ผลของพลาสมาในกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์

ผลของพลาสม่าในกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์

ตัว Vortex Indicator ได้ถูกนำเสนอลงในนิตยสาร การเชื่อมด้วยเลเซอร์ กระบวนการพลาสม่าเป็นปรากฏการณ์ทั่วไปซึ่งมีผลกระทบสำคัญต่อผลกระทบและคุณภาพของกระบวนการเชื่อม พลาสมาประกอบด้วยก๊าซไอออไนซ์ซึ่งอะตอมหรือโมเลกุลในก๊าซสูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอน ก่อตัวเป็นไอออนบวกและอิเล็กตรอนอิสระ สถานะของสสารนี้ถือเป็นสถานะที่สี่ของสสาร แตกต่างจากของแข็ง ของเหลว และก๊าซ

1.1 เอฟเฟกต์พลาสมา - คำจำกัดความของพลาสมา

การสร้างพลาสมา

In การเชื่อมด้วยเลเซอร์การสร้างพลาสมามักจะทำตามขั้นตอนต่อไปนี้:

การแผ่รังสีเลเซอร์: เมื่อลำแสงเลเซอร์พลังงานสูงกระทบกับพื้นผิวของชิ้นงาน ลำแสงจะให้ความร้อนที่พื้นผิวก่อน ส่งผลให้วัสดุระเหยอย่างรวดเร็ว

การเชื่อมด้วยเลเซอร์ มักจะมาพร้อมกับกระแสน้ำวนเปลวไฟ ซึ่งรวมถึงไอพ่นของเปลวไฟ แสงสีเหลือง แสงสีน้ำเงิน และแสงสีม่วง เปลวไฟนี้มักเรียกว่าพลาสมา

คำนิยามของพลาสมา: พลาสมาที่เกิดจากการระเหยของวัสดุโลหะเนื่องจากการแผ่รังสีเลเซอร์ในระหว่างกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์เรียกว่าพลาสมาที่เกิดจากแสง ส่วนประกอบหลักของพลาสมาที่เกิดจากแสง ได้แก่ ไอโลหะ อิเล็กตรอนอิสระ ไอออน และอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า

พลาสมาหรือที่รู้จักกันในชื่อก๊าซไอออไนซ์ประกอบด้วยไอออนที่เกิดขึ้นหลังจากการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมหรือกลุ่มอะตอมโดยมีอิเล็กตรอนหลุดออกมาบางส่วน มันเป็นก๊าซไอออไนซ์ที่เป็นกลางทางไฟฟ้าในระดับมหภาคในระดับที่มากกว่าความยาวเดบาย การเคลื่อนที่ของมันถูกครอบงำโดยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่ และแสดงให้เห็นพฤติกรรมโดยรวมที่สำคัญ

1.2 เอฟเฟกต์พลาสม่า - การก่อตัวของพลาสมา

การระเหยและการไอออไนซ์ของวัสดุ: เนื่องจากเลเซอร์มีพลังงานสูง วัสดุที่ระเหย (โดยปกติจะเป็นไอโลหะ) จะดูดซับพลังงานเลเซอร์ต่อไป เมื่อพลังงานสูงเพียงพอ อะตอมและโมเลกุลในไอระเหยจะถูกไอออนไนซ์เป็นพลาสมา ในระหว่างกระบวนการนี้ อิเล็กตรอนจะถูกบีบออกจากอะตอมหรือโมเลกุล ทำให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระและไอออนบวกจำนวนมาก

การก่อตัวของพลาสมาคลาวด์: พลาสมาที่เกิดขึ้นจะก่อตัวเป็นโครงสร้างคล้ายเมฆซึ่งอยู่ระหว่างลำแสงเลเซอร์กับพื้นผิวของชิ้นงาน เนื่องจากอุณหภูมิสูงและมีลักษณะความหนาแน่นสูง พลาสม่าคลาวด์จึงสามารถดูดซับและกระจายพลังงานเลเซอร์ได้มากขึ้น ซึ่งส่งผลต่อการส่งผ่านลำแสงเลเซอร์

ในระหว่างกระบวนการเชื่อมด้วยการเจาะลึกด้วยเลเซอร์ เมื่อความหนาแน่นของพลังงานของเลเซอร์ที่ตกกระทบมีขนาดใหญ่เพียงพอ ก็สามารถระเหยโลหะและสร้างรูกุญแจในสระหลอมเหลว พร้อมกันนั้น อิเล็กตรอนอิสระในไอโลหะที่ถูกพ่นจากพื้นผิวโลหะและ รูกุญแจและส่วนที่เป็นส่วนหนึ่งของก๊าซป้องกัน จะถูกเร่งโดยการดูดซับพลังงานเลเซอร์ สิ่งนี้จะเพิ่มพลังงานจลน์ ส่งผลให้พวกมันชนกับอนุภาคไอและก๊าซป้องกัน ซึ่งทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ กระบวนการนี้ส่งผลให้เกิดไอออไนซ์จำนวนมาก ก่อตัวเป็นชั้นพลาสมาหนาแน่นเหนือรูกุญแจ ชั้นของพลาสมาหนาแน่นนี้สามารถส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์

1.3 ผลกระทบของพลาสมา - ช่วงเวลาของพลาสมา

1.4 บทบาทของพลาสมาในการส่งพลังงาน

ในระหว่างกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังสูง เมื่อลำแสงเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงส่งออกอย่างต่อเนื่อง พลังงานจะถูกถ่ายโอนไปยังพื้นผิวของชิ้นงาน จากนั้นจะหลอมและระเหยวัสดุโลหะอย่างต่อเนื่อง เมฆไอพ่นขึ้นอย่างรวดเร็วจากรูกุญแจ และแตกตัวเป็นไอออนอย่างรวดเร็วเมื่อตรงตามเงื่อนไขไอออไนเซชัน จึงเกิดเป็นพลาสมา พลาสมาที่สร้างขึ้นส่วนใหญ่ประกอบด้วยพลาสมาไอโลหะ

หลังจากที่พลาสมาถูกสร้างขึ้น มันจะหักเหและดูดซับลำแสงที่ตกกระทบ ทำให้เกิดการสะท้อน การกระเจิง และการดูดกลืนแสง ซึ่งสามารถป้องกันลำแสงเลเซอร์ได้ ซึ่งส่งผลต่อการมีเพศสัมพันธ์ของพลังงานเลเซอร์และชิ้นงาน ซึ่งส่งผลต่อปัจจัยต่างๆ เช่น ความลึกของการหลอมเหลว การสร้างรูพรุน และองค์ประกอบของรอยเชื่อม ท้ายที่สุดแล้ว สิ่งนี้จะส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพของการเชื่อมด้วยเลเซอร์และความน่าเชื่อถือของกระบวนการ

1.5 การหักเหของแสงเลเซอร์ด้วยพลาสมา

ยิ่งพลาสมาสะสมมากเท่าไรก็ยิ่งส่งผลต่อการเชื่อมด้วยเลเซอร์มากขึ้นเท่านั้น ยิ่งเลเซอร์มีการกระจายตัวมากเท่าใด ความหนาแน่นของพลังงานก็จะยิ่งลดลง ส่งผลให้ความลึกของการหลอมเหลวลดลงอย่างมาก ดังนั้นปัญหาทั่วไป เช่น การเชื่อมที่ไม่สมบูรณ์ มักเกิดขึ้นเนื่องจากไม่มีแก๊สป้องกัน

ผลเชิงลบของเลนส์พลาสม่า

อากาศเป็นสื่อที่มีความหนาแน่นเชิงการมองเห็น ในขณะที่พลาสมาเป็นสื่อที่มีความหนาแน่นเชิงแสง การหักเหของแสงเลเซอร์ส่งผลให้ลำแสงเลเซอร์แยกออก ทำให้ประสิทธิภาพการโฟกัสของเลเซอร์ลดลง และทำให้เลเซอร์แยกออก ส่งผลให้ความหนาแน่นของพลังงานลดลง เมื่อลำแสงเลเซอร์ที่ตกกระทบผ่านพลาสมา ก็จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในทิศทางของ การแพร่กระจายของลำแสงเลเซอร์ มุมโก่งสัมพันธ์กับการไล่ระดับความหนาแน่นของอิเล็กตรอนและความยาวของพลาสมา ซึ่งอาจทำให้ความหนาแน่นของพลังงานที่ไปถึงพื้นผิววัสดุไม่สม่ำเสมอ และความผันผวนของพลังงานจะเปลี่ยนไปตามความผันผวนของพลาสมา

ดังที่แสดงในภาพด้านบน พลาสมาเปรียบเสมือนเลนส์ที่อยู่ระหว่างวัสดุกับเลเซอร์ วิธีการเป่าที่แตกต่างกันจะนำไปสู่ผลการเชื่อมที่แตกต่างกัน การเป่าด้านข้างอาจไม่เป่าพลาสมา และการเป่าโดยตรงจะดีกว่า

1.6 การดูดซับแสงเลเซอร์ด้วยพลาสมา

การดูดซับพลังงานเลเซอร์โดยพลาสมาทำให้อุณหภูมิและระดับไอออไนเซชันเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง กระบวนการดูดซึมแบ่งได้เป็นการดูดซึมปกติและการดูดซึมผิดปกติ

การดูดกลืนแสงแบบปกติหรือที่เรียกว่าการดูดซึมแบบเบรมสตราลุงแบบผกผัน หมายถึงสถานการณ์ที่อิเล็กตรอนถูกตื่นเต้นด้วยสนามไฟฟ้าเลเซอร์และผ่านการสั่นความถี่สูง พวกมันชนกับอนุภาคที่อยู่รอบ ๆ (ส่วนใหญ่เป็นไอออน) ถ่ายโอนพลังงานซึ่งกันและกัน ส่งผลให้อุณหภูมิและการแตกตัวเป็นไอออนของพลาสมาเพิ่มขึ้น

การดูดกลืนแสงที่ผิดปกติหมายถึงกระบวนการที่พลังงานเลเซอร์ถูกแปลงเป็นพลังงานคลื่นพลาสมาผ่านกลไกการไม่ชนกันหลายชุด จากนั้นแปลงเป็นพลังงานความร้อนพลาสมาผ่านกลไกการกระจายต่างๆ ซึ่งจากนั้นจะถูกนำไปในอากาศและกระจายไป

เนื่องจากผลการดูดซับของพลาสมาต่อเลเซอร์ พลังงานเลเซอร์ที่ตกกระทบเพียงบางส่วนเท่านั้นที่สามารถทะลุพลาสมาและไปถึงพื้นผิวของชิ้นงานได้ ซึ่งจะเพิ่มการสูญเสียการส่งผ่านพลังงานในเส้นทางแสงภายนอก (จากเลเซอร์ QBH ไปยังพื้นผิววัสดุ) ลดความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ และลดอัตราการดูดซับโดยรวม หากหน้าต่างอยู่ที่ขอบเขตด้านบน อาจนำไปสู่การเชื่อมผิดพลาดได้ง่าย โดยเฉพาะในวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูง (เช่น อลูมิเนียมและทองแดง)

1.7 การปราบปรามเอฟเฟกต์พลาสมา

ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อดัชนีการหักเหของแสงในพลาสมาและผลกระทบของเลนส์เชิงลบคือ:

ความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์:

ยิ่งความหนาแน่นของพลังงานสูง อุณหภูมิของพลาสมาก็จะยิ่งสูงขึ้น ซึ่งหมายความว่าความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในพลาสมาก็จะมากขึ้นตามไปด้วย ยิ่งความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูง ดัชนีการหักเหของแสงก็จะยิ่งน้อยลง ส่งผลให้เอฟเฟกต์เลนส์เป็นลบเพิ่มมากขึ้น

ความยาวคลื่นเลเซอร์: ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นและความถี่เชิงมุมคือ ω = 2πc/λ (โดยที่ c คือความเร็วของแสง และ λ คือความยาวคลื่น) ยิ่งความยาวคลื่นเลเซอร์มากขึ้น ความถี่เชิงมุมและดัชนีการหักเหของแสงก็จะยิ่งน้อยลง ดังนั้นเอฟเฟกต์เลนส์เชิงลบจึงเด่นชัดมากขึ้น การเชื่อมคลื่นสั้น (แสงสีฟ้า, แสงสีเขียว) มีข้อดีและค่อนข้างเสถียรกว่า

ประเภทของก๊าซป้องกัน:ภายใต้อุณหภูมิเดียวกัน ระดับไอออไนซ์ของอาร์กอนจะมากกว่า ส่งผลให้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนมากขึ้นและดัชนีการหักเหของแสงน้อยลง ทำให้เอฟเฟกต์เลนส์เชิงลบเด่นชัดมากขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว ผลการป้องกันของก๊าซฮีเลียมจะดีกว่า

การไหลของก๊าซป้องกัน:การเพิ่มอัตราการไหลของก๊าซภายในช่วงหนึ่งสามารถพัดพาเมฆพลาสม่าเหนือสระหลอมเหลวออกไปได้ ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบทางลบของเลนส์ของพลาสมา

วัสดุที่จะเชื่อม:โดยทั่วไปไม่มีทางเลือก เมื่อจุดหลอมเหลวของวัสดุที่จะเชื่อมต่ำและแตกตัวเป็นไอออนได้ง่าย ความหนาแน่นของจำนวนอิเล็กตรอนในพลาสมาจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เอฟเฟกต์เลนส์เชิงลบเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ หากความเป็นไปได้นี้คือเลเซอร์มีผลกระทบมากกว่า ก็ควรพิจารณาการประมวลผลลำแสงพลังงานสูงอื่นๆ เช่น ลำแสงอิเล็กตรอน

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อพลาสมาในระหว่างกระบวนการเชื่อมซึ่งสามารถสรุปได้ดังนี้

ความยาวคลื่นเลเซอร์: ค่าการจุดระเบิดและเกณฑ์การบำรุงรักษาของพลาสมาจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความยาวคลื่น เลเซอร์คลื่นสั้น (แสงสีฟ้า, แสงสีเขียว) มีระยะเวลาการบำรุงรักษาพลาสมาสั้น และกระบวนการจะมีเสถียรภาพมากขึ้น

ความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์: อุณหภูมิอิเล็กตรอนและความหนาแน่นของพลาสมาเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ ความหนาแน่นของพลังงานที่มากเกินไปเป็นสาเหตุหลักของความไม่เสถียรของพลาสมา (แหล่งความร้อนคอมโพสิต (จุดวงแหวน, คอมโพสิตไฟเบอร์เซมิคอนดักเตอร์, คอมโพสิตอาร์คเลเซอร์) สามารถบรรลุได้ การควบคุมการกระจายพลังงานของแหล่งความร้อนเมื่อเปรียบเทียบกับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์เดี่ยวเอฟเฟกต์พลาสมามีผลกระทบต่อกระบวนการเชื่อมน้อยกว่า

ขนาดสปอต: ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางของสปอตเล็กลง ค่าการจุดระเบิดของพลาสมาและค่าการบำรุงรักษาก็จะยิ่งสูงขึ้น (สามารถหลีกเลี่ยงการเชื่อมแบบโยกเยกได้)

คุณสมบัติของวัสดุ: ความหนาแน่นและพลังงานไอออไนเซชันของวัสดุมีอิทธิพลอย่างมากต่อพลาสมา ยิ่งพลังงานไอออไนเซชันต่ำและค่าการสะท้อนของโลหะยิ่งสูงเท่าไร ยิ่งมีความอ่อนไหวต่อผลกระทบของพลาสมาซึ่งส่งผลต่อความเสถียรของการเชื่อมทะลุลึกมากขึ้นเท่านั้น

ก๊าซและความดันโดยรอบ: เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่าก๊าซที่มีค่าการนำความร้อนที่ดีและพลังงานไอออไนเซชันสูงมีค่าการจุดติดไฟในพลาสมาสูงและเกณฑ์การบำรุงรักษา ยิ่งความกดอากาศโดยรอบต่ำลง อุณหภูมิของอิเล็กตรอน ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน และความสูงของศูนย์กลางพลาสมาก็จะยิ่งต่ำลง ภายใต้สภาวะแรงดันสุญญากาศและแรงดันลบ การเชื่อมด้วยเลเซอร์เจาะลึกจะมีเสถียรภาพมากกว่าแรงดันปกติ

การไหลของก๊าซ:เมื่ออัตราการไหลของก๊าซโดยรอบเพิ่มขึ้น ปริมาตรของพลาสมาจะลดลง ซึ่งจะช่วยลดอัตราการดูดซึมของเลเซอร์ ซึ่งยังสามารถลดผลกระทบของพลาสมาในกระบวนการเชื่อมแบบเจาะลึกได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม อากาศที่มากเกินไป การไหลจะทำให้เกิดความผันผวนของพื้นผิวในสระเชื่อมและการกระเด็นของโลหะหลอมเหลว รวมถึงข้อบกพร่องรอยแตกและความขรุขระของพื้นผิวที่เกิดจากการกระจายความร้อนที่มากเกินไป

ความเร็วในการเชื่อม: อุณหภูมิแกนกลางของพลาสมาจะเพิ่มขึ้นตามความเร็วในการเชื่อมที่ลดลง ยิ่งความเร็วในการเชื่อมต่ำเท่าไร การสร้างพลาสมาก็จะง่ายขึ้นและมีความไม่เสถียรมากขึ้นเท่านั้น การเพิ่มความเร็วยังสามารถปรับปรุงความเสถียรของกระบวนการเชื่อมได้ในระดับหนึ่ง

ควบคุมพลาสมาโดยการเปลี่ยนแปลงปัจจัยบางประการข้างต้นเพื่อลดหรือขจัดการรบกวนด้วยเลเซอร์

วิธีการควบคุมมีดังต่อไปนี้:

การเชื่อมแบบสวิง: หัวประมวลผลด้วยเลเซอร์จะแกว่งไปมาตามทิศทางการเชื่อม หลังจากที่รูกุญแจปรากฏขึ้นและก่อนที่พลาสมาจะก่อตัว จุดไฟจะถูกย้ายไปยังขอบด้านหลังของสระเชื่อมหรือตำแหน่งอื่นทันทีเพื่อหลีกเลี่ยงพลาสมาที่ส่งผลต่อเส้นทางการส่งผ่านแสง

การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบพัลส์: การปรับพัลส์และความถี่ของเลเซอร์เพื่อให้เวลาในการฉายรังสีของเลเซอร์น้อยกว่าเวลาการก่อตัวของพลาสมา สิ่งนี้ทำให้แน่ใจได้ว่าเลเซอร์จะตกเสมอในระหว่างระยะการกระจายของวงจรการก่อตัวและการกระจายของพลาสมา โดยหลีกเลี่ยงการรบกวนของพลาสมาในการส่งผ่านแสง

การเชื่อมด้วยแรงดันต่ำ: การใช้การเชื่อมด้วยแรงดันต่ำ เมื่อความดันต่ำกว่าระดับหนึ่ง ความหนาแน่นของไอโลหะบนพื้นผิววัสดุและภายในรูกุญแจจะมีน้อย และพลาสมาจะหายไป

ก๊าซป้องกันการระเบิด:

วิธีแรกคือการใช้แก๊สเสริมเพื่อเป่าพลาสมาออกไป

อีกวิธีหนึ่งคือการระงับไอออไนซ์ของก๊าซสิ่งแวดล้อมและบีบอัดไอไอออนของโลหะโดยใช้ก๊าซที่มีค่าการนำความร้อนที่ดีและพลังงานไอออไนเซชันสูง สามารถใช้โคแอกเชียลหัวฉีดสองชั้นที่มีการเป่าหลักได้ หัวฉีดด้านนอกสร้างมุมที่แน่นอนพร้อมกับทิศทางแนวนอน องค์ประกอบแนวรัศมีของการไหลของอากาศจากชั้นนอกถูกใช้เพื่อเป่าพลาสมาไปรอบๆ นอกจากนี้ยังสามารถใช้หัวฉีดแบบท่อตรงเพื่อเล็งไปที่พลาสมาและเป่าอากาศไปด้านข้างในทิศทางของการเชื่อม มีข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับความแม่นยำในการวางตำแหน่งหัวฉีดลมด้านข้างและการควบคุมการไหลของอากาศ ในบรรดาวิธีการควบคุมหลายวิธี การควบคุมพลาสมาผ่านการไหลเวียนของอากาศค่อนข้างยืดหยุ่นและเรียบง่าย ดังนั้นก๊าซป้องกันการระเบิดด้านข้างจึงเป็นวิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเชื่อมด้วยเลเซอร์เจาะลึก

เลเซอร์เอาท์พุต ฉายรังสีพื้นผิวของวัสดุ และสร้างพลาสมา เมื่อความหนาแน่นของพลาสมาที่เกิดจากภาพถ่ายสูงเกินไป การสูญเสียพลังงานเลเซอร์จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้ความหนาแน่นของพลังงานที่ตกกระทบบนพื้นผิวชิ้นงานลดลง ปริมาณไอโลหะที่ผลิตลดลง และพลาสมาจะค่อยๆ หายไป ในเวลานี้ เลเซอร์สามารถถูกฉายรังสีโดยตรงบนพื้นผิวของชิ้นงาน สร้างไอโลหะจำนวนมากขึ้นมาใหม่ และความเข้มของพลาสมาจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ช่วยป้องกันเลเซอร์ที่ตกกระทบ อีกครั้ง ความเข้มข้นของพลาสมายังคงอยู่ในกระบวนการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ จากการวิเคราะห์สเปกตรัมและการบันทึกวิดีโอความเร็วสูง ความถี่ของการสั่นของความเข้มของพลาสมาจะอยู่ที่ประมาณสองสามร้อยเฮิรตซ์ สิ่งนี้ยังสามารถนำไปสู่ความผันผวนของรอยหยักเป็นระยะในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเชื่อมแผ่นบาง (การปรับด้วยเลเซอร์ CW ​​เป็นแนวทางในการแก้ไขปัญหาเหล่านี้)