01 Преглед на хартията
В областта на лазерната обработка, особено при заваряване с дълбоко проникване, традиционните единични гаусови лъчи, макар и с висока енергийна плътност, често водят до прекалено концентрирано разпределение на енергията, което лесно може да доведе до дефекти като нестабилност в ключалката, пръски и порьозност. За да се отговори на тези проблеми, академичната общност предложи да се използват лъчи на Бесел или пръстеновидни лъчи за разпръскване на енергия, сред които е доказано, че лазерите с регулируем пръстен (ARM) ефективно стабилизират разтопения басейн и потискат дефектите. Съществуващите решения за композитен лъч обаче обикновено се сблъскват с проблеми като висока цена, фиксирано фокусно разстояние и ограничена регулируемост на пространственото разпределение на енергията. Например, конвенционалните пръстеновидни лазери често изискват гаусовите и пръстеновидните лъчи да бъдат в една и съща фокална равнина, което не може да отговори на специфичните нужди за различни фокални позиции при заваряване на дебели пластини. За да се преодолеят тези ограничения, това проучване предлага нов метод за оформяне на лъча-лазер с регулируем фокус по Гаус-пръстен (AFGRM). Този метод използва евтино-„единично огледало със свободна форма“ за преобразуване на стандартен лазерен източник на Гаус в композитен лъч с различни фокусни разстояния, регулируеми съотношения на мощността и радиуси на пръстена, с цел постигане на високо-качествено заваряване както с дълбоко проникване, така и с ниски дефекти.
02 Преглед на пълния текст
Това проучване предлага иновативен метод за оформяне на лъча, а именно преобразуване на стандартен лазерен източник на Гаус в лазер с регулируем -фокус на Гаус-пръстенов режим (AFGRM) с независимо регулируемо фокусно разстояние, съотношение на мощност и радиус на пръстена, чрез проектиране на персонализирано единично повърхностно огледало със свободна форма. Тази техника интелигентно постига пространствено разделяне и рекомбинация на лъча, позволявайки на централния гаусов лъч да приеме състояние на отрицателно разфокусиране, за да подобри проникването, докато външният пръстеновиден лъч се фокусира върху повърхността на детайла, за да разшири и стабилизира разтопената вана. Това ефективно решава проблемите при традиционното високо-мощно заваряване с дълбоко проникване, където концентрираната енергия може да причини нестабилност на разтопената вана и дефекти на порьозността. Експериментите за заваряване, проведени върху плочи от неръждаема стомана SUS304 с дебелина 16 mm, показаха, че в сравнение с конвенционалните гаусови лазери със същата мощност, лазерът AFGRM с оптимално съотношение на мощността (8:2) не само увеличи проникването на заваръчния шев с 37,0%, но също така намали порьозността от 17,58% на 0,24%, демонстрирайки, че тази технология, като ниска -цена и много надеждна решение, има голям потенциал за подобряване на качеството на заваряване с дълбоко проникване на дебела плоча.
Фигура 1 в диаграмния анализ показва симулираните резултати от разпространението на лъча след оформяне от едно огледало със свободна форма със съотношение на мощността 8:4. То демонстрира, че едно огледало със свободна форма може да оформи лазера в централен лъч и пръстеновиден лъч и може да постигне еволюция от разделяне към рекомбинация по време на разпространение, образувайки съставно петно във фокусната област с ясно разпределение на енергията и контролируеми пропорции. Този резултат потвърждава ефективността на тази система за оформяне на лъча при постигане както на малък размер на петна, така и на прецизен контрол на централната-към-периферна енергия.
Фигура 1 Схематична симулация на разпространение на лъча след оформяне в системата AFGRM: (a) Цялостен модел на лазерно разпространение (b) Модел на лъч при 297 mm: (b1)–(b2) Разпределение на плътността на мощността на лазера и 3D дисплей при 297 mm. (c) Модел на лъча при 300 mm: (c1)–(c2) Разпределение на плътността на мощността на лазера и 3D дисплей при 300 mm.
Фигура 2 сравнява морфологията на напречното{1}}сечение на заварки, направени с AFGRM композитна греда и конвенционална гаусова греда. Резултатите показват, че традиционният гаусов лъч образува типичен V-образен заваръчен шев, като дълбочината на проникване се увеличава значително с увеличаване на общата мощност. За разлика от това, AFGRM лъчът произвежда стабилна "T-образна" заварка, като дълбочината на проникване първоначално се увеличава и след това се стабилизира с увеличаване на мощността на пръстеновидния лъч, постигайки максимално проникване при съотношение на мощност 8:2. Тези резултати показват, че лъчът AFGRM може да постигне по-добро-заваряване с дълбоко проникване чрез синергично контролиране на морфологията на заваръчния шев и дълбочината на проникване чрез централно-пръстенообразна енергийна модулация.
Фигура 2 Сравнение на морфологията на заваръчния шев между конвенционален Гаус лазер и AFGRM лазерно заваряване
Фигура 3 показва, че морфологията на надлъжното напречно-сечение може интуитивно да отразява характеристиките на разпределението на порите вътре в заваръчния шев. В сравнение с конвенционалните гаусови лазери, AFGRM лазерите значително намаляват броя на порите в заваръчния шев при същите гаусови условия на мощност и обща мощност. Междувременно, с увеличаването на мощността на лазера, делът на порите при конвенционалното гаусово лазерно заваряване показва низходяща тенденция, която се дължи главно на увеличения поток от течен метал в басейна с разтопена маса. Въвеждането на пръстеновидни лазери допълнително потиска образуването на пори, което показва, че те имат ясно предимство при подобряване на динамиката на разтопения басейн и условията за изтичане на газ.
04 Заключение
Това проучване успешно разработи нов метод-за оформяне на лъч, базиран на едно огледало със свободна форма, предоставяйки ефективно и-разходно решение за лазерно заваряване на дебели пластини. Основните заключения са следните: 1. Иновативен дизайн: Лазерната концепция AFGRM беше предложена и утвърдена, постигайки пространствено разделяне на гаусови и пръстеновидни модове и независимо регулиране на фокусното разстояние чрез един рефлектор. 2. Подобряване на производителността: При заваряване на неръждаема стомана с дебелина 16 мм, лазерът AFGRM (особено с мощност 8:2) съотношение) подобрена дълбочина на проникване с 37,0% и намалена порьозност с 98,6% в сравнение с конвенционалните лазери, което значително повишава качеството на заваряване. 3. Перспективи за приложение: Тази технология не само се справя с предизвикателството за едновременно постигане на дълбоко проникване и високо качество при заваряване с дълбоко{12}}проникване, но също така има голям потенциал да замени скъпите ARM лазери в индустриалното производство поради относително ниската цена и високата допустима мощност (30kW) на рефлектора.
