E se você pudesse aumentar a eficiência da soldagem a laser simplesmente ajustando o fluxo de gás? Este artigo investiga como o gás de sopro lateral afeta o plasma na soldagem a laser, revelando seu impacto sobre a estabilidade e a penetração da soldagem. Ao explorar variáveis como a composição do gás, a taxa de fluxo e o posicionamento do bocal, você aprenderá a otimizar as condições de soldagem e a reduzir a perda de energia. Espere obter insights práticos para melhorar os resultados da soldagem e economizar custos.
Tomando o laser de alta potência como exemplo, os parâmetros relacionados ao gás de sopro lateral são estudados.
Por exemplo, a relação entre a posição, o ângulo, a composição e o fluxo do gás de sopro lateral e do plasma revela a lei de influência do gás de sopro lateral sobre a estabilidade e a penetração do processo de soldagem.
Em comparação com a soldagem por fusão tradicional, a soldagem a laser tem as vantagens da grande penetração de soldagem, da velocidade rápida de soldagem e da pequena deformação da peça de trabalho.
No entanto, no processo de soldagem, a fonte de calor do laser com alta densidade de potência produzirá uma nuvem de plasma na superfície da peça usinada, que absorverá e refratará o laser, de modo que a energia de soldagem será bastante reduzida durante o processo. soldagem por penetração profunda da peça de trabalho.
Portanto, para reduzir a perda de energia, em aplicações industriais, a purga de gás auxiliar de sopro lateral é normalmente usada para suprimir o plasma.
No processo de soldagem a laser, o plasma é geralmente distribuído na superfície da peça de trabalho e dentro do pequeno orifício, e sua forma e tamanho mudam periodicamente em todo o processo de soldagem.
No método de uso de gás de sopro lateral para inibir a formação de plasma, o hélio é o gás mais comumente usado.
Em comparação com outros gases comumente usados, o hélio tem a maior energia de ionização, o que significa que ele pode absorver mais energia antes da decomposição ou ionização.
No entanto, como o hélio é escasso e caro, especialistas relevantes estudaram e selecionaram um novo gás de sopro lateral ou gás misto para substituir o hélio em muitos aspectos.
Atualmente, pesquisadores estrangeiros recomendam a mistura de he: ar = 3:1 com base na consideração da estabilidade e da economia de gás do processo de soldagem a laser.
Além disso, para otimizar a configuração de sopro lateral e suprimir efetivamente o plasma no processo de soldagem a laser, os pesquisadores nacionais e internacionais também fizeram muitas pesquisas.
Até o momento, embora parte do trabalho tenha se concentrado no modo de introdução do sopro lateral, na forma, no tamanho e na posição do bocal de sopro lateral, alguns especialistas também estudaram a influência do ângulo de sopro lateral na penetração.
No entanto, devido à diferença de potência do laser e as condições reais de soldagem, os resultados das pesquisas correspondentes não são universais.
Além disso, a demanda por mais produção e aplicação também exige que este trabalho de pesquisa possa revelar a lei essencial do sopro lateral no processo de soldagem a laser a partir do mecanismo de pesquisa, de modo a orientar efetivamente a produção e a aplicação reais;
Por outro lado, o laser híbrido processo de soldagem tem atraído cada vez mais atenção dos pesquisadores e da produção prática.
No processo de produção de CO2 soldagem híbrida a laser, os gases envolvidos incluem o gás de sopro lateral necessário para a soldagem a laser e o gás de sopro de ar. gás de proteção necessário para a soldagem tradicional.
Como há muitos parâmetros no processo de soldagem de compostos, os usuários precisam ter uma compreensão clara do mecanismo de ação do gás usado.
Portanto, a experiência e o conhecimento obtidos com a pesquisa do gás de sopro lateral na soldagem a laser também são úteis para a pesquisa da soldagem híbrida a laser.
15kw fluxo axial rápido de CO2 foi usado no experimento.
O distância focal do laser era de 357 mm.
A placa de teste de soldagem era de aço marinho de alta resistência ah32 com 20 mm de espessura.
A surfaçagem a laser foi usada na placa de teste de soldagem sem arame de enchimento.
O antiferrugem A tinta na superfície da placa de teste deve ser removida por esmerilhamento mecânico antes da soldagem, e a mancha de óleo deve ser removida com acetona antes da soldagem.
A menos que especificado de outra forma, o gás de sopro lateral é hélio puro.
O dispositivo experimental específico é mostrado na Figura 1.
Fig. 1 Diagrama esquemático do dispositivo experimental
No processo de soldagem a laser, o plasma é registrado de forma síncrona pelo sistema de fotografia macro de alta velocidade, e o tamanho e a área do plasma na direção bidimensional são calculados após a soldagem.
A formação de plasma aumenta com o aumento da potência do laser.
Como pode ser visto na Figura 2, sob a condição de que o gás de sopro lateral também seja hélio e a velocidade de soldagem seja de 2 m/min, a morfologia e o tamanho do plasma são muito diferentes sob diferentes potências de laser.
A nuvem de plasma gerada pela soldagem a laser de alta potência é mais evidente.
Portanto, a supressão do plasma pelo gás de sopro lateral é particularmente importante nesse momento.
Potência do laser: 7K
Potência do laser: 15K
Fig. 2 Efeito da alteração da potência do laser no plasma durante a soldagem a laser
A posição do tubo de sopro lateral determina o ponto de ação entre o fluxo de gás de sopro lateral e o plasma.
A observação mostra que o efeito de supressão do plasma é diferente da posição de introdução do gás de sopro lateral.
A Fig. 3 mostra a tendência de mudança da área de plasma quando o intervalo entre o ponto de introdução do gás de sopro lateral (DG) e o ponto de entrada do laser (D1) muda na direção X.
É possível observar que o plasma é sensível à posição de introdução do gás de sopro lateral.
Posição do gás de sopro lateral na direção do eixo X
Fig. 3 Efeito de diferentes pontos de entrada de gás de sopro lateral na área de plasma
Quando o sopro lateral é usado, a seleção do ângulo de introdução do gás de sopro lateral também afeta o efeito de supressão do plasma.
A Fig. 4 mostra a alteração da altura do plasma correspondente quando o ângulo do tubo de sopro lateral muda.
Ângulo do maçarico lateral
Fig. 4 Efeito de diferentes ângulos de sopro lateral na altura do plasma
Quando são usadas diferentes taxas de fluxo de gás, a morfologia do plasma é muito diferente.
Sob as mesmas condições experimentais (ou seja, o gás de sopro lateral é o hélio, a velocidade de soldagem é de 2 m/min e a potência do laser é de 12 kW), quando o hélio de sopro lateral de alto fluxo é usado, o tamanho bidimensional do plasma é significativamente reduzido e sua altura e largura são controladas em uma faixa muito pequena (conforme mostrado na Fig. 5).
Consequentemente, a penetração e a largura da solda também serão alteradas.
Com o aumento do fluxo de gás de sopro lateral, a penetração da solda aumentará gradualmente (conforme mostrado na Fig. 6).
Quando a taxa de fluxo de gás atinge 60L / min, a penetração melhora significativamente.
Portanto, na aplicação prática, a influência do plasma pode ser suprimida de forma eficaz pelo ajuste e controle do fluxo de gás de sopro lateral, de modo a melhorar efetivamente a penetração.
Por outro lado, considerando o preço do hélio de sopro lateral, quanto maior for o fluxo de gás de sopro lateral, melhor. Em vez disso, o fluxo de gás ideal deve ser selecionado avaliando o desempenho do custo.
Além disso, os resultados da pesquisa mostram que a direção do gás de sopro lateral também tem um impacto direto sobre a estabilidade do processo de soldagem, a formação da superfície da solda e sua dimensão geral.
Portanto, a direção apropriada do sopro lateral deve ser selecionada de acordo com as necessidades reais.
a) Fluxo de gás: 20L / AIN
b) Fluxo de gás: 70L / AIN
Fig. 5 Efeito de diferentes fluxos de sopro lateral no plasma durante a soldagem a laser
Fluxo de gás (L / min)
A Fig. 7 mostra as alterações no plasma com diferentes componentes de gás.
A Fig. 7a mostra a morfologia parcial do plasma quando o gás de sopro lateral é o hélio, enquanto a Fig. 7b mostra a morfologia parcial do plasma quando o gás misto é usado como gás de sopro lateral.
A Fig. 7 mostra que, embora o sopro lateral usado nas Fig. 7a e 7b seja diferente, o tamanho e a forma do plasma são semelhantes. Na Fig. 7C, o plasma apresenta formas diferentes e o tamanho e a forma são alterados.
Quando a composição da mistura muda ainda mais, como mostrado na Fig. 7d, o plasma aumenta significativamente e se estende acima e ao redor da peça de trabalho.
Quando a energia dos elétrons livres no vapor de metal que constitui o plasma aumenta, os gases circundantes sofrem ionização por avalanche.
Nesse momento, o plasma se expande rapidamente e até se divide em dois, o que destrói a estabilidade do processo de soldagem.
As diferentes formas de plasma apresentadas nas figuras 7b, 7C e 7d mostram que é necessário usar a mistura apropriada para garantir a inibição eficaz do plasma.
Deve-se observar que a composição do gás de sopro lateral só pode ser otimizada quando outros parâmetros de composição do gás, como a posição do tubo de sopro lateral, forem otimizados.
(A: hélio; B, C e D: mistura de hélio e argônio)
Fig. 7 Variação do plasma sob diferentes composições de gás de sopro lateral
Quando o gás de sopro lateral é selecionado para suprimir o plasma no processo de soldagem a laserOs parâmetros envolvidos no sistema de introdução do gás de sopro lateral, como a posição do tubo de sopro lateral em uma direção tridimensional, os parâmetros envolvidos no sistema de introdução do gás de sopro lateral, como a posição do tubo de sopro lateral, o ângulo de introdução do gás de sopro lateral, o tamanho geométrico e a forma do tubo de sopro lateral, todos têm impacto na formação do plasma.
Portanto, isso tem um impacto sobre o processo e os resultados da soldagem a laser.
Tomando as figuras 3 e 4 como exemplos, a posição e o ângulo do tubo de sopro lateral têm impacto sobre a área e a altura do plasma.
Especialistas relevantes apontaram que a altura e a área do plasma refletem a absorção e a refração do plasma para o laser que chega.
Quando a posição de introdução do gás de sopro lateral muda, a alteração da altura e da área do plasma pode refletir o grau em que os parâmetros do gás de sopro lateral afetam a absorção ou a dispersão do laser.
Portanto, ao observar o comportamento do plasma em tempo real, podemos estudar e otimizar os parâmetros do sistema de introdução de gás de sopro lateral, suprimir efetivamente o plasma e melhorar a energia do laser para soldagem.
Com base na otimização do sistema de introdução do gás de sopro lateral, a composição e o fluxo do gás de sopro lateral também podem ser otimizados para a tarefa de soldagem real.
Isso permite não apenas obter um processo de soldagem estável, mas também garantir economia.
Conforme mostrado na Fig. 7, a seleção de uma mistura adequada também pode desempenhar um papel equivalente ao do hélio puro, e a economia de gás negativo é bastante aprimorada.
No entanto, diferentes composições de gás de sopro lateral (conforme mostrado na Fig. 7D) podem levar a um forte comportamento de explosão de plasma, de modo que é impossível garantir um processo de soldagem estável.
Trabalhos recentes de laboratório mostraram que, com base na otimização do sistema de gás de sopro lateral, a faixa de seleção da composição do gás de sopro lateral pode ser ampliada.
A seleção da mistura de gás adequada pode melhorar muito a economia com base na garantia dos requisitos e da qualidade da soldagem.
No processo de produção de CO2 Na soldagem a laser, o gás de sopro lateral é amplamente utilizado para suprimir o plasma no processo de soldagem.
A seleção correta dos parâmetros relevantes do gás de sopro lateral pode fazer com que a energia do laser recebida seja usada com mais eficiência no processo de soldagem por penetração profunda.
Em primeiro lugar, a posição e o ângulo do tubo de sopro lateral são dois parâmetros importantes, que têm um impacto direto no tamanho e na forma do plasma.
Portanto, o tubo de sopro lateral deve ser posicionado corretamente antes da soldagem.
Em segundo lugar, deve-se considerar a seleção da composição e do fluxo adequados do gás de sopro lateral.
Quando o fluxo de gás de sopro lateral aumenta, seu efeito de inibição no plasma aumenta proporcionalmente.
O fluxo de gás adequado deve ser determinado de acordo com os requisitos reais de soldagem.
Além disso, considerando vários fatores, como a estabilidade do processo e o preço, a mistura também pode ser usada como sopro lateral.
Nesse momento, devido à mudança nas propriedades físicas do gás, a interação entre o gás e a poça de fusão deve ser considerada com base na inibição do plasma, e o fluxo de gás apropriado deve ser selecionado de acordo.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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