Tomando como exemplo o laser de alta potência, 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 na estabilidade e penetração do processo de soldagem.
Em comparação com a soldagem por fusão tradicional, a soldagem a laser tem as vantagens de grande penetração de soldagem, velocidade de soldagem rápida e pequena deformação da peça.
No entanto, no processo de soldagem, a fonte de calor do laser com alta densidade de potência produzirá nuvem de plasma na superfície da peça usinada, que irá absorver e refratar o laser, de modo que a energia de soldagem seja bastante reduzida durante a soldagem de penetração profunda da peça. .
Portanto, a fim de reduzir a perda de energia, em aplicações industriais, a purga de gás auxiliar de sopro lateral é geralmente usada para suprimir o plasma.
No processo de soldagem a laser, o plasma geralmente é distribuído na superfície da peça e dentro do pequeno furo, e sua forma e tamanho mudam periodicamente durante todo o processo de soldagem.
No método de utilização de gás de sopro lateral para inibir a formação de plasma, o hélio é o gás mais comumente utilizado.
Comparado com outros gases comumente usados, o hélio tem a maior energia de ionização, o que significa que pode absorver mais energia antes da decomposição ou ionização.
No entanto, como o hélio é escasso e caro, especialistas relevantes estudaram e selecionaram novos gases de sopro lateral ou gases mistos 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 economia de gás do processo de soldagem a laser.
Além disso, a fim de otimizar a configuração de sopro lateral e suprimir efetivamente o plasma no processo de soldagem a laser, pesquisadores nacionais e estrangeiros também fizeram muitas pesquisas.
Até agora, embora parte do trabalho tenha se concentrado no modo de introdução do sopro lateral, na forma, tamanho e posição do bocal de sopro lateral, alguns especialistas também estudaram a influência do ângulo de sopro lateral na penetração.
No entanto, devido à diferença entre a potência do laser e as condições reais de soldagem, os resultados da pesquisa correspondentes carecem de universalidade.
Além disso, a demanda por produção e aplicação adicionais 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 aplicação reais;
Por outro lado, o processo de soldagem híbrida a laser tem atraído cada vez mais atenção de pesquisadores e da produção prática.
No processo de CO2 soldagem híbrida a laser, os gases envolvidos incluem gás de sopro lateral necessário para soldagem a laser e gás de proteção necessário para soldagem tradicional.
Como existem muitos parâmetros no processo de soldagem composta, os usuários precisam ter uma compreensão clara do mecanismo de ação do gás utilizado.
Portanto, a experiência e o conhecimento obtidos na pesquisa de gás de sopro lateral na soldagem a laser também são úteis para a pesquisa em soldagem híbrida a laser.
Condição experimental
Fluxo axial rápido de 15kw CO2 laser foi usado no experimento.
A distância focal do laser foi de 357 mm.
A placa de teste de soldagem era de aço marinho de alta resistência ah32 com 20 mm de espessura.
A superfície a laser foi usada na placa de teste de soldagem sem fio de enchimento.
A tinta antiferrugem na superfície da placa de teste deve ser removida por retificação mecânica antes da soldagem, e a mancha de óleo deve ser removida com acetona antes da soldagem.
Salvo indicação em contrário, o gás soprado lateralmente é hélio puro.
O dispositivo experimental específico é mostrado na Figura 1.
Figura 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.
Processo experimental e resultados
1. Influência da potência do laser no plasma
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 2m/min, a morfologia e o tamanho do plasma são muito diferentes sob diferentes potências do laser.
A nuvem de plasma gerada pela soldagem a laser de alta potência é mais óbvia.
Portanto, a supressão do plasma pelo gás lateral é particularmente importante neste momento.
Potência do laser: 7K
Potência do laser: 15K
Fig. 2 Efeito da mudança de potência do laser no plasma durante a soldagem a laser
2. Influência da posição do tubo de sopro lateral no plasma
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 Figura 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.
Pode-se 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
3. Influência do ângulo do tubo de sopro lateral no plasma
Quando o sopro lateral é usado, a seleção do ângulo de introdução do gás de sopro lateral também afetará 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 da maçarico lateral
Fig. 4 Efeito de diferentes ângulos de sopro lateral na altura do plasma
4. Influência do fluxo de sopro lateral no plasma
Quando diferentes taxas de fluxo de gás são utilizadas, 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 2m/min e a potência do laser é de 12KW), quando o hélio de sopro lateral de alto fluxo é usado, o tamanho bidimensional do o plasma é significativamente reduzido e sua altura e largura são controladas dentro de uma faixa muito pequena (como mostrado na Fig. 5).
Consequentemente, a penetração e a largura da solda também mudarão de acordo.
Com o aumento do fluxo de gás de sopro lateral, a penetração da solda aumentará gradualmente (como mostrado na Fig. 6).
Quando a vazão de gás atinge 60L/min, a penetração é significativamente melhorada.
Portanto, na aplicação prática, a influência do plasma pode ser efetivamente suprimida ajustando e controlando o fluxo de gás de sopro lateral, de modo a melhorar efetivamente a penetração.
Por outro lado, considerando o preço do hélio lateral, quanto maior for o fluxo de gás soprado lateralmente, melhor. Em vez disso, o fluxo de gás ideal deve ser selecionado através da avaliação do desempenho de custo.
Além disso, os resultados da pesquisa mostram que a direção do gás soprado lateralmente também tem um impacto direto na estabilidade do processo de soldagem, na formação da superfície da solda e na sua dimensão geral.
Portanto, a direção de sopro lateral apropriada 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)
5. Influência da composição do gás no plasma
A Figura 7 mostra as alterações no plasma com diferentes componentes gasosos.
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.
Pode-se verificar na Fig. 7 que embora o sopro lateral usado nas Fig. 7a e 7b sejam diferentes, o tamanho e a forma do plasma são semelhantes. Na Figura 7C, o plasma apresenta diferentes formatos e o tamanho e a forma são alterados.
Quando a composição de 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 metálico que constitui o plasma aumenta, os gases circundantes sofrem ionização em avalanche.
Neste momento, o plasma se expande rapidamente e até se divide em dois, o que destrói a estabilidade do processo de soldagem.
As diferentes formas plasmáticas apresentadas nas figuras 7b, 7C e 7d mostram que é necessário utilizar a mistura adequada para garantir a sua inibição eficaz do plasma.
Deve-se notar que a composição do gás de sopro lateral pode ser otimizada apenas quando outros parâmetros de composição de gás, tais como a posição do tubo de sopro lateral, são 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
Análise experimental e discussão
1. Efeito dos parâmetros do sistema de gás de sopro lateral no plasma
Quando o gás de sopro lateral é selecionado para suprimir o plasma no processo de soldagem a laser, os parâmetros envolvidos no sistema de introdução de gás de sopro lateral, como a posição do tubo de sopro lateral em uma direção tridimensional, os parâmetros envolvidos em o sistema de introdução de 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 de plasma.
Assim, tem impacto no processo e nos resultados da soldagem a laser.
Tomando como exemplo as figuras 3 e 4, a posição e o ângulo do tubo de sopro lateral têm impacto na área e na 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 recebido.
Quando a posição de introdução do gás de sopro lateral muda, a mudança na altura e área do plasma pode refletir o grau em que os parâmetros do gás de sopro lateral afetam a absorção ou 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.
- Efeito da composição e fluxo do gás de sopro lateral no plasma
Com base na otimização do sistema de introdução de gás de sopro lateral, a composição e o fluxo do gás de sopro lateral também podem ser otimizados para a tarefa de soldagem real.
Isto pode não apenas alcançar um processo de soldagem estável, mas também garantir economia.
Conforme mostrado na Fig. 7, a seleção de uma mistura apropriada também pode desempenhar um papel equivalente ao hélio puro, e a economia de gás negativo é bastante melhorada.
No entanto, diferentes composições de gás de sopro lateral (como mostrado na Fig. 7D) podem levar a um forte comportamento de explosão de plasma, por isso é impossível garantir um processo de soldagem estável.
Trabalhos de laboratório recentes 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 gases apropriada pode melhorar muito a economia com base na garantia dos requisitos e da qualidade da soldagem.
Epílogo
No processo de CO de alta potência2 soldagem a laser, o gás de sopro lateral é amplamente utilizado para suprimir o plasma no processo de soldagem.
A seleção correta de parâmetros relevantes do gás de sopro lateral pode tornar a energia do laser de entrada usada de forma mais eficaz no processo de soldagem de 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 maçarico lateral deve ser posicionado corretamente antes da soldagem.
Em segundo lugar, deve-se considerar a seleção da composição e do fluxo apropriados do gás de sopro lateral.
Quando o fluxo de gás lateral aumenta, seu efeito de inibição no plasma aumenta proporcionalmente.
O fluxo de gás apropriado deve ser determinado de acordo com os requisitos reais de soldagem.
Além disso, considerando diversos fatores como estabilidade do processo e preço, a mistura também pode ser utilizada como soprador lateral.
Neste momento, devido à mudança nas propriedades físicas do gás, a interação entre o gás e a poça fundida deve ser considerada com base na inibição do plasma, e o fluxo de gás apropriado deve ser selecionado de acordo.
