Analisis Hubungan antara Kedalaman Fokus dan Stabilitas Pengelasan dalam Pengelasan Laser

Dalam pengelasan laser, berkas laser difokuskan oleh sistem optik ke permukaan atau bagian dalam benda kerja, membentuk wilayah dengan kepadatan energi tinggi. Kedalaman fokus (DOF), sebagai parameter kunci yang menggambarkan distribusi energi spasial berkas laser, memiliki pengaruh langsung terhadap pembentukan kolam lebur, perilaku kopling energi, dan stabilitas pengelasan secara keseluruhan. Memahami hubungan antara kedalaman fokus dan stabilitas pengelasan sangat penting untuk mengoptimalkan jendela proses pengelasan laser.

1. Definisi dan Makna Fisis Kedalaman Fokus

Kedalaman fokus (DOF) merujuk pada rentang aksial sepanjang arah perambatan laser di mana ukuran titik fokus tetap berada dalam batas variasi yang dapat diterima. Biasanya didefinisikan sebagai jarak di mana diameter titik meningkat hingga kelipatan tertentu (seperti 1,2 atau 1,5 kali) dari diameter titik minimum.

Dari sudut pandang optik, kedalaman fokus terutama dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut:

Panjang Gelombang Laser

Panjang fokus lensa pemfokus

Kualitas berkas (faktor M²)

Diameter berkas awal

Kedalaman fokus yang lebih besar menghasilkan distribusi energi aksial yang lebih bertahap, sedangkan kedalaman fokus yang lebih kecil menghasilkan konsentrasi energi yang lebih tinggi tetapi lebih sensitif terhadap penyimpangan posisi.

2. Konsep Dasar Stabilitas Pengelasan

Stabilitas pengelasan umumnya mengacu pada konsistensi perilaku kolam cair, masukan energi, dan pembentukan jalur las selama proses pengelasan. Dalam kondisi pengelasan yang stabil, lebar las, kedalaman penetrasi, perilaku percikan, dan keadaan plasma tetap relatif konstan.

Faktor-faktor utama yang memengaruhi stabilitas pengelasan meliputi:

Daya laser dan fluktuasi daya

Penyimpangan posisi fokus

Pemasangan benda kerja dan ke dataran permukaan

Kecepatan Pengelasan

Kondisi gas pelindung

Diantara faktor-faktor ini, penyimpangan kecil pada posisi fokus sering diperbesar melalui kedalaman fokus, yang secara signifikan memengaruhi stabilitas pengelasan.

3. Mekanisme Pengaruh Kedalaman Fokus terhadap Stabilitas Pengelasan
3.1 Kedalaman Fokus dan Toleransi Posisi Fokus

Dalam produksi praktis, variasi ketinggian benda kerja, deformasi termal, dan kesalahan pemasangan tidak dapat dihindari. Ketika kedalaman fokus besar, penyimpangan posisi fokus yang sedang menghasilkan perubahan ukuran titik dan kerapatan energi yang relatif kecil, sehingga memungkinkan kolam cair tetap stabil.

Sebaliknya, sistem dengan kedalaman fokus kecil sangat sensitif terhadap perubahan posisi fokus. Bahkan penyimpangan kecil sekalipun dapat menyebabkan fluktuasi besar dalam kerapatan energi, mengakibatkan kedalaman penetrasi yang tidak konsisten, lebar lasan yang tidak beraturan, atau cacat seperti tidak melebur dengan sempurna atau tembus bakar.

3.2 Pengaruh Kedalaman Fokus terhadap Stabilitas Dinamis Kolam Cair

Sinar laser dengan kedalaman fokus yang lebih besar menunjukkan distribusi energi aksial yang lebih halus. Akibatnya, kolam lebur bereaksi lebih lambat terhadap gangguan energi, yang membantu menekan osilasi kolam lebur dan pembentukan percikan.

Ketika kedalaman fokus kecil, energi terkonsentrasi pada wilayah sempit, menghasilkan gradien suhu yang curam di dalam kolam lebur. Hal ini meningkatkan penguapan logam dan fluktuasi tekanan recoil, sehingga meningkatkan kemungkinan ketidakstabilan kolam lebur, fluktuasi butiran las, dan pembentukan percikan.

3.3 Kedalaman Fokus dan Ketangguhan Proses

Dalam aplikasi pengelasan laser otomatis atau berkecepatan tinggi, toleransi terhadap gangguan eksternal sangat penting. Kedalaman fokus yang lebih besar meningkatkan ketangguhan proses, membuat proses pengelasan kurang sensitif terhadap toleransi perakitan, distorsi termal, dan getaran mekanis, sehingga meningkatkan konsistensi pengelasan secara keseluruhan.

4. Penerapan Kedalaman Fokus pada Mode Pengelasan yang Berbeda
4.1 Mode Pengelasan Konduksi

Dalam pengelasan mode konduksi di bawah kondisi kerapatan daya rendah, kedalaman fokus yang lebih besar berkontribusi pada masukan panas yang lebih seragam dan pembentukan permukaan lasan yang lebih halus. Konfigurasi ini menawarkan stabilitas yang baik dan cocok untuk pengelasan lembaran tipis serta aplikasi presisi.

4.2 Mode Pengelasan Lubang Kunci (Keyhole Welding)

Pengelasan lubang kunci mengandalkan kerapatan daya tinggi untuk membentuk dan mempertahankan kapiler uap yang stabil. Dalam mode ini, kedalaman fokus yang terlalu besar dapat mengurangi kerapatan energi puncak, sehingga menyulitkan pembentukan lubang kunci, sedangkan kedalaman fokus yang terlalu kecil meningkatkan sensitivitas terhadap kesalahan posisi fokus. Oleh karena itu, diperlukan desain yang seimbang antara kerapatan energi dan toleransi fokus.

5. Signifikansi Teknis dari Optimalisasi Kedalaman Fokus

Dalam desain proses praktis, kedalaman fokus tidak boleh dimaksimalkan atau diminimalkan secara sewenang-wenang. Sebaliknya, harus dioptimalkan berdasarkan jenis material, kisaran ketebalan, kecepatan pengelasan, dan akurasi sistem. Dengan memilih panjang fokus yang tepat, mengendalikan kualitas berkas, serta menyesuaikan parameter pengelasan, dimungkinkan untuk mempertahankan kerapatan energi yang cukup sambil meningkatkan stabilitas dan konsistensi pengelasan.

Kedalaman fokus merupakan parameter kritis yang menghubungkan karakteristik optik laser dengan stabilitas proses pengelasan. Kedalaman fokus yang lebih besar meningkatkan toleransi terhadap penyimpangan posisi fokus dan gangguan eksternal, sehingga meningkatkan stabilitas pengelasan. Sebaliknya, kedalaman fokus yang lebih kecil memungkinkan kerapatan energi yang lebih tinggi namun menuntut ketelitian sistem yang lebih ketat. Mencapai keseimbangan yang tepat antara kedalaman fokus dan konsentrasi energi sangat penting untuk pengelasan laser yang stabil dan berkualitas tinggi.