Mối quan hệ ảnh hưởng giữa chiều dài tiêu cự và chiều cao vòi phun đối với hiệu quả cắt

Trong quá trình cắt laser, tiêu cự và chiều cao vòi phun là hai thông số quy trình chính có liên quan mật thiết với nhau. Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến phân bố năng lượng laser, độ ổn định của hồ nóng chảy, hiệu suất khí phụ trợ và chất lượng cắt cuối cùng. Việc phối hợp phù hợp giữa vị trí tiêu điểm và chiều cao vòi phun là điều kiện cơ bản để đảm bảo độ ổn định khi cắt và chất lượng mép cắt.

I. Định nghĩa cơ bản và chức năng của tiêu cự

Tiêu cự đề cập đến khoảng cách giữa thấu kính tập trung và vị trí mà chùm tia laser tạo thành điểm nhỏ nhất sau khi đi qua hệ thống quang học. Trong quá trình cắt, vị trí tiêu điểm thường được tham chiếu theo bề mặt vật liệu như điểm không và có thể được phân loại thành tiêu điểm dương, tiêu điểm bằng không và tiêu điểm âm.

Vị trí tiêu điểm xác định sự phân bố mật độ năng lượng của tia laser trên bề mặt vật liệu hoặc bên trong vật liệu, ảnh hưởng trực tiếp đến các khía cạnh sau:

Khả năng nóng chảy ban đầu

Độ sâu và hình dạng hồ nóng chảy

Chiều rộng rãnh cắt và độ loe

Kích thước vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt

Sai lệch quá mức của vị trí tiêu điểm có thể dẫn đến mật độ năng lượng không đủ hoặc không đồng đều, gây ra hiện tượng cắt không hoàn toàn, dính xỉ hoặc bề mặt cắt gồ ghề.

II. Định nghĩa cơ bản và chức năng của chiều cao vòi phun

Chiều cao đầu phun đề cập đến khoảng cách thẳng đứng giữa đầu mút của đầu phun và bề mặt vật liệu, thường được điều khiển theo thời gian thực bởi hệ thống cảm biến chiều cao. Chức năng chính của chiều cao đầu phun nằm ở điều kiện dòng khí phụ trợ và sự ổn định của luồng khí trong vùng cắt.

Một chiều cao đầu phun phù hợp có thể:

Đảm bảo dòng khí phụ trợ ổn định và đối xứng trục

Cải thiện hiệu suất loại bỏ kim loại nóng chảy

Giảm cặn xỉ bên trong rãnh cắt

Tối thiểu tác động bắn tung tóe lên hệ thống quang học

Nếu chiều cao đầu phun quá lớn, luồng khí sẽ phân tán và khả năng loại bỏ xỉ giảm. Nếu chiều cao đầu phun quá nhỏ, có thể gây va chạm đầu phun, bám dính vật liệu bắn tung tóe và rối loạn dòng khí.

III. Mối quan hệ ghép nối giữa tiêu cự và chiều cao đầu phun

Tiêu cự và chiều cao đầu phun không phải là các thông số độc lập. Trong quá trình cắt thực tế, giữa chúng tồn tại một mối quan hệ ghép nối rõ ràng.

Ảnh hưởng của thay đổi vị trí tiêu điểm đến chiều cao đầu phun tối ưu

Khi vị trí tiêu điểm di chuyển xuống dưới (tiêu điểm âm sâu hơn), vũng nóng chảy lan rộng hơn vào vật liệu. Trong trường hợp này, chiều cao đầu phun thường cần được giảm thích hợp để tăng cường tác động trực tiếp của khí phụ trợ lên kim loại nóng chảy.

Ảnh hưởng của thay đổi chiều cao đầu phun đến việc sử dụng năng lượng tiêu điểm

Sự thay đổi chiều cao đầu phun ảnh hưởng đến phân bố áp suất khí, gián tiếp làm thay đổi hình dạng vũng nóng chảy và vùng tương tác giữa tia laser với vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến việc sử dụng hiệu quả năng lượng tiêu điểm.

Ảnh hưởng của việc phối hợp thông số đến độ ổn định khi cắt

Việc phối hợp không đúng giữa tiêu cự và chiều cao đầu phun có thể dễ dàng gây ra sự mất ổn định của vũng nóng chảy trong quá trình cắt, biểu hiện dưới dạng các vạch rãnh theo chu kỳ, bám xỉ ở đáy hoặc gián đoạn cắt.

IV. Đặc điểm phối hợp thông số trong các điều kiện vật liệu khác nhau
Cắt tấm mỏng

Một độ tập trung gần bằng không hoặc hơi dương thường được sử dụng, kết hợp với chiều cao vòi phun nhỏ, nhằm đạt được rãnh cắt hẹp và tốc độ cắt cao.

Cắt tấm trung bình và dày

Cắt với tiêu điểm âm thường được áp dụng, kết hợp với chiều cao vòi phun tương đối giảm để tăng độ sâu hồ nóng chảy và khả năng loại bỏ xỉ bằng khí phụ trợ.

Cắt vật liệu có độ phản xạ cao

Việc kiểm soát chính xác vị trí tiêu điểm là cần thiết, đồng thời duy trì chiều cao vòi phun ổn định để ngăn ngừa dao động năng lượng và giảm nguy cơ phản xạ ngược.

V. Các khuyết tật cắt thường gặp và mối tương quan với thông số

Cắt không hoàn toàn: vị trí tiêu điểm quá cao hoặc chiều cao vòi phun quá lớn

Bám xỉ ở đáy: tiêu điểm âm không đủ hoặc chiều cao vòi phun quá lớn

Rãnh cắt quá rộng: tiêu điểm quá dương hoặc chiều cao vòi phun quá thấp

Bề mặt cắt nhám: sự phối hợp không phù hợp giữa chiều dài tiêu cự và chiều cao vòi phun, dẫn đến sự tương tác không ổn định giữa dòng khí và hồ nóng chảy

VI. Đề xuất Tối ưu hóa Quy trình

Việc điều chỉnh tiêu cự nên được xác định chủ yếu dựa trên độ dày vật liệu

Chiều cao vòi phun nên được giữ càng gần bề mặt gia công càng tốt, đồng thời đảm bảo an toàn vận hành

Trong quá trình hiệu chỉnh thông số, cần điều chỉnh đồng thời tiêu cự và chiều cao vòi phun thay vì điều chỉnh độc lập

Nên sử dụng cắt thử để quan sát hình dạng rãnh cắt và chất lượng bề mặt cắt nhằm dần xác định tổ hợp thông số tối ưu

Tiêu cự và chiều cao vòi phun là các thông số chính trong cắt laser, có sự ràng buộc và ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Việc phối hợp phù hợp giữa chúng trực tiếp quyết định hiệu suất sử dụng năng lượng laser, độ ổn định của hồ nóng chảy và chất lượng cắt. Trong ứng dụng thực tế, cần điều chỉnh hệ thống tiêu cự và chiều cao vòi phun theo loại vật liệu, độ dày và mục tiêu công nghệ để đạt được kết quả cắt ổn định và có thể lặp lại.