Влияние газа бокового обдува на плазму при лазерной сварке

На примере мощного лазера изучаются связанные с ним параметры бокового выдува газа.

Например, взаимосвязь между положением, углом, составом и расходом газа бокового обдува и плазмы выявляет закон влияния газа бокового обдува на стабильность и проплавление процесса сварки.

По сравнению с традиционной сваркой плавлением, лазерная сварка обладает такими преимуществами, как большой провар, высокая скорость сварки и малая деформация заготовки.

Однако в процессе сварки лазерный источник тепла с высокой плотностью мощности будет создавать плазменное облако на поверхности обрабатываемого изделия, которое будет поглощать и преломлять лазер, так что энергия сварки значительно снижается во время сварка с глубоким проплавлением заготовки.

Поэтому, чтобы снизить потери энергии, в промышленных установках для подавления плазмы обычно используется вспомогательная газовая продувка с боковым дутьем.

В процессе лазерной сварки плазма обычно распределяется по поверхности заготовки и внутри небольшого отверстия, а ее форма и размер периодически меняются в течение всего процесса сварки.

В методе использования газа бокового обдува для подавления образования плазмы чаще всего используется гелий.

По сравнению с другими широко используемыми газами, гелий обладает самой высокой энергией ионизации, что означает, что он может поглотить больше энергии до разложения или ионизации.

Однако, поскольку гелий дефицитен и дорог, соответствующие специалисты изучили и выбрали новый газ для бокового дутья или смешанный газ, чтобы заменить гелий во многих аспектах.

В настоящее время зарубежные исследователи рекомендуют смесь he: ar = 3:1, исходя из соображений стабильности и газовой экономичности процесс лазерной сварки.

Кроме того, чтобы оптимизировать конфигурацию бокового обдува и эффективно подавлять плазму в процессе лазерной сварки, исследователи в стране и за рубежом также провели множество исследований.

До сих пор, хотя часть работ была сосредоточена на режиме введения бокового обдува, форме, размере и положении сопла бокового обдува, некоторые специалисты также изучали влияние угла бокового обдува на проникновение.

Однако из-за разницы в мощность лазера и реальных условий сварки, соответствующие результаты исследований не обладают универсальностью.

Кроме того, потребность в дальнейшем производстве и применении также требует, чтобы эта исследовательская работа могла выявить существенный закон бокового обдува в процессе лазерной сварки из механизма исследования, чтобы эффективно направлять фактическое производство и применение;

С другой стороны, лазерный гибрид процесс сварки привлекает все большее внимание исследователей и практического производства.

В процессе производства CO₂ Лазерная гибридная сварка, используемые газы включают в себя боковой дутьевой газ, необходимый для лазерной сварки, и защитный газ необходимых для традиционной сварки.

Поскольку в процессе сварки соединений существует множество параметров, пользователи должны четко понимать механизм действия используемого газа.

Поэтому опыт и знания, полученные при исследовании бокового дутья газа в лазерной сварке, также полезны для исследования гибридной лазерной сварки.

Экспериментальное условие

15 кВт быстрый осевой поток CO₂ В эксперименте использовался лазер.

Сайт фокусное расстояние лазера составляла 357 мм.

В качестве испытательного листа для сварки использовалась морская высокопрочная сталь ah32 толщиной 20 мм.

Лазерная наплавка использовалась на испытательной пластине для сварки без присадочной проволоки.

Сайт антикоррозийное покрытие краска на поверхности испытательной пластины должна быть удалена механической шлифовкой перед сваркой, а масляное пятно должно быть удалено ацетоном перед сваркой.

Если не указано иное, газом для бокового обдува является чистый гелий.

Конкретное экспериментальное устройство показано на рисунке 1.

Рис. 1 Принципиальная схема экспериментального устройства

В процессе лазерной сварки плазма синхронно регистрируется макроскоростной фотосистемой, а после сварки рассчитывается размер и площадь плазмы в двухмерном направлении.

Экспериментальный процесс и результаты

1. Влияние мощности лазера на плазму

Образование плазмы увеличивается с ростом мощности лазера.

Как видно из рис. 2, при условии, что в качестве газа бокового обдува используется гелий, а скорость сварки составляет 2 м/мин, морфология и размер плазмы сильно отличаются при различной мощности лазера.

Облако плазмы, образующееся при мощной лазерной сварке, более очевидно.

Поэтому подавление плазмы боковым дуновением газа особенно важно в настоящее время.

Мощность лазера: 7K

Мощность лазера: 15K

Рис. 2 Влияние изменения мощности лазера на плазму во время лазерной сварки

2. Влияние положения трубы бокового обдува на плазму

Положение трубы бокового обдува определяет точку взаимодействия между потоком газа бокового обдува и плазмой.

Наблюдение показывает, что эффект подавления плазмы отличается от положения введения газа бокового обдува.

На рис. 3 показана тенденция изменения площади плазмы при изменении интервала между точкой ввода газа бокового обдува (DG) и точкой ввода лазера (D1) в направлении X.

Видно, что плазма чувствительна к положению введения газа бокового обдува.

Положение газа бокового дутья в направлении оси X

Рис. 3 Влияние различных точек входа газа бокового обдува на площадь плазмы

3. Влияние угла наклона трубы бокового обдува на плазму

При использовании бокового обдува выбор угла ввода газа бокового обдува также влияет на эффект подавления плазмы.

На рис. 4 показано изменение соответствующей высоты плазмы при изменении угла наклона трубы бокового обдува.

Угол наклона боковой выдувной трубы

Рис. 4 Влияние различных углов бокового обдува на высоту плазмы

4. Влияние потока бокового обдува на плазму

При использовании различных скоростей потока газа морфология плазмы сильно отличается.

При тех же экспериментальных условиях (т.е. газ бокового обдува - гелий, скорость сварки - 2 м/мин, мощность лазера - 12 кВт), когда используется высокопоточный гелий бокового обдува, двумерный размер плазмы значительно уменьшается, а ее высота и ширина контролируются в очень небольшом диапазоне (как показано на рис. 5).

Соответственно, провар и ширина шва также будут меняться.

С увеличением расхода газа, подаваемого сбоку, провар постепенно увеличивается (как показано на рис. 6).

Когда расход газа достигает 60 л/мин, проникающая способность значительно улучшается.

Поэтому в практическом применении влияние плазмы может быть эффективно подавлено путем регулировки и управления потоком газа, подаваемого сбоку, что позволит эффективно улучшить проникающую способность.

С другой стороны, учитывая цену гелия для боковой продувки, чем больше поток газа для боковой продувки, тем лучше. Вместо этого оптимальный расход газа следует выбирать, оценивая экономические показатели.

Кроме того, результаты исследования показывают, что направление бокового продувочного газа также оказывает непосредственное влияние на стабильность процесса сварки, формирование поверхности шва и его общие размеры.

Поэтому соответствующее направление бокового обдува следует выбирать в зависимости от реальных потребностей.

a) Расход газа: 20 л / AIN

b) Расход газа: 70 Л / AIN

Рис. 5 Влияние различных потоков бокового обдува на плазму во время лазерной сварки

Расход газа (л/мин)

5. Влияние состава газа на плазму

На рис. 7 показаны изменения в плазме при использовании различных газовых компонентов.

На рис. 7a показана частичная морфология плазмы, когда в качестве газа для бокового обдува используется гелий, а на рис. 7b - частичная морфология плазмы, когда в качестве газа для бокового обдува используется смешанный газ.

Из рис. 7 видно, что хотя боковой обдув, используемый на рис. 7a и 7b, отличается, размер и форма плазмы аналогичны. На рис. 7C плазма имеет другую форму, а ее размер и форма изменены.

При дальнейшем изменении состава смеси, как показано на рис. 7d, плазма значительно увеличивается и распространяется над заготовкой и вокруг нее.

Когда энергия свободных электронов в парах металла, составляющих плазму, возрастает, окружающие газы подвергаются лавинной ионизации.

В это время плазма быстро расширяется и даже разделяется на две части, что нарушает стабильность процесса сварки.

Различные формы плазмы, представленные на рисунках 7b, 7C и 7d, показывают, что для эффективного ингибирования плазмы необходимо использовать соответствующую смесь.

Следует отметить, что состав газа бокового обдува может быть оптимизирован только в том случае, если оптимизированы другие параметры состава газа, например, положение трубы бокового обдува.

(A: гелий; B, C и D: аргоно-гелиевая смесь)

Рис. 7 Изменение плазмы при различном составе газа бокового обдува

Экспериментальный анализ и обсуждение

1. Влияние параметров газовой системы бокового обдува на плазму

Когда газ бокового обдува выбран для подавления плазмы в процесс лазерной сваркиПараметры системы введения газа бокового дутья, такие как положение трубки бокового дутья в трехмерном направлении, параметры системы введения газа бокового дутья, такие как положение трубки бокового дутья, угол введения газа бокового дутья, геометрический размер и форма трубки бокового дутья, влияют на образование плазмы.

Таким образом, он оказывает влияние на процесс и результаты лазерной сварки.

На рисунках 3 и 4 в качестве примера показано, что положение и угол наклона трубы бокового обдува влияют на площадь и высоту плазмы.

Соответствующие эксперты отметили, что высота и площадь плазмы отражают поглощение и преломление плазмой входящего лазерного излучения.

При изменении положения введения газа бокового обдува изменение высоты и площади плазмы может отражать степень влияния параметров газа бокового обдува на поглощение или рассеяние лазерного излучения.

Таким образом, наблюдая за поведением плазмы в режиме реального времени, мы можем изучить и оптимизировать параметры системы введения газа бокового обдува, эффективно подавить плазму и повысить энергию лазера для сварки.

2. Влияние состава и расхода газа бокового дутья на плазму

На основе оптимизации системы подачи газа для бокового обдува можно также оптимизировать состав и расход газа для бокового обдува в соответствии с реальной задачей сварки.

Это позволяет не только добиться стабильного процесса сварки, но и обеспечить экономичность.

Как показано на рис. 7, выбор подходящей смеси также может играть роль, эквивалентную чистому гелию, и экономичность отрицательного газа значительно повышается.

Однако различные составы газов для бокового обдува (как показано на рис. 7D) могут привести к сильному взрыву плазмы, поэтому невозможно обеспечить стабильный процесс сварки.

Недавние лабораторные работы показали, что на основе оптимизации системы бокового продувочного газа можно расширить диапазон выбора состава бокового продувочного газа.

Выбор подходящей газовой смеси может значительно повысить экономичность на основе обеспечения требований и качества сварки.

Эпилог

В процессе высокомощного CO₂ Лазерная сварка, газ бокового обдува широко используется для подавления плазмы в процессе сварки.

Правильный выбор соответствующих параметров газа бокового обдува позволяет более эффективно использовать поступающую лазерную энергию в процессе сварки с глубоким проплавлением.

Во-первых, положение и угол наклона трубы бокового обдува - два важных параметра, которые оказывают непосредственное влияние на размер и форму плазмы.

Поэтому перед сваркой необходимо правильно расположить боковую выдувную трубу.

Во-вторых, необходимо выбрать подходящий состав и расход газа для бокового обдува.

При увеличении потока газа бокового обдува его ингибирующее действие на плазму соответственно возрастает.

Соответствующий расход газа должен определяться в соответствии с фактическими требованиями к сварке.

Кроме того, учитывая многие факторы, такие как стабильность процесса и цена, смесь также может быть использована в качестве бокового дутья.

В это время, в связи с изменением физических свойств газа, взаимодействие между газом и расплавленным бассейном должно рассматриваться на основе ингибирования плазмы, и соответствующий поток газа должен быть выбран соответствующим образом.