Pozycję ogniska wiązki lasera ustawia się względem powierzchni materiału i dobiera do jego grubości: przy blachach do 1 mm ognisko leży na powierzchni, przy 1–3 mm tuż pod nią, a powyżej 3 mm głębiej w materiale. To położenie steruje gęstością mocy, a przez nią trybem spawania, głębokością i szerokością spoiny.
Czym jest fokus lasera w spawaniu?
Fokus lasera to ognisko – punkt, w którym soczewka skupia wiązkę do najmniejszej średnicy, a więc do maksymalnej gęstości mocy. W spawaniu laserowym nie chodzi jednak o samo ognisko, lecz o jego położenie względem powierzchni materiału. To ono decyduje o głębokości wtopienia, szerokości spoiny i wielkości strefy wpływu ciepła.
Ognisko, pozycja ogniska, ogniskowa i plamka – czym się różnią?
- Ognisko (fokus) – punkt najmniejszej średnicy wiązki, o najwyższej gęstości mocy.
- Pozycja ogniska (focal position) – gdzie ognisko leży względem powierzchni materiału. Steruje głębokością wtopienia.
- Ogniskowa soczewki (focal length, w mm) – odległość soczewka → ognisko. Krótka daje małą plamkę, długa większą głębię ostrości.
- Rozmiar plamki (spot size, w µm) – średnica wiązki w ognisku. Wprost decyduje o gęstości mocy.
Dlaczego pozycja ogniska decyduje o jakości spoiny?
Ta sama moc lasera przy innym położeniu ogniska daje inny tryb spawania. Przesuwając ognisko, zmieniasz gęstość mocy w miejscu oddziaływania wiązki, a to ona rozstrzyga, czy materiał tylko się nadtapia, czy powstaje głęboki, wąski przetop. Dlatego „ustawianie fokusu” to w praktyce sterowanie gęstością mocy.
Tryb keyhole a tryb przewodnościowy – rola gęstości mocy
- Gęstość mocy poniżej ok. 10⁴–10⁵ W/cm² → tryb przewodnościowy (conduction): przetop płytki, szeroki i gładki. Sprawdza się przy cienkich blachach i estetycznych spoinach.
- Gęstość mocy powyżej ok. 10⁵–10⁶ W/cm² → tryb keyhole („dziurka od klucza”): przetop głęboki i wąski, z pełną penetracją grubszych elementów.
Efekt praktyczny: dobrze dobrana pozycja ogniska daje pełną penetrację, kontrolowaną szerokość spoiny i minimalną strefę wpływu ciepła (HAZ). Dobór położenia ogniska idzie w parze z prędkością – więcej o tym w tekście o prędkości spawania laserowego.
Jak ustawić fokus lasera według grubości materiału?
Grubość elementu wyznacza punkt wyjścia dla pozycji ogniska. Poniższa tabela porządkuje typowe ustawienia i ich efekt.
| Grubość materiału | Pozycja ogniska | Efekt |
|---|---|---|
| do 1 mm | na powierzchni lub lekko nad nią | brak przepaleń, kontrola płytkiego wtopu |
| 1–3 mm | tuż pod powierzchnią (defokusacja ujemna) | równomierna penetracja |
| powyżej 3 mm | głębiej w materiale | pełna penetracja, tryb keyhole |
Przykład konkretny: ognisko ustawione 0,2–0,5 mm pod powierzchnią blachy 2 mm zwiększa głębokość wtopienia w trybie keyhole przy zachowaniu wąskiej spoiny.
Jak dobrać pozycję ogniska do typu materiału?
Poza grubością znaczenie ma przewodność cieplna i wrażliwość materiału na temperaturę. Pozycję ogniska dostraja się osobno dla każdego stopu.
- Stal nierdzewna – ognisko na powierzchni lub tuż pod nią daje mocne, wąskie i wytrzymałe połączenie.
- Aluminium – z uwagi na wysoką przewodność cieplną ognisko ustawia się nieco głębiej, aby zapewnić pełną penetrację i ograniczyć porowatość.
- Tytan – ognisko na powierzchni i bardzo precyzyjnie, bo tytan jest wrażliwy na przegrzanie i utlenianie.
Do każdego z tych materiałów dobiera się też odpowiedni drut do spawania laserowego, który wpływa na wypełnienie i geometrię spoiny.
Defokusacja dodatnia i ujemna – kiedy którą stosować?
Ognisko nad powierzchnią to defokusacja dodatnia, a pod powierzchnią – defokusacja ujemna. W spawaniu najczęściej stosuje się lekko ujemną, z ogniskiem tuż pod powierzchnią, bo przesuwa maksimum gęstości mocy w głąb materiału i daje głębszy, stabilny przetop.
- Defokusacja dodatnia – szersza, płytsza spoina; przydatna przy cienkich blachach i wypełnianiu szczelin.
- Defokusacja ujemna – głębszy przetop, węższa spoina; do grubszych i pełnych połączeń.
Jaką ogniskową soczewki wybrać do spawania?
Ogniskowa soczewki skupiającej decyduje o rozmiarze plamki i głębi ostrości. Krótka ogniskowa koncentruje energię na małej plamce, długa daje większą tolerancję ustawienia. Dobór zależy od grubości materiału i wymaganej precyzji – dostępne warianty znajdziesz w kategorii soczewki skupiające.
| Ogniskowa | Plamka | Głębia ostrości | Zastosowanie |
|---|---|---|---|
| krótka (np. ~126 mm / 5″) | mała, wysoka gęstość mocy | mała | cienkie materiały, precyzyjne, wąskie spoiny |
| długa (np. ~254 mm / 10″) | większa | większa | grubsze materiały, głębszy przetop, większe spoiny |
Podane wartości to typowe ogniskowe z praktyki, nie norma – zawsze weryfikuj z konfiguracją konkretnej głowicy.
Jak sprawdzić, czy laser jest dobrze zogniskowany?
Ogniskowanie sprawdza się doświadczalnie, jeszcze przed właściwym spawaniem. Najprostsza jest metoda plamki.
Metoda plamki – krok po kroku.
- Zamocuj płytkę testową z tego samego materiału co element docelowy.
- Wypalaj krótkie ślady przy różnych odległościach głowicy od powierzchni.
- Znajdź odległość, przy której ślad jest najmniejszy – to pozycja ogniska zerowego, punkt odniesienia.
- Od tego punktu ustaw defokusację dodatnią lub ujemną według grubości materiału.
Dodatkowo wykonaj kilka spoin próbnych na skrawku i oceń penetrację. Nowocześniejsze głowice, jak w ręcznych spawarkach laserowych LSC ProWeld i AirWeld, mają automatyczną regulację ogniska, która dostraja fokus do zmiennej geometrii i grubości.
Praca z wiązką klasy 4 wymaga ochrony wzroku — dobierz okulary ochronne OD7+ dla 1064 nm przystosowane do spawania laserowego.
Najczęstsze błędy przy ustawianiu fokusu i ich skutki
- Ognisko za wysoko nad materiałem → zbyt niska gęstość mocy, płytka penetracja i słaba, niepełna spoina.
- Ognisko za głęboko lub zła gęstość mocy → przepalenia, rozpryski i uszkodzenia powierzchni.
- Niestabilna pozycja ogniska → nierówna szerokość spoiny, większy HAZ i odkształcenia elementu.
Zanim zdecydujesz się na konkretne urządzenie, warto poznać też wady i zalety spawania laserowego w kontekście Twoich materiałów i produkcji.
Podsumowanie
Fokus lasera w spawaniu to przede wszystkim pozycja ogniska względem powierzchni: ustawiana wg grubości (do 1 mm — na powierzchni, 1–3 mm — tuż pod, powyżej 3 mm — głębiej) i dostrajana do materiału. Steruje ona gęstością mocy, a więc trybem keyhole lub przewodnościowym, głębokością i szerokością spoiny. Pozycję sprawdzaj metodą plamki i spoinami próbnymi.
Szukasz urządzenia z automatyczną regulacją ogniska? Zobacz spawarki laserowe ProWeld i AirWeld.
Najczęściej zadawane pytania o ustawienia fokusu w spawaniu
Gdzie ustawić fokus lasera przy spawaniu cienkiej blachy?
Przy blasze do 1 mm ognisko ustawia się na powierzchni lub lekko nad nią. Ogranicza to gęstość mocy w głąb materiału, zapobiega przepaleniom i utrzymuje kontrolowany, płytki wtop.
Czym różni się defokusacja dodatnia od ujemnej?
Defokusacja dodatnia to ognisko nad powierzchnią (szersza, płytsza spoina), a ujemna to ognisko pod powierzchnią (głębszy, węższy przetop). W spawaniu zwykle stosuje się lekko ujemną.
Jak sprawdzić, czy wiązka lasera jest dobrze zogniskowana?
Metodą plamki: wypalaj ślady przy różnych odległościach głowicy i znajdź ten najmniejszy — to pozycja ogniska zerowego. Wynik potwierdź kilkoma spoinami próbnymi na skrawku materiału.
Dlaczego spoina jest za płytka mimo dużej mocy lasera?
Najczęściej ognisko jest ustawione zbyt wysoko nad materiałem. Gęstość mocy spada poniżej progu trybu keyhole, więc mimo wysokiej mocy penetracja pozostaje płytka. Obniż ognisko do lekko ujemnej defokusacji.
Jaka ogniskowa soczewki nadaje się do grubszych materiałów?
Do grubszych elementów lepsza jest dłuższa ogniskowa (np. ~254 mm / 10″). Daje większą plamkę i większą głębię ostrości, co ułatwia głęboki przetop i tolerancję ustawienia. Krótsze ogniskowe (np. ~126 mm) rezerwuje się dla cienkich, precyzyjnych spoin.
Czy fokus ustawia się inaczej dla aluminium niż dla stali nierdzewnej?
Tak. W aluminium, przez wysoką przewodność cieplną, ognisko ustawia się nieco głębiej dla pełnej penetracji i mniejszej porowatości. W stali nierdzewnej wystarczy ognisko na powierzchni lub tuż pod nią.
Czym różni się spawanie w trybie keyhole od przewodnościowego?
Tryb przewodnościowy (gęstość mocy ok. 10⁴–10⁵ W/cm²) daje płytki, szeroki i gładki przetop. Tryb keyhole (powyżej ok. 10⁵–10⁶ W/cm²) tworzy głęboki, wąski kanał i pełną penetrację grubszych elementów.
Źródła
- ScienceDirect Topics — Focal Position https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/focal-position ScienceDirectScienceDirect
- EWI.org — Conduction Mode vs. Keyhole Mode Laser Welding. https://ewi.org/conduction-mode-vs-keyhole-mode-laser-welding/ ScienceDirect
- Amada Weld Tech — Laser Welding Modes: Conduction, Transition & Keyhole. https://amadaweldtech.com/blog/laser-welding-modes-conduction-transition-keyhole-welding/ ScienceDirect
- Interaction time and beam diameter effects on the conduction mode limit (ScienceDirect, badanie recenzowane). https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0143816612000450 ScienceDirect
- Analysis of heat transfer and melt flow in conduction, transition, and keyhole modes for CW laser welding (ScienceDirect). https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350449521003686 Ffjournal
- IEC 60825-1:2014 — Safety of laser products – Part 1: Equipment classification and requirements. https://webstore.iec.ch/en/publication/3587
