Analyse van de relatie tussen brandpuntsdiepte en lasstabiliteit bij laserlassen

Bij laserlassen wordt de laserstraal door een optisch systeem gefocust op het oppervlak of in het interieur van het werkstuk, waarbij een gebied met hoge energiedichtheid ontstaat. De scherptediepte (DOF), als een belangrijke parameter die de ruimtelijke energieverdeling van de laserstraal beschrijft, heeft een directe invloed op de vorming van het smeltbad, het energiekoppelingsgedrag en de algehele lasstabiliteit. Het begrijpen van de relatie tussen scherptediepte en lasstabiliteit is essentieel voor het optimaliseren van het procesvenster bij laserlassen.

1. Definitie en fysische betekenis van scherptediepte

Scherptediepte (DOF) verwijst naar het axiale bereik langs de richting van laserpropagatie waarbinnen de gefocuste vlek grootte binnen een aanvaardbaar variatiebereik blijft. Het wordt meestal gedefinieerd als de afstand waarover de vlek diameter toeneemt tot een gespecificeerde veelvoud (zoals 1,2 of 1,5 keer) van de minimale vlek diameter.

Vanuit optisch oogpunt wordt de scherptediepte voornamelijk beïnvloed door de volgende factoren:

Laser Golflengte

Brandpuntsafstand van de focuslens

Stralingskwaliteit (M²-factor)

Initiale straaldiameter

Een grotere scherptediepte resulteert in een geleidelijkere axiale energieverdeling, terwijl een kleinere scherptediepte leidt tot een hogere energieconcentratie maar ook tot grotere gevoeligheid voor positionele afwijkingen.

2. Basisconcept van lasstabiliteit

Lasstabiliteit verwijst over het algemeen naar de consistentie van het gedrag van de smeltbad, de energietoevoer en de vorming van de laskaad tijdens het lasproces. Onder stabiele lasomstandigheden blijven lasbreedte, doordringingsdiepte, spattergedrag en plasmatoestand relatief constant.

Belangrijke factoren die invloed hebben op de lasstabiliteit zijn:

Laser vermogen en vermogensschommelingen

Afwijking van de brandpuntspositie

Werkstuk befixatie en oppervlakte vlakheid

Snelheid van Lassen

Afgeschermde gasomstandigheden

Onder deze factoren worden kleine afwijkingen in de focuspositie vaak versterkt door de scherptediepte, wat aanzienlijk van invloed is op de lasstabiliteit.

3. Mechanismen waardoor Scherptediepte de Lasstabiliteit Beïnvloedt
3.1 Scherptediepte en Tolerantie van Focuspositie

In praktische productie zijn variaties in werkstukhoogte, thermische vervorming en befixatieafwijkingen onvermijdelijk. Wanneer de scherptediepte groot is, resulteren matige afwijkingen in focuspositie in relatief kleine veranderingen in vlekformaat en energiedichtheid, waardoor het smeltbad stabiel blijft.

In tegenstelling, systemen met een kleine scherptediepte zijn zeer gevoelig voor veranderingen in de focuspositie. Zelfs kleine afwijkingen kunnen aanzienlijke fluctuaties veroorzaken in energiedichtheid, wat leidt tot inconsistente penetratiediepte, onregelmatige lasbreedte, of gebreken zoals onvolledige lasonderlinge verbinding of doorbranding.

3.2 Invloed van Scherptediepte op Dynamische Stabiliteit van het Smeltbad

Een laserstraal met een grotere scherptediepte vertoont een soepelere axiale energieverdeling. Als gevolg hiervan reageert het smeltbad trager op energiestoringen, wat helpt bij het onderdrukken van oscillaties van het smeltbad en de vorming van spatten.

Wanneer de scherptediepte klein is, wordt energie geconcentreerd in een smalle regio, waardoor steile temperatuurgradiënten in het smeltbad ontstaan. Dit versterkt metalen verdamping en fluctuaties in terugslagdruk, waardoor de kans op instabiliteit van het smeltbad, fluctuatie van de lasnaad en spattenproductie toeneemt.

3.3 Scherptediepte en procesrobustheid

In geautomatiseerde of laserslaskoppelingen met hoge snelheid is tolerantie voor externe storingen bijzonder belangrijk. Een grotere scherptediepte verbetert de procesrobustheid, waardoor het lassproces minder gevoelig wordt voor assemblagetoleranties, thermische vervorming en mechanische trillingen, en zo de algehele consistentie van het lassen verbetert.

4. Toepasbaarheid van scherptediepte in verschillende laskmodi
4.1 Geleidingslasmodus

Bij geleidingsmoduslassen onder lage vermogensdichtheidsomstandigheden draagt een grotere diepte van focus bij aan een uniformere warmtetoevoer en een soepelere lasoppervlaktevorming. Deze configuratie biedt een goede stabiliteit en is geschikt voor het lassen van dunne platen en precisietoepassingen.

4.2 Lasmodus met diepe inzinking (keyhole)

Keyhole-lassen is gebaseerd op hoge vermogensdichtheid om een stabiele dampkapillaire te vormen en in stand te houden. In deze modus kan een te grote diepte van focus de piekvermogensdichtheid verlagen, waardoor het vormen van de keyhole moeilijker wordt, terwijl een te kleine diepte van focus de gevoeligheid voor focuspositieafwijkingen verhoogt. Daarom is een evenwichtige afweging tussen vermogensdichtheid en focustolerantie vereist.

5. Technische betekenis van optimalisatie van diepte van focus

In praktisch procesontwerp moet de scherptediepte niet zonder onderscheid worden gemaximaliseerd of geminimaliseerd. In plaats daarvan moet deze worden geoptimaliseerd op basis van materiaalsoort, diktebereik, lasgeschwindigheid en systeemnauwkeurigheid. Door correcte keuze van de brandpuntsafstand, controle van de straalkwaliteit en aanpassing van de lasparameters, is het mogelijk om een voldoende energiedichtheid te behouden terwijl de lasstabiliteit en consistentie verbeteren.

De scherptediepte is een cruciale parameter die de laser-optische kenmerken verbindt met de stabiliteit van het lasproces. Een grotere scherptediepte verhoogt de tolerantie voor afwijkingen in de brandpuntspositie en externe storingen, waardoor de lasstabiliteit verbetert. Omgekeerd zorgt een kleinere scherptediepte voor een hogere energiedichtheid, maar stelt dit strengere eisen aan de systeemprecisie. Het bereiken van een juiste balans tussen scherptediepte en energieconcentratie is essentieel voor stabiele en hoogwaardige laserslassen.