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El impacto del gas de soplado lateral sobre el plasma en la soldadura láser

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Tomando como ejemplo el láser de alta potencia, se estudian los parámetros relacionados con el gas de soplado lateral.

Por ejemplo, la relación entre la posición, el ángulo, la composición y el flujo del gas de soplado lateral y el plasma revela la ley de influencia del gas de soplado lateral en la estabilidad y la penetración del proceso de soldadura.

En comparación con la soldadura por fusión tradicional, la soldadura láser tiene las ventajas de una gran penetración de la soldadura, una rápida velocidad de soldadura y una pequeña deformación de la pieza.

Sin embargo, en el proceso de soldadura, la fuente de calor láser con alta densidad de potencia producirá una nube de plasma en la superficie de la pieza mecanizada, que absorberá y refractará el láser, por lo que la energía de soldadura se reduce considerablemente durante soldadura de penetración profunda de la pieza.

Por lo tanto, para reducir la pérdida de energía, en las aplicaciones industriales se suele utilizar la purga de gas auxiliar de soplado lateral para suprimir el plasma.

En el proceso de soldadura láser, el plasma se distribuye generalmente en la superficie de la pieza y en el interior del pequeño orificio, y su forma y tamaño cambian periódicamente en todo el proceso de soldadura.

En el método de utilizar gas de soplado lateral para inhibir la formación de plasma, el helio es el gas más utilizado.

En comparación con otros gases de uso común, el helio tiene la mayor energía de ionización, lo que significa que puede absorber más energía antes de descomponerse o ionizarse.

Sin embargo, debido a que el helio es escaso y caro, los expertos pertinentes han estudiado y seleccionado un nuevo gas de soplado lateral o gas mixto para sustituir al helio en muchos aspectos.

En la actualidad, los investigadores extranjeros recomiendan la mezcla de he: ar = 3:1 sobre la base de considerar la estabilidad y la economía de gas del proceso de soldadura láser.

Además, para optimizar la configuración de soplado lateral y suprimir eficazmente el plasma en el proceso de soldadura láserEn los últimos años, los investigadores nacionales y extranjeros también han investigado mucho.

Hasta ahora, aunque parte de los trabajos se han centrado en el modo de introducción del soplado lateral, la forma, el tamaño y la posición de la boquilla de soplado lateral, algunos expertos también han estudiado la influencia del ángulo de soplado lateral en la penetración.

Sin embargo, debido a la diferencia de potencia del láser y las condiciones reales de soldadura, los resultados de la investigación correspondiente carecen de universalidad.

Además, la demanda de una mayor producción y aplicación también requiere que este trabajo de investigación pueda revelar la ley esencial del soplado lateral en el soldadura láser proceso a partir del mecanismo de investigación, a fin de orientar eficazmente la producción y aplicación reales;

Por otro lado, el híbrido láser proceso de soldadura ha atraído cada vez más la atención de los investigadores y de la producción práctica.

En el proceso de CO2 soldadura híbrida láser, los gases implicados incluyen el gas de soplado lateral necesario para la soldadura láser y gas protector necesario para la soldadura tradicional.

Dado que son muchos los parámetros que intervienen en el proceso de soldadura de compuestos, los usuarios deben conocer bien el mecanismo de acción del gas utilizado.

Por lo tanto, la experiencia y los conocimientos obtenidos de la investigación del gas de soplado lateral en soldadura láser también son útiles para la investigación de la soldadura híbrida por láser.

Condición experimental

15 kW de flujo axial rápido de CO2 láser.

En distancia focal del láser era de 357 mm.

La placa de ensayo de soldadura era de acero marino de alta resistencia ah32 de 20 mm de espesor.

Se utilizó el recargue láser en la placa de prueba de soldadura sin alambre de relleno.

En antioxidante La pintura de la superficie de la placa de prueba se eliminará mediante esmerilado mecánico antes de la soldadura, y la mancha de aceite se eliminará con acetona antes de la soldadura.

A menos que se especifique lo contrario, el gas de soplado lateral es helio puro.

El dispositivo experimental específico se muestra en la figura 1.

Esquema del dispositivo experimental

Fig. 1 Esquema del dispositivo experimental

En el proceso de soldadura láser, el plasma se registra de forma sincrónica mediante un sistema de fotografía macro de alta velocidad, y el tamaño y el área del plasma en dirección bidimensional se calculan después de la soldadura.

Proceso experimental y resultados

1. Influencia de la potencia del láser en el plasma

La formación de plasma aumenta con el incremento de la potencia del láser.

Como se puede ver en la Figura 2, bajo la condición de que el gas de soplado lateral es también helio y la velocidad de soldadura es de 2m / min, la morfología del plasma y el tamaño son muy diferentes bajo diferentes potencias de láser.

La nube de plasma generada por la soldadura láser de alta potencia es más evidente.

Por lo tanto, la supresión del plasma mediante gas de soplado lateral es especialmente importante en este momento.

Efecto del cambio de potencia del láser en el plasma durante la soldadura láser

Potencia del láser: 7K

Efecto del cambio de potencia del láser en el plasma durante la soldadura láser

Potencia del láser: 15K

Fig. 2 Efecto del cambio de potencia del láser en el plasma durante la soldadura láser

2. Influencia de la posición del tubo de soplado lateral en el plasma

La posición del tubo de soplado lateral determina el punto de acción entre el flujo de gas de soplado lateral y el plasma.

La observación muestra que el efecto de supresión del plasma es diferente de la posición de introducción del gas de soplado lateral.

La Fig. 3 muestra la tendencia cambiante del área de plasma cuando el intervalo entre el punto de introducción del gas de soplado lateral (DG) y el punto de entrada del láser (D1) cambia en la dirección X.

Se puede observar que el plasma es sensible a la posición de introducción del gas de soplado lateral.

Posición del gas de soplado lateral en la dirección del eje x

Posición del gas de soplado lateral en la dirección del eje X

Fig. 3 Efecto de diferentes puntos de entrada de gas de soplado lateral en el área de plasma

3. Influencia del ángulo del tubo de soplado lateral en el plasma

Cuando se utiliza el soplado lateral, la selección del ángulo de introducción del gas de soplado lateral también afectará al efecto de supresión del plasma.

La Fig. 4 muestra el cambio de la altura de plasma correspondiente cuando cambia el ángulo del tubo de soplado lateral.

Efecto de diferentes ángulos de soplado lateral en la altura del plasma

Ángulo del soplete lateral

Fig. 4 Efecto de diferentes ángulos de soplado lateral en la altura del plasma

4. Influencia del flujo de soplado lateral en el plasma

Cuando se utilizan diferentes caudales de gas, la morfología del plasma es muy diferente.

Bajo las mismas condiciones experimentales (es decir, el gas de soplado lateral es helio, la velocidad de soldadura es de 2m / min, y la potencia del láser es de 12KW), cuando se utiliza el helio de alto flujo de soplado lateral, el tamaño bidimensional del plasma se reduce significativamente, y su altura y anchura se controlan dentro de un rango muy pequeño (como se muestra en la Fig. 5).

Por consiguiente, la penetración y la anchura de la soldadura también cambiarán en consecuencia.

Con el aumento del flujo de gas de soplado lateral, la penetración de la soldadura aumentará gradualmente (como se muestra en la Fig. 6).

Cuando el caudal de gas alcanza los 60 l/min, la penetración mejora notablemente.

Por lo tanto, en la aplicación práctica, la influencia del plasma puede suprimirse eficazmente ajustando y controlando el flujo de gas de soplado lateral, a fin de mejorar eficazmente la penetración.

Por otra parte, teniendo en cuenta el precio del helio de soplado lateral, cuanto mayor sea el flujo de gas de soplado lateral, mejor. En cambio, el flujo de gas óptimo debe seleccionarse evaluando el rendimiento de costes.

Además, los resultados de la investigación muestran que la dirección del gas de soplado lateral también tiene un impacto directo en la estabilidad del proceso de soldadura, la formación de la superficie de soldadura y su dimensión global.

Por lo tanto, la dirección de soplado lateral adecuada debe seleccionarse en función de las necesidades reales.

Efecto de diferentes flujos de soplado lateral sobre el plasma durante la soldadura láser

a) Caudal de gas: 20L / AIN

Efecto de diferentes flujos de soplado lateral sobre el plasma durante la soldadura láser

b) Caudal de gas: 70L / AIN

Fig. 5 Efecto de diferentes flujos de soplado lateral sobre el plasma durante la soldadura láser

Flujo de gas

Caudal de gas (L / min)

5. Influencia de la composición del gas en el plasma

La Fig. 7 muestra los cambios en el plasma con diferentes componentes de gas.

La Fig. 7a muestra la morfología parcial del plasma cuando el gas de soplado lateral es helio, mientras que la Fig. 7b muestra la morfología parcial del plasma cuando se utiliza el gas mixto como gas de soplado lateral.

De la Fig. 7 se desprende que, aunque los soplados laterales utilizados en las Fig. 7a y 7b son diferentes, el tamaño y la forma del plasma son similares. En la Fig. 7C, el plasma presenta formas diferentes y el tamaño y la forma cambian.

Cuando la composición de la mezcla cambia aún más, como se muestra en la Fig. 7d, el plasma aumenta significativamente y se extiende por encima y alrededor de la pieza de trabajo.

Cuando aumenta la energía de los electrones libres en el vapor metálico que constituye el plasma, los gases circundantes sufren una ionización de avalancha.

En ese momento, el plasma se expande rápidamente e incluso se divide en dos, lo que destruye la estabilidad del proceso de soldadura.

Las diferentes formas plasmáticas mostradas en las figuras 7b, 7C y 7d muestran que es necesario utilizar la mezcla adecuada para garantizar su inhibición efectiva del plasma.

Cabe señalar que la composición del gas de soplado lateral sólo puede optimizarse cuando se optimizan otros parámetros de composición del gas, como la posición del tubo de soplado lateral.

Variación del plasma bajo diferentes composiciones de gas de soplado lateral

(A: helio; B, C y D: mezcla de helio y argón)

Fig. 7 Variación del plasma bajo diferentes composiciones de gas de soplado lateral

Análisis experimental y discusión

1. Efecto de los parámetros del sistema de gas de soplado lateral en el plasma

Cuando se selecciona el gas de soplado lateral para suprimir el plasma en el proceso de soldadura láser, los parámetros que intervienen en el sistema de introducción del gas de soplado lateral, como la posición del tubo de soplado lateral en una dirección tridimensional, los parámetros que intervienen en el sistema de introducción del gas de soplado lateral, como la posición del tubo de soplado lateral, el ángulo de introducción del gas de soplado lateral, el tamaño geométrico y la forma del tubo de soplado lateral, influyen en la formación del plasma.

Por tanto, influye en el proceso y los resultados de la soldadura láser.

Tomando como ejemplo las figuras 3 y 4, la posición y el ángulo del tubo de soplado lateral influyen en la superficie y la altura del plasma.

Expertos en la materia señalaron que la altura y el área del plasma reflejan la absorción y refracción del plasma al láser entrante.

Cuando cambia la posición de introducción del gas de soplado lateral, el cambio de altura y área del plasma puede reflejar el grado en que los parámetros del gas de soplado lateral afectan a la absorción o dispersión del láser.

Por lo tanto, observando el comportamiento del plasma en tiempo real, podemos estudiar y optimizar los parámetros del sistema de introducción de gas de soplado lateral, suprimir eficazmente el plasma y mejorar la energía del láser para la soldadura.

  1. Efecto de la composición y el flujo del gas de soplado lateral en el plasma

Sobre la base de la optimización del sistema de introducción de gas de soplado lateral, la composición y el flujo del gas de soplado lateral también pueden optimizarse para la tarea de soldadura real.

Esto no sólo puede lograr un proceso de soldadura estable, sino también garantizar la economía.

Como se muestra en la Fig. 7, la selección de una mezcla adecuada también puede desempeñar un papel equivalente al del helio puro, y la economía del gas negativo mejora considerablemente.

Sin embargo, diferentes composiciones de gas de soplado lateral (como se muestra en la Fig. 7D) pueden dar lugar a un fuerte comportamiento de explosión del plasma, por lo que es imposible garantizar un proceso de soldadura estable.

Recientes trabajos de laboratorio han demostrado que, sobre la base de la optimización del sistema de gas de soplado lateral, se puede ampliar la gama de selección de la composición del gas de soplado lateral.

La selección de la mezcla de gases adecuada puede mejorar en gran medida la economía sobre la base de garantizar los requisitos y la calidad de la soldadura.

Epílogo

En el proceso de CO2 soldadura láser, el gas de soplado lateral se utiliza ampliamente para suprimir el plasma en el proceso de soldadura.

La correcta selección de los parámetros pertinentes del gas de soplado lateral puede hacer que la energía láser entrante se utilice con mayor eficacia en el proceso de soldadura por penetración profunda.

En primer lugar, la posición y el ángulo del tubo de soplado lateral son dos parámetros importantes, que tienen un impacto directo en el tamaño y la forma del plasma.

Por lo tanto, el soplete lateral debe colocarse correctamente antes de soldar.

En segundo lugar, debe tenerse en cuenta la selección de la composición y el caudal de gas de soplado lateral adecuados.

Cuando el flujo de gas de soplado lateral aumenta, su efecto de inhibición sobre el plasma aumenta en consecuencia.

El caudal de gas adecuado se determinará en función de los requisitos reales de soldadura.

Además, teniendo en cuenta muchos factores, como la estabilidad del proceso y el precio, la mezcla también puede utilizarse como soplado lateral.

En este momento, debido al cambio en las propiedades físicas del gas, la interacción entre el gas y el baño de fusión debe considerarse sobre la base de la inhibición del plasma, y el flujo de gas adecuado debe seleccionarse en consecuencia.

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