Анализ взаимосвязи между глубиной фокусировки и стабильностью сварки при лазерной сварке

В лазерной сварке лазерный луч фокусируется оптической системой на поверхности или внутри заготовки, образуя область с высокой плотностью энергии. Глубина фокуса (DOF), являясь ключевым параметром, описывающим пространственное распределение энергии лазерного луча, оказывает прямое влияние на формирование сварочной ванны, поведение энергетического сопряжения и общую стабильность процесса сварки. Понимание взаимосвязи между глубиной фокуса и стабильностью сварки имеет важное значение для оптимизации технологического окна лазерной сварки.

1. Определение и физический смысл глубины фокуса

Глубина фокуса (DOF) обозначает осевой диапазон вдоль направления распространения лазерного луча, в пределах которого размер сфокусированного пятна остается в допустимых пределах изменений. Обычно она определяется как расстояние, на котором диаметр пятна увеличивается до определённого кратного значения (например, 1,2 или 1,5 раза) минимального диаметра пятна.

С точки зрения оптики, глубина фокуса в основном зависит от следующих факторов:

Длина волны лазера

Фокусное расстояние фокусирующей линзы

Качество пучка (коэффициент M²)

Начальный диаметр пучка

Большая глубина резкости приводит к более постепенному распределению энергии по оси, в то время как меньшая глубина резкости обеспечивает более высокую концентрацию энергии, но повышенную чувствительность к отклонениям положения.

2. Основная концепция устойчивости сварки

Устойчивость сварки обычно относится к согласованности поведения расплавленной ванны, ввода энергии и формирования сварного шва в процессе сварки. При устойчивых условиях сварки ширина шва, глубина проплавления, поведение брызг и состояние плазмы остаются относительно постоянными.

Ключевые факторы, влияющие на устойчивость сварки:

Мощность лазера и колебания мощности

Отклонение положения фокуса

Крепление заготовки и плоскостность поверхности

Скорость сварки

Условия защитного газа

Среди этих факторов незначительные отклонения положения фокуса часто усиливаются за счёт глубины резкости, что значительно влияет на стабильность сварки.

3. Механизмы, с помощью которых глубина резкости влияет на стабильность сварки
3.1 Глубина резкости и допуск по положению фокуса

На практике в производстве вариации высоты заготовки, тепловые деформации и погрешности крепления неизбежны. Когда глубина резкости велика, умеренные отклонения положения фокуса приводят к относительно небольшим изменениям размера пятна и плотности энергии, что позволяет сварочной ванне оставаться стабильной.

Напротив, системы с малой глубиной резкости крайне чувствительны к изменению положения фокуса. Даже незначительные отклонения могут вызвать значительные колебания плотности энергии, что приводит к нестабильной глубине проплавления, неравномерной ширине шва или таким дефектам, как непровар или прожог.

3.2 Влияние глубины резкости на динамическую стабильность сварочной ванны

Лазерный луч с большим глубиной резкости демонгирует более плавное распределение энергии по оси. В результате расплавленная ванна реагирует более медленно на энергетические возмущения, что помогает подавить колебания расплавленной ванны и образование брызг.

Когда глубина резкости мала, энергия сосредоточена в узкой области, создавая крутые температурные градиенты внутри расплавленной ванны. Это усиливает испарение металла и колебания давления отдачи, увеличивая вероятность нестабильности расплавленной ванны, колебаний сварного шва и образования брызг.

3.3 Глубина резкости и устойчивость процесса

В автоматизированных или высокоскоростных приложениях лазерной сварки, толерантность к внешним возмущениям особенно важна. Большее значение глубины резкости улучшает устойчивость процесса, делая сварку менее чувствительной к допускам сборки, термическим искажениям и механическим вибрациям, тем самым повышая общую согласованность сварки.

4. Применимость глубины резкости в различных режимах сварки
4.1 Режим сварки с проведением тепла

При сварке в режиме теплопроводности при низкой плотности мощности увеличенная глубина фокуса способствует более равномерному вводу тепла и образованию гладкой поверхности шва. Такая конфигурация обеспечивает хорошую стабильность и подходит для сварки тонколистовых материалов и прецизионных применений.

4.2 Режим сварки через паровую капиллярную полость

Сварка через паровую капиллярную полость основана на высокой плотности мощности, необходимой для образования и поддержания устойчивой паровой капиллярной полости. В этом режиме чрезмерно большая глубина фокуса может снизить пиковую плотность энергии, затрудняя образование капиллярной полости, тогда как чрезмерно малая глубина фокуса повышает чувствительность к ошибкам позиционирования фокуса. Следовательно, требуется сбалансированный подход к проектированию, учитывающий как плотность энергии, так и допуск по фокусу.

5. Инженерное значение оптимизации глубины фокуса

При проектировании практического процесса глубину резкости не следует безоговорочно максимизировать или минимизировать. Вместо этого её необходимо оптимизировать с учётом типа материала, диапазона толщин, скорости сварки и точности системы. Правильный выбор фокусного расстояния, контроль качества пучка и согласование параметров сварки позволяют поддерживать достаточную плотность энергии, одновременно повышая стабильность и равномерность сварки.

Глубина резкости является ключевым параметром, связывающим оптические характеристики лазера со стабильностью процесса сварки. Большее значение глубины резкости повышает допуск на отклонения положения фокуса и устойчивость к внешним возмущениям, тем самым улучшая стабильность сварки. Напротив, меньшая глубина резкости обеспечивает более высокую плотность энергии, но предъявляет более строгие требования к точности системы. Достижение правильного баланса между глубиной резкости и концентрацией энергии имеет важнейшее значение для стабильной и качественной лазерной сварки.