Аналіз сувязі паміж фокуснай глыбінёй і стабільнасцю зваркі ў ў лазернай зварцы

У лазернай зварцы прамень лазера фокусуецца оптычнай сістэмай на паверхні або ўнутры заготўкі, ствараючы вобласць з высокай шчыльнасцю энергіі. Глыбіня фокусу (ГФ), як ключавы параметр, які апісвае прасторавы размерк энергіі лазернага прамяня, непасрэдна ўплывае на ўтварэнне расплаўленага басейну, паводзкі энергетычнага злучэння і агульную стабільнасць зваркі. Зразуменне сувязі паміж глыбінёй фокусу і стабільнасцю зваркі мае асаблівае значэнне для аптымізацыі вокна працэсу лазернай зваркі.

1. Вызначэнне і фізічны сэнс глыбіні фокусу

Глыбіня фокусу (ГФ) азначае падоўжную вобласць уздоўж напрамку пашырэння лазернага прамяня, у якай памер сфакусаванага пляма застаецца ў межах прымальны варыяцыйнага дыяпазону. Яна звычайна вызначаецца як адлегласць, на якай дыяметр пляма павялічваецца да пэўнага кратнага значэння (напрыклад, 1,2 ці 1,5 разоў) мінімальнага дыяметру пляма.

З аптычнага пункту гледжання глыбіня фокусавання ў асноўным залежыць ад наступных фактараў:

Лазерная хвала

Факусная адлегласць лінзы

Якасць пучка (фактар M²)

Пачатковы дыяметр пучка

Большая глыбіня фокусавання прыводзіць да больш паступовага размеркавання энергіі па восі, тады як меншая глыбіня фокусавання забяспечвае вышэйшую канцэнтрацыю энергіі, але і большую чутлівасць да адхіленняў становішча

2. Асноўны паняцце стабільнасці пры зварцы

Стабільнасць пры зварцы, як правіла, азначае сталасць паводзін расплаўленай ванны, уводу энергіі і фарміравання шва падчас працэсу зваркі. Пры стабільных умовах зваркі шырыня шва, глыбіня пранікнення, паводзіны брызг і стан плазмы застаюцца адносна пастаяннымі.

Асноўныя фактары, якія ўплываюць на стабільнасць зваркі, уключаюць у сябе:

Магутнасць лазера і ваганні магутнасці

Адхіленне становішча фокусу

Замацаванне загатоўкі і роўнасць паверхні

Хуткаść сваркі

Умовы абароннага газу

Сярод гэтых фактараў невялікія адхіленні палажэння фокусу часта пасільваюцца праз глыбіню рэзкасці, што істотна ўплывае на стабільнасць зварвання.

3. Механізмы, пры дапамозе якіх глыбіня рэзкасці ўплывае на стабільнасць зварвання
3.1 Глыбіня рэзкасці і толеранс палажэння фокусу

На практыцы ў вытворчасці варыяцыі вышыні загатоўкі, цеплавое деформаванне і памылкі замацавання немагчыма пазбегнуць. Калі глыбіня рэзкасці вялікая, памераныя адхіленні палажэння фокусу прыводзяць да адносна невялікіх змен памеру плямы і шчыльнасці энергіі, што дазваляе застацца стабільным расплаўленаму купальніку.

Навадзі, у сістэмах з малой глыбінёй рэзкасці назіраецца высокая чутлівасць да змен палажэння фокусу. Нават нязначныя адхіленні могуць выклікаць істотныя хвалеванні шчыльнасці энергіі, што прыводзіць да няроўнамернай глыбіні праплаўлення, нерэгулярнай шырыні шва ці дэфектаў, такіх як няпоўнае сплавленне ці прагаранне.

3.2 Уплыў глыбіні рэзкасці на дынамічную стабільнасць расплаўленага купальніка

Лазерны прамень з большай глыбінёй фокусу мае больш гладкую аксыяльную разьмеркаванасьць энергіі. У выніку, расплаўлены цёк рэагуе больш павольна на зьмены энергіі, што дапамагае падтрыснуць ваганьня расплаўленага цёку і ўтварэньне брызг.

Калі глыбіня фокусу невялікая, энергія засяроджана ў вузкай вобласьці, што стварае стромкія тэмпэратурныя градыенты ўнутры расплаўленага цёку. Гэта пасілівае выпарываньне мэталаў і ваганьня зваротнага ціську, павялічваючы імавернасьць няўстойлівасьці расплаўленага цёку, ваганьня шва і ўтварэньня брызг.

3.3 Глыбіня фокусу і стойкасьць працэсу

У аўтаматызаваных ці высокахуткасных прыкладаньнях лазэрнага зварківаньня талерантнасьць да знешніх зьменшваньняў асабліва важная. Большая глыбіня фокусу паляпшае стойкасьць працэсу, робячы зварківаньне менш чутлівым да талерантнасьці зборкі, цеплавага выцягваньня і механічных вібрацыяў, тым самым паляпшаючы агульную кансістэнтнасьць зваркі.

4. Прыдатнасьць глыбіні фокусу ў розных рэжымах зварківаньня
4.1 Рэжым зварківаньня з цеплаправоднасьцю

Пры зварцыльных работах у рэжыме цепяперадачы пры нізкай шчыльнасці магутнасці, большая глыбіня фокусу спрыяе роўнамернасці ўводу цяпла і гладкім утварэнню зварной паверхні. Гэта канфігурацыя адрозніваецца добрай стабільнасцю і падыходзіць для зваркі тонкаскрынковых матэрыялаў і дакладных прыкладанняў.

4.2 Рэжым зваркі праз паровую капіляру

Зварка праз паровую капіляру аснавана на высокай шчыльнасці магутнасці для ўтварэння і падтрымання стабільнай паравой капіляры. У гэтым рэжыме надмерная вялікая глыбіня фокусу можа знізіць пікавую шчыльнасць энергіі, ускладніўшы ўтварэнне паровай капіляры, тады як надмерна малая глыбіня фокусу павялічвае чулівасць да памылак становішча фокусу. Таму патрабуецца збалансаваны падыход да праектавання з улікам шчыльнасці энергіі і дапуску фокусу.

5. Інжынерная значнасць аптымізацыі глыбіні фокусу

Пры практычным канструяванні працэсу глыбіню фокусу нельга максімаваць або мінімаваць без разбору. Замест гэтага яе неабходна аптымізаваць з улікам тыпу матэрыялу, дыяпазону таўшчынь, хуткасці зваркі і дакладнасці сістэмы. Пры правільным выбары факальнай адлегласці, кантролі якасці пучка і адпаведнасці параметраў зваркі можна захаваць дастатковую шчыльнасць энергіі, паляпшаючы пры гэтым стабільнасць і аднолькавасць зваркі.

Глыбіня фокусу — гэта важны параметр, які звязвае аптычныя характарыстыкі лазера са стабільнасцю працэсу зваркі. Вялікая глыбіня фокусу павялічвае талерантнасць да адхіленняў становішча фокусу і знешніх перашкод, тым самым паляпшаючы стабільнасць зваркі. Навадзі, меншая глыбіня фокусу дазваляе атрымаць вышэйшую шчыльнасць энергіі, але ставіць строгія патрабаванні да дакладнасці сістэмы. Дасягненне належнага балансу паміж глыбінёй фокусу і канцэнтрацыяй энергіі мае вырашальнае значэнне для стабільнай і высокаякаснай лазернай зваркі.