تحلیل رابطه بین عمق فوکوس و پایداری جوشکاری در جوشکاری لیزری

در جوشکاری لیزری، پرتو لیزر توسط یک سیستم نوری روی سطح یا داخل قطعه کار متمرکز می‌شود و ناحیه‌ای با چگالی انرژی بالا ایجاد می‌کند. عمق فوکوس (DOF)، به عنوان یک پارامتر کلیدی که توزیع انرژی فضایی پرتو لیزر را توصیف می‌کند، تأثیر مستقیمی بر تشکیل حوضچه مذاب، رفتار جفت‌سازی انرژی و پایداری کلی فرآیند جوشکاری دارد. درک رابطه بین عمق فوکوس و پایداری جوشکاری برای بهینه‌سازی پنجره فرآیند جوشکاری لیزری ضروری است.

1. تعریف و معنای فیزیکی عمق فوکوس

عمق فوکوس (DOF) به محدوده محوری در راستای انتشار لیزر گفته می‌شود که در آن اندازه لکه متمرکز شده در محدوده تغییرات قابل قبولی باقی می‌ماند. این پارامتر معمولاً به عنوان فاصله‌ای تعریف می‌شود که در آن قطر لکه به مقدار مشخصی (مانند 1.2 یا 1.5 برابر) از قطر حداقل لکه افزایش می‌یابد.

از دیدگاه نوری، عمق کانون‌گیری عمدتاً تحت تأثیر عوامل زیر قرار دارد:

طول موج لیزر

طول کانونی لنز فوکوس

کیفیت پرتو (عامل M²)

قطر اولیه پرتو

عمق بیشتر کانون‌گیری منجر به توزیع محوری انرژی ملایم‌تری می‌شود، در حالی که عمق کانون‌گیری کمتر باعث تمرکز بالاتر انرژی اما حساسیت بیشتر به انحرافات موقعیتی می‌گردد.

2. مفهوم پایه‌ای پایداری جوشکاری

پایداری جوشکاری عموماً به معنای ثبات رفتار حوضچه مذاب، ورودی انرژی و شکل‌گیری برش جوش در طول فرآیند جوشکاری است. در شرایط جوشکاری پایدار، عرض جوش، عمق نفوذ، رفتار پاشش و وضعیت پلاسما نسبتاً ثابت باقی می‌مانند.

عوامل کلیدی مؤثر بر پایداری جوشکاری شامل:

توان لیزر و نوسانات توان

انحراف موقعیت فوکوس

ثابت‌کردن قطعه کار و تخت‌بودن سطح

سرعت جوش

شرایط گاز محافظ

در میان این عوامل، انحرافات کوچک در موقعیت فوکوس اغلب از طریق عمق میدان تقویت می‌شوند و به‌طور قابل توجهی بر پایداری جوشکاری تأثیر می‌گذارند.

3. مکانیزم‌هایی که با آن‌ها عمق میدان بر پایداری جوشکاری تأثیر می‌گذارد
3.1 عمق میدان و تحمل موقعیت فوکوس

در تولید عملی، تغییرات در ارتفاع قطعه کار، تغییر شکل ناشی از حرارت و خطاهای در ثابت‌کردن اجتناب‌ناپذیر هستند. هنگامی که عمق میدان بزرگ باشد، انحرافات معقول در موقعیت فوکوس منجر به تغییرات نسبتاً کمی در اندازه لکه و چگالی انرژی می‌شوند و اجازه می‌دهند حوضچه مذاب پایدار باقی بماند.

در مقابل، سیستم‌هایی با عمق میدان کوچک بسیار حساس به تغییرات موقعیت فوکوس هستند. حتی انحرافات جزئی نیز می‌توانند باعث نوسانات قابل توجهی در چگالی انرژی شوند و منجر به عمق نفوذ ناهمگن، عرض جوش نامنظم یا عیوبی مانند عدم ادغام یا سوراخ‌شدگی شوند.

3.2 تأثیر عمق میدان بر پایداری دینامیکی حوضچه مذاب

پرتو لیزری با عمق بیشتری از فوکوس، توزیع انرژی محوری هموارتری را نشان می‌دهد. در نتیجه، حوضچه مذاب به تغییرات انرژی به آهستی‌تر پاسخ می‌دهد، که به سرکوب نوسانات حوضچه مذاب و تشکیل پاشش کمک می‌کند.

هنگامی که عمق فوکوس کوچک است، انرژی در یک ناحیه باریک متمرکز می‌شود و گرادیان‌های دمای ترشدی درون حوضچه مذاب ایجاد می‌کند. این امر تبخیر فلز و نوسانات فشار پسازنده را افزایش می‌دهد و احتمال ناپایداری حوضچه مذاب، نوسان نوار جوش و تولید پاشش را بالا می‌برد.

3.3 عمق فوکوس و استحکام فرآیند

در کاربردهای جوشکاری لیزری خودکار یا با سرعت بالا، تحمل در برابر آشفتگی‌های خارجی به‌ویژه مهم است. عمق فوکوس بزرگ‌تر استحکام فرآیند را بهبود می‌بخشد و فرآیند جوشکاری کمتر حساس به تحمل مونتاژ، اعوجاج حرارتی و ارتعاش مکانیکی می‌شود، که در نتیجه سازگاری کلی جوشکاری را افزایش می‌دهد.

4. کاربرد عمق فوکوس در حالت‌های جوشکاری مختلف
4.1 حالت جوشکاری هدایتی

در جوشکاری حالت هدایت تحت شرایط تراکم توان پایین، عمق بیشتر فوکوس منجر به ورودی گرمای یکنواخت‌تر و تشکیل سطح جوش صاف‌تر می‌شود. این پیکربندی ثبات خوبی دارد و برای جوشکاری ورق‌های نازک و کاربردهای دقیق مناسب است.

4.2 حالت جوشکاری سوراخ کلیدی

جوشکاری سوراخ کلیدی به تراکم توان بالا متکی است تا یک مویرگ بخار پایدار را تشکیل دهد و حفظ کند. در این حالت، عمق بیش از حد زیاد فوکوس ممکن است تراکم انرژی اوج را کاهش دهد و تشکیل سوراخ کلیدی را دشوارتر کند، در حالی که عمق فوکوس بیش از حد کوچک، حساسیت به خطاهای موقعیت فوکوس را افزایش می‌دهد. بنابراین، طراحی متعادلی بین تراکم انرژی و تحمل فوکوس مورد نیاز است.

5. اهمیت مهندسی بهینه‌سازی عمق فوکوس

در طراحی فرآیند عملی، عمق فوکوس نباید به طور غیرمنتخب ماکسیمم یا مینیمم شود. بلکه باید بر اساس نوع ماده، محدوده ضخامت، سرعت جوشکاری و دقت سیستم بهینه‌سازی شود. با انتخاب مناسب طول فوکوس، کنترل کیفیت پرتو و تطبیق پارامتر‌های جوشکاری، امکان حفظ چگالی انرژی کافی همراه با بهبود پایداری و سازگاری جوشکاری فراهم می‌شود.

عمق فوکوس پارامتری حیاتی است که ویژگی‌های نوری لیزر را به پایداری فرآیند جوشکاری پیوند می‌دهد. عمق فوکوس بزرگ‌تر موجب افزایش تحمل در برابر انحرفت موقعیت فوکوس و آشفتگی‌های خارجی شده، و در نتیجه پایداری جوشکاری را بهبود می‌بخشد. در مقابل، عمق فوکوس کوچک‌تر اجازه می‌دهد تا چگالی انرژی بالاتری داشته باشیم، اما الزامات سخت‌تری را بر دقت سیستم تحمیل می‌کند. دستیابی به تعادل مناسب بین عمق فوکوس و تمرکز انرژی برای جوشکاری لیزری پایدار و با کیفیت بالا ضروری است.