Аналіз зв’язку між глибиною фокуса і стабільністю зварювання у лазерному зварюванні

У лазерному зварюванні лазерний промінь фокусується оптичною системою на поверхні або всередині заготовки, створюючи область із високою густиною енергії. Глибина фокуса (ГФ), як ключовий параметр, що описує просторовий розподіл енергії лазерного променя, безпосередньо впливає на формування зварювальної ванни, поведінку енергетичного зв’язування та загальну стабільність зварювання. Розуміння зв’язку між глибиною фокуса і стабільністю зварювання є суттєвим для оптимізації вікна процесу лазерного зварювання.

1. Визначення та фізичне значення глибини фокуса

Глибина фокуса (ГФ) вказує на осьовий діапазон уздовж напрямку поширення лазерного променя, в якому розмір фокусного плями залишається в межах прийнятного діапазону варіації. Зазвичай визначається як відстань, на якій діаметр плями збільшується до певного кратного значення (наприклад, 1,2 або 1,5 рази) мінімального діаметру плями.

З оптичної точки зору глибина фокусування в основному залежить від таких факторів:

Довжина хвилі лазера

Фокусна відстань фокусуючого об'єктива

Якість променя (коефіцієнт M²)

Початковий діаметр променя

Більша глибина фокусування призводить до більш плавного осьового розподілу енергії, тоді як менша глибина фокусування забезпечує вищу концентрацію енергії, але є чутливішою до відхилень положення.

2. Основне поняття стабільності зварювання

Стабільність зварювання, як правило, означає сталість поведінки ванни розплавленого металу, подачі енергії та формування зварного шву під час процесу зварювання. За стабільних умов зварювання ширина шву, глибина проплавлення, поведінка розбризкування та стан плазми залишаються відносно постійними.

Ключові фактори, що впливають на стабільність зварювання, включають:

Потужність лазера та коливання потужності

Відхилення положення фокусу

Фіксація заготовки та площинність поверхні

Швидкість сварки

Умови щитового газу

Серед цих факторів невеликі відхилення положення фокусу часто посилюються через глибину різкості, що значно впливає на стабільність зварювання.

3. Механізми, за якими глибина різкості впливає на стабільність зварювання
3.1 Глибина різкості та допуск положення фокусу

У практичному виробництві коливання висоти заготовки, термічна деформація та помилки фіксації є непереборними. Коли глибина різкості велика, помірні відхилення положення фокусу призводять до відносно невеликих змін розміру плями та густини енергії, що дозволяє зберегти стабільність ванни розплаву.

Навпаки, системи з малою глибиною різкості є дуже чутливими до змін положення фокусу. Навіть незначні відхилення можуть спричинити суттєві коливання густини енергії, що призводить до нестабільної глибини проплавлення, нерегулярної ширини зварного шву або дефектів, таких як непровар або прожог.

3.2 Вплив глибини різкості на динамічну стабільність ванни розплаву

Лазерний промінь із більшою глибиною фокусу має більш плавний осьовий розподіл енергії. У результаті цього розплав реагує повільніше на збурення енергії, що допомагає придушити коливання розплаву та утворення бризок.

Коли глибина фокусу мала, енергія концентрується в вузькій області, створюючи круті температурні градієнти всередині розплаву. Це посилює випаровування металу та коливання реактивного тиску, збільшуючи ймовірність нестабільності розплаву, коливань шва та утворення бризок.

3.3 Глибина фокусу та стійкість процесу

У застосунках автоматизованого або високошвидкісного лазерного зварювання важливою є стійкість до зовнішніх збурень. Більша глибина фокусу підвищує стійкість процесу, роблячи зварювання менш чутливим до технологічних допусків, теплового спотворення та механічних вібрацій, тим самим забезпечуючи загальну стабільність зварювання.

4. Застосування глибини фокусу в різних режимах зварювання
4.1 Режим зварювання з теплопровідністю

При зварюванні в режимі теплопровідності за умов низької густини потужності більша глибина фокусу сприяє рівномірнішому внесенню тепла та утворенню гладкої поверхні зварного шву. Ця конфігурація забезпечує хорошу стабільність і підходить для зварювання тонкого листового матеріалу та прецизійних застосувань.

4.2 Режим зварювання через парову капілярну пору

Зварювання через парову капілярну пору ґрунтується на високій густині потужності для утворення та підтримання стабільної парової капілярної пори. У цьому режимі надмірно велика глибина фокусу може знизити пікову густину енергії, ускладнюючи утворення парової капілярної пори, тоді як надто мала глибина фокусу збільшує чутливість до похибок положення фокусу. Тому необхідний збалансований підхід до проектування, що поєднує густину енергії та допуск фокусування.

5. Інженерне значення оптимізації глибини фокусу

На практиці при проектуванні процесу глибину фокусу не слід беззаперечно максимізувати або мінімізувати. Навпаки, її потрібно оптимізувати залежно від типу матеріалу, діапазону товщин, швидкості зварювання та точності системи. Шляхом правильного вибору фокусної відстані, контролю якості променя та підбору параметрів зварювання можна забезпечити достатню густину енергії, покращуючи при цьому стабільність і узгодженість зварювання.

Глибина фокусу — це важливий параметр, що пов’язує оптичні характеристики лазера зі стабільністю процесу зварювання. Більша глибина фокусу підвищує допуск до відхилень положення фокусу та зовнішніх збурень, тим самим поліпшуючи стабільність зварювання. Навпаки, менша глибина фокусу дозволяє отримати вищу густину енергії, але ставить суворіші вимоги до точності системи. Досягнення належної рівноваги між глибиною фокусу та концентрацією енергії є обов’язковою умовою стабільного та якісного лазерного зварювання.