Phân tích Mối Quan Hệ giữa Độ Sâu Tiêu Cự và Độ Ổn Định Hàn trong Hàn Laser

Trong hàn laser, chùm tia laser được tập trung bởi một hệ thống quang học lên bề mặt hoặc bên trong vật gia công, tạo thành vùng có mật độ năng lượng cao. Độ sâu tiêu cự (DOF), với tư cách là một thông số quan trọng mô tả sự phân bố năng lượng không gian của chùm tia laser, ảnh hưởng trực tiếp lên hình thành hồ hàn, hành vi ghép nối năng lượng và độ ổn định tổng thể của quá trình hàn. Hiểu rõ mối quan hệ giữa độ sâu tiêu cự và độ ổn định hàn là điều thiết yếu để tối ưu hóa cửa sổ quy trình hàn laser.

1. Định Nghĩa và Ý Nghĩa Vật Lý của Độ Sâu Tiêu Cự

Độ sâu tiêu cự (DOF) đề cập đến phạm vi trục theo hướng lan truyền của tia laser, trong đó kích thước điểm tập trung vẫn nằm trong một phạm vi biến đổi chấp nhận được. Thông thường, nó được định nghĩa là khoảng cách mà đường kính điểm tăng lên một bội số xác định (ví dụ 1,2 hoặc 1,5 lần) so với đường kính điểm nhỏ nhất.

Về mặt quang học, độ sâu tiêu cự chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

Bước sóng laser

Tiêu cự của thấu kính tập trung

Chất lượng chùm tia (hệ số M²)

Đường kính chùm tia ban đầu

Độ sâu tiêu cự lớn hơn dẫn đến phân bố năng lượng theo trục dần dần hơn, trong khi độ sâu tiêu cự nhỏ hơn dẫn đến mật độ năng lượng cao hơn nhưng nhạy cảm hơn với sự lệch vị trí.

2. Khái niệm cơ bản về độ ổn định hàn

Độ ổn định hàn nói chung đề cập đến tính nhất quán của hành vi hồ quang, năng lượng đầu vào và hình thành mối hàn trong quá trình hàn. Trong điều kiện hàn ổn định, chiều rộng mối hàn, độ ngập sâu, hành vi bắn tóe và trạng thái plasma giữ nguyên tương đối không đổi.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ ổn định hàn bao gồm:

Công suất laser và sự dao động công suất

Sai lệch vị trí tiêu điểm

Định vị phôi và độ phẳng bề mặt

Tốc độ hàn

Điều kiện khí bảo vệ

Trong số các yếu tố này, những sai lệch nhỏ về vị trí tiêu cự thường bị khuếch đại theo chiều sâu tiêu cự, ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định của quá trình hàn.

3. Cơ chế mà chiều sâu tiêu cự ảnh hưởng đến độ ổn định khi hàn
3.1 Chiều sâu tiêu cự và dung sai vị trí tiêu cự

Trong sản xuất thực tế, sự biến đổi về chiều cao phôi, biến dạng nhiệt và sai số định vị là không thể tránh khỏi. Khi chiều sâu tiêu cự lớn, các sai lệch vừa phải về vị trí tiêu cự sẽ dẫn đến những thay đổi tương đối nhỏ về kích thước điểm laser và mật độ năng lượng, cho phép vũng hàn duy trì ổn định.

Ngược lại, các hệ thống có chiều sâu tiêu cự nhỏ rất nhạy cảm với sự thay đổi vị trí tiêu cự. Ngay cả những sai lệch nhỏ cũng có thể gây ra dao động lớn về mật độ năng lượng, dẫn đến độ ngấu không đồng đều, chiều rộng mối hàn bất thường hoặc các khuyết tật như hàn không ngấu hoặc cháy thủng.

3.2 Ảnh hưởng của chiều sâu tiêu cự đến độ ổn định động lực học của vũng hàn

Một tia laser có độ sâu tiêu điểm lớn hơn thể hiện phân bố năng lượng trục theo hướng trục mượt hơn. Kết quả, hồ hàn phản ứng chậm hơn với các nhiễu loạn năng lượng, giúp kìm chế dao động của hồ hàn và sự hình thành bắn tóe.

Khi độ sâu tiêu điểm nhỏ, năng lượng được tập trung vào một vùng hẹp, tạo ra gradient nhiệt độ dốc trong hồ hàn. Điều này làm tăng hóa hơi kim loại và dao động áp suất phản lực, làm tăng khả năng mất ổn định hồ hàn, dao động đường hàn và phát sinh bắn tóe.

3.3 Độ sâu tiêu điểm và độ ổn định của quá trình

Trong các ứng dụng hàn laser tự động hoặc tốc độ cao, khả năng chịu dung sai đối với các nhiễu loạn bên ngoài đặc biệt quan trọng. Độ sâu tiêu điểm lớn hơn cải thiện độ ổn định của quá trình, làm cho quá trình hàn ít nhạy cảm hơn đối với dung sai lắp ráp, biến dạng nhiệt và rung cơ học, từ đó nâng cao tính nhất quán tổng thể của mối hàn.

4. Tính áp dụng của độ sâu tiêu điểm trong các chế độ hàn khác nhau
4.1 Chế độ hàn dẫn nhiệt

Trong hàn chế độ dẫn nhiệt dưới điều kiện mật độ công suất thấp, độ sâu tiêu cự lớn hơn góp phần tạo ra lượng nhiệt đầu vào đồng đều hơn và hình thành bề mặt mối hàn nhẵn mịn hơn. Cấu hình này mang lại độ ổn định tốt và phù hợp cho hàn tấm mỏng và các ứng dụng chính xác.

4.2 Chế độ hàn lỗ xuyên

Hàn lỗ xuyên dựa vào mật độ công suất cao để tạo và duy trì một mao quản hơi ổn định. Trong chế độ này, độ sâu tiêu cự quá lớn có thể làm giảm mật độ năng lượng cực đại, khiến việc tạo lỗ xuyên trở nên khó khăn hơn, trong khi độ sâu tiêu cự quá nhỏ sẽ làm tăng độ nhạy với sai số vị trí tiêu cự. Do đó, cần có thiết kế cân bằng giữa mật độ năng lượng và dung sai tiêu cự.

5. Ý nghĩa kỹ thuật của việc tối ưu hóa độ sâu tiêu cự

Trong thiết kế quy trình thực tế, độ sâu tiêu điểm không nên được tối đa hóa hoặc tối thiểu hóa một cách tùy tiện. Thay vào đó, cần phải tối ưu hóa dựa trên loại vật liệu, phạm vi độ dày, tốc độ hàn và độ chính xác của hệ thống. Bằng cách lựa chọn đúng chiều dài tiêu cự, kiểm soát chất lượng chùm tia và phối hợp các thông số hàn phù hợp, có thể duy trì mật độ năng lượng đủ cao đồng thời cải thiện độ ổn định và tính nhất quán khi hàn.

Độ sâu tiêu điểm là một thông số quan trọng liên kết đặc tính quang học của laser với độ ổn định trong quá trình hàn. Độ sâu tiêu điểm lớn hơn sẽ tăng khả năng chịu sai lệch vị trí tiêu điểm và các tác động bên ngoài, từ đó cải thiện độ ổn định khi hàn. Ngược lại, độ sâu tiêu điểm nhỏ hơn cho phép mật độ năng lượng cao hơn nhưng đòi hỏi độ chính xác của hệ thống phải nghiêm ngặt hơn. Việc đạt được sự cân bằng phù hợp giữa độ sâu tiêu điểm và độ tập trung năng lượng là yếu tố thiết yếu để đảm bảo quá trình hàn laser ổn định và chất lượng cao.