در پردازش فلز، ماشین های برش لیزر از پرتوهای لیزر با چگالی انرژی بالا برای دستیابی به ذوب مواد، تبخیر و جداسازی استفاده می کنند.موقعیت کانونی یکی از پارامترهای کلیدی فرآیند در برش لیزر استاین به طور مستقیم بر توزیع انرژی، مورفولوژی حوضچه ذوب شده، کیفیت کرف و ثبات برش تاثیر می گذارد.کنترل مناسب موقعیت فوکال یک پیش نیاز حیاتی برای به دست آوردن نتایج برش با کیفیت بالا است.
I. تعریف اساسی موقعیت کانونی برش لیزر
موقعیت کانونی در برش لیزر به نقطه ای اشاره دارد که در آن پرتو لیزر توسط سر برش متمرکز می شود تا به کوچکترین قطر نقطه و بیشترین تراکم انرژی برسد.گرفتن سطح قطعه به عنوان نقطه صفر مرجعموقعیت فوکال را می توان به سه حالت تقسیم کرد:
فوکوس مثبت (فوکوس بالای سطح قطعه کار)
فوکوس صفر (فوکوس در سطح قطعه کار)
فوکوس منفی (فوکوس واقع در داخل ماده قطعه کار)
موقعیت های مختلف فوکال تغییر می کنند که چگونه انرژی لیزر با ماده زوج می شود، بنابراین بر روند برش و کیفیت برش تاثیر می گذارد.
II. تاثیر موقعیت فوکوس بر توزیع انرژی لیزر
پرتو لیزر به حداکثر تراکم انرژی خود در نقطه کانونی می رسد. با دور شدن پرتو از نقطه کانونی، قطر نقطه افزایش می یابد و انرژی در هر واحد منطقه کاهش می یابد.تغییرات در موقعیت فوکال منجر به اثرات زیر می شود:
تغییرات در غلظت انرژی
هرچه تمرکز به سطح ماده نزدیک تر باشد، انرژی لیزر بیشتر متمرکز می شود و در نتیجه کارایی ذوب اولیه بالاتر است.
تغییر در توزیع انرژی در امتداد ضخامت مواد
در شرایط تمرکز منفی، انرژی لیزر یک منطقه تعامل موثر طولانی تر در داخل ماده را تشکیل می دهد که برای برش صفحه ضخیم مفید است.
تغییرات در مورفولوژی استخر ذوب شده
موقعیت های مختلف فوکال بر عمق، عرض و ثبات استخر ذوب شده تاثیر می گذارد و از این رو بر هندسه ی حاشیه و کیفیت سطح برش تاثیر می گذارد.
III. اثرات موقعیت های مختلف تمرکز بر کیفیت برش
1تاثیر تمرکز مثبت بر کیفیت برش
هنگامی که تمرکز بالای سطح قطعه کار قرار می گیرد، نقطه لیزر بر روی سطح ماده نسبتا بزرگتر است:
توزیع انرژی یکنواخت تر در سطح ورودی برش
در سطح بالا، حاشیه گسترده تر
اخراج نسبتا ضعیف تر فلز ذوب شده به سمت پایین
این شرایط برای مواد نازک و کاربردهایی که الزامات بیشتری برای کیفیت ظاهر سطح دارند مناسب است.
2تاثیر تمرکز صفر بر کاهش کیفیت
هنگامی که تمرکز بر روی سطح قطعه کار قرار دارد:
چگالي انرژي ليزر به حداکثر خود رسيد
سرعت برش نسبتا بالا است
پهنای محوطه کوچکتر است
عمودی کرف بهبود یافته است
تمرکز صفر به طور معمول برای برش با سرعت بالا از صفحات نازک و متوسط استفاده می شود و تعادل خوبی در کیفیت کلی برش را فراهم می کند.
3اثر تمرکز منفی بر کاهش کیفیت
هنگامی که فوکوس در داخل قطعه کار قرار دارد:
انرژي ليزر عميق تر به مواد نفوذ ميکنه
عمق حوضچه ذوب شده افزایش می یابد
گاز کمک می تواند به طور موثر مواد ذوب شده را از پایین حفر خارج کند
تمرکز منفی به طور گسترده ای در برش صفحه ضخیم استفاده می شود و به کاهش تشکیل ضخامت در حالی که توانایی نفوذ کامل را بهبود می بخشد، کمک می کند.
IV. تأثیر موقعیت فوکال بر شکل کرف و برش قطعی
موقعیت نادرست فوکال می تواند منجر به مشکلات زیر شود:
کلف کوبیده با بالای وسیع تر و پایین باریک تر یا برعکس
الگوهای ناهموار در سطح برش
افزایش ضایعات در لبه پایین
قطع ناقص یا قطع قطع
تنظیم مناسب فوکال به بهبود عمودی کنده، صاف بودن برش و سازگاری کلی برش کمک می کند.
V. اثر همبستگی موقعیت فوکوس و گاز کمک
در طول برش لیزر، گاز های کمک مانند اکسیژن، نیتروژن و هوا با موقعیت کانونی ارتباط نزدیک دارند:
هنگامی که تمرکز بالاتر قرار داده می شود، گاز عمدتا بر روی سطح منطقه ذوب عمل می کند
هنگامی که تمرکز پایین تر قرار داده شده است، گاز به طور موثر کمک می کند آب جوش استخر اخراج
موقعیت کانونی و ارتفاع نوزل به طور مشترک بر ثبات جریان گاز تاثیر می گذارد
تنظیم فوکال باید با فشار گاز و قطر نوزل هماهنگ باشد.
VI. اثرات رایج تنظیمات نادرست موقعیت فوکوس
قرار دادن فوکال نادرست ممکن است منجر به:
سرعت برش کاهش یافته
بهره وری کمتر از استفاده از قدرت لیزر
کیفیت قطع ناپایدار
افزایش بار حرارتی بر روی اجزای نوری
بنابراین، در کاربردهای عملی، موقعیت کانونی باید به طور پویا بر اساس ضخامت مواد، قدرت لیزر و پارامترهای فرآیند برش بهینه شود.
اصول کلی تنظیم موقعیت فوکوس در کاربردهای عملی
دستورالعمل های زیر به طور معمول اعمال می شوند:
تمرکز صفر یا تمرکز مثبت کمی برای برش ورق نازک
تمرکز منفی برای برش صفحه ضخیم
افزایش تمرکز منفی برای برش لیزر با قدرت بالا
تنظیم دقیق فوکس برای مواد با بازتاب بالا برای بهبود کارایی اتصال انرژی
موقعیت کانونی برش لیزر یکی از مهمترین پارامترهای فرآیند است که بر کیفیت برش تأثیر می گذارد. با کنترل مناسب موقعیت کانونی، توزیع انرژی لیزر می تواند بهینه شود،کارایی ذوب شدن می تواند بهبود یابددر تولید واقعی، تنظیم دقیق فوکس باید با توجه به خواص مواد، پارامترهای تجهیزات،و الزامات فرآیند برای دستیابی به عملکرد قطع پایدار و قابل اعتماد.