العلاقة التأثيرية بين البعد البؤري وارتفاع الفوهة على تأثير القطع

في عمليات قطع الليزر، يُعتبر البعد البؤري وارتفاع الفوهة معلمتين رئيسيتين في العملية ومترابطتين. ويؤثر كل منهما بشكل مباشر على توزيع طاقة الليزر واستقرار بركة المصهور وأداء الغاز المساعد وجودة القطع النهائية. ويمثل المطابقة الصحيحة بين موقع البؤرة وارتفاع الفوهة شرطًا أساسيًا لضمان استقرار عملية القطع وجودة حواف القطع.

أولًا: التعريف الأساسي لوظيفة البعد البؤري

يشير الطول البؤري إلى المسافة بين العدسة المركزة والموضع الذي يشكل فيه شعاع الليزر أصغر بقعة له بعد المرور عبر النظام البصري. في عمليات القطع، يُؤخذ سطح القطعة العمل كنقطة صفر مرجعية للموضع البؤري، ويمكن تصنيفه إلى تركيز موجب، وتركيز صفري، وتركيز سالب.

يحدد الموضع البؤري توزيع كثافة الطاقة للليزر على سطح المادة أو داخلها، ويؤثر بشكل مباشر على الجوانب التالية:

قدرة الانصهار الأولية

عمق وشكل بركة المصهور

عرض الشق وميله

حجم المنطقة المتأثرة بالحرارة

يمكن أن يؤدي الانحراف الزائد للموضع البؤري إلى كثافة طاقة غير كافية أو غير متساوية، مما يؤدي إلى قطع غير كامل، أو التصاق الخبث، أو أسطح قطع خشنة.

ثانيًا. التعريف الأساسي لوظيفة ارتفاع الفوهة

يشير ارتفاع الفوهة إلى المسافة الرأسية بين طرف الفوهة وسطح القطعة، ويتم التحكم فيه عادةً في الزمن الحقيقي بواسطة نظام استشعار للارتفاع. تتمثل الوظيفة الأساسية لارتفاع الفوهة في حالة تدفق الغاز المساعد واستقرار تيار الهواء في منطقة القطع.

يمكن لارتفاع الفوهة المناسب أن:

يضمن تدفق غاز مساعد مستقر ومتماثل حول المحور

يحسن كفاءة إزالة المعدن المنصهر

يقلل من بقايا الخبث داخل شق القطع

يقلل من تأثير التناثر على النظام البصري

إذا كان ارتفاع الفوهة كبيرًا جدًا، ينتشر تدفق الغاز وتقل قدرة إزالة الخبث. وإذا كان ارتفاع الفوهة صغيرًا جدًا، فقد يؤدي ذلك إلى اصطدام الفوهة، أو التصاق التناثر، أو اضطراب تدفق الهواء.

ثالثًا: العلاقة الارتباطية بين البعد البؤري وارتفاع الفوهة

البعد البؤري وارتفاع الفوهة ليسا معاملين مستقلين. في عمليات القطع الفعلية، توجد علاقة ارتباط واضحة بينهما.

تأثير تغيرات الموضع البؤري على ارتفاع الفوهة الأمثل

عندما تتحرك نقطة البؤرة إلى الأسفل (تركيز سلبي أعمق)، تمتد بركة المصهور بشكل أكبر داخل المادة. في هذه الحالة، عادةً ما يحتاج ارتفاع الفوهة إلى التقليل بشكل مناسب لتعزيز التأثير المباشر للغاز المساعد على المعدن المصهور.

تأثير تغيرات ارتفاع الفوهة على استغلال طاقة البؤرة

تؤثر التغيرات في ارتفاع الفوهة على توزيع ضغط الغاز، مما يُغيّر بشكل غير مباشر شكل بركة المصهور ومنطقة تفاعل الليزر مع المادة، وبالتالي يؤثر على الاستخدام الفعّال لطاقة البؤرة.

تأثير مطابقة المعلمات على استقرار القص

يمكن أن يؤدي عدم المطابقة المناسبة للبعد البؤري وارتفاع الفوهة بسهولة إلى عدم استقرار بركة المصهور أثناء القص، مما قد يظهر على هيئة خطوط متقطعة دورية في الشق، أو التصاق خبث في القاع، أو انقطاعات في القص.

رابعًا. خصائص مطابقة المعلمات تحت ظروف مواد مختلفة
قص الألواح الرقيقة

يتم عادةً استخدام تركيز قريب من الصفر أو تركيز إيجابي بسيط، مقترنًا بارتفاع فوهة صغير، لتحقيق شق ضيق وسرعة قص عالية.

قطع الصفائح المتوسطة والسميكة

يُعتمد عادةً قطع التركيز السلبي مع تقليل نسبي لارتفاع الفوهة لتعزيز عمق بركة الانصياب وتحسين قدرة الغاز المساعد على إزالة البقايا.

قطع المواد عالية الانعكاس

يُطلب التحكم الدقيق في موقع البؤرة مع الحفاظ على ارتفاع ثابت للفوهة لمنع تقلبات الطاقة والحد من خطر الانعكاس العكسي.

خامسًا. العيوب الشائعة في القطع وارتباطها بالمعاير

القطع غير الكامل: موضع البؤرة مرتفع جدًا أو ارتفاع الفوهة كبير جدًا

الالتصاق بالبقعة السفلية: تركيز سلبي غير كافٍ أو ارتفاع الفوهة مفرط

عرض الشق المفرط: تركيز مفرط في الاتجاه المثبت أو ارتفاع الفوهة منخفض جدًا

سطح قطع خشن: عدم التوافق السليم بين طول البؤرة وارتفاع الفوهة، ما يؤدي إلى تفاعل غير مستقر بين تدفق الغاز وبركة الانصياب

سادسًا. توصيات تحسين العمليات

يجب تحديد طول البؤرة بشكل أساسي بناءً على سمك المادة

يجب أن يُحافظ على ارتفاع الفوهة قريبًا قدر الإمكان من القطعة العاملة مع ضمان السلامة التشغيلية

أثناء ضبط المعلمات، يجب تعديل طول البؤرة وارتفاع الفوهة في آنٍ واحد وليس بشكل مستقل

يجب استخدام القطع التجريبي لمراقبة شكل الشق ونوعية سطح القطع لتحديد التدريجي لأفضل تركيبة معلمات

طول البؤرة وارتفاع الفوهة هما معلمتان رئيسيتان في قطع الليزر تتقيدان وتؤثران إحداهما بالأخرى. ويحدد توافقهما السليم بشكل مباشر كفاءة استخدام طاقة الليزر واستقرار حوض الانصهار وجودة القطع. وفي التطبيقات العملية، ينبغي تعديل طول البؤرة وارتفاع الفوهة بشكل منهجي وفقًا لنوع المادة وسمكها والأهداف العملية لتحقيق نتائج قطع مستقرة وقابلة للتكرار