01 Pregled rada
U području laserske obrade, posebno kod zavarivanja dubokim prodiranjem, tradicionalne pojedinačne Gaussove zrake, iako imaju visoku gustoću energije, često rezultiraju pretjerano koncentriranom distribucijom energije, što može lako dovesti do nedostataka kao što su nestabilnost ključanice, prskanje i poroznost. Kako bi se riješili ti problemi, akademska zajednica je predložila korištenje Besselovih zraka ili prstenastih zraka za raspršivanje energije, među kojima je dokazano da laseri s podesivim prstenastim načinom rada (ARM) učinkovito stabiliziraju rastaljeni bazen i potiskuju nedostatke. Međutim, postojeća rješenja kompozitnih zraka obično se suočavaju s problemima kao što su visoka cijena, fiksna žarišna duljina i ograničena prilagodljivost prostorne distribucije energije. Na primjer, konvencionalni prstenasti laseri često zahtijevaju da Gaussova i prstenasta zraka budu u istoj žarišnoj ravnini, što ne može zadovoljiti specifične potrebe za različitim žarišnim položajima kod zavarivanja debelih ploča. Kako bi se prevladala ta ograničenja, ova studija predlaže novu metodu oblikovanja snopa-laser s podesivim fokusom po Gaussovom-prstenastom načinu (AFGRM). Ova metoda koristi jeftino-'jedno ogledalo slobodnog oblika' za pretvaranje standardnog Gaussovog laserskog izvora u kompozitnu zraku s različitim žarišnim duljinama, podesivim omjerima snage i radijusima prstena, s ciljem postizanja visoko{8}}kvalitetnog zavarivanja s dubokim prodiranjem i malim nedostatcima.
02 Pregled cjelovitog teksta
Ova studija predlaže inovativnu metodu oblikovanja snopa, naime pretvaranje standardnog Gaussovog laserskog izvora u laser s podesivim-fokusom Gaussovog-prstenastog načina (AFGRM) s neovisno podesivom žarišnom duljinom, omjerom snage i radijusom prstena, dizajniranjem prilagođenog jednostrukog površinskog zrcala slobodnog oblika. Ovom tehnikom se pametno postiže prostorno odvajanje i rekombinacija snopa, dopuštajući središnjem Gaussovom snopu da usvoji negativno defokusno stanje kako bi se poboljšala penetracija, dok se vanjski prstenasti snop fokusira na površinu obratka kako bi se proširio i stabilizirao rastaljenu lonac. Time se učinkovito rješavaju problemi kod tradicionalnog -zavarivanja dubokim prodiranjem visoke snage, gdje koncentrirana energija može uzrokovati nestabilnost rastaljenog bazena i defekte poroznosti. Eksperimenti zavarivanja provedeni na pločama od nehrđajućeg čelika SUS304 debljine 16 mm pokazali su da, u usporedbi s konvencionalnim Gaussovim laserima iste snage, AFGRM laser s optimalnim omjerom snage (8:2) ne samo da je povećao prodiranje zavara za 37,0%, nego je također smanjio poroznost sa 17,58% na 0,24%, pokazujući da je ova tehnologija, kao niska-cijenovna i vrlo pouzdana rješenje, ima veliki potencijal za poboljšanje kvalitete zavarivanja dubokim prodiranjem debelih ploča.
Slika 1 u analizi dijagrama prikazuje simulirane rezultate širenja zrake nakon oblikovanja jednim slobodnim zrcalom s omjerom snage 8:4. Pokazuje da jedno ogledalo slobodnog oblika može oblikovati laser u središnju zraku i zraku u obliku prstena-, te može postići evoluciju od odvajanja do rekombinacije tijekom širenja, tvoreći kompozitnu točku u žarišnoj regiji s jasnom raspodjelom energije i kontroliranim proporcijama. Ovaj rezultat potvrđuje učinkovitost ovog sustava za oblikovanje snopa u postizanju male veličine točke i precizne kontrole središnje-do-periferne energije.
Slika 1. Shematska simulacija širenja snopa nakon oblikovanja u sustavu AFGRM: (a) Ukupni uzorak širenja lasera (b) Uzorak snopa na 297 mm: (b1)–(b2) Distribucija gustoće snage lasera i 3D prikaz na 297 mm. (c) Uzorak snopa na 300 mm: (c1)–(c2) Distribucija gustoće snage lasera i 3D prikaz na 300 mm.
Slika 2 uspoređuje morfologiju poprečnog-presjeka zavara izrađenih s AFGRM kompozitnom gredom i konvencionalnom Gaussovom gredom. Rezultati pokazuju da tradicionalna Gaussova zraka tvori tipičan zavar u obliku slova V-, pri čemu se dubina prodiranja značajno povećava kako se ukupna snaga povećava. Nasuprot tome, AFGRM greda proizvodi stabilan zavar u obliku slova "T-", pri čemu se dubina prodiranja u početku povećava, a zatim stabilizira kako se snaga prstenaste grede povećava, postižući maksimalno prodiranje pri omjeru snage 8:2. Ovi rezultati pokazuju da AFGRM zraka može postići bolje zavarivanje dubinskim-prodiranjem sinergijskim kontroliranjem morfologije zavara i dubine prodiranja putem centralno-prstenaste modulacije energije.
Slika 2 Usporedba morfologije zavarenog šava između konvencionalnog Gaussovog lasera i AFGRM laserskog zavarivanja
Slika 3 pokazuje da morfologija uzdužnog-presjeka može intuitivno odražavati karakteristike distribucije pora unutar zavara. U usporedbi s konvencionalnim Gaussovim laserima, AFGRM laseri značajno smanjuju broj pora u zavaru pod istim uvjetima Gaussove snage i ukupne snage. U međuvremenu, s povećanjem snage lasera, udio pora u konvencionalnom Gaussovom laserskom zavarivanju pokazuje silazni trend, koji se uglavnom pripisuje povećanom protoku tekućeg metala u rastaljenoj bazenu. Uvođenje prstenastih lasera dodatno suzbija stvaranje pora, što ukazuje da oni imaju jasnu prednost u poboljšanju dinamike rastaljenog bazena i uvjeta za izlazak plina.
04 Zaključak
Ova je studija uspješno razvila novu metodu-oblikovanja snopa koja se temelji na jednom slobodnom zrcalu, pružajući učinkovito i jeftino-rješenje za lasersko zavarivanje debelih ploča. Glavni zaključci su sljedeći: 1. Inovativni dizajn: AFGRM laserski koncept je predložen i potvrđen, čime se postiže prostorno odvajanje Gaussovih i prstenastih-modova i neovisno podešavanje žarišne duljine kroz jedan reflektor. 2. Poboljšanje performansi: U zavarivanju nehrđajućeg čelika debljine 16 mm, AFGRM laser (osobito sa snagom 8:2) omjer) poboljšana dubina prodiranja za 37,0% i smanjena poroznost za 98,6% u usporedbi s konvencionalnim laserima, značajno poboljšavajući kvalitetu zavarivanja. 3. Izgledi primjene: Ova tehnologija ne samo da se bavi izazovom istovremenog postizanja dubokog prodiranja i visoke kvalitete u zavarivanju dubokim prodiranjem-već također ima veliki potencijal da zamijeni skupe ARM lasere u industrijskoj proizvodnji zbog relativno niske cijene i visoke tolerancija snage (30kW) reflektora.
