01 Informació general del paper
En el camp del processament làser, especialment en la soldadura de penetració profunda, els feixos gaussians tradicionals únics, encara que tenen una gran densitat d'energia, sovint donen lloc a una distribució d'energia massa concentrada, que pot provocar fàcilment defectes com ara inestabilitat, esquitxades i porositat. Per abordar aquests problemes, la comunitat acadèmica ha proposat utilitzar feixos Bessel o feixos anulars per dispersar energia, entre els quals s'ha demostrat que els làsers de mode d'anell ajustable (ARM) estabilitzen eficaçment la piscina fosa i suprimeixen defectes. Tanmateix, les solucions de feix compost existents solen enfrontar-se a problemes com ara un cost elevat, una distància focal fixa i una capacitat d'ajustament limitada de la distribució d'energia espacial. Per exemple, els làsers d'anell convencionals sovint requereixen que els feixos gaussians i d'anell estiguin al mateix pla focal, cosa que no pot satisfer les necessitats específiques de diferents posicions focals en la soldadura de plaques gruixudes. Per superar aquestes limitacions, aquest estudi proposa un nou mètode de conformació del feix làser -Focus Gaussià ajustable-Mode d'anell (AFGRM). Aquest mètode utilitza un "mirall de forma lliure únic" de baix cost per convertir una font làser gaussiana estàndard en un feix compost amb diferents distàncies focals, relacions de potència ajustables i radis d'anell, amb l'objectiu d'aconseguir una soldadura d'alta-qualitat amb una penetració profunda i defectes baixos.
02 Visió general del text complet
Aquest estudi proposa un mètode innovador de conformació del feix, és a dir, convertir una font làser gaussià estàndard en un làser de mode d'anell -focus gaussià- ajustable (AFGRM) amb distància focal, relació de potència i radi d'anell ajustables de manera independent, mitjançant el disseny d'un mirall de superfície de forma lliure personalitzat. Aquesta tècnica aconsegueix de manera intel·ligent la separació espacial i la recombinació del feix, permetent que el feix gaussià central adopti un estat de desenfocament negatiu per millorar la penetració, mentre que el feix de l'anell exterior se centra a la superfície de la peça per expandir i estabilitzar la piscina fosa. Això soluciona eficaçment els problemes de la soldadura tradicional de penetració profunda d'alta-potència, on l'energia concentrada pot provocar inestabilitat de la piscina fosa i defectes de porositat. Els experiments de soldadura realitzats en plaques d'acer inoxidable SUS304 de 16 mm de gruix van demostrar que, en comparació amb els làsers gaussians convencionals de la mateixa potència, el làser AFGRM amb una relació de potència òptima (8:2) no només va augmentar la penetració de la soldadura en un 37,0%, sinó que també va reduir la porositat del 17,58% al 0,24%, demostrant que aquesta tecnologia és altament fiable i fiable. solució, té un gran potencial per millorar la qualitat de la soldadura de penetració profunda de placa gruixuda.
La figura 1 de l'anàlisi del diagrama mostra els resultats simulats de la propagació del feix després de la conformació mitjançant un únic mirall de forma lliure amb una relació de potència de 8:4. Demostra que un sol mirall de forma lliure pot donar forma al làser en un feix central i un feix en forma d'anell-, i pot aconseguir l'evolució de la separació a la recombinació durant la propagació, formant un punt compost a la regió focal amb una distribució d'energia clara i proporcions controlables. Aquest resultat valida l'eficàcia d'aquest sistema de conformació del feix a l'hora d'aconseguir tant una petita mida de punt com un control precís de l'energia central-a-perifèrica.
Figura 1 Simulació esquemàtica de la propagació del feix després de la conformació al sistema AFGRM: (a) Patró de propagació del làser global (b) Patró del feix a 297 mm: (b1) – (b2) Distribució de la densitat de potència del làser i visualització 3D a 297 mm. (c) Patró del feix a 300 mm: (c1)–(c2) Distribució de la densitat de potència del làser i visualització 3D a 300 mm.
La figura 2 compara la morfologia de la secció transversal-de les soldadures fetes amb el feix compost AFGRM i un feix gaussià convencional. Els resultats mostren que el feix gaussià tradicional forma una soldadura típica en forma de V-, amb la profunditat de penetració augmentant significativament a mesura que augmenta la potència total. En canvi, el feix AFGRM produeix una soldadura estable "en forma de T-, amb la profunditat de penetració inicialment augmentant i després estabilitzant-se a mesura que augmenta la potència del feix anular, aconseguint la màxima penetració amb una relació de potència de 8:2. Aquests resultats indiquen que el feix AFGRM pot aconseguir una millor soldadura de penetració profunda-controlant de manera sinèrgica la morfologia de la soldadura i la profunditat de penetració mitjançant la modulació d'energia central anular.
Figura 2 Comparació de la morfologia de la soldadura entre el làser gaussià convencional i el làser AFGRM
La figura 3 mostra que la morfologia de la secció transversal longitudinal -pode reflectir de manera intuïtiva les característiques de distribució dels porus dins de la soldadura. En comparació amb els làsers gaussians convencionals, els làsers AFGRM redueixen significativament el nombre de porus de la soldadura sota la mateixa potència en mode gaussià i condicions de potència total. Mentrestant, amb l'augment de la potència del làser, la proporció de porus en la soldadura làser gaussiana convencional mostra una tendència a la baixa, que s'atribueix principalment al flux millorat de metall líquid a la piscina fosa. La introducció de làsers anulars suprimeix encara més la formació de porus, cosa que indica que tenen un clar avantatge a l'hora de millorar la dinàmica de la piscina fosa i les condicions per a l'escapada del gas.
04 Conclusió
Aquest estudi va desenvolupar amb èxit un nou mètode-de conformació de feix basat en un únic mirall de forma lliure, que proporciona una solució eficient i de baix-cost per a la soldadura làser de plaques gruixudes. Les principals conclusions són les següents: 1. Disseny innovador: es va proposar i validar el concepte làser AFGRM, aconseguint la separació espacial dels modes gaussià i en forma d'anell-i un ajust independent de la distància focal mitjançant un únic reflector. 2. Millora del rendiment: en la soldadura d'acer inoxidable de 16 mm de gruix, la proporció de penetració especial d'acer inoxidable AFG 8 millora (acer inoxidable especial AFG) profunditat en un 37,0% i reducció de la porositat en un 98,6% en comparació amb els làsers convencionals, millorant significativament la qualitat de la soldadura. 3. Perspectives d'aplicació: aquesta tecnologia no només aborda el repte d'aconseguir simultàniament una penetració profunda i una alta qualitat en la soldadura de penetració profunda-, sinó que també té un gran potencial per substituir els làsers de baixa tolerància industrial i un cost de producció relativament baix. (30kW) del reflector.
