01 Prehľad papiera
V oblasti laserového spracovania, najmä pri zváraní s hlbokým prienikom, tradičné jednotlivé Gaussove lúče, hoci majú vysokú hustotu energie, často vedú k príliš koncentrovanej distribúcii energie, čo môže ľahko viesť k poruchám, ako je nestabilita kľúčovej dierky, rozstrekovanie a pórovitosť. Na vyriešenie týchto problémov akademická obec navrhla použitie Besselových lúčov alebo prstencových lúčov na rozptýlenie energie, medzi ktorými sa preukázalo, že lasery s nastaviteľným prstencovým režimom (ARM) účinne stabilizujú roztavený bazén a potláčajú defekty. Existujúce riešenia kompozitných lúčov však zvyčajne čelia problémom, ako sú vysoké náklady, pevná ohnisková vzdialenosť a obmedzená nastaviteľnosť priestorovej distribúcie energie. Napríklad konvenčné prstencové lasery často vyžadujú, aby gaussovské a prstencové lúče boli v rovnakej ohniskovej rovine, čo nemôže spĺňať špecifické potreby rôznych ohniskových polôh pri zváraní hrubých plechov. Na prekonanie týchto obmedzení táto štúdia navrhuje novú metódu tvarovania lúča-laser s nastaviteľným zaostrením v Gaussovom-prstencovom režime (AFGRM). Táto metóda využíva lacné-jednotné zrkadlo voľného tvaru na konverziu štandardného gaussovského laserového zdroja na kompozitný lúč s rôznymi ohniskovými vzdialenosťami, nastaviteľnými pomermi výkonu a kruhovými polomermi, s cieľom dosiahnuť vysoko-kvalitné zváranie s hlbokým prienikom a nízkymi chybami.
02 Prehľad v plnom znení
Táto štúdia navrhuje inovatívnu metódu tvarovania lúča, konkrétne premenu štandardného gaussovského laserového zdroja na nastaviteľný laser s -fokusovým gaussovským-prstencovým režimom (AFGRM) s nezávisle nastaviteľnou ohniskovou vzdialenosťou, pomerom výkonu a polomerom prstenca, a to navrhnutím prispôsobeného jednoduchého povrchového zrkadla voľného tvaru. Táto technika šikovne dosahuje priestorové oddelenie a rekombináciu lúča, čo umožňuje centrálnemu gaussovskému lúču prijať negatívny stav rozostrenia na zvýšenie penetrácie, zatiaľ čo vonkajší prstencový lúč sa zameriava na povrch obrobku, aby expandoval a stabilizoval roztavený kúpeľ. Toto efektívne rieši problémy tradičného vysokovýkonného zvárania s hlbokým prienikom, kde koncentrovaná energia môže spôsobiť nestabilitu roztaveného bazéna a defekty pórovitosti. Zváracie experimenty vykonané na doskách z nehrdzavejúcej ocele SUS304 s hrúbkou 16 mm ukázali, že v porovnaní s konvenčnými gaussovskými lasermi rovnakého výkonu laser AFGRM s optimálnym pomerom výkonu (8:2) nielen zvýšil penetráciu zvaru o 37,0 %, ale tiež výrazne znížil pórovitosť zo 17,58 % na 0,24 %, čo dokazuje, že táto technológia má nízke{1} spoľahlivé a spoľahlivé riešenie. zlepšenie kvality zvárania s hlbokým prienikom hrubých plechov.
Obrázok 1 v analýze diagramu ukazuje simulované výsledky šírenia lúča po tvarovaní jedným zrkadlom voľného tvaru s pomerom výkonu 8:4. Ukazuje, že jediné zrkadlo voľného tvaru môže tvarovať laser do centrálneho lúča a lúča v tvare prstenca a môže dosiahnuť evolúciu od separácie po rekombináciu počas šírenia, čím sa vytvorí zložená škvrna v ohniskovej oblasti s jasnou distribúciou energie a ovládateľnými proporciami. Tento výsledok potvrdzuje účinnosť tohto systému tvarovania lúča pri dosahovaní malej veľkosti bodu a presného riadenia centrálnej-k-periférnej energie.
Obrázok 1 Schematická simulácia šírenia lúča po tvarovaní v systéme AFGRM: (a) Celkový obrazec šírenia lasera (b) Vzor lúča pri 297 mm: (b1)–(b2) Rozloženie hustoty výkonu lasera a 3D zobrazenie pri 297 mm. (c) Vzor lúča pri 300 mm: (c1)–(c2) Rozloženie hustoty výkonu lasera a 3D zobrazenie pri 300 mm.
Obrázok 2 porovnáva morfológiu prierezu zvarov vytvorených pomocou kompozitného nosníka AFGRM a konvenčného Gaussovho nosníka. Výsledky ukazujú, že tradičný Gaussov lúč tvorí typický zvar v tvare V-, pričom hĺbka prieniku sa výrazne zvyšuje so zvyšujúcim sa celkovým výkonom. Na rozdiel od toho lúč AFGRM vytvára stabilný zvar v tvare "T-", pričom hĺbka prieniku sa spočiatku zvyšuje a potom sa stabilizuje, keď sa výkon prstencového lúča zvyšuje, čím sa dosahuje maximálny prienik pri pomere výkonu 8:2. Tieto výsledky naznačujú, že lúč AFGRM môže dosiahnuť lepšiu hĺbkovú-penetráciu zvárania synergickým riadením morfológie zvaru a hĺbky prieniku prostredníctvom centrálno-prstencovej modulácie energie.
Obrázok 2 Porovnanie morfológie zvarového švu medzi konvenčným Gaussovým laserom a AFGRM laserovým zváraním
Obrázok 3 ukazuje, že morfológia pozdĺžneho-rezu môže intuitívne odrážať distribučné charakteristiky pórov vo vnútri zvaru. V porovnaní s konvenčnými gaussovskými lasermi lasery AFGRM výrazne znižujú počet pórov vo zvare pri rovnakom výkone v gaussovom režime a celkovom výkone. Medzitým, so zvyšujúcim sa výkonom lasera, podiel pórov v konvenčnom Gaussovom laserovom zváraní vykazuje klesajúci trend, ktorý sa pripisuje najmä zvýšenému toku tekutého kovu v roztavenom kúpeli. Zavedenie prstencových laserov ďalej potláča tvorbu pórov, čo naznačuje, že majú jasnú výhodu pri zlepšovaní dynamiky roztaveného kúpeľa a podmienok pre únik plynu.
04 Záver
Táto štúdia úspešne vyvinula novú metódu-tvarovania lúča založenú na jedinom zrkadle voľného tvaru, ktorá poskytuje efektívne a{1}}lacné riešenie pre laserové zváranie hrubých plechov. Hlavné závery sú nasledovné: 1. Inovatívny dizajn: Koncepcia lasera AFGRM bola navrhnutá a overená, dosahujúca priestorové oddelenie gaussovských a prstencových-režimov a nezávislé nastavenie ohniskovej vzdialenosti pomocou jediného reflektora. 2. Zlepšenie výkonu: Pri zváraní 16 mm hrubej nehrdzavejúcej ocele laser AFGRM znížil (najmä s pomerom poros 37) hĺbku prieniku o výkon 8:0 %. 98,6 % v porovnaní s konvenčnými lasermi, čo výrazne zvyšuje kvalitu zvárania. 3. Aplikačné vyhliadky: Táto technológia nielenže rieši problém súčasného dosiahnutia hlbokej penetrácie a vysokej kvality pri hlbokej penetrácii, ale má tiež veľký potenciál nahradiť drahé lasery ARM v priemyselnej výrobe vďaka relatívne nízkej cene a vysokej tolerancii výkonu (30 kW) reflektora.
