01 Panoramica della carta
Nel campo della lavorazione laser, in particolare nella saldatura a penetrazione profonda, i tradizionali raggi gaussiani singoli, sebbene ad alta densità di energia, spesso determinano una distribuzione di energia eccessivamente concentrata, che può facilmente portare a difetti come instabilità del buco della serratura, spruzzi e porosità. Per affrontare questi problemi, la comunità accademica ha proposto di utilizzare fasci di Bessel o fasci anulari per disperdere energia, tra cui i laser in modalità anello regolabile (ARM) che hanno dimostrato di stabilizzare efficacemente il bagno di fusione e sopprimere i difetti. Tuttavia, le soluzioni esistenti con travi composite di solito affrontano problemi quali costi elevati, lunghezza focale fissa e regolabilità limitata della distribuzione spaziale dell’energia. Ad esempio, i laser ad anello convenzionali spesso richiedono che i raggi gaussiano e anulare si trovino sullo stesso piano focale, il che non può soddisfare le esigenze specifiche di diverse posizioni focali nella saldatura di lamiere spesse. Per superare queste limitazioni, questo studio propone un nuovo metodo di modellazione del fascio laser-Gaussiano con messa a fuoco regolabile-Modalità ad anello (AFGRM). Questo metodo utilizza un "specchio singolo a forma libera" a basso-costo per convertire una sorgente laser gaussiana standard in un raggio composito con diverse lunghezze focali, rapporti di potenza regolabili e raggi dell'anello, con l'obiettivo di ottenere una saldatura di alta-qualità con penetrazione profonda e difetti ridotti.
02 Panoramica del testo completo
Questo studio propone un metodo innovativo di modellazione del fascio, vale a dire la conversione di una sorgente laser gaussiana standard in un laser AFGRM con-fuoco gaussiano-modalità anello regolabile con lunghezza focale, rapporto di potenza e raggio dell'anello regolabili in modo indipendente, progettando un singolo specchio personalizzato con superficie a forma libera. Questa tecnica ottiene abilmente la separazione spaziale e la ricombinazione del fascio, consentendo al fascio gaussiano centrale di adottare uno stato di defocalizzazione negativo per migliorare la penetrazione, mentre il fascio dell'anello esterno si concentra sulla superficie del pezzo per espandere e stabilizzare il bagno di fusione. Ciò risolve efficacemente i problemi della tradizionale saldatura a penetrazione profonda ad alta-potenza, in cui l'energia concentrata può causare instabilità del bagno fuso e difetti di porosità. Esperimenti di saldatura condotti su piastre di acciaio inossidabile SUS304 di 16 mm di spessore hanno dimostrato che, rispetto ai laser gaussiani convenzionali della stessa potenza, il laser AFGRM con un rapporto di potenza ottimale (8:2) non solo ha aumentato la penetrazione della saldatura del 37,0%, ma ha anche ridotto la porosità dal 17,58% allo 0,24%, dimostrando che questa tecnologia, essendo una soluzione a basso costo e altamente affidabile, ha un grande potenziale per migliorare la qualità delle piastre spesse saldatura a penetrazione profonda.
La Figura 1 nell'analisi del diagramma mostra i risultati simulati della propagazione del raggio dopo la modellazione da parte di un singolo specchio a forma libera con un rapporto di potenza di 8:4. Dimostra che un singolo specchio a forma libera può modellare il laser in un raggio centrale e un raggio a forma di anello- e può raggiungere l'evoluzione dalla separazione alla ricombinazione durante la propagazione, formando un punto composito nella regione focale con una chiara distribuzione di energia e proporzioni controllabili. Questo risultato conferma l'efficacia di questo sistema di modellazione del fascio nel raggiungere sia dimensioni ridotte dello spot che un controllo preciso dell'energia dal centro-a-periferico.
Figura 1 Simulazione schematica della propagazione del raggio dopo la modellatura nel sistema AFGRM: (a) Schema complessivo di propagazione del laser (b) Schema del raggio a 297 mm: (b1)–(b2) Distribuzione della densità di potenza del laser e visualizzazione 3D a 297 mm. (c) Schema del raggio a 300 mm: (c1)–(c2) Distribuzione della densità di potenza del laser e visualizzazione 3D a 300 mm.
La Figura 2 confronta la morfologia della sezione trasversale- delle saldature realizzate con la trave composita AFGRM e una trave gaussiana convenzionale. I risultati mostrano che il tradizionale raggio gaussiano forma una tipica saldatura a forma di V-, con la profondità di penetrazione che aumenta significativamente all'aumentare della potenza totale. Al contrario, il fascio AFGRM produce una saldatura stabile a "forma di T-", con la profondità di penetrazione inizialmente crescente e poi stabilizzante all'aumentare della potenza del fascio anulare, raggiungendo la massima penetrazione con un rapporto di potenza 8:2. Questi risultati indicano che il fascio AFGRM può ottenere una migliore saldatura a penetrazione profonda-controllando sinergicamente la morfologia della saldatura e la profondità di penetrazione attraverso la modulazione dell'energia centrale-anulare.
Figura 2 Confronto della morfologia del cordone di saldatura tra la saldatura laser gaussiana convenzionale e la saldatura laser AFGRM
La Figura 3 mostra che la morfologia della sezione trasversale longitudinale-può riflettere intuitivamente le caratteristiche di distribuzione dei pori all'interno della saldatura. Rispetto ai laser gaussiani convenzionali, i laser AFGRM riducono significativamente il numero di pori nella saldatura a parità di potenza in modalità gaussiana e condizioni di potenza totale. Nel frattempo, con l’aumento della potenza del laser, la percentuale di pori nella saldatura laser gaussiana convenzionale mostra una tendenza al ribasso, attribuita principalmente al maggiore flusso di metallo liquido nel bagno fuso. L’introduzione dei laser anulari sopprime ulteriormente la formazione dei pori, indicando che essi hanno un chiaro vantaggio nel migliorare la dinamica del bagno fuso e le condizioni per la fuga del gas.
04 Conclusione
Questo studio ha sviluppato con successo un nuovo metodo di modellazione del fascio-basato su un singolo specchio a forma libera, fornendo una soluzione efficiente e a basso-costo per la saldatura laser di lamiere spesse. Le principali conclusioni sono le seguenti: 1. Design innovativo: il concetto di laser AFGRM è stato proposto e convalidato, ottenendo la separazione spaziale delle modalità gaussiana e anulare- e la regolazione indipendente della lunghezza focale attraverso un singolo riflettore. 2. Miglioramento delle prestazioni: nella saldatura di acciaio inossidabile di 16 mm di spessore, il laser AFGRM (in particolare con un rapporto di potenza 8:2) ha migliorato la profondità di penetrazione del 37,0% e ridotto la porosità del 98,6% rispetto ai laser convenzionali, migliorando significativamente la qualità della saldatura. 3. Prospettive applicative: questa tecnologia non solo affronta la sfida di ottenere contemporaneamente penetrazione profonda e alta qualità nella saldatura a penetrazione profonda-, ma ha anche un grande potenziale per sostituire i costosi laser ARM nella produzione industriale grazie al costo relativamente basso e all'elevata tolleranza di potenza (30 kW) del riflettore.
