Анализа односа између фокусне дубине и стабилности заваривања у ласерском заваривању

У ласерском заваривању, ласерски зрак је фокусиран оптичким системом на површину или унутрашњост радног комада, формирајући регион са високом густином енергије. Дубина фокуса (DOF), као кључни параметар који описује расподелу просторног енергије ласерског зрака, има директен утицај на формирање растворених базена, понашање енергетског спајања и укупну стабилност заваривања. Разумевање односа између дубине фокуса и стабилности заваривања је од суштинског значаја за оптимизацију прозора процеса заваривања ласером.

1. у вези са Дефиниција и физичко значење дубине фокуса

Дубина фокуса (DOF) се односи на осевни опсег дуж правца ширења ласера у којем величина фокусиране тачке остаје у прихватљивом опсегу варијација. Обично се дефинише као удаљеност на којој се пречник тачке повећава до одређеног кратна (као што је 1,2 или 1,5 пута) минималног пречника тачке.

Из оптичке перспективе, дубину фокуса углавном утичу на следеће факторе:

Ласерска таласна дужина

Фокална дужина фокусирајуће леће

Квалитет зрака (фактор М2)

Почетни пречник греда

Већа дубина фокуса резултира постепеној аксијској расподељи енергије, док мања дубина фокуса доводи до веће концентрације енергије, али веће осетљивости на позиционе одступања.

2. Уколико је потребно. Основни концепт стабилности заваривања

Стабилност заваривања се углавном односи на конзистенцију понашања растворених базена, улаз енергије и формирање шваног швака током процеса заваривања. Под стабилним условима заваривања, ширина заваривања, дубина прониклости, понашање прскања и стање плазме остају релативно константни.

Кључни фактори који утичу на стабилност заваривања укључују:

Ласерска снага и флуктуације снаге

Одступање од позиције фокуса

Опрема за радни део и равна површина

Брзина заваривања

Услови за штитивање гаса

Међу овим факторима, мале одступање у положају фокуса често се појачавају кроз дубину фокуса, што значајно утиче на стабилност заваривања.

3. Уколико је потребно. Механизми којим дубина фокуса утиче на стабилност заваривања
3.1 Дубина фокуса и толеранција позиције фокуса

У практичној производњи, варијације у висини радног комада, топлотне деформације и грешке фиксације су неизбежне. Када је дубина фокуса велика, умерене одступање позиције фокуса резултира релативно малим променама у величини тачке и густини енергије, омогућавајући топљеном базену да остане стабилан.

За разлику од тога, системи са малом дубином фокуса су веома осетљиви на промене позиције фокуса. Чак и мања одступања могу изазвати значајне флуктуације у густини енергије, што доводи до непостојанке дубине проникњавања, неправилне ширине заваривања или дефеката као што је недостатак фузије или изгоревања.

3.2 Утицај дубине фокуса на динамичку стабилност растворених базена

Ласерски зрак са већом дубином фокуса показује глаткију аксијску расподелу енергије. Као резултат тога, растворени базен полаже реагује на енергетске поремећаје, што помаже у сузбијању осцилација растворених базенова и формирања прскавина.

Када је дубина фокуса мала, енергија се концентрише у уском региону, стварајући стрме температурне градијенте унутар раствореног базена. Ово повећава испарење метала и флуктуације притиска од повлачења, повећавајући вероватноћу нестабилности растворене базе, флуктуације звонних биљака и генерисања прскања.

3.3 Дубина фокуса и стабилност процеса

У аутоматизованим или високобрзим апликацијама заваривања ласером, толеранција на спољне поремећаје је посебно важна. Виша дубина фокуса побољшава чврстоћу процеса, чинећи процес заваривања мање осетљивим на толеранције монтажа, топлотне деформације и механичке вибрације, чиме се побољшава укупна конзистенција заваривања.

4. Уколико је потребно. Прикладност дубине фокуса у различитим начинима заваривања
4.1 Мод заваривања проводом

У заваривању у режиму провођења у условима ниске густине снаге, већа дубина фокуса доприноси равномернијем улазу топлоте и глаткијем формирању површине заваривања. Ова конфигурација нуди добру стабилност и погодна је за заваривање танких листова и прецизне апликације.

4.2 Мод заваривања кључаре

Заваривање кључаревице зависи од високог густине снаге како би се формирала и одржавала стабилна капиларија паре. У овом режиму, превише велика дубина фокуса може смањити густину пик енергије, што отежава формирање кључаре, док превише мала дубина фокуса повећава осетљивост на грешке позиције фокуса. Стога је потребан уравнотежен дизајн између густине енергије и толеранције фокуса.

5. Појам Инжењерски значај дубине фокуса

У дизајну практичних процеса, дубина фокуса не би требало да се максимизује или минимизује без разлика. Уместо тога, мора бити оптимизован на основу врсте материјала, опсега дебљине, брзине заваривања и тачности система. Правилним избором фокусне удаљености, контролом квалитета зрака и одговарајућим параметрима заваривања, могуће је одржати довољну густину енергије док се побољшавају стабилност и конзистенција заваривања.

Дубина фокуса је критичан параметар који повезује оптичке карактеристике ласера са стабилношћу процеса заваривања. Већа дубина фокуса повећава толеранцију на одступања позиције фокуса и спољне поремећаје, чиме се побољшава стабилност заваривања. С друге стране, мања дубина фокуса омогућава већу густину енергије, али поставља строже захтеве за прецизност система. Достизање одговарајуће равнотеже између дубине фокуса и концентрације енергије је од суштинског значаја за стабилно и висококвалитетно ласерско заваривање.