Ефект плазми в процесі лазерного зварювання Україна

Ефект плазми в процесі лазерного зварювання

У зварювання лазером плазма є звичайним явищем, яке має важливий вплив на ефект і якість процесу зварювання. Плазма складається з іонізованого газу, в якому атоми або молекули газу втрачають або отримують електрони, утворюючи позитивні іони та вільні електрони. Цей стан речовини вважається четвертим станом речовини, відмінним від твердих тіл, рідин і газів.

1.1 Ефект плазми - визначення плазми

Генерація плазми

In зварювання лазеромгенерація плазми зазвичай складається з наступних кроків:

Лазерне випромінювання: коли лазерний промінь високої енергії потрапляє на поверхню деталі, він спочатку нагріває поверхню, спричиняючи швидке випаровування матеріалу.

Лазерне зварювання зазвичай супроводжується полум'яним вихором, який включає струмені полум'я, жовте світло, синє світло та фіолетове світло. Це полум'я часто називають плазмою.

Визначення плазми: плазма, що утворюється внаслідок випаровування металевих матеріалів під дією лазерного випромінювання під час процесу лазерного зварювання, називається фотоіндукованою плазмою. Основними компонентами фотоіндукованої плазми є пари металів, вільні електрони, іони та електрично нейтральні частинки.

Плазма, також відома як іонізований газ, складається з іонів, утворених після іонізації атомів або атомних груп деякими відірваними електронами. Це макроскопічно електрично нейтральний іонізований газ у масштабі, що перевищує довжину Дебая. У його русі в основному домінують електромагнітні сили, і він демонструє значну колективну поведінку.

1.2 Плазмовий ефект - утворення плазми

Випаровування та іонізація матеріалу: через високу енергію лазера випаровуваний матеріал (зазвичай пари металу) додатково поглинає енергію лазера. Коли енергія достатньо висока, атоми та молекули в парі будуть іонізовані з утворенням плазми. Під час цього процесу електрони видавлюються з атомів або молекул, утворюючи велику кількість вільних електронів і позитивних іонів.

Утворення плазмової хмари: утворена плазма утворює хмароподібну структуру, яка розташована між лазерним променем і поверхнею заготовки. Завдяки високій температурі та високій щільності плазмова хмара може поглинати та розсіювати більше лазерної енергії, впливаючи на пропускання лазерного променя.

Під час процесу лазерного зварювання глибоким проплавленням, коли щільність енергії падаючого лазера достатньо велика, він може випаровувати метал і утворювати замкову щілину в розплавленому басейні. Одночасно вільні електрони в парах металу розпилюються з поверхні металу та замкову щілину, а також ті, що входять до складу захисного газу, прискорюються шляхом поглинання лазерної енергії. Це збільшує їхню кінетичну енергію, спричиняючи їх зіткнення з частинками пари та захисним газом, таким чином запускаючи ланцюгову реакцію. Цей процес призводить до значної іонізації, утворюючи щільний плазмовий шар над замковою щілиною. Цей шар щільної плазми може мати значний вплив на процес лазерного зварювання.

1.3 Плазмовий ефект - Періодичність плазми

1.4 Роль плазми в передачі енергії

Під час процесу високопотужного лазерного зварювання, коли лазерний промінь з високою щільністю енергії безперервно виходить, енергія передається на поверхню заготовки, постійно розплавляючи та випаровуючи металевий матеріал. Хмара пари швидко розбризкується вгору від замкової щілини та швидко іонізується, коли відповідає умовам іонізації, утворюючи таким чином плазму. Створена плазма в основному складається з плазми парів металу.

Після утворення плазми вона заломлює та поглинає падаючий світловий промінь, викликаючи відображення, розсіювання та поглинання, що може екранувати лазерний промінь. Це, як наслідок, впливає на взаємодію лазерної енергії та деталі, впливаючи на такі фактори, як глибина плавлення, утворення пор і склад зварного шва. Зрештою, це безпосередньо впливає на якість лазерного зварювання та надійність процесу.

1.5 Заломлення лазера плазмою

Чим більше накопичується плазми, тим більше вона впливає на лазерне зварювання. Чим більше лазер розходиться, тим менше щільність енергії, що призводить до різкого зменшення глибини плавлення. Тому такі типові проблеми, як неповне зварювання, часто виникають через відсутність захисного газу.

Ефект негативного лінзування плазми

Повітря — оптично щільне середовище, а плазма — оптично розріджене. Заломлення лазера призводить до розбіжності лазерного променя, що погіршує ефективність фокусування лазера та спричиняє розбіжність лазера, тим самим знижуючи щільність енергії. Коли падаючий лазерний промінь проходить через плазму, це також спричиняє зміну напрямку поширення лазерного променя. Кут відхилення пов'язаний з градієнтом густини електронів і довжиною плазми. Це може призвести до того, що щільність енергії, що досягає поверхні матеріалу, буде нерівномірною, і флуктуації енергії змінюватимуться разом із флуктуаціями в плазмі.

Як показано на малюнку вище: плазма схожа на лінзу, що лежить між матеріалом і лазером. Різні методи видування призведуть до різних ефектів зварювання: бічний вид може не призвести до роздування плазми, а прямий вид є кращим.

1.6 Поглинання лазерного світла плазмою

Поглинання лазерної енергії плазмою призводить до збільшення її температури та ступеня іонізації. Процес поглинання можна розділити на нормальне поглинання та аномальне поглинання.

Нормальне поглинання, також відоме як зворотне гальмівне поглинання, відноситься до ситуації, коли електрони збуджуються лазерним електричним полем і зазнають високочастотних коливань. Вони стикаються з навколишніми частинками (переважно іонами), передаючи енергію один одному, підвищуючи тим самим температуру та іонізацію плазми.

Аномальне поглинання означає процес, коли лазерна енергія перетворюється на енергію плазмової хвилі за допомогою ряду механізмів без зіткнення, а потім перетворюється на теплову енергію плазми за допомогою різних механізмів розсіювання, яка потім передається в повітря та розсіюється.

Через поглинальну дію плазми на лазер лише частина падаючої лазерної енергії може проникнути крізь плазму та досягти поверхні деталі. Це збільшує втрати енергії при передачі на зовнішньому оптичному шляху (від лазера QBH до поверхні матеріалу), зменшує щільність лазерної енергії та зменшує загальну швидкість поглинання. Якщо вікно знаходиться на верхній межі, це може легко призвести до помилкового зварювання, особливо у матеріалах з високим коефіцієнтом відбиття (таких як алюміній і мідь).

1.7 Придушення ефекту плазми

Основними факторами, що впливають на показник заломлення плазми та негативний ефект лінзи, є:

Щільність потужності лазера:

Чим вища щільність потужності, тим вища температура плазми, а значить, більша щільність електронів у плазмі. Чим вища електронна щільність, тим менший показник заломлення, таким чином посилюючи ефект негативної лінзи.

Довжина хвилі лазера: співвідношення між довжиною хвилі та кутовою частотою є ω = 2πc/λ (де c — швидкість світла, а λ — довжина хвилі). Чим більша довжина хвилі лазера, тим менші кутова частота та показник заломлення, тому ефект негативної лінзи є більш вираженим. Короткохвильове (синє світло, зелене світло) зварювання має переваги та є відносно більш стабільним.

Тип захисного газу: за тієї самої температури ступінь іонізації аргону вищий, що призводить до більшої густини електронів і меншого показника заломлення, що робить ефект негативної лінзи більш вираженим. Для порівняння, захисний ефект газоподібного гелію кращий.

Потік захисного газу: Збільшення швидкості потоку газу в певному діапазоні може здувати плазмову хмару над розплавленою ванною, тим самим зменшуючи негативний ефект плазми.

Матеріали для зварювання: як правило, вибору немає. Коли температура плавлення зварюваного матеріалу низька і його легко іонізувати, щільність електронів у плазмі збільшується, що призводить до значного збільшення ефекту негативної лінзи. Якщо ця можливість полягає в тому, що лазер має більший вплив, слід розглядати іншу обробку пучком високої енергії, таку як пучки електронів.

Існує багато факторів, які впливають на плазму під час процесу зварювання, які можна підсумувати таким чином:

Довжина хвилі лазера: значення запалювання та поріг збереження плазми пропорційні квадрату довжини хвилі. Короткохвильові лазери (блакитне світло, зелене світло) мають короткий час підтримки плазми, і процес буде більш стабільним;

Щільність потужності лазера: температура електронів і щільність плазми зростають зі збільшенням щільності потужності лазера. Надмірна щільність потужності є основною причиною нестабільності плазми (композитне джерело тепла (кільцеподібна пляма, волоконно-напівпровідниковий композит, лазерно-дуговий композит) може досягти Контроль розподілу енергії джерела тепла. Порівняно з одноволоконним лазерним зварюванням плазмовий ефект має менший вплив на процес зварювання).

Розмір плями: чим менший діаметр плями, тим вище значення запалювання плазми та значення обслуговування (можна уникнути хиткого зварювання);

Властивості матеріалу: Щільність і енергія іонізації матеріалу мають великий вплив на плазму. Чим нижча енергія іонізації і чим вище відбивна здатність металу, тим більше він чутливий до впливу плазми, що впливає на стабільність зварювання глибоким проваром;

Газ і тиск навколишнього середовища: Загальноприйнято вважати, що гази з хорошою теплопровідністю та високою енергією іонізації мають високу величину запалювання плазми та поріг підтримки. Чим нижчий тиск навколишнього повітря, тим нижча температура електронів, густина електронів і висота плазмового центру. В умовах вакууму та негативного тиску лазерне зварювання глибокого проплавлення більш стабільне, ніж нормальний тиск;

Потік газу: у міру збільшення швидкості потоку навколишнього газу об’єм плазми зменшується, тим самим зменшуючи швидкість поглинання лазера, що також може ефективно зменшити вплив плазми на процес зварювання глибоким проплавленням, однак надмірне повітря потік спричинить коливання поверхні у зварювальній ванні та бризки розплавленого металу, а також тріщини та дефекти шорсткості поверхні, спричинені надмірним розсіюванням тепла.

Швидкість зварювання: температура серцевини плазми зростає зі зменшенням швидкості зварювання. Чим нижча швидкість зварювання, тим легше генерувати плазму і тим вона нестабільніша. Певною мірою підвищення швидкості також може підвищити стабільність процесу зварювання.

Контролюйте плазму, змінюючи деякі з наведених вище факторів, щоб зменшити або усунути її вплив на лазер

До методів контролю відносяться наступні:

Поворотне зварювання: лазерна обробна головка погойдується вперед і назад у напрямку зварювання. Після появи замкової щілини та до утворення плазми світлова пляма миттєво переміщується до заднього краю зварювальної ванни або в інше місце, щоб уникнути впливу плазми на шлях пропускання світла.

Імпульсне лазерне зварювання: Регулювання імпульсу та частоти лазера, щоб зробити час опромінення лазера меншим за час утворення плазми. Це гарантує, що лазер завжди потрапляє під час фази дисперсії циклу формування та розсіювання плазми, уникаючи перешкод плазми при пропусканні світла.

Зварювання при низькому тиску: при використанні зварювання при зниженому тиску, коли тиск нижче певного рівня, щільність пари металу на поверхні матеріалу та всередині замкової щілини невелика, і плазма зникає.

Продувка захисним газом:

Перший полягає у використанні допоміжного газу для видування плазми;

Іншим методом є придушення іонізації газів навколишнього середовища та стиснення парів іонів металу за допомогою газу з хорошою теплопровідністю та високою енергією іонізації. Можна використовувати двошарову насадку, коаксіальну з основним ударом. Зовнішнє сопло утворює певний кут з горизонтальним напрямком. Радіальна складова повітряного потоку із зовнішнього шару використовується для обдування плазми. Пряме трубчасте сопло також можна використовувати, щоб націлити на плазму та видувати повітря збоку в напрямку зварювання. Він має суворі вимоги до точності позиціонування форсунки бічного видування та контролю повітряного потоку. Серед багатьох методів керування керування плазмою через повітряний потік є відносно гнучким і простим. Тому бічний вид захисного газу є методом, який широко використовується в лазерному зварюванні глибоким проплавленням.

Лазер випромінює поверхню матеріалу та генерує плазму. Коли щільність фотоіндукованої плазми занадто висока, це значно збільшить втрати лазерної енергії, послаблюючи щільність енергії, що падає на поверхню заготовки. Кількість виробленої металевої пари зменшується, і плазма поступово зникає. У цей час лазер можна опромінювати безпосередньо на поверхню заготовки, регенеруючи велику кількість металевої пари, і інтенсивність плазми поступово збільшується, екрануючи падаючий лазер знову. Інтенсивність плазми залишається в процесі періодичної зміни. За допомогою спектрального аналізу та високошвидкісного відеозапису встановлено, що частота коливань інтенсивності плазми становить приблизно кілька сотень герц. Це також може призвести до періодичних зубчастих флуктуацій під час лазерного зварювання, особливо при зварюванні тонких пластин (лазерна модуляція CW модулюється як напрям для вирішення цих проблем).