Lazer Kaynak İşleminde Plazma Etkisi

Lazer kaynak işleminde plazma etkisi

içinde Lazer kaynak Plazma, kaynak işleminin etkisi ve kalitesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olan yaygın bir olgudur. Plazma, gazdaki atomların veya moleküllerin elektron kaybettiği veya kazandığı, pozitif iyonlar ve serbest elektronlar oluşturduğu iyonize gazdan oluşur. Maddenin bu hali katı, sıvı ve gazlardan farklı olarak maddenin dördüncü hali olarak kabul edilir.

1.1 Plazma Etkisi - Plazma Tanımı

Plazma üretimi

In Lazer kaynakPlazma üretimi genellikle aşağıdaki adımları takip eder:

Lazer radyasyonu: Yüksek enerjili bir lazer ışını bir iş parçasının yüzeyine çarptığında, önce yüzeyi ısıtır ve malzemenin hızla buharlaşmasına neden olur.

Lazer kaynak genellikle alev jetleri, sarı ışık, mavi ışık ve mor ışık içeren bir alev girdabı eşlik eder. Bu aleve genellikle plazma adı verilir.

Plazma tanımı: Lazer kaynak işlemi sırasında metal malzemelerin lazer ışınımı nedeniyle buharlaşmasıyla oluşan plazmaya foto indüklenen plazma denir. Foto kaynaklı plazmanın ana bileşenleri metal buharı, serbest elektronlar, iyonlar ve elektriksel olarak nötr parçacıklardır.

İyonize gaz olarak da bilinen plazma, atomların veya atom gruplarının bazı soyulmuş elektronlarla iyonlaşmasından sonra üretilen iyonlardan oluşur. Debye uzunluğundan daha büyük bir ölçekte makroskobik olarak elektriksel olarak nötr iyonize bir gazdır. Hareketi esas olarak elektromanyetik kuvvetlerin hakimiyetindedir ve önemli kolektif davranış gösterir.

1.2 Plazma Etkisi - Plazma Oluşumu

Malzemenin buharlaşması ve iyonlaşması: Lazerin yüksek enerjisi nedeniyle, buharlaşan malzeme (genellikle metal buharı) lazer enerjisini daha da emecektir. Enerji yeterince yüksek olduğunda, buhardaki atomlar ve moleküller iyonlaşarak bir plazma oluşturacaktır. Bu işlem sırasında, elektronlar atomlardan veya moleküllerden sıkıştırılarak çok sayıda serbest elektron ve pozitif iyon oluşturulur.

Plazma bulutunun oluşumu: Oluşan plazma, lazer ışını ile iş parçasının yüzeyi arasında yer alan bulut benzeri bir yapı oluşturacaktır. Yüksek sıcaklık ve yüksek yoğunluk özellikleri nedeniyle, plazma bulutu daha fazla lazer enerjisini emebilir ve dağıtabilir, bu da lazer ışınının iletimini etkileyebilir.

Lazer derin penetrasyonlu kaynak işlemi sırasında, gelen lazerin enerji yoğunluğu yeterince büyük olduğunda, metali buharlaştırabilir ve erimiş havuzda bir anahtar deliği oluşturabilir. Eş zamanlı olarak, metal buharındaki serbest elektronlar metal yüzeyinden püskürtülür ve Anahtar deliği ve koruyucu gazın bir kısmı lazer enerjisini emerek hızlanır. Bu onların kinetik enerjisini artırarak buhar parçacıklarıyla ve koruyucu gazla çarpışmalarına neden olur ve böylece bir zincirleme reaksiyonu tetikler. Bu işlem, önemli ölçüde iyonizasyonla sonuçlanır ve anahtar deliğinin üzerinde yoğun bir plazma katmanı oluşturur. Bu yoğun plazma tabakasının lazer kaynak işlemi üzerinde önemli bir etkisi olabilir.

1.3 Plazma Etkisi - Plazma Periyodikliği

1.4 Enerji iletiminde plazmanın rolü

Yüksek güçlü lazer kaynak işlemi sırasında, yüksek enerji yoğunluğuna sahip lazer ışını sürekli olarak çıktıkça, enerji iş parçasının yüzeyine aktarılarak metal malzemeyi sürekli olarak eritip buharlaştırır. Buhar bulutu hızla anahtar deliğinden yukarıya doğru püskürüyor ve iyonlaşma şartlarını sağladığında hızla iyonlaşarak bir plazma oluşturuyor. Üretilen plazma öncelikle metal buhar plazmasından oluşur.

Plazma oluştuktan sonra, gelen ışık ışınını kırar ve emer, bu da lazer ışınını koruyabilen yansımaya, saçılmaya ve soğurulmaya neden olur. Bu sonuç olarak lazer enerjisi ile iş parçasının eşleşmesini etkiler; erime derinliği, gözenek oluşumu ve kaynak dikişinin bileşimi gibi faktörleri etkiler. Sonuçta bu, lazer kaynağının kalitesini ve prosesin güvenilirliğini doğrudan etkiler.

1.5 Lazerin plazma tarafından kırılması

Plazma ne kadar çok birikirse, lazer kaynağını o kadar çok etkiler. Lazer ne kadar uzaklaşırsa enerji yoğunluğu da o kadar düşük olur ve bu da erime derinliğinde keskin bir azalmaya yol açar. Bu nedenle, koruyucu gazın bulunmaması nedeniyle genellikle eksik kaynaklama gibi yaygın sorunlar ortaya çıkar.

Plazma negatif mercek etkisi

Hava optik olarak yoğun bir ortamdır, plazma ise optik olarak seyrek bir ortamdır. Lazerin kırılması, lazer ışınının sapmasına neden olur, bu da lazerin odaklanma performansını azaltır ve lazerin sapmasına neden olur, böylece enerji yoğunluğu düşer. Gelen lazer ışını plazmadan geçtiğinde, aynı zamanda lazerin yönünün de değişmesine neden olur. Lazer ışın yayılımı. Sapma açısı elektron yoğunluğu gradyanı ve plazmanın uzunluğu ile ilgilidir. Bu durum malzeme yüzeyine ulaşan enerji yoğunluğunun dengesiz olmasına neden olabilir ve plazmadaki dalgalanmalarla birlikte enerji dalgalanmaları da değişecektir.

Yukarıdaki resimde görüldüğü gibi: Plazma, malzeme ile lazer arasında yer alan bir mercek gibidir. Farklı üfleme yöntemleri farklı kaynak etkilerine yol açacaktır: yandan üfleme plazmayı üflemeyebilir ve doğrudan üfleme daha iyidir.

1.6 Lazer ışığının plazma tarafından emilmesi

Lazer enerjisinin plazma tarafından emilmesi, sıcaklığının ve iyonizasyon derecesinin artmaya devam etmesine neden olur. Emilim süreci normal emilim ve anormal emilim olarak ikiye ayrılabilir.

Ters bremsstrahlung absorpsiyonu olarak da bilinen normal absorpsiyon, elektronların lazer elektrik alanı tarafından uyarıldığı ve yüksek frekanslı salınımlara maruz kaldığı durumu ifade eder. Çevredeki parçacıklarla (çoğunlukla iyonlar) çarpışarak birbirlerine enerji aktarırlar, böylece plazmanın sıcaklığını ve iyonizasyonunu arttırırlar.

Anormal soğurma, lazer enerjisinin bir dizi çarpışmayan mekanizma yoluyla plazma dalgası enerjisine dönüştürüldüğü ve daha sonra farklı dağılım mekanizmaları yoluyla plazma termal enerjisine dönüştürüldüğü ve daha sonra havaya iletildiği ve dağıtıldığı bir süreci ifade eder.

Plazmanın lazer üzerindeki emici etkisi nedeniyle, gelen lazer enerjisinin yalnızca bir kısmı plazmaya nüfuz edebilir ve iş parçasının yüzeyine ulaşabilir. Bu, harici optik yoldaki (lazer QBH'den malzeme yüzeyine kadar) enerji iletim kaybını artırır, lazer enerji yoğunluğunu azaltır ve genel emilim oranını azaltır. Pencerenin üst sınırda olması, özellikle yüksek yansıtıcılığa sahip malzemelerde (alüminyum ve bakır gibi) kolaylıkla hatalı kaynak yapılmasına neden olabilir.

1.7 Plazma etkisi bastırma

Plazma kırılma indeksini ve negatif mercek etkisini etkileyen ana faktörler şunlardır:

Lazer güç yoğunluğu:

Güç yoğunluğu ne kadar yüksek olursa, plazmanın sıcaklığı da o kadar yüksek olur, bu da plazmadaki elektron yoğunluğunun o kadar yüksek olduğu anlamına gelir. Elektron yoğunluğu ne kadar yüksek olursa, kırılma indisi o kadar küçük olur, dolayısıyla negatif mercek etkisi artar.

Lazer dalga boyu: Dalga boyu ile açısal frekans arasındaki ilişki ω = 2πc/λ'dır (burada c ışığın hızıdır ve λ dalga boyudur). Lazer dalga boyu ne kadar büyük olursa, açısal frekans ve kırılma indisi o kadar küçük olur, dolayısıyla negatif mercek etkisi daha belirgin olur. Kısa dalga (mavi ışık, yeşil ışık) kaynağının avantajları vardır ve nispeten daha stabildir.

Koruyucu gaz tipi: Aynı sıcaklıkta argonun iyonizasyon derecesi daha yüksektir, bu da daha fazla elektron yoğunluğu ve daha küçük bir kırılma indeksi ile sonuçlanır ve negatif mercek etkisinin daha belirgin olmasını sağlar. Buna karşılık helyum gazının koruyucu etkisi daha iyidir.

Koruyucu gaz akışı: Gaz akış hızının belirli bir aralıkta arttırılması, erimiş havuzun üzerindeki plazma bulutunu uçurabilir ve böylece plazmanın negatif lens etkisini azaltabilir.

Kaynak yapılacak malzemeler:Genellikle başka seçenek yoktur. Kaynak yapılacak malzemenin erime noktası düşük ve iyonlaşması kolay olduğunda plazmadaki elektron sayısı yoğunluğu artar, bu da negatif mercek etkisinde önemli bir artışa neden olur. Eğer bu olasılık lazerin daha büyük bir etkiye sahip olmasıysa, elektron ışınları gibi diğer yüksek enerjili ışın işleme biçimlerinin de göz önünde bulundurulması gerekir.

Kaynak işlemi sırasında plazmayı etkileyen birçok faktör vardır ve bunları şu şekilde özetleyebiliriz:

Lazer dalga boyu: Plazmanın tutuşma değeri ve bakım eşiği dalga boyunun karesi ile orantılıdır. Kısa dalga lazerlerin (mavi ışık, yeşil ışık) plazma bakım süreleri kısadır ve süreç daha stabil olacaktır;

Lazer güç yoğunluğu: Lazer güç yoğunluğunun artmasıyla plazmanın elektron sıcaklığı ve yoğunluğu artar, Aşırı güç yoğunluğu, plazma kararsızlığının ana nedenidir (kompozit ısı kaynağı (halka şeklinde nokta, fiber yarı iletken kompozit, lazer ark kompoziti) elde edilebilir) ısı kaynağı enerji dağıtım kontrolü, tek fiber lazer kaynağıyla karşılaştırıldığında, plazma etkisinin kaynak işlemi üzerinde daha az etkisi vardır;

Nokta boyutu: Nokta çapı ne kadar küçük olursa, plazma ateşleme değeri ve bakım değeri o kadar yüksek olur (yalpalama kaynağından kaçınılabilir);

Malzeme özellikleri: Malzemenin yoğunluğu ve iyonlaşma enerjisinin plazma üzerinde büyük etkisi vardır. İyonizasyon enerjisi ne kadar düşükse ve metalin yansıtıcılığı ne kadar yüksekse, derin nüfuzlu kaynağın stabilitesini etkileyen plazma etkisine karşı o kadar hassastır;

Ortam gazı ve basıncı: Genel olarak iyi ısıl iletkenliğe ve yüksek iyonizasyon enerjisine sahip gazların yüksek plazma tutuşma değerine ve bakım eşiğine sahip olduğuna inanılmaktadır. Ortam hava basıncı ne kadar düşük olursa elektron sıcaklığı, elektron yoğunluğu ve plazma merkez yüksekliği de o kadar düşük olur. Vakum ve negatif basınç koşullarında, Lazer derin nüfuzlu kaynak normal basınca göre daha kararlıdır;

Gaz akışı: Ortam gazının akış hızı arttıkça, plazmanın hacmi azalacak, böylece lazerin emilim oranı azalacak, bu da plazmanın derin nüfuzlu kaynak işlemi üzerindeki etkisini etkili bir şekilde azaltabilir, ancak aşırı hava akış, kaynak havuzunda yüzey dalgalanmalarına ve erimiş metalin sıçramasına neden olacağı gibi aşırı ısı yayılımından kaynaklanan çatlaklar ve yüzey pürüzlülük kusurlarına da neden olacaktır.

Kaynak hızı: Kaynak hızının azalmasıyla plazmanın çekirdek sıcaklığı artar. Kaynak hızı ne kadar düşük olursa, plazma oluşturmak o kadar kolay olur ve o kadar kararsız olur. Belirli bir dereceye kadar hızın arttırılması kaynak prosesinin stabilitesini de arttırabilir.

Lazerle etkileşimi azaltmak veya ortadan kaldırmak için yukarıdaki faktörlerden bazılarını değiştirerek plazmayı kontrol edin

Kontrol yöntemleri aşağıdakileri içerir:

Salınımlı kaynak: Lazer işleme kafası kaynak yönü boyunca ileri geri sallanır. Anahtar deliği göründükten sonra ve plazma oluşmadan önce, plazmanın ışık iletim yolunu etkilemesini önlemek için ışık noktası anında kaynak havuzunun arka kenarına veya başka bir konuma taşınır.

Darbeli lazer kaynağı: Lazerin ışınlama süresinin plazmanın oluşum süresinden daha az olması için lazerin darbesinin ve frekansının ayarlanması. Bu, lazerin her zaman plazmanın oluşum ve dağılma döngüsünün dağılma aşaması sırasında vurmasını sağlar ve plazmanın ışık iletimine müdahale etmesini önler.

Düşük basınçlı kaynak: Düşük basınçlı kaynak kullanıldığında, basınç belirli bir seviyenin altında olduğunda, malzeme yüzeyindeki ve anahtar deliği içindeki metal buhar yoğunluğu küçüktür ve plazma kaybolur.

Koruyucu gazı üfleyin:

Bunlardan biri, plazmayı havaya uçurmak için yardımcı gaz kullanmaktır;

Diğer bir yöntem ise iyi ısı iletkenliğine ve yüksek iyonizasyon enerjisine sahip bir gaz kullanarak çevresel gazların iyonizasyonunu baskılamak ve metal iyon buharını sıkıştırmaktır. Ana üfleme ile eş eksenli çift katmanlı bir nozul kullanılabilir. Dış nozul yatay yön ile belirli bir açı oluşturur. Dış katmandan gelen hava akışının radyal bileşeni, plazmayı etrafa üflemek için kullanılır. Plazmayı hedeflemek ve havayı kaynak yönünde yanal olarak üflemek için düz bir boru nozulu da kullanılabilir. Yan üfleme nozulu konumlandırma doğruluğu ve hava akışı kontrolü açısından sıkı gereksinimlere sahiptir. Birçok kontrol yöntemi arasında, plazmayı hava akışı yoluyla kontrol etmek nispeten esnek ve basittir. Bu nedenle yandan üflemeli koruyucu gaz, lazer derin nüfuzlu kaynakta yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir.

Lazer çıktı verir, malzemenin yüzeyini ışınlar ve bir plazma üretir. Foto kaynaklı plazmanın yoğunluğu çok yüksek olduğunda, lazer enerjisi kaybını önemli ölçüde artıracak ve iş parçası yüzeyindeki enerji yoğunluğunu zayıflatacaktır. Üretilen metal buharı miktarı azalır ve plazma yavaş yavaş kaybolur. Bu sırada, lazer doğrudan iş parçasının yüzeyine ışınlanabilir, büyük miktarda metal buharı yeniden üretilebilir ve plazma yoğunluğu giderek artarak olay lazerini korur. tekrar. Plazmanın yoğunluğu periyodik bir değişim sürecinde kalır. Spektral analiz ve yüksek hızlı video kaydı sayesinde, plazma yoğunluğu salınımlarının frekansının yaklaşık olarak birkaç yüz Hertz olduğu gözlemlenmiştir. Bu aynı zamanda lazer kaynağında, özellikle ince levha kaynağında periyodik tırtıklı dalgalanmalara da yol açabilir (CW modülasyonlu Lazer modülasyonu, bu sorunları çözmeye yönelik bir yöndür).