию и аномальную абсорбцию.

Нормальное поглощение, также известное как поглощение обратного тормозного излучения, относится к ситуации, когда электроны возбуждаются электрическим полем лазера и испытывают высокочастотные колебания. Они сталкиваются с окружающими частицами (в основном ионами), передавая друг другу энергию, тем самым повышая температуру и ионизацию плазмы.

Аномальное поглощение относится к процессу, в котором энергия лазера преобразуется в энергию плазменной волны посредством ряда механизмов отсутствия столкновений, а затем преобразуется в тепловую энергию плазмы посредством различных механизмов диссипации, которая затем передается в воздух и рассеивается.

Из-за поглощающего воздействия плазмы на лазер только часть падающей лазерной энергии может проникнуть в плазму и достичь поверхности заготовки. Это увеличивает потери при передаче энергии по внешнему оптическому пути (от лазерной КДД к поверхности материала), снижает плотность лазерной энергии и снижает общую скорость поглощения. Если окно находится на верхней границе, это легко может привести к ложной сварке, особенно в материалах с высоким коэффициентом отражения (таких как алюминий и медь).

1.7 Подавление эффекта плазмы

Основными факторами, влияющими на показатель преломления плазмы и отрицательный линзовый эффект, являются:

Плотность мощности лазера:

Чем выше плотность мощности, тем выше температура плазмы, а значит, тем больше плотность электронов в плазме. Чем выше плотность электронов, тем меньше показатель преломления, что усиливает эффект отрицательной линзы.

Длина волны лазера: соотношение между длиной волны и угловой частотой составляет ω = 2πc/λ (где c — скорость света, а λ — длина волны). Чем больше длина волны лазера, тем меньше угловая частота и показатель преломления, поэтому эффект отрицательной линзы более выражен. Коротковолновая сварка (синий свет, зеленый свет) имеет преимущества и является относительно более стабильной.

Тип защитного газа: при той же температуре степень ионизации аргона выше, что приводит к большей плотности электронов и меньшему показателю преломления, что делает эффект отрицательной линзы более выраженным. Для сравнения, защитный эффект гелия лучше.

Поток защитного газа: Увеличение скорости потока газа в определенном диапазоне может сдуть плазменное облако над расплавленной ванной, тем самым уменьшив отрицательный линзовый эффект плазмы.

Свариваемые материалы: Как правило, выбора нет. Когда температура плавления свариваемого материала низкая и его легко ионизировать, плотность электронов в плазме увеличивается, что приводит к значительному усилению эффекта отрицательной линзы. Если такая вероятность заключается в том, что лазер оказывает большее воздействие, следует рассмотреть возможность другой обработки высокоэнергетическими лучами, например, электронными лучами.

Существует множество факторов, влияющих на плазму в процессе сварки, которые можно резюмировать следующим образом:

Длина волны лазера: величина зажигания и порог поддержания плазмы пропорциональны квадрату длины волны. Коротковолновые лазеры (синий свет, зеленый свет) имеют короткое время поддержания плазмы, и процесс будет более стабильным;

Плотность мощности лазера: температура электронов и плотность плазмы увеличиваются с увеличением плотности мощности лазера. Чрезмерная плотность мощности является основной причиной нестабильности плазмы (композитный источник тепла (кольцевое пятно, композит волокно-полупроводник, композит лазерной дуги) может достичь контроль распределения энергии источника тепла По сравнению с одноволоконной лазерной сваркой эффект плазмы оказывает меньшее влияние на процесс сварки и более стабилен);

Размер пятна: чем меньше диаметр пятна, тем выше значение воспламенения плазмы и стоимость обслуживания (можно избежать качающейся сварки);

Свойства материала: Плотность и энергия ионизации материала оказывают большое влияние на плазму. Чем ниже энергия ионизации и выше отражательная способность металла, тем более он подвержен плазменному воздействию, влияющему на стабильность сварки с глубоким проплавлением;

Окружающий газ и давление: обычно считается, что газы с хорошей теплопроводностью и высокой энергией ионизации имеют высокую степень воспламенения плазмы и порог поддержания. Чем ниже давление окружающего воздуха, тем ниже температура электронов, плотность электронов и высота центра плазмы. В условиях вакуума и отрицательного давления лазерная сварка с глубоким проплавлением более стабильна, чем при нормальном давлении;

Поток газа: по мере увеличения скорости потока окружающего газа объем плазмы будет уменьшаться, тем самым снижая скорость поглощения лазера, что также может эффективно снизить влияние плазмы на процесс сварки с глубоким проплавлением, однако избыток воздуха поток вызовет колебания поверхности сварочной ванны и разбрызгивание расплавленного металла, а также появление трещин и дефектов шероховатости поверхности, вызванных чрезмерным тепловыделением.

Скорость сварки: внутренняя температура плазмы увеличивается с уменьшением скорости сварки. Чем ниже скорость сварки, тем легче генерировать плазму и тем она нестабильнее. В определенной степени увеличение скорости может также улучшить стабильность процесса сварки.

Управляйте плазмой, изменяя некоторые из вышеперечисленных факторов, чтобы уменьшить или устранить ее взаимодействие с лазером.

К методам контроля относятся следующие:

Поворотная сварка: лазерная обрабатывающая головка качается вперед и назад в направлении сварки. После появления замочной скважины и до образования плазмы световое пятно мгновенно перемещается к заднему краю сварочной ванны или в другое место, чтобы плазма не влияла на путь передачи света.

Импульсная лазерная сварка: регулировка импульса и частоты лазера, чтобы время облучения лазером было меньше времени образования плазмы. Это гарантирует, что лазер всегда попадает во время фазы дисперсии цикла образования и рассеяния плазмы, избегая помех плазмы при передаче света.

Сварка низким давлением: при сварке пониженным давлением, когда давление ниже определенного уровня, плотность паров металла на поверхности материала и внутри замочной скважины мала, и плазма исчезает.

Подача защитного газа:

Один из них — использовать вспомогательный газ для выдувания плазмы;

Другой метод заключается в подавлении ионизации газов окружающей среды и сжатии паров ионов металлов с использованием газа с хорошей теплопроводностью и высокой энергией ионизации. Можно использовать двухслойное сопло, соосное основному дутью. Внешнее сопло образует определенный угол с горизонтальным направлением. Радиальная составляющая потока воздуха из внешнего слоя используется для обдува плазмы. Сопло с прямой трубкой также можно использовать для нацеливания на плазму и подачи воздуха сбоку в направлении сварки. К нему предъявляются строгие требования к точности позиционирования сопла бокового обдува и контролю воздушного потока. Среди многих методов управления управление плазмой посредством воздушного потока является относительно гибким и простым. Поэтому боковая продувка защитным газом является методом, широко используемым при лазерной сварке с глубоким проплавлением.

Лазер излучает свет, облучает поверхность материала и генерирует плазму. Когда плотность фотоиндуцированной плазмы слишком высока, это значительно увеличивает потери энергии лазера, ослабляя плотность энергии, падающей на поверхность заготовки. Количество образующихся паров металла уменьшается, и плазма постепенно исчезает. В это время лазер можно облучать непосредственно на поверхности заготовки, регенерируя большое количество паров металла, а интенсивность плазмы постепенно увеличивается, экранируя падающий лазер. снова. Интенсивность плазмы остается в процессе периодических изменений. С помощью спектрального анализа и высокоскоростной видеозаписи установлено, что частота колебаний интенсивности плазмы составляет примерно несколько сотен герц. Это также может привести к периодическим скачкообразным колебаниям при лазерной сварке, особенно при сварке тонких листов (модуляция лазера с непрерывной модуляцией — это направление для решения этих проблем).