Какво е оптималното разстояние между лазерната заваръчна пистолетна глава и детайла?

Много хора, които започват да използват ръчни лазерни заваръчни пистолети, задават въпроса: „На какво разстояние трябва да се намира дюзата от детайла?“. Често срещаният отговор в интернет е 3–5 мм или 5–15 мм. Всъщност тази цифра не важи за всички случаи – особено за широко използваните ръчни лазерни заваръчни пистолети със стъпчена (ограничителна) дюза. Тези пистолети имат стъпчена конструкция в долната част на дюзата, която позволява дюзата да се плъзга директно по повърхността на стоманената плоча. Самият пистолет има фиксирано разстояние между дюзата и детайла, предварително определено от производителя. Няма нужда да се грижите за поддържане на „3–5 мм“ въздушна междина – просто я плъзгайте по повърхността.

Забравете разстоянието при „планиране“ над детайла. Съсредоточете се върху дефокусирането – и още няколко ключови параметъра. Следващите шест основни фактора ще ви помогнат да определите какво всъщност определя оптималното разстояние за лазерната заваръчна пистолетна глава.

Първо, различете два концепта: разфокусиране срещу физически зазор на дюзата

Много оператори бъркат тези два концепта, което води до безкрайни настройки на параметрите. Разфокусирането е вертикалното положение на фокусната точка на лазерния лъч спрямо повърхността на обработваната детайл: положително разфокусиране (фокусната точка над повърхността), нулево разфокусиране (точно върху повърхността), отрицателно разфокусиране (фокусната точка вътре в материала). Физическият зазор на дюзата е действителното въздушно разстояние между върха на дюзата и повърхността на обработваната детайл. При ръчен лазерен пистолет със стъпенчата дюза дъното на дюзата се плъзга директно по стоманената плоча. Физическият зазор е фиксиран и много малък (обикновено 0,5–2 мм плъзгащ зазор или дори напълно прилепващ). Не е необходимо да поддържате зазор от 3–5 мм. Просто държете стъпенчатата част на дюзата равномерно опряна в детайла и се придвижвайте. В този момент резултатът от заварката се регулира предимно чрез разфокусирането, а не чрез промяна на вече фиксираното физическо разстояние. Следователно, когато обсъждаме "оптималното разстояние" за пистолети със стъпенчата дюза, основният въпрос е оптимизирането на разфокусирането.

Шест основни фактора определят оптималната ви дефокусировка

● Лазерни оптични параметри

Положението на фокусната точка и стойността на дефокусировката директно определят оптималното работно разстояние. Положителната дефокусировка (+0,5 до +2 мм) е най-подходяща за тънки листове (0,5–2 мм), повърхностно заваряване и намаляване на топлинния вход, за да се избегне деформация. Отрицателната дефокусировка (–0,5 до –2 мм) е най-подходяща за дебели плочи (3 мм и по-дебели), заваряване с дълбоко проникване и максимизиране на дълбочината на спояване. Нулевата дефокусировка (0 мм) е подходяща за прецизно точково заваряване или операции, чувствителни към ключовата форма (keyhole), но има тенденция да увеличава порозността. Колкото по-дълга е фокусната дължина и колкото по-голям е диаметърът на лазерното петно, толкова по-широк е допустимият диапазон на дефокусировка. Едномодовите лъчи са чувствителни към промени в дефокусировката и имат тесен работен диапазон; многомодовите лъчи имат по-висока толерантност. С оглед на лазерната мощност, високата мощност позволява по-широк допустим диапазон на дефокусировка, докато при ниска мощност е необходимо строго контролиране на краткото работно разстояние, за да се осигури необходимата плътност на енергията.

● Материал и дебелина на обработваната детайла

Различните материали имат много различна топлопроводност и отражателна способност. Въглеродната стомана и неръждаемата стомана се заваряват относително лесно – за тънки листове се използва положително дефокусиране, а за дебели плочи – отрицателно дефокусиране. Алуминий, мед и други високоотразяващи материали обикновено изискват отрицателно дефокусиране при висока мощност и изключително чиста повърхност. Оцинкованата стомана лесно образува пори поради изпаряването на цинка, затова често се използва комбинация от отрицателно дефокусиране и трептяща (wobble) заварка. Дебелината на листа/плочата е критична: тънките листове изискват по-голямо положително дефокусиране, за да се предотврати пробиването; дебелите плочи изискват по-малко отрицателно дефокусиране, за да се увеличи дълбочината на проникване. Мръсна повърхност? Маслото, ръждата или окалинята ще намалят абсорбцията. Обикновено е необходимо да се измести малко дефокусирането към отрицателна стойност (приблизително –0,2 до –0,5 мм).

● Заваръчен процес и тип съединение

Различните цели при заваряване изискват различни избори на дефокус. За заваряване с дълбоко проникване използвайте малък (или отрицателен) дефокус. За гладка и естетична заваръчна вълна използвайте леко по-голям (положителен) дефокус. Типът на съединението (съвместно, нахлупено, ъглово) и размерът на зазора определят къде попада лазерното петно и кой дефокус е най-подходящ. Ако зазорът в съединението надвишава 0,3 мм, коригирането само чрез настройка на дефокуса няма да е достатъчно – задължително трябва да се използва допълнителна присадна жица. Има значителна разлика между заваряването с присадна жица и автогенното заваряване (без присаден материал). Автогенното заваряване има тесен диапазон на дефокус и изисква прецизна позиция на фокусната точка; то е подходящо за плътни съединения със зазор под 0,1 мм. Заваряването с присадна жица разширява диапазона на дефокус, тъй като течната заваръчна вана се допълва с присаден метал, но ъгълът на подаване на жицата трябва да съответства на стойността на дефокуса. Препоръчителният ъгъл на жицата е между 30° и 45°, като върхът ѝ трябва да достига предната ръб на течната вана. Поддържайте дефокуса леко отрицателен (–0,5 до –1 мм), за да се стопят едновременно основният материал и присадната жица. Скоростта на заваряване също има значение: по-високата скорост намалява топлинния вход на единица дължина, поради което обикновено е необходимо да се увеличи положителният дефокус (за да се увеличи размерът на петното и да се разшири разпределението на топлината), за да се компенсира това. Обратно, по-ниската скорост позволява използването на по-отрицателен дефокус за по-дълбоко проникване.

● Структура на дюзата

Различните конструкции на дюзи имат различни естествени диапазони на дефокусиране. Стандартните кръгли дюзи са универсални и работят добре при дефокусиране в диапазона ±1 мм. Дюзите с тесен процеп се използват за тесни заварки или заваряване с дълбоко проникване – препоръчителното отрицателно дефокусиране е от -0,5 до -1,5 мм. Дюзите с широк ъгъл се използват за широки заварки или заваряване с осцилиране (wobble) – могат да поддържат положително дефокусиране от +1 до +2 мм. Дюзите за почистване се използват предимно за предварително почистване на повърхността преди заваряване и не служат като референтна точка за дефокусирането при заваряване. Важно е и отворът на дюзата: по-големите отвори позволяват по-широк диапазон на дефокусиране; малките отвори (напр. под 4 мм) изискват прецизен контрол на дефокусирането, за да се избегне увреждане поради сблъсък.

● Защитен газ и околната среда

Типът на защитния газ, скоростта на подаване и налягането директно влияят върху оптималното разфокусирано разстояние. Ако разфокусираното разстояние е твърде голямо, качеството на газовата защита се влошава, което води до окисляване и порестост. Аргонът лесно образува плазмен стълб. Ако разфокусирането е прекалено голямо (дюзата е твърде далеч от детайла), този стълб поглъща лазерната енергия и намалява проникването. Следователно при използване на аргон се препоръчва разфокусирането да се поддържа в границите ±1 мм, а физическото разстояние между дюзата и детайла (ако е регулируемо) да не надвишава 10 мм. Хелият има висока йонизационна енергия, ефективно потиска плазмата и позволява по-широк диапазон на разфокусиране – осигурява добра защита дори при малко по-големи разстояния, но е по-скъп. Азотът се използва при неръждаема стомана, за да се предотврати окисляването, но може да повлияе върху механичните свойства на заварката; разфокусирането трябва да бъде леко отрицателно. Димът и разпръснатите капки също са важни индикатори: при твърде късо разстояние разпръснатите капки се залепват за дюзата и лещата; при твърде голямо разстояние течната вана става нестабилна и всъщност се увеличава разпръскването. Оптималната точка обикновено е там, където газовият поток е равномерен, а разпръскването е минимално.

● Форма на заготовката и метод на работа

За плоски заготовки дефокусът може да се зададе стабилно. За извити или неправилни части (напр. тръби) дефокусът трябва да се коригира динамично (или да се използва горелка с функция за проследяване на шева), за да се запази фокусната точка върху заваръчния шев. В такива случаи се препоръчва леко положителен дефокус (+0,5 до +1 мм), като по-широкото петно компенсира височинните вариации. Има значителна разлика между ръчното и автоматизираното заваряване. Вие не сте робот. Не се стремете към нулев дефокус или големи отрицателни стойности. Изберете по-търпим диапазон, например от 0 до +1 мм. Дори при колебания на ръката ви ±0,5 мм качеството на заварката остава приемливо. При автоматизираното заваряване дефокусът може да се задава с висока точност — до 0,1 мм, а обикновено се използва отрицателен дефокус, за да се максимизира дълбочината на проникване, или нулев дефокус — за прецизно позициониране.

Практичен метод за бързо намиране на оптималния ви дефокус

Първо изберете консервативна начална точка, базирана на дебелината на материала:

● Тънки листове ≤2 мм: започнете от +0,5 мм.

● Средно дебели плочи 3–5 мм: започнете от 0 мм или –0,5 мм.

● Дебела плоча ≥6 мм: започнете от –1 мм.

След това извършете тест със стъпково разфокусиране. Вземете парче отпадъчен материал от същия тип. Нанесете кратки заваръчни вали, разположени на разстояние 5–10 мм един от друг, като променяте разфокусирането на стъпки от 0,2–0,3 мм. След заваряването прережете валиите и изследвайте напречното им сечение. Стойността на разфокусирането, която осигурява максимална дълбочина на проникване, правилна форма на течната вана и липса на пори, е вашата оптимална точка. Накрая използвайте тази стойност на разфокусирането за извършване на пълен заваръчен проход и проверете: гладък горен валик без излишно разпръскване; стабилен долен валик (ако е необходимо); липса на окисление или промяна в цвета в областта, покрита с защитен газ.

Важно напомняне: всеки път, когато смените типа материал, дебелината му, дюзата или типа защитен газ, повторете теста със стъпково разфокусиране. Не разчитайте на паметта си.

Често срещани заблуди и правилно разбиране

Заблуда 1: „Моят заваръчен пистолет има стъпкова дюза, затова не трябва да се безпокоя за разфокусирането.“

Ето истината: стъпаловидният соплов накрайник заключва само физическия зазор. Вие все още трябва да зададете дефокусирането, като нагласите лещата вътре в главата. Плъзгане по обработваната повърхност с дефокусиране +1 мм спрямо -1 мм ще доведе до двойна разлика в дълбочината на проникване.

Погрешно разбиране 2: „Аргонът и хелият са подобни; мога да задам разстоянието произволно.“

Правилно разбиране: Аргонът е много чувствителен към разстоянието на дефокусиране. При отклонения над ±1,5 мм лесно се образува плазмен облак, което води до рязко намаляване на дълбочината на проникване. Хелият има значително по-голяма толерантност. Ако промените газа, трябва да повторите настройката на дефокусирането.

Погрешно разбиране 3: „Веднъж зададено дефокусирането никога повече не се нуждае от корекция.“

В действителност сопловите накрайници се износват, лещите се замърсяват, а партидите материали се различават помежду си. От време на време — или при смяна на производствените партиди — бързо проверявайте дефокусирането.

Препоръчително начално дефокусиране за различни материали и дебелини

Таблицата по-долу обобщава препоръчителните начални стойности за дефокус при често срещани приложения. Имайте предвид, че това са само отправни точки – действителната оптимална стойност трябва да бъде потвърдена чрез стълбовиден тест.

Поддръжка и практически съвети

Дори ако намерите теоретично оптималното разфокусиране, резултатите пак ще бъдат лоши, ако дюзата е запушена с разпръснат метал, защитното стъкло е мръсно или газът е нечист. Препоръчва се всеки ден преди започване на работа да проверявате стъпката на дюзата за равнинност и да почиствате разпръснатия метал с медна четка. Винаги когато сменяте газа, проверете дали газовата тръба е суха и чиста – замърсяването с масло незабавно поврежда стъклото. Заменяйте или инспектирайте защитното стъкло на всеки 8–16 часа заваряване. Инсталирането на филтри и осушители към източника на газ значително удължава живота на дюзата и стъклото. Ако ръчната ви лазерна заваръчна пистолетна глава има стъпкана дюза, смело я плъзнете директно по обработваната повърхност – така е проектирана за работа. След това насочете усилията си към настройване на разфокусирането, избор на подходящия защитен газ и задаване на ъгъла на подаващата жица. Това са истинските фактори, които определят качеството и ефективността на заварката.

Не сте сигурни дали текущите ви настройки за дефокусиране са правилни? Нуждаете се от конкретни препоръчителни параметри за материали като алуминий, мед или оцинкован лист? Свържете се с Raysoar техническия екип. Предоставяме индивидуална поддръжка при конфигуриране и можем да спестим дни на проби и грешки.