Analyse av forholdet mellom fokaldybde og sveisesikkerhet i lasersveising

I lasersveising blir laserstrålen fokusert av et optisk system på overflaten eller innvendig i arbeidsstykket, og danner en region med høy energitetthet. Fokalsyntelengden (DOF), som en nøkkelparameter som beskriver den romlige energifordelingen til laserstrålen, har direkte innvirkning på smeltebadets dannelse, energikoblingsatferd og helhetlig sveisesikkerhet. Å forstå forholdet mellom fokalsyntelengde og sveisesikkerhet er avgjørende for å optimere prosessvinduet for lasersveising.

1. Definisjon og fysisk betydning av fokalsyntelengde

Fokalsyntelengde (DOF) henviser til det aksiale området langs laserstråleretningen der den fokuserte flekkstørrelsen forblir innenfor et akseptabelt variasjonsområde. Den defineres vanligvis som avstanden hvor flekkdiameteren øker til et spesifisert multiplum (som 1,2 eller 1,5 ganger) av minimumsflekkdiameteren.

Fra et optisk perspektiv påvirkes fokussykkelsen hovedsakelig av følgende faktorer:

Laserbølgelengde

Brennvidde for fokuslinse

Strålekvalitet (M²-faktor)

Startstrålediameter

En større fokussykkelse resulterer i en mer gradvis aksial energifordeling, mens en mindre fokussykkelse fører til høyere energikonsentrasjon, men større følsomhet for posisjonsavvik.

2. Grunnleggende konsept for sveisesikkerhet

Sveisesikkerhet refererer generelt til konsistensen i oppførsel til smeltebad, energitilførsel og sømformasjon under sveiseprosessen. Under stabile sveisebetingelser forblir sveisebredden, trengeevnedypet, sprekkeoppførselen og plasma-tilstanden relativt konstante.

Nøkkelfaktorer som påvirker sveisesikkerhet inkluderer:

Laserkraft og kraftsvingninger

Avvik i fokusposisjon

Verkstykksfiksering og overflateplanhet

Sveisehastighet

Skjermgassforhold

Blant disse faktorer blir små avvikelser i fokuseposisjon ofte forsterket gjennom dybdefokuset, noe som betydelig påvirker sveisesikkerheten.

3. Mekanismer hvorpå dybdefokus påvirker sveisesikkerhet
3.1 Dybdefokus og toleranse for fokuseposisjon

I praktisk produksjon er variasjoner i verkstykshøyde, varmedeformasjon og fikseringsfeil uunngåelige. Når dybdefokus er stort, resulterer moderate avvikelser i fokuseposisjon i relativt små endringer i flekkstørrelse og energitetthet, noe som tillater at smeltepoelen forblir stabil.

Til forskjell, er systemer med lite dybdefokus svært følsomme for endringer i fokuseposisjon. Selv små avvikelser kan forårsake betydelige svingninger i energitetthet, noe som fører til inkonsekvent penetrasjonsdybde, uregelmessig sveisebredde, eller feil som manglende sveiseforbindelse eller brannhull.

3.2 Innvirkning av dybdefokus på dynamisk stabilitet i smeltepoelen

En laserstråle med større fokussyddebredde har en jevnere aksial energifordeling. Som et resultat reagerer smeltebadet langsommere på energiforstyrrelser, noe som bidrar til å undertrykke svingninger i smeltebadet og spatterdannelse.

Når fokussyddebredde er liten, er energien konsentrert i et smalt område, noe som skaper bratte temperaturgradienter i smeltebadet. Dette øker metallfordamping og fluktuasjoner i tilbaketrykk, og øker sannsynligheten for ustabilitet i smeltebadet, sveiseforbindelsesvariasjoner og spatteredannelse.

3.3 Fokussyddebredde og prosessrobusthet

I automatiserte eller høyhastighetssveising med laser er toleranse overfor eksterne forstyrrelser spesielt viktig. En større fokussyddebredde forbedrer prosessrobustheten, noe som gjør sveiseprosessen mindre følsom for monteringstoleranser, varmedeformasjon og mekanisk vibrasjon, og dermed forbedrer helhetlig sveisekonsistens.

4. Bruk av fokussyddebredde i ulike sveisemoder
4.1 Ledningssveising

Ved ledemodesveising under lav effekttetthetsbetingelser bidrar en større fokussynting til mer jevn varmeinntak og jevnere sveisesømoverflate. Denne konfigurasjonen gir god stabilitet og er egnet for sveising av tynne plater og presisjonsapplikasjoner.

4.2 Hulromssveising

Hulromssveising er avhengig av høy effekttetthet for å danne og opprettholde en stabil dampkapillær. I denne modusen kan en for stor fokussynting redusere maksimal energitetthet, noe som gjør det vanskeligere å danne hulrommet, mens en for liten fokussynting øker følsomheten for fokusposisjonsfeil. Derfor kreves en balansert utforming mellom energitetthet og fokustoleranse.

5. Ingeniørmessig betydning av optimalisering av fokussynting

I praktisk prosessteknisk design bør fokussykkelsen ikke maksimeres eller minimeres vilkårlig. I stedet må den optimaliseres basert på materialetype, tykkelsesområde, svekehastighet og systemnøyaktighet. Ved riktig valg av brennvidde, kontroll av strålekvalitet og tilpasning av svekeparametre, er det mulig å opprettholde tilstrekkelig energitetthet samtidig som svekestabilitet og konsistens forbedres.

Fokussykkelse er en kritisk parameter som knytter laserens optiske egenskaper til stabiliteten i svekeprosessen. En større fokussykkelse øker toleransen overfor avvik i fokusposisjon og eksterne forstyrrelser, og forbedrer dermed svekestabiliteten. Omvendt gir en mindre fokussykkelse høyere energitetthet, men stiller strengere krav til systemets presisjon. Å oppnå en riktig balanse mellom fokussykkelse og energikonsentrasjon er nødvendig for stabil og kvalitetsbevisst lasersveking.