A fókuszális mélység és a lézeres hegesztés stabilitása közötti kapcsolat elemzése

Lézeres hegesztés során az optikai rendszer a lézersugarat a munkadarab felületére vagy belsejébe fókuszálja, létrehozva egy nagy energiasűrűségű tartományt. A mélységélesség (DOF), mint a lézersugár térbeli energiaeloszlását leíró kulcsparaméter, közvetlen hatással van a olvadási medence kialakulására, az energia csatolási viselkedésére és az egész hegesztési folyamat stabilitására. A mélységélesség és a hegesztési stabilitás közötti kapcsolat megértése alapvető fontosságú a lézeres hegesztési folyamatablak optimalizálásához.

1. A mélységélesség definíciója és fizikai jelentése

A mélységélesség (DOF) azon tengelyirányú tartományt jelenti a lézersugár terjedési irányában, amelyen belül a fókuszált foltméret az elfogadható változási határon belül marad. Általában azt a távolságot értjük alatta, amelyen belül a folt átmérője a minimális foltátmérő meghatározott többszöre (például 1,2 vagy 1,5-szere) növekszik.

Optikai szempontból, a fókuszális mélység főleg a következő tényezőktől függ:

Laser hullámhossz

A fókuszáló lencse fókusztávolsága

Sugárminőség (M² tényező)

Kezdeti nyalábsugár

A nagyobb fókuszális mélység fokozatosabb tengelyirányú energiaeloszlást eredményez, míg a kisebb fókuszális mélység magasabb energia-koncentrációt, de nagyobb pozícióból való eltérésre való érzékenységet okoz.

2. Hegesztési stabilitás alapfogalma

A hegesztési stabilitás általában a olvadási tó viselkedésének, az energia-bevitelnek és a hegesztési varrat kialakulásának konzisztenciáját jelenti a hegesztési folyamat során. Stabil hegesztési körülmények között a hegesztési varrat szélessége, behatolási mélysége, fröccsenésviselkedés és plazmaállapot viszonylag állandó marad.

A hegesztési stabilitást befolyásoló kulcsfontosságú tényezők:

Lézer teljesítmény és teljesítmény-ingadozás

Fókuszpont eltérés

Munkadarab rögzítése és felületi síkosság

Hegesztési sebesség

Védőgáz körülmények

Ezek közül a tényezők közül a fókuszpozíció kis eltérései gyakran erősödnek a fókuszmélység mélységén keresztül, jelentősen befolyásolva az ívásvetés stabilitását.

3. A fókuszmélység hatásának mechanizmusa az ívásvetés stabilitására
3.1 Fókuszmélység és fókuszpozíció-tűrés

A gyakorlati gyártás során a munkadarab magasságának változása, hő okozta deformáció és rögzítési hibák elkerülhetetlenek. Amikor a fókuszmélység nagy, a mérsékelt fókuszpozíció-eltérések viszonylag kis változást okoznak a foltméretben és az energiasűrűségben, lehetővé téve, hogy az olvadékmedence stabil maradjon.

Ezzel szemben a kis fókuszmélységű rendszerek nagyon érzékenyek a fókuszpozíció változásaira. Már a csekély eltérések is jelentős ingadozást okozhatnak az energiasűrűségben, ami következetlen behatolási mélységhez, szabálytalan hegesztési szélességhez vagy hiányos összeolvadáshoz, illetve átégetéshez vezethet.

3.2 A fókuszmélység hatása az olvadékmedence dinamikus stabilitására

Egy nagyobb fókuszális mélységű lézernyaláb simább axiális energiameloszlást mutat. Ennek eredményeképpen az olvadt medence lassabban reagál az energiaingadozásokra, ami hozzájárul az olvadt medence rezgéseinek és a fröcskölés kialakulásának csökkentéséhez.

Amikor a fókuszális mélység kicsi, az energia egy keskeny régióban koncentrálódik, így meredek hőmérsékleti gradienseket hoz létre az olvadt medencében. Ez fokozza a fém elpárolgását és a visszalökődési nyomás ingadozásait, növelve az olvadt medence instabilitásának, a hegesztési varrat ingadozásának és a fröccsenések képződésének valószínűségét.

3.3 Fókuszális mélység és folyamatstabilitás

Automatizált vagy nagysebességű lézerhegesztési alkalmazásokban különösen fontos a külső zavarokkal szembeni tűrés. A nagyobb fókuszális mélység javítja a folyamatstabilitást, kevésbé érzékennyé téve a hegesztési folyamatot az illesztési tűrésekkel, hő okozta torzulásokkal és mechanikai rezgésekkel szemben, így növeli a hegesztés egészének konzisztenciáját.

5. A fókuszális mélység alkalmazhatósága különböző hegesztési módokban
6.1 Hővezetéses hegesztési mód

A vezetési módú hegesztés alacsony teljesítménysűrűségű körülmények között nagyobb fókuszálási mélységet igényel, ami egyenletesebb hőbevitelhez és simább hegesztési felület kialakulásához vezet. Ez a beállítás jó stabilitást nyújt, és alkalmas vékonylemez-hegesztésre és precíziós alkalmazásokra.

4.2 Furat (keyhole) hegesztési mód

A furat (keyhole) hegesztés magas teljesítménysűrűségre támaszkodik, hogy kialakuljon és fenntartódjon egy stabil gőzfolyadékcsatorna. Ebben a módban egy túlságosan nagy fókuszmélység csökkentheti a maximális energiasűrűséget, nehezebbé téve a furat kialakulását, míg egy túlságosan kicsi fókuszmélység növeli az érzékenységet a fókuszpozíció hibáira. Ezért szükséges az energiasűrűség és a fókusz-tűrés közötti egyensúlyos tervezés.

5. A fókuszálási mélység optimalizálásának mérnöki jelentősége

A gyakorlati folyamatkialakítás során a fókuszálási mélységet nem szabad korlátlanul maximalizálni vagy minimalizálni. Ehelyett az anyag típusától, vastagságtartományától, hegesztési sebességtől és a rendszer pontosságától függően kell optimalizálni. Megfelelő fókusztávolság kiválasztásával, a nyalábminőség szabályozásával és a hegesztési paraméterek összehangolásával lehetséges elegendő energia-sűrűséget biztosítani, miközben javul a hegesztés stabilitása és ismételhetősége.

A fókuszálási mélység kritikus paraméter, amely összeköti a lézer optikai jellemzőit a hegesztési folyamat stabilitásával. A nagyobb fókuszálási mélység növeli a fókuszpozíció eltéréseivel és külső zavarokkal szembeni tűrést, ezáltal javítja a hegesztés stabilitását. Ezzel szemben a kisebb fókuszálási mélység magasabb energia-sűrűséget tesz lehetővé, de szigorúbb követelményeket támaszt a rendszer pontosságával szemben. A fókuszálási mélység és az energiaszint koncentrációja közötti megfelelő egyensúly kialakítása elengedhetetlen a stabil és minőségi lézerhegesztés érdekében.