Analiza relației dintre adâncimea focală și stabilitatea sudurii în sudarea cu laser

În sudarea cu laser, fasciculul laser este focalizat printr-un sistem optic pe suprafața sau interiorul piesei de prelucrat, formând o zonă cu densitate mare de energie. Adâncimea de focalizare (DOF), fiind un parametru cheie care descrie distribuția spațială a energiei fasciculului laser, are o influență directă asupra formării băii de topit, comportamentului de cuplare a energiei și stabilității generale a sudării. Înțelegerea relației dintre adâncimea de focalizare și stabilitatea sudării este esențială pentru optimizarea ferestrei procesului de sudare cu laser.

1. Definiția și semnificația fizică a adâncimii de focalizare

Adâncimea de focalizare (DOF) se referă la domeniul axial de-a lungul direcției de propagare a laserului în care dimensiunea petei focalizate rămâne într-un interval acceptabil de variație. Este definită în mod obișnuit ca distanța pe care diametrul petei crește la un multiplu specificat (de exemplu 1,2 sau 1,5 ori) din diametrul minim al petei.

Din punct de vedere optic, adâncimea de focalizare este influențată în principal de următorii factori:

Lungimea de undă a laserului

Lungimea focală a lentilei de focalizare

Calitatea fasciculului (factorul M²)

Diametrul inițial al fasciculului

O adâncime mai mare de focalizare duce la o distribuție axială a energiei mai treptată, în timp ce o adâncime mai mică de focalizare determină o concentrare mai ridicată a energiei, dar o sensibilitate mai mare la abaterile de poziție.

2. Conceptul de bază al stabilității sudării

Stabilitatea sudării se referă în mod obișnuit la consistența comportamentului băii de topită, a intrării de energie și a formării cordoanelor de sudură în timpul procesului de sudare. În condiții stabile de sudare, lățimea sudurii, adâncimea de pătrundere, comportamentul împroșcării și starea plasmă rămân relativ constante.

Factorii cheie care influențează stabilitatea sudării includ:

Puterea laserului și fluctuațiile de putere

Abaterea poziției de focalizare

Fixarea piesei de lucru și netedimea suprafeței

Viteza de sudare

Condiții de gaz de protecție

Dintre acești factori, mici abateri ale poziției de focalizare sunt adesea amplificate prin adâncimea de foc, afectând în mod semnificativ stabilitatea sudării.

3. Mecanisme prin care adâncimea de foc influențează stabilitatea sudării
3.1 Adâncimea de foc și toleranța poziției de focalizare

În producția practică, variațiile înălțimii piesei de prelucrat, deformările termice și erorile de fixare sunt inerente. Atunci când adâncimea de foc este mare, abaterile moderate ale poziției de focalizare determină schimbări relativ mici ale dimensiunii spotului și ale densității energetice, permițând băii de topire să rămână stabilă.

În schimb, sistemele cu o adâncime de foc mică sunt foarte sensibile la modificările poziției de focalizare. Chiar și mici abateri pot provoca fluctuații semnificative ale densității energetice, ducând la adâncimi de pătrundere neuniforme, lățimi neregulate ale cusăturii sau defecte precum lipirea necorespunzătoare sau arderea prin.

3.2 Influenta adâncimii de foc asupra stabilității dinamice a băii de topire

Un fascicul laser cu o adâncime de focalizare mai mare prezintă o distribuție axială a energiei mai uniformă. Ca urmare, baia topită răspunde mai lent la perturbările energetice, ceea ce ajută la suprimarea oscilațiilor băii topite și formarea stropilor.

Când adâncimea de focalizare este mică, energia este concentrată într-o zonă îngustă, generând gradienți de temperatură mari în interiorul băii topite. Acest lucru amplifică vaporizarea metalului și fluctuațiile presiunii de recul, crescând probabilitatea instabilității băii topite, fluctuațiile cordoanelor de sudură și apariția stropilor.

3.3 Adâncimea de focalizare și robustețea procesului

În aplicațiile de sudură laser automată sau la viteză mare, toleranța față de perturbările externe este deosebit de importantă. O adâncime de focalizare mai mare îmbunătățește robustețea procesului, făcând sudura mai puțin sensibilă la toleranțele de asamblare, distorsiunile termice și vibrațiile mecanice, sporind astfel consistența generală a sudurii.

4. Aplicabilitatea adâncimii de focalizare în diferite moduri de sudură
4.1 Modul de sudură prin conducție

În sudarea în regim de conducție, în condiții de densitate redusă a puterii, o adâncime mai mare de focalizare contribuie la o introducere mai uniformă a căldurii și la formarea unei suprafețe de sudură mai netede. Această configurație oferă o bună stabilitate și este potrivită pentru sudarea tablelor subțiri și aplicațiile de precizie.

4.2 Regimul de sudare prin orificiu (keyhole)

Sudarea prin orificiu se bazează pe o densitate ridicată a puterii pentru a forma și menține un capilar stabil de vapori. În acest regim, o adâncime de focalizare excesiv de mare poate reduce densitatea maximă a energiei, făcând formarea orificiului mai dificilă, în timp ce o adâncime de focalizare prea mică crește sensibilitatea la erorile de poziționare a focalizării. Prin urmare, este necesar un design echilibrat între densitatea energiei și toleranța la focalizare.

5. Importanța inginerească a optimizării adâncimii de focalizare

În proiectarea proceselor practice, adâncimea de focalizare nu trebuie maximizată sau minimizată în mod arbitrar. În schimb, aceasta trebuie optimizată în funcție de tipul materialului, domeniul de grosime, viteza de sudare și precizia sistemului. Prin alegerea corespunzătoare a distanței focale, controlul calității fascicolului și potrivirea parametrilor de sudare, este posibil să se mențină o densitate suficientă de energie, îmbunătățind în același timp stabilitatea și consistența sudării.

Adâncimea de focalizare este un parametru esențial care leagă caracteristicile optice ale laserului de stabilitatea procesului de sudare. O adâncime mai mare de focalizare crește toleranța la abaterile poziției de focalizare și la perturbările externe, îmbunătățind astfel stabilitatea sudării. În schimb, o adâncime mai mică de focalizare permite o densitate mai mare de energie, dar impune cerințe mai stricte privind precizia sistemului. Atingerea unui echilibru adecvat între adâncimea de focalizare și concentrarea energiei este esențială pentru o sudare stabilă și de înaltă calitate.