01 Pregled papirja
Na področju laserske obdelave, zlasti pri varjenju z globokim prebojem, tradicionalni enojni Gaussovi žarki, čeprav imajo visoko energijsko gostoto, pogosto povzročijo preveč koncentrirano porazdelitev energije, kar lahko zlahka privede do napak, kot so nestabilnost ključavnice, brizganje in poroznost. Za reševanje teh vprašanj je akademska skupnost predlagala uporabo Besselovih žarkov ali obročastih žarkov za razprševanje energije, med katerimi je bilo dokazano, da laserji z nastavljivim obročnim načinom (ARM) učinkovito stabilizirajo bazen staline in zavirajo napake. Vendar pa se obstoječe rešitve kompozitnih žarkov običajno soočajo s težavami, kot so visoki stroški, fiksna goriščna razdalja in omejena prilagodljivost prostorske porazdelitve energije. Običajni obročni laserji na primer pogosto zahtevajo, da sta Gaussov in obročni žarek na isti goriščni ravnini, kar ne more zadovoljiti posebnih potreb po različnih žariščnih položajih pri varjenju debelih plošč. Za premagovanje teh omejitev ta študija predlaga novo metodo oblikovanja žarka-laser z Gaussovim-nastavljivim žariščem (AFGRM) v načinu obroča. Ta metoda uporablja poceni-cenovno 'enojno zrcalo proste oblike' za pretvorbo standardnega Gaussovega laserskega vira v kompozitni žarek z različnimi goriščnimi razdaljami, nastavljivimi razmerji moči in polmeri obročev, s čimer želi doseči visoko{8}}kakovostno varjenje z globokim prebojem in majhnimi napakami.
02 Pregled celotnega besedila
Ta študija predlaga inovativno metodo oblikovanja žarka, in sicer pretvorbo standardnega Gaussovega laserskega vira v laser z nastavljivim-ostrenjem Gaussovega-obročastega načina (AFGRM) z neodvisno nastavljivo goriščno razdaljo, razmerjem moči in polmerom obroča z oblikovanjem prilagojenega enojnega površinskega ogledala proste oblike. Ta tehnika pametno doseže prostorsko ločitev in rekombinacijo žarka, kar omogoča osrednjemu Gaussovemu žarku, da prevzame negativno defokusno stanje za izboljšanje penetracije, medtem ko se zunanji obročni žarek osredotoči na površino obdelovanca, da razširi in stabilizira bazen staline. To učinkovito rešuje težave pri tradicionalnem-zmogljivem varjenju z globokim prebojem, kjer lahko koncentrirana energija povzroči nestabilnost bazena staline in napake v poroznosti. Varilni poskusi, izvedeni na ploščah iz nerjavečega jekla SUS304 debeline 16 mm, so pokazali, da v primerjavi z običajnimi Gaussovimi laserji enake moči laser AFGRM z optimalnim razmerjem moči (8:2) ne le poveča preboj zvara za 37,0 %, ampak tudi zmanjša poroznost s 17,58 % na 0,24 %, kar dokazuje, da je ta tehnologija nizko-cenovna in zelo zanesljiva rešitev, ima velik potencial za izboljšanje kakovosti globoko prebojnega varjenja debelih plošč.
Slika 1 v analizi diagrama prikazuje simulirane rezultate širjenja žarka po oblikovanju z enim zrcalom proste oblike z razmerjem moči 8:4. Dokazuje, da lahko eno samo zrcalo proste oblike oblikuje laser v osrednji žarek in žarek v obliki obroča- ter lahko doseže razvoj od ločevanja do rekombinacije med širjenjem, pri čemer tvori sestavljeno točko v žariščnem območju z jasno porazdelitvijo energije in nadzorovanimi razmerji. Ta rezultat potrjuje učinkovitost tega sistema za oblikovanje žarka pri doseganju majhne velikosti točke in natančnega nadzora centralne-do-periferne energije.
Slika 1 Shematska simulacija širjenja žarka po oblikovanju v sistemu AFGRM: (a) Celoten vzorec širjenja laserja (b) Vzorec žarka pri 297 mm: (b1)–(b2) Porazdelitev gostote moči laserja in 3D prikaz pri 297 mm. (c) Vzorec žarka pri 300 mm: (c1)–(c2) Porazdelitev gostote moči laserja in 3D prikaz pri 300 mm.
Slika 2 primerja-morfologijo preseka zvarov, narejenih s kompozitnim žarkom AFGRM in običajnim Gaussovim žarkom. Rezultati kažejo, da tradicionalni Gaussov žarek tvori tipičen zvar v obliki črke V-, pri čemer se globina preboja znatno poveča, ko se poveča skupna moč. Nasprotno pa žarek AFGRM proizvaja stabilen zvar v obliki "T-", pri čemer se globina preboja sprva poveča in nato stabilizira, ko se moč obročastega žarka poveča, pri čemer se doseže največji preboj pri razmerju moči 8:2. Ti rezultati kažejo, da lahko žarek AFGRM doseže boljše varjenje z-globokim prebojem s sinergijskim nadzorom morfologije zvara in globine preboja s centralno-obročasto modulacijo energije.
Slika 2 Primerjava morfologije zvarnega šiva med običajnim Gaussovim laserjem in laserskim varjenjem AFGRM
Slika 3 prikazuje, da lahko morfologija vzdolžnega prečnega-prereza intuitivno odraža značilnosti porazdelitve por znotraj zvara. V primerjavi z običajnimi Gaussovimi laserji laserji AFGRM znatno zmanjšajo število por v zvaru pri enakih pogojih moči Gaussovega načina in skupne moči. Medtem pa s povečanjem moči laserja delež por pri običajnem Gaussovem laserskem varjenju kaže trend padanja, kar je v glavnem pripisano povečanemu pretoku tekoče kovine v bazenu staline. Uvedba obročastih laserjev dodatno zavira nastajanje por, kar kaže, da imajo jasno prednost pri izboljšanju dinamike bazena staline in pogojev za uhajanje plina.
04 Zaključek
Ta študija je uspešno razvila novo-metodo oblikovanja snopa, ki temelji na enem samem zrcalu proste oblike, kar zagotavlja učinkovito in poceni-cenovno rešitev za lasersko varjenje debelih plošč. Glavni zaključki so naslednji: 1. Inovativna zasnova: predlagan in potrjen je bil laserski koncept AFGRM, ki je dosegel prostorsko ločevanje Gaussovih in obročastih-načinov ter neodvisno prilagajanje goriščne razdalje prek enega reflektorja. 2. Izboljšanje zmogljivosti: Pri varjenju 16 mm debelega nerjavečega jekla je laser AFGRM (zlasti z močjo 8:2) razmerje) izboljšana globina preboja za 37,0 % in zmanjšana poroznost za 98,6 % v primerjavi z običajnimi laserji, kar bistveno izboljša kakovost varjenja. 3. Možnosti uporabe: Ta tehnologija ne obravnava le izziva hkratnega doseganja globokega preboja in visoke kakovosti pri varjenju z globokim{12}}prebojem, ampak ima tudi velik potencial za zamenjavo dragih laserjev ARM v industrijski proizvodnji zaradi relativno nizkih stroškov in visoke toleranca moči (30kW) reflektorja.
