01 Pappersöversikt
Inom området för laserbearbetning, särskilt vid svetsning med djup penetration, resulterar traditionella enstaka gaussiska strålar, även om de har hög energitäthet, ofta i alltför koncentrerad energifördelning, vilket lätt kan leda till defekter som nyckelhålsinstabilitet, stänk och porositet. För att lösa dessa problem har det akademiska samfundet föreslagit att använda Bessel-strålar eller ringformade strålar för att sprida energi, bland vilka lasrar med justerbar ringläge (ARM) har visat sig effektivt stabilisera den smälta poolen och undertrycka defekter. Befintliga sammansatta strållösningar möter dock vanligtvis problem som höga kostnader, fast brännvidd och begränsad justerbarhet av rumslig energidistribution. Till exempel kräver konventionella ringlasrar ofta att Gauss- och ringstrålen är på samma fokalplan, vilket inte kan möta de specifika behoven för olika fokalpositioner vid svetsning av tjocka plattor. För att övervinna dessa begränsningar föreslår den här studien en ny strålformningsmetod-Adjustable Focus Gaussian-Ring Mode (AFGRM) laser. Denna metod använder en låg-'enkel friformsspegel' för att omvandla en standard gaussisk laserkälla till en sammansatt stråle med olika brännvidder, justerbara effektförhållanden och ringradier, i syfte att uppnå svetsning av hög-kvalitet med både djup penetration och låga defekter.
02 Fulltextöversikt
Den här studien föreslår en innovativ strålformningsmetod, nämligen att konvertera en standard gaussisk laserkälla till en justerbar -fokus Gaussisk-ringlägeslaser (AFGRM) med oberoende justerbar brännvidd, effektförhållande och ringradie, genom att designa en anpassad enkel friformsytasspegel. Denna teknik uppnår på ett smart sätt rumslig separation och rekombination av strålen, vilket gör att den centrala gaussiska strålen kan anta ett negativt defokuseringstillstånd för att förbättra penetrationen, medan den yttre ringstrålen fokuserar på arbetsstyckets yta för att expandera och stabilisera den smälta poolen. Detta åtgärdar effektivt problem vid traditionell hög-djupsvetsning, där koncentrerad energi kan orsaka instabilitet i smältbassäng och porositetsdefekter. Svetsexperiment utförda på 16 mm tjocka SUS304 rostfria stålplåtar visade att jämfört med konventionella gaussiska lasrar med samma effekt, ökade AFGRM-lasern med ett optimalt effektförhållande (8:2) inte bara svetspenetrationen med 37,0 %, utan också minskade porositeten från 17,58 % till 0,24 %, vilket visar att denna teknik{13} är mycket tillförlitlig, lösning, har stor potential för att förbättra kvaliteten på tjockplåtssvetsning.
Figur 1 i diagramanalysen visar de simulerade resultaten av strålens utbredning efter formning av en enkel friformsspegel med ett effektförhållande på 8:4. Det visar att en enda friformsspegel kan forma lasern till en central stråle och en ringformad stråle och en -ringformad stråle och kan uppnå utveckling från separation till rekombination under fortplantningen, vilket bildar en sammansatt fläck i fokalområdet med en tydlig energifördelning och kontrollerbara proportioner. Detta resultat bekräftar effektiviteten hos detta strålformningssystem för att uppnå både liten punktstorlek och exakt kontroll av central-till-perifer energi.
Figur 1 Schematisk simulering av strålutbredning efter formning i AFGRM-systemet: (a) Övergripande laserutbredningsmönster (b) Strålmönster vid 297 mm: (b1)–(b2) Lasereffekttäthetsfördelning och 3D-visning vid 297 mm. (c) Strålmönster vid 300 mm: (c1)–(c2) Lasereffekttäthetsfördelning och 3D-visning vid 300 mm.
Figur 2 jämför tvärsnittsmorfologin för svetsar gjorda med AFGRM-kompositbalken och en konventionell Gaussisk balk. Resultaten visar att den traditionella gaussiska strålen bildar en typisk V--formad svets, där inträngningsdjupet ökar markant när den totala effekten ökar. Däremot producerar AFGRM-strålen en stabil "T--formad" svets, där penetrationsdjupet initialt ökar och sedan stabiliseras när kraften hos den ringformade strålen ökar, vilket uppnår maximal penetration vid ett effektförhållande på 8:2. Dessa resultat indikerar att AFGRM-strålen kan uppnå bättre djup-penetrationssvetsning genom att synergistiskt kontrollera svetsmorfologin och penetrationsdjupet genom central-ringformig energimodulering.
Figur 2 Jämförelse av svetssömsmorfologin mellan konventionell Gaussisk laser och AFGRM lasersvetsning
Figur 3 visar att den longitudinella tvärsnittsmorfologin intuitivt kan återspegla fördelningsegenskaperna för porer inuti svetsen. Jämfört med konventionella Gaussiska lasrar minskar AFGRM-lasrar avsevärt antalet porer i svetsen under samma Gaussiska lägeseffekt och totala effektförhållanden. Samtidigt visar andelen porer i konventionell Gaussisk lasersvetsning en nedåtgående trend i takt med att lasereffekten ökar, vilket främst beror på det förbättrade flödet av flytande metall i den smälta poolen. Införandet av ringformiga lasrar undertrycker ytterligare porbildning, vilket indikerar att de har en klar fördel när det gäller att förbättra den smälta poolens dynamik och villkoren för gasutsläpp.
04 Slutsats
Den här studien utvecklade framgångsrikt en ny stråleformningsmetod baserad på en enkel friformsspegel, vilket ger en effektiv och låg-kostnad för lasersvetsning med tjocka plattor. De huvudsakliga slutsatserna är följande: 1. Innovativ design: AFGRM-laserkonceptet föreslogs och validerades, vilket uppnådde rumslig separation av Gaussiska och ringformade lägen och -ringformade lägen och oberoende justering av brännvidden genom en enda reflektor. 2. Prestandaförbättring: Vid svetsning av 16 mm tjockt, speciellt rostfritt stål, förbättrade AFGRM-förhållandet 8:2 med laser. penetrationsdjup med 37,0 % och minskad porositet med 98,6 % jämfört med konventionella lasrar, vilket avsevärt förbättrar svetskvaliteten. 3. Tillämpningsutsikter: Denna teknik tar inte bara upp utmaningen att samtidigt uppnå djup penetration och hög kvalitet vid djup-penetrationssvetsning, utan dyr har också stor potential att ersätta industriell produktion och låga produktionskostnader på grund av ARM tolerans (30kW) för reflektorn.
