01 Papieroverzicht
Op het gebied van laserbewerking, vooral bij lassen met diepe penetratie, resulteren traditionele enkele Gauss-bundels, hoewel ze een hoge energiedichtheid hebben, vaak in een te geconcentreerde energieverdeling, wat gemakkelijk kan leiden tot defecten zoals instabiliteit van het sleutelgat, spatten en porositeit. Om deze problemen aan te pakken heeft de academische gemeenschap voorgesteld om Bessel-bundels of ringvormige bundels te gebruiken om energie te verspreiden, waarbij is bewezen dat verstelbare ringmodus-lasers (ARM-lasers) het gesmolten bad effectief stabiliseren en defecten onderdrukken. Bestaande oplossingen voor samengestelde bundels worden echter doorgaans geconfronteerd met problemen zoals hoge kosten, vaste brandpuntsafstand en beperkte aanpasbaarheid van de ruimtelijke energieverdeling. Conventionele ringlasers vereisen bijvoorbeeld vaak dat de Gauss- en ringbundels zich op hetzelfde brandpuntsvlak bevinden, wat niet kan voldoen aan de specifieke behoeften voor verschillende brandpuntsposities bij het lassen van dikke platen. Om deze beperkingen te overwinnen, stelt deze studie een nieuwe laser voor straalvormingsmethode-Gaussiaanse-Ring Mode (AFGRM)-laser met instelbare focus voor. Deze methode maakt gebruik van een goedkope-'single freeform mirror' om een standaard Gaussiaanse laserbron om te zetten in een samengestelde straal met verschillende brandpuntsafstanden, instelbare vermogensverhoudingen en ringradii, met als doel het bereiken van hoge- laskwaliteit met zowel diepe penetratie als weinig defecten.
02 Volledig tekstoverzicht
Deze studie stelt een innovatieve methode voor straalvorming voor, namelijk het omzetten van een standaard Gauss-laserbron in een verstelbare-Gaussiaanse-ringmoduslaser (AFGRM) met onafhankelijk instelbare brandpuntsafstand, vermogensverhouding en ringradius, door het ontwerpen van een op maat gemaakte enkele vrije-vorm-oppervlaktespiegel. Deze techniek zorgt op slimme wijze voor een ruimtelijke scheiding en recombinatie van de straal, waardoor de centrale Gauss-straal een negatieve defocusstatus kan aannemen om de penetratie te verbeteren, terwijl de buitenste ringstraal zich concentreert op het werkstukoppervlak om het gesmolten zwembad uit te zetten en te stabiliseren. Hiermee worden problemen bij traditioneel hoog-lassen met diepe penetratie effectief aangepakt, waarbij geconcentreerde energie instabiliteit van het smeltbad en porositeitsdefecten kan veroorzaken. Lasexperimenten uitgevoerd op 16 mm dikke SUS304 roestvrijstalen platen toonden aan dat, vergeleken met conventionele Gaussiaanse lasers met hetzelfde vermogen, de AFGRM-laser met een optimale vermogensverhouding (8:2) niet alleen de laspenetratie met 37,0% verhoogde, maar ook de porositeit verlaagde van 17,58% naar 0,24%, wat aantoont dat deze technologie, als een goedkope en uiterst betrouwbare oplossing, een groot potentieel heeft voor het verbeteren van de kwaliteit van dikke plaat lassen met diepe penetratie.
Figuur 1 in de diagramanalyse toont de gesimuleerde resultaten van de bundelvoortplanting na vorming door een enkele vrije-vormspiegel met een vermogensverhouding van 8:4. Het laat zien dat een enkele spiegel met vrije vorm de laser kan vormen tot een centrale straal en een ring{3}}vormige straal, en tijdens de voortplanting een evolutie kan bewerkstelligen van scheiding naar recombinatie, waarbij een samengestelde vlek in het brandpuntsgebied wordt gevormd met een duidelijke energieverdeling en regelbare verhoudingen. Dit resultaat valideert de effectiviteit van dit systeem voor bundelvorming bij het bereiken van zowel een kleine vlekgrootte als nauwkeurige controle van centrale-tot-perifere energie.
Figuur 1 Schematische simulatie van bundelvoortplanting na vormgeving in het AFGRM-systeem: (a) Algemeen laservoortplantingspatroon (b) Straalpatroon op 297 mm: (b1) – (b2) Verdeling van laservermogensdichtheid en 3D-weergave op 297 mm. (c) Straalpatroon op 300 mm: (c1)–(c2) Distributie van laservermogensdichtheid en 3D-weergave op 300 mm.
Figuur 2 vergelijkt de dwarsdoorsnedemorfologie van lassen gemaakt met de AFGRM-composietligger en een conventionele Gaussiaanse ligger. De resultaten laten zien dat de traditionele Gauss-balk een typische V--vormige las vormt, waarbij de penetratiediepte aanzienlijk toeneemt naarmate het totale vermogen toeneemt. De AFGRM-balk produceert daarentegen een stabiele "T--vormige" las, waarbij de indringdiepte aanvankelijk toeneemt en vervolgens stabiliseert naarmate het vermogen van de ringvormige balk toeneemt, waardoor maximale penetratie wordt bereikt bij een vermogensverhouding van 8:2. Deze resultaten geven aan dat de AFGRM-balk beter diep- penetratielassen kan bereiken door synergetisch de lasmorfologie en penetratiediepte te regelen via centraal-ringvormige energiemodulatie.
Figuur 2 Vergelijking van de lasnaadmorfologie tussen conventioneel Gauss-laser- en AFGRM-laserlassen
Figuur 3 laat zien dat de morfologie van de longitudinale dwarsdoorsnede- intuïtief de verdelingskarakteristieken van de poriën in de las kan weerspiegelen. Vergeleken met conventionele Gauss-lasers verminderen AFGRM-lasers het aantal poriën in de las aanzienlijk onder hetzelfde Gauss-modusvermogen en hetzelfde totale vermogen. Ondertussen vertoont het poriënaandeel bij conventioneel Gaussiaans laserlassen met de toename van het laservermogen een neerwaartse trend, die voornamelijk wordt toegeschreven aan de verbeterde stroom van vloeibaar metaal in het gesmolten bad. De introductie van ringvormige lasers onderdrukt de vorming van poriën verder, wat aangeeft dat ze een duidelijk voordeel hebben bij het verbeteren van de dynamiek van het gesmolten zwembad en de omstandigheden voor gasontsnapping.
04 Conclusie
In dit onderzoek is met succes een nieuwe -methode voor het vormgeven van de straal ontwikkeld, gebaseerd op een enkele freeform-spiegel, die een efficiënte en goedkope- oplossing biedt voor het laserlassen van dikke platen. De belangrijkste conclusies zijn als volgt: 1. Innovatief ontwerp: Het AFGRM-laserconcept werd voorgesteld en gevalideerd, waardoor een ruimtelijke scheiding van Gauss- en ring-vormige modi en onafhankelijke aanpassing van de brandpuntsafstand werd bereikt via een enkele reflector. 2. Prestatieverbetering: Bij het lassen van 16 mm dik roestvrij staal verbeterde de AFGRM-laser (vooral met een vermogensverhouding van 8:2) de penetratiediepte met 37,0% en verminderde de porositeit met 98,6% vergeleken met conventionele lasers, die de laskwaliteit aanzienlijk verbeteren. 3. Toepassingsvooruitzichten: deze technologie gaat niet alleen de uitdaging aan van het tegelijkertijd bereiken van diepe penetratie en hoge kwaliteit bij diep-penetratielassen, maar heeft ook een groot potentieel om dure ARM-lasers in industriële productie te vervangen vanwege de relatief lage kosten en hoge vermogenstolerantie (30 kW) van de reflector.
