Laserkeevitamise fookuskauguse ja keevitusstabiilsuse suhte analüüs

Laserkeevitamisel fokuseeritakse laserkiir optilise süsteemi abil töödeldava detaili pinnale või sisemusele, moodustades suure energiatihedusega piirkonna. Teravustamissügavus (DOF) kui laserkiire ruumilist energiajaotust kirjeldav põhiparameeter mõjutab otseselt sulavanni moodustumist, energia sidestuskäitumist ja üldist keevituse stabiilsust. Teravustamissügavuse ja keevituse stabiilsuse vahelise seose mõistmine on laserkeevitusprotsessi akna optimeerimiseks oluline.

1. Teravustamissügavuse definitsioon ja füüsiline tähendus

Teravustamissügavus (DOF) viitab laserkiire levimissuunas kulgevale aksiaalvahemikule, mille piires fokuseeritud täpi suurus jääb vastuvõetavasse varieerumisvahemikku. Tavaliselt defineeritakse seda kui kaugust, mille ulatuses täpi läbimõõt suureneb minimaalse täpi läbimõõdu kindlaksmääratud kordseks (näiteks 1,2 või 1,5 korda).

Optilisest vaatenurgast mõjutavad teravussügavust peamiselt järgmised tegurid:

Laseri lainepikkus

Teravustamisläätse fookuskaugus

Kiire kvaliteet (M² tegur)

Esialgne tala läbimõõt

Suurem teravussügavus annab tulemuseks järkjärgulisema aksiaalse energiajaotuse, samas kui väiksem teravussügavus viib suurema energiakontsentratsioonini, kuid suurema tundlikkuseni positsiooniliste kõrvalekallete suhtes.

2. Keevitusstabiilsuse põhikontseptsioon

Keevitusstabiilsus viitab üldiselt sulavanni käitumise, energiatarbimise ja keevisõmbluse moodustumise järjepidevusele keevitusprotsessi ajal. Stabiilsete keevitustingimuste korral jäävad keevisõmbluse laius, läbitungimissügavus, pritsmete käitumine ja plasma olek suhteliselt konstantseks.

Keevitusstabiilsust mõjutavad peamised tegurid on järgmised:

Laseri võimsus ja võimsuse kõikumised

Fookuse asukoha hälve

Tooriku kinnitus ja pinna tasasus

Keevituskiirus

Kaitsegaasi tingimused

Nende tegurite hulgas võimenduvad fookusasendi väikesed kõrvalekalded sageli fookussügavuse kaudu, mõjutades oluliselt keevituse stabiilsust.

3. Mehhanismid, mille abil fookussügavus mõjutab keevituse stabiilsust
3.1 Teravustamissügavus ja teravustamisasendi tolerants

Praktilises tootmises on tooriku kõrguse, termilise deformatsiooni ja kinnitusvigade kõikumised vältimatud. Kui fookussügavus on suur, põhjustavad mõõdukad fookusasendi kõrvalekalded laigu suuruse ja energiatiheduse suhteliselt väikeseid muutusi, mis võimaldab sulavannil stabiilsena püsida.

Seevastu on väikese teravussügavusega süsteemid teravusasendi muutuste suhtes väga tundlikud. Isegi väikesed kõrvalekalded võivad põhjustada olulisi energiatiheduse kõikumisi, mis omakorda viib ebaühtlase läbitungimissügavuse, ebaühtlase keevisõmbluse laiuse või defektideni, näiteks sulamise puudumise või läbipõlemiseni.

3.2 Fookuse sügavuse mõju sulabasseini dünaamilisele stabiilsusele

Suurema fookussügavusega laserkiir näitab sujuvamat aksiaalset energiajaotust. Selle tulemusena reageerib sulavann energiahäiretele aeglasemalt, mis aitab summutada sulavanni võnkumisi ja pritsmete teket.

Kui fookussügavus on väike, koondub energia kitsasse piirkonda, tekitades sulavannis järske temperatuurigradiente. See suurendab metalli aurustumist ja tagasilöögirõhu kõikumisi, suurendades sulavanni ebastabiilsuse, keevisõmbluse kõikumise ja pritsmete tekkimise tõenäosust.

3.3 Fookuse sügavus ja protsessi vastupidavus

Automatiseeritud või kiirete laserkeevitusrakenduste puhul on väliste häiringute taluvus eriti oluline. Suurem teravustamissügavus parandab protsessi vastupidavust, muutes keevitusprotsessi vähem tundlikuks montaažitolerantside, termilise moonutuse ja mehaanilise vibratsiooni suhtes, parandades seeläbi keevituse üldist järjepidevust.

4. Teravustamissügavuse rakendatavus erinevates keevitusrežiimides
4.1 Juhtimiskeevitusrežiim

Juhtivusrežiimis keevitamisel madala võimsustiheduse tingimustes aitab suurem fookussügavus kaasa ühtlasemale soojusülekandele ja sujuvama keevisõmbluse pinna moodustumisele. See konfiguratsioon pakub head stabiilsust ja sobib õhukese lehtmetalli keevitamiseks ja täppisrakendusteks.

4.2 Võtmeaugu keevitusrežiim

Võtmeaugu keevitamine tugineb stabiilse aurukapillaari moodustamiseks ja säilitamiseks suurele võimsustihedusele. Selles režiimis võib liiga suur fookussügavus vähendada tippenergiatihedust, muutes võtmeaugu moodustamise raskemaks, samas kui liiga väike fookussügavus suurendab tundlikkust fookusasendi vigade suhtes. Seetõttu on vaja tasakaalustatud disaini energiatiheduse ja fookusetolerantsi vahel.

5. Teravustamissügavuse optimeerimise tehniline tähtsus

Praktilises protsessi kavandamises ei tohiks teravussügavust valimatult maksimeerida ega minimeerida. Selle asemel tuleb seda optimeerida materjali tüübi, paksuse vahemiku, keevituskiiruse ja süsteemi täpsuse põhjal. Fookuskauguse õige valiku, kiire kvaliteedi juhtimise ja keevitusparameetrite sobitamise abil on võimalik säilitada piisav energiatihedus, parandades samal ajal keevituse stabiilsust ja järjepidevust.

Teravustamissügavus on kriitiline parameeter, mis seob laseri optilised omadused keevitusprotsessi stabiilsusega. Suurem teravustamissügavus suurendab taluvust teravustamisasendi kõrvalekallete ja väliste häirete suhtes, parandades seeläbi keevituse stabiilsust. Seevastu väiksem teravustamissügavus võimaldab suuremat energiatihedust, kuid seab süsteemi täpsusele rangemad nõuded. Stabiilse ja kvaliteetse laserkeevituse jaoks on oluline saavutada õige tasakaal teravustamissügavuse ja energia kontsentratsiooni vahel.