Анализ на връзката между дълбочина на фокусиране и заваръчната стабилност в лазерното заваряване

В лазерното заваряване лазерният лъч се фокусира от оптична система върху повърхността или вътрешността на детайл, образувайки област с висока плътност на енергия. Дълбочината на фокусиране (DOF), като ключов параметър, описващ пространственото разпределение на енергията на лазерния лъч, има пряко влияние върху формирането на разтопената зона, поведението на енергийното свързване и общата стабилност на заварката. Разбирането на връзката между дълбочина на фокусиране и заваръчната стабилност е от съществено значение за оптимизиране на процесния прозорец при лазерно заваряване.

1. Дефиниция и физически смисъл на дълбочината на фокусиране

Дълбочината на фокусиране (DOF) се отнася за оста по посоката на разпространение на лазера, в която големината на фокусирания петното остава в рамките на допустим диапазон на вариация. Обикновено се дефинира като разстоянието, при което диаметърът на петното се увеличи до определен кратен брой (например 1,2 или 1,5 пъти) от минималния диаметър на петното.

От оптична гледна точка, дълбочината на фокусиране се влиява основно от следните фактори:

Лазерна дължина на вълната

Фокусно разстояние на фокусиращия обектив

Качество на лъча (фактор M²)

Начален диаметър на лъча

По-голяма дълбочина на фокусиране води до по-постепенно разпределение на енергията по оста, докато по-малка дълбочина на фокусиране води до по-висока концентрация на енергията, но с по-голяма чувствителност към отклонения в позицията.

2. Основна концепция за устойчивостта на заваряването

Устойчивостта на заваряването обикновено се отнася за последователността на поведението на разтопената вана, подаването на енергия и формирането на заварния шев по време на процеса на заваряване. При устойчиви условия на заваряване ширината на заварката, дълбочината на проникване, поведението на пръските и състоянието на плазмата остават относително постоянни.

Ключови фактори, които влияят върху устойчивостта на заваряването, включват:

Лазерна мощност и колебания в мощността

Отклонение в позицията на фокуса

Фиксиране на заготовката и равнинност на повърхността

Скорост на заваряване

Условия за защитен газ

Сред тези фактори, малки отклонения в позицията на фокуса често се усилват чрез дълбочината на фокуса, което значително влияе на стабилността на заварката.

3. Механизми, чрез които дълбочината на фокуса влияе на стабилността на заварката
3.1 Дълбочина на фокуса и толеранция на позицията на фокуса

В практическия производствен процес вариациите във височината на заготовката, топлинната деформация и грешките при фиксиране са неизбежни. Когато дълбочината на фокуса е голяма, умерените отклонения в позицията на фокуса водят до относително малки промени в размера на петното и плътността на енергията, като по този начин остава стабилен разтопеният басейн.

Напротив, системите с малка дълбочина на фокуса са изключително чувствителни към промените в позицията на фокуса. Дори и най-малки отклонения могат да предизвикат значителни колебания в плътността на енергията, което води до непостоянна дълбочина на проникване, неравномерна ширина на заварката или дефекти като непълно сливане или пробиване.

3.2 Влияние на дълбочината на фокуса върху динамичната стабилност на разтопения басейн

Лазерен лъч с по-голяма дълбочина на фокуса има по-гладко разпределение на енергията по оста. В резултат на това разтопеният басейн реагира по-бавно на енергийни смущения, което помага за потискане на осцилациите на разтопения басейн и образуването на пръски.

Когато дълбочината на фокуса е малка, енергията е концентрирана в тесен регион, което води до стръмни температурни градиенти в разтопения басейн. Това увеличава изпарението на метала и колебанията на рекоилното налягане, което повишава вероятността от нестабилност на разтопения басейн, колебания на заваръчния валик и образуване на пръски.

3.3 Дълбочина на фокуса и устойчивост на процеса

В автоматизирани или високоскоростни приложения за лазерно заваряване толерантността към външни смущения е особено важна. По-голямата дълбочина на фокуса подобрява устойчивостта на процеса, като прави заварката по-малко чувствителна към допуски при сглобяване, термично деформиране и механични вибрации, което подобрява общата последователност на заварката.

4. Приложимост на дълбочината на фокуса при различни режими на заваряване
4.1 Режим на заваряване чрез топлопроводност

При заваряване в режим на проводимост при условия на ниска плътност на мощността, по-голяма дълбочина на фокуса допринася за по-равномерен топлинен вход и по-гладко формиране на повърхността на заварката. Тази конфигурация осигурява добра стабилност и е подходяща за заваряване на тънки листове и прецизни приложения.

4.2 Режим на заваряване с образуване на ключова дупка

Заваряването с образуване на ключова дупка разчита на висока плътност на мощността, за да се формира и поддържа стабилен парен капиляр. В този режим прекалено голяма дълбочина на фокуса може да намали пиковата плътност на енергията, което затруднява образуването на ключовата дупка, докато прекалено малка дълбочина на фокуса увеличава чувствителността към грешки в позицията на фокуса. Поради това е необходимо балансирано проектиране между плътността на енергията и толерантността на фокуса.

5. Инженерно значение на оптимизацията на дълбочината на фокуса

В практическия процес на проектиране дълбочината на фокуса не бива да се максимизира или минимизира безразборно. Вместо това тя трябва да бъде оптимизирана въз основа на типа материал, диапазона на дебелината, скоростта на заваряване и точността на системата. Чрез правилния избор на фокусно разстояние, контрол на качеството на лъча и съгласуване на параметрите за заваряване е възможно да се осигури достатъчна плътност на енергията, като същевременно се подобри стабилността и последователността на заварката.

Дълбочината на фокуса е ключов параметър, свързващ лазерните оптични характеристики със стабилността на процеса на заваряване. По-голяма дълбочина на фокуса повишава толерантността към отклонения в позицията на фокуса и външни смущения, което подобрява стабилността на заваряването. Обратно, по-малка дълбочина на фокуса позволява по-висока плътност на енергията, но задава по-строги изисквания към прецизността на системата. Постигането на правилен баланс между дълбочината на фокуса и концентрацията на енергията е от съществено значение за стабилно и висококачествено лазерно заваряване.