رابطه تأثیر طول کانونی و ارتفاع نازل بر اثر برش

در فرآیندهای برش لیزری، طول کانونی و ارتفاع نازل دو پارامتر کلیدی فرآیند هستند که به‌هم‌پیوند شده‌اند. این دو پارامتر به‌طور مستقیم بر توزیع انرژی لیزر، پایداری حوضچه مذاب، عملکرد گاز کمکی و کیفیت نهایی برش تأثیر می‌گذارند. تطباق مناسب موقعیت کانونی و ارتفاع نازل شرط اساسی برای تضمین پایداری برش و کیفیت لبه برش است.

I. تعریف پایه و عملکرد طول کانونی

فاصله کانونی به فاصله بین عدسی فوکوس و محلی اطلاق می‌شود که پرتو لیزر پس از عبور از سیستم نوری، کوچکترین لکه خود را تشکیل می‌دهد. در فرآیندهای برش، موقعیت کانونی معمولاً نسبت به سطح قطعه کار به عنوان نقطه صفر در نظر گرفته می‌شود و می‌تواند به فوکوس مثبت، فوکوس صفر و فوکوس منفی تقسیم شود.

موقعیت کانونی توزیع چگالی انرژی لیزر روی سطح ماده یا درون ماده را تعیین می‌کند و به طور مستقیم بر موارد زیر تأثیر می‌گذارد:

توانایی ذوب اولیه

عمق و مورفولوژی حوضچه مذاب

عرض شیار برش و تAPER

اندازه منطقه تحت تأثیر حرارتی

انحراف بیش از حد موقعیت کانونی می‌تواند منجر به چگالی انرژی ناکافی یا نامنظم شود که باعث برش ناقص، چسبیدن سرباره یا سطوح برش ناهموار می‌گردد.

II. تعریف پایه و عملکرد ارتفاع نازل

ارتفاع نازل به فاصلهٔ عمودی بین نوک نازل و سطح قطعه کار اشاره دارد و معمولاً به‌صورت زنده توسط یک سیستم حسگر ارتفاع کنترل می‌شود. عملکرد اصلی ارتفاع نازل در شرایط جت گاز کمکی و پایداری جریان هوا در منطقه برش نهفته است.

یک ارتفاع نازل مناسب می‌تواند:

جریان گاز کمکی پایدار و متقارن محوری را تضمین کند

کارایی خارج‌کردن فلز مذاب را بهبود بخشد

بقایای سرباره در داخل شیار برش را کاهش دهد

تأثیر پاشش بر سیستم نوری را به حداقل برساند

اگر ارتفاع نازل بیش از حد باشد، جریان گاز پراکنده شده و توانایی خارج‌کردن سرباره کاهش می‌یابد. اگر ارتفاع نازل بیش از حد کم باشد، ممکن است باعث برخورد نازل، چسبیدن پاشش و آشفتگی جریان هوا شود.

III. رابطه جفت‌شده بین طول کانونی و ارتفاع نازل

طول کانونی و ارتفاع نازل پارامترهای مستقلی نیستند. در فرآیندهای برش واقعی، رابطه مشخصی از نوع جفت‌شدگی بین این دو وجود دارد.

تأثیر تغییرات موقعیت کانونی بر ارتفاع بهینه نازل

هنگامی که موقعیت کانونی به سمت پایین حرکت می‌کند (تمرکز منفی عمیق‌تر)، حوضچه مذاب عمیق‌تر به درون ماده نفوذ می‌کند. در این حالت، معمولاً باید ارتفاع نازل به‌طور مناسب کاهش یافته تا اثر مستقیم گاز کمکی بر فلز مذاب افزایش یابد.

تأثیر تغییر ارتفاع نازل بر بهره‌برداری از انرژی کانونی

تغییرات در ارتفاع نازل بر توزیع فشار گاز تأثیر می‌گذارند و به‌طور غیرمستقیم مورفولوژی حوضچه مذاب و ناحیه تعامل لیزر با ماده را تغییر می‌دهند، که این امر بر بهره‌برداری مؤثر از انرژی کانونی تأثیر دارد.

تأثیر تطبیق پارامتر‌ها بر پایداری برش

تطبیق نادرست طول کانونی و ارتفاع نازل به‌راحتی می‌تواند باعث ناپایداری حوضچه مذاب در حین برش شود، که ممکن است به صورت خط‌های دوره‌ای بر روی شیار برش، چسبندگی سرباره در پایین برش یا قطع برش ظاهر شود.

IV. ویژگی‌های تطبیق پارامتر‌ها تحت شرایط مختلف ماده
برش ورق نازک

معمولاً از فوکوس نزدیک به صفر یا کمی مثبت همراه با ارتفاع دهانه کوچک برای دستیابی به شیار باریک و سرعت برش بالا استفاده می‌شود.

برش ورق متوسط و ضخیم

برای برش از فوکوس منفی استفاده می‌شود، همراه با کاهش نسبی ارتفاع دهانه به منظور افزایش عمق حوضچه مذاب و توانایی حذف سرباره توسط گاز کمکی.

برش مواد با قابلیت انعکاس بالا

نیاز به کنترل دقیق موقعیت فوکوس است در حالی که ارتفاع دهانه پایدار حفظ می‌شود تا از نوسانات انرژی جلوگیری شود و خطر بازتاب معکوس کاهش یابد.

۵. عیوب رایج برش و ارتباط آن با پارامترها

برش ناقص: فوکوس بیش از حد بالا یا ارتفاع دهانه بیش از حد زیاد

چسبندگی سرباره در پایین: فوکوس منفی ناکافی یا ارتفاع دهانه بیش از حد زیاد

عرض شیار بیش از حد زیاد: فوکوس بیش از حد مثبت یا ارتفاع دهانه بیش از حد کم

سطح برش زبر: تطابق نادرست طول فوکوس و ارتفاع دهانه که منجر به برهمکنش ناپایدار بین جریان گاز و حوضچه مذاب می‌شود

VI. توصیه‌های بهینه‌سازی فرآیند

تنظیم طول کانونی باید عمدتاً بر اساس ضخامت ماده تعیین شود

ارتفاع نازل باید تا حد امکان نزدیک به قطعه کار نگه داشته شود، در حالی که ایمنی عملیات تضمین شده باشد

در حین تنظیم پارامترها، طول کانونی و ارتفاع نازل باید همزمان و نه به صورت مستقل تنظیم شوند

برای مشاهده شکل شیار برش و کیفیت سطح برش، باید از برش آزمایشی استفاده کرد تا ترکیب بهینه پارامترها به تدریج تعیین گردد

طول کانونی و ارتفاع نازل پارامترهای کلیدی در برش لیزری هستند که به‌صورت متقابل بر یکدیگر اثر گذاشته و محدودیت ایجاد می‌کنند. تطبیق مناسب این دو پارامتر به‌طور مستقیم بر روی راندمان مصرف انرژی لیزری، پایداری حوضچه مذاب و کیفیت برش تأثیر دارد. در کاربردهای عملی، باید طول کانونی و ارتفاع نازل به‌صورت سیستماتیک بر اساس نوع ماده، ضخامت و اهداف فرآیندی تنظیم شوند تا نتایج برشی پایدار و قابل تکرار حاصل گردد.