در فرآیند جوشکاری لیزری دستی، پرتو لیزر توسط سیستم نوری متمرکز میشود تا ناحیهای با چگالی انرژی بالا روی سطح قطعه کار یا داخل ماده ایجاد شود. موقعیت کانونی، توزیع انرژی در واحد سطح، ریختشناسی حوضچه مذاب و کیفیت تشکیل درز جوش را تعیین میکند و یکی از پارامترهای کلیدی فرآیند است که بر پایداری جوشکاری و کیفیت جوش تأثیر میگذارد.
موقعیت کانونی معمولاً با توجه به سطح قطعه کار به عنوان نقطه صفر در نظر گرفته میشود و میتواند به سه دسته کانونی مثبت، کانونی منفی و حالت خارج از فوکوس طبقهبندی شود.
1. ویژگیهای جوشکاری با تمرکز بر سطح قطعه کار (کانون صفر)
هنگامی که کانون لیزر روی سطح قطعه کار قرار دارد، قطر نقطه لیزر حداقل و چگالی انرژی در حداکثر مقدار خود است. راندمان کوپلینگ بین لیزر و ماده بالا است.
ویژگیهای جوشکاری به شرح زیر است:
شروع سریع حوضچه مذاب و فرآیند جوشکاری پایدار
درز جوش باریک با مرزهای مشخص
عمق نفوذ متمرکز و راندمان بالای استفاده از انرژی
مناسب برای مواد نازک و کاربردهای جوشکاری دقیق
در جوشکاری لیزری دستی، حفظ تمرکز بر سطح نیازمند پایداری عملیاتی بالایی است. تغییرات در ارتفاع مشعل در حین جوشکاری میتواند به راحتی باعث نوسانات در عمق نفوذ و ریختشناسی جوش شود.
2. پدیدههای جوشکاری تحت شرایط کانونی مثبت
کانون مثبت به شرایطی اطلاق میشود که کانون لیزر زیر سطح قطعه کار قرار دارد، به این معنی که نقطه کانونی داخل ماده قرار دارد.
پدیدههای جوشکاری عبارتند از:
حداکثر چگالی انرژی لیزر که در داخل ماده رخ میدهد
افزایش عمق نفوذ و نسبت عمق به عرض بالاتر
اثر سوراخ کلیدی برجسته با نفوذ جوش طولی افزایش یافته
حوضچه مذاب سطحی نسبتاً محدود و ظاهر جوش باریکتر
کانون مثبت برای جوشکاری ورقهای متوسط تا ضخیم یا کاربردهایی که به نفوذ بیشتری نیاز دارند، مناسب است. در جوشکاری دستی، کانون مثبت تحمل فرآیند را بهبود میبخشد. با این حال، عمق کانونی بیش از حد ممکن است منجر به ذوب ناکافی سطح یا تشکیل ناقص جوش شود.
3. پدیدههای جوشکاری تحت شرایط کانونی منفی
کانون منفی به شرایطی اطلاق میشود که کانون لیزر بالای سطح قطعه کار قرار دارد، به این معنی که پرتو لیزر قبل از رسیدن به ماده شروع به واگرایی میکند.
پدیدههای جوشکاری عبارتند از:
افزایش قطر نقطه و کاهش چگالی انرژی
افزایش عرض جوش و کاهش عمق نفوذ
ضعیف شدن یا از بین رفتن اثر سوراخ کلیدی
بهبود صافی سطح درز جوش
تحت شرایط کانونی منفی، توزیع انرژی لیزر یکنواختتر است و آن را برای جوشکاری لب به لب ورقهای نازک و کاربردهایی با الزامات ظاهری سطح بالا مناسب میکند. در جوشکاری لیزری دستی، کانون منفی متوسط به کاهش پاشش و سرکوب سوختگی کمک میکند.
4. ویژگیهای جوشکاری تحت شرایط خارج از فوکوس
خارج از فوکوس به شرایطی اطلاق میشود که کانون دور از سطح قطعه کار قرار دارد، صرف نظر از اینکه در جهت مثبت یا منفی باشد، که منجر به کاهش قابل توجهی در چگالی انرژی میشود.
ویژگیهای جوشکاری عبارتند از:
مشکل در تشکیل یا حفظ یک حوضچه مذاب پایدار
نفوذ ناکافی و خطر بالای عدم ذوب
درزهای جوش پهن و کم عمق با تشکیل سست
حساسیت بالای فرآیند جوشکاری به تغییرات سرعت حرکت
شرایط خارج از فوکوس عموماً برای جوشکاری پایدار نامناسب است و عمدتاً در فرآیندهای خاص با ورودی حرارت کم یا فرآیندهای گرمایش سطح استفاده میشود. در جوشکاری لیزری دستی، خارج از فوکوس بیش از حد، سازگاری جوشکاری را به طور قابل توجهی کاهش میدهد.
5. مقایسه اثرات جوشکاری تحت حالتهای کانونی مختلف
در مقایسه با کانون واقع بر سطح قطعه کار:
کانون مثبت نفوذ و قابلیت جوشکاری را بهبود میبخشد، مناسب برای کاربردهایی که به استحکام ساختاری بالا نیاز دارند
کانون منفی عرض جوش را افزایش میدهد، ظاهر سطح را بهبود میبخشد و خطر تجمع بیش از حد انرژی را کاهش میدهد
خارج از فوکوس، چگالی انرژی کلی را کاهش میدهد و برای جوشکاری پایدار نامطلوب است
در کاربردهای عملی، موقعیت کانونی باید همراه با نوع ماده، ضخامت ورق، سرعت جوشکاری و توان لیزر تنظیم شود.
6. اهمیت فرآیند موقعیت کانونی در جوشکاری لیزری دستی
جوشکاری لیزری دستی تقاضای زیادی برای پایداری عملیاتی و تحمل فرآیند دارد. انتخاب صحیح موقعیت کانونی نقش مهمی در جنبههای زیر دارد:
بهبود پایداری جوشکاری و کاهش تأثیر حرکت اپراتور
متعادل کردن عمق نفوذ و تشکیل درز جوش
کاهش پاشش و وقوع نقص جوش
افزایش سازگاری در شرایط جوشکاری پیچیده
تنظیم موقعیت کانونی معمولاً از طریق کنترل ارتفاع مشعل یا تنظیم سیستم فوکوس به دست میآید و یک گام اصلی در بهینهسازی فرآیند جوشکاری لیزری دستی است.