En la soldadura láser, a menudo se acompaña de un flujo similar a una llama (hay chorros de llama, luz amarilla, luz azul, luz violeta, etc.), lo que comúnmente se denomina plasma.

Definición de plasma

El plasma es una mezcla gaseosa de electrones libres, iones y partículas eléctricamente neutras (átomos, moléculas y radicales) que se produce durante el proceso de soldadura láser mediante la vaporización de materiales metálicos por radiación láser. Este tipo de plasma, generado por la luz, se conoce como plasma fotoinducido. Los principales componentes del plasma fotoinducido son vapores metálicos, electrones libres, iones y partículas eléctricamente neutras.

Durante la ablación láser de la superficie del material, se genera plasma cuando la densidad de potencia del láser alcanza un umbral determinado. El mecanismo microscópico específico se divide en dos pasos:

Paso uno

Cuando el láser irradia la superficie metálica, los electrones cercanos absorben fotones mediante recombinación inversa de radiación de frenado (Bremsstrahlung), y estos electrones energizados transfieren la energía absorbida a la red metálica mediante interacciones con fonones. El calentamiento de los electrones y la transferencia de energía dentro de la red se completan en pocos picosegundos, lo que resulta en un rápido aumento tanto de la temperatura electrónica como de la temperatura vibracional de la red, lo que finalmente provoca la ruptura de enlaces dentro de la red y la aparición de fenómenos como la vaporización y la explosión del metal.

Paso dos

Los productos iniciales de la ablación y el láser interactúan cerca de la superficie del material, provocando que la sustancia evaporada continúe calentándose e ionizándose. Este proceso incluye tres efectos: electrones libres que absorben la energía de la radiación láser y colisionan continuamente con átomos y moléculas, causando ionización. Esto genera nuevos electrones libres que continúan colisionando e ionizándose cíclicamente, desencadenando una avalancha de ionización; iones portadores de carga que colisionan con átomos y moléculas, causando ionización; y átomos y grupos moleculares en estado excitado que experimentan fotoionización.

En resumen

Durante el láser de penetración profunda, cuando la densidad de energía del láser incidente es suficientemente alta, puede vaporizar el metal y formar una abertura en el baño de fusión. Al mismo tiempo, el vapor metálico expulsado de la superficie metálica y la abertura, así como algunos electrones libres del gas protector, se aceleran al absorber la energía láser, aumentando así su energía cinética. Esto provoca que colisionen con partículas de vapor y gas protector, desencadenando una reacción en cadena que provoca una ionización extensa. Como resultado, se forma un plasma denso sobre la abertura, lo que afecta significativamente el proceso de soldadura láser.

Características periódicas del plasma

A medida que el láser emite e irradia la superficie del material, genera plasma. Cuando la densidad del plasma fotoinducido es demasiado alta, aumenta significativamente la pérdida de energía láser, lo que debilita la densidad de energía que llega a la superficie de la pieza. Esto resulta en una disminución de la cantidad de vapor metálico producido y el plasma desaparece gradualmente. En este punto, el láser puede irradiar directamente la superficie de la pieza, recreando una gran cantidad de vapor metálico, y la intensidad del plasma aumenta gradualmente, protegiendo nuevamente el láser incidente. Este ciclo se repite, con la intensidad del plasma experimentando cambios periódicos. Mediante análisis espectral y observación con cámara de alta velocidad, se ha descubierto que la frecuencia de las oscilaciones de la intensidad del plasma es del orden de varios cientos de hercios. Esto también provoca fluctuaciones periódicas en la soldadura láser, lo cual es particularmente notable en la soldadura de placas delgadas (la modulación láser, modulada por onda continua (CW), es una solución para este problema).

El papel del plasma en la transferencia de energía

En los procesos de soldadura láser de alta potencia, a medida que el haz láser de alta densidad energética continúa emitiendo, la energía se transfiere a la superficie de la pieza, fundiendo y evaporando continuamente el metal. La nube de vapor asciende rápidamente desde el ojo de la cerradura y, al alcanzar las condiciones de ionización, se ioniza rápidamente para formar plasma, compuesto principalmente de plasma de vapor metálico. Una vez formado, el plasma refleja, dispersa y absorbe el haz de luz incidente mediante refracción y absorción radiativa, creando un efecto de apantallamiento en el haz láser. Esto afecta el acoplamiento de la energía láser con la pieza, influyendo en la profundidad de fusión, la formación de poros y la composición del cordón de soldadura, lo que, en última instancia, afecta directamente la calidad de la soldadura láser y la fiabilidad del proceso.

Refracción del láser por plasma

El plasma actúa como una lente entre el material y el láser, lo que genera lo que se puede resumir como el efecto de lente negativo del plasma: el aire es un medio ópticamente más denso, mientras que el plasma es un medio ópticamente más raro. Esto provoca la divergencia del haz láser, lo que reduce su capacidad de enfoque y su dispersión, reduciendo así su densidad energética. Cuando el haz láser incidente atraviesa el plasma, también puede cambiar su dirección de propagación. El ángulo de deflexión está relacionado con el gradiente de densidad electrónica del plasma y su longitud, lo que provoca una densidad energética desigual del láser que llega a la superficie del material, con fluctuaciones de energía que varían en función de las fluctuaciones del plasma.

Como se ilustra, cuanto más plasma se acumula, mayor es el impacto en la soldadura láser. Cuanto más diverge el láser, menor es la densidad de energía, lo que provoca una disminución repentina de la profundidad de penetración. Por lo tanto, problemas comunes como la falta de penetración en la soldadura suelen deberse a la falta de gas de protección, lo que resulta en una soldadura de baja calidad.

Absorción de láser por plasma

La absorción de energía láser por el plasma aumenta su temperatura y nivel de ionización. El proceso de absorción se puede dividir en absorción normal y absorción anómala. La absorción normal, también conocida como absorción de frenado inversa, se refiere a los electrones excitados por el campo eléctrico del láser para oscilar a altas frecuencias, colisionando con partículas circundantes (principalmente iones) y transfiriéndose energía entre sí, lo que aumenta la temperatura y el nivel de ionización del plasma. La absorción anómala, por otro lado, se refiere a una serie de mecanismos sin colisión que convierten la energía láser en energía de onda de plasma, que posteriormente se transforma en energía térmica del plasma mediante diferentes mecanismos de disipación y se disipa en el aire.

Debido a la absorción del láser por el plasma, solo una parte de la energía láser incidente puede penetrar el plasma y alcanzar la superficie de la pieza. Esto aumenta la pérdida de transmisión de energía a lo largo de la trayectoria óptica externa (desde el láser OBH hasta la superficie del material), reduciendo la densidad de energía láser. La tasa de absorción general disminuye, y si la ventana se encuentra en el límite superior, puede provocar fácilmente una falta de fusión, especialmente con materiales altamente reflectantes (como el aluminio y el cobre).

Los principales factores que influyen en el índice de refracción del plasma, el efecto de lente negativo y la tasa de absorción incluyen:

1. Longitud de onda del láser

Los umbrales de ignición y mantenimiento del plasma son directamente proporcionales al cuadrado de la longitud de onda. Los láseres de longitud de onda corta (como la luz azul y verde) tienen tiempos de mantenimiento del plasma más cortos, lo que aumenta la estabilidad del proceso.

2. Densidad de potencia del láser

La temperatura y la densidad electrónica del plasma aumentan con la densidad de potencia del láser. Una densidad de potencia excesivamente alta es una de las principales causas de la inestabilidad del plasma. Las fuentes de calor compuestas (p. ej., puntos anulares, compuestos semiconductores de fibra, compuestos de arco láser) permiten una distribución controlada de la energía. En comparación con la soldadura láser de fibra simple, el impacto de los efectos del plasma es menor, lo que aumenta la estabilidad del proceso de soldadura.

3. Tamaño del punto

Los diámetros de punto más pequeños aumentan los valores de ignición y mantenimiento del plasma (la soldadura por oscilación puede evitar esto).

4. Propiedades del material

La densidad y la energía de ionización de los materiales afectan considerablemente al plasma. Los metales con menor energía de ionización y mayor reflectividad son más propensos a verse afectados por los efectos del plasma, lo que afecta la estabilidad de la soldadura de penetración profunda.

5. Gas ambiental y presión

Generalmente, se cree que los gases con buena conductividad térmica y alta energía de ionización tienen umbrales de ignición y mantenimiento del plasma más altos. Una menor presión atmosférica ambiental conlleva una menor temperatura, densidad electrónica y altura del centro del plasma. En condiciones de vacío o presión negativa, la soldadura láser de penetración profunda es más estable que a presión atmosférica.

6. Caudal de gas

Aumentar el caudal del gas ambiental reduce el volumen del plasma, lo que disminuye su tasa de absorción por el láser y reduce eficazmente su impacto en el proceso de soldadura de penetración profunda. Sin embargo, caudales de gas excesivamente altos pueden causar fluctuaciones en la superficie del baño de soldadura y salpicaduras de metal fundido, así como grietas y rugosidad superficial debido al enfriamiento rápido.

7. Velocidad de soldadura

La temperatura central del plasma aumenta a medida que disminuye la velocidad de soldadura. Las velocidades de soldadura más bajas facilitan la producción de plasma y lo hacen más inestable. Aumentar la velocidad de soldadura hasta cierto punto también puede mejorar la estabilidad del proceso.

1. Soldadura por oscilación

El cabezal de procesamiento láser oscila a izquierda y derecha a lo largo de la dirección de soldadura. Antes de la formación del plasma tras la aparición del orificio, el punto láser se desplaza momentáneamente hacia el borde posterior del baño de fusión o hacia otra ubicación para evitar la influencia del plasma en la transmisión óptica.

2. Soldadura láser pulsada

Ajuste del pulso y la frecuencia del láser para que su tiempo de irradiación sea menor que el tiempo de formación del plasma. Esto garantiza que el láser siempre impacte durante la fase de disipación del ciclo de formación-disipación del plasma, evitando interferencias con la transmisión óptica del plasma.

3. Soldadura a baja presión

Al emplear soldadura a presión reducida, cuando la presión del aire está por debajo de un cierto nivel, la densidad del vapor de metal en la superficie del material y dentro del ojo de la cerradura es baja, lo que hace que el plasma desaparezca.

4. Soplado de gas protector

Un método consiste en usar gas auxiliar para dispersar el plasma, y ​​otro utiliza gases con buena conductividad térmica y alta energía de ionización para suprimir la ionización del gas ambiental y condensar el vapor de iones metálicos. Se puede utilizar una boquilla de doble capa coaxial con el soplador principal, donde la boquilla exterior está inclinada horizontalmente, aprovechando la componente radial del flujo de aire exterior para soplar el plasma lateralmente. También se puede utilizar una boquilla de tubo recto, dirigida directamente al plasma y soplando gas lateralmente a lo largo de la dirección de soldadura.

Este método requiere un control estricto de la precisión de posicionamiento de la boquilla de soplado lateral y del caudal de aire. Entre los numerosos métodos de control, el control del plasma mediante flujo de aire es relativamente flexible y sencillo. Por lo tanto, el gas protector de soplado lateral es un método ampliamente adoptado en la soldadura láser de penetración profunda.

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