01 Descripción general del papel
En el campo del procesamiento láser, particularmente en la soldadura de penetración profunda, los haces gaussianos simples tradicionales, aunque tienen una alta densidad de energía, a menudo dan como resultado una distribución de energía excesivamente concentrada, lo que puede conducir fácilmente a defectos como inestabilidad de ojo de cerradura, salpicaduras y porosidad. Para abordar estos problemas, la comunidad académica ha propuesto utilizar haces Bessel o haces anulares para dispersar energía, entre los cuales se ha demostrado que los láseres de modo de anillo ajustable (ARM) estabilizan eficazmente el baño fundido y suprimen los defectos. Sin embargo, las soluciones de haz compuesto existentes suelen enfrentar problemas como el alto costo, la distancia focal fija y la capacidad de ajuste limitada de la distribución espacial de la energía. Por ejemplo, los láseres de anillo convencionales a menudo requieren que los haces gaussiano y anular estén en el mismo plano focal, lo que no puede satisfacer las necesidades específicas de diferentes posiciones focales en la soldadura de placas gruesas. Para superar estas limitaciones, este estudio propone un nuevo método de conformación del haz láser -enfoque ajustable gaussiano-modo de anillo (AFGRM). Este método utiliza un 'espejo único de forma libre' de bajo costo-para convertir una fuente láser gaussiana estándar en un haz compuesto con diferentes longitudes focales, relaciones de potencia ajustables y radios de anillo, con el objetivo de lograr una soldadura de alta-calidad con penetración profunda y defectos bajos.
02 Descripción general del texto completo
Este estudio propone un método innovador de conformación del haz, que consiste en convertir una fuente láser gaussiana estándar en un láser de modo de anillo gaussiano-enfoque ajustable-(AFGRM) con longitud focal, relación de potencia y radio del anillo ajustables de forma independiente, mediante el diseño de un espejo de superficie de forma libre único personalizado. Esta técnica logra hábilmente la separación espacial y la recombinación del haz, lo que permite que el haz gaussiano central adopte un estado de desenfoque negativo para mejorar la penetración, mientras que el haz del anillo exterior se enfoca en la superficie de la pieza de trabajo para expandir y estabilizar el baño fundido. Esto soluciona eficazmente los problemas de la soldadura tradicional de penetración profunda de alta-potencia, donde la energía concentrada puede provocar inestabilidad en el baño fundido y defectos de porosidad. Los experimentos de soldadura realizados en placas de acero inoxidable SUS304 de 16 mm de espesor mostraron que, en comparación con los láseres gaussianos convencionales de la misma potencia, el láser AFGRM con una relación de potencia óptima (8:2) no solo aumentó la penetración de la soldadura en un 37,0 %, sino que también redujo la porosidad del 17,58 % al 0,24 %, lo que demuestra que esta tecnología, como solución de bajo costo y altamente confiable, tiene un gran potencial para mejorar la calidad de las placas gruesas. Soldadura de penetración profunda.
La Figura 1 en el análisis del diagrama muestra los resultados simulados de la propagación del haz después de darle forma a un único espejo de forma libre con una relación de potencia de 8:4. Demuestra que un único espejo de forma libre puede dar forma al láser en un haz central y un haz en forma de anillo-, y puede lograr la evolución desde la separación hasta la recombinación durante la propagación, formando un punto compuesto en la región focal con una distribución de energía clara y proporciones controlables. Este resultado valida la eficacia de este sistema de conformación de haz para lograr un tamaño de punto pequeño y un control preciso de la energía central-a-periférica.
Figura 1 Simulación esquemática de la propagación del haz después de darle forma en el sistema AFGRM: (a) Patrón general de propagación del láser (b) Patrón de haz a 297 mm: (b1) – (b2) Distribución de densidad de potencia del láser y visualización 3D a 297 mm. (c) Patrón de haz a 300 mm: (c1) – (c2) Distribución de densidad de potencia del láser y visualización 3D a 300 mm.
La Figura 2 compara la morfología de la sección transversal-de soldaduras realizadas con la viga compuesta AFGRM y una viga gaussiana convencional. Los resultados muestran que la viga gaussiana tradicional forma una soldadura típica en forma de V-, con una profundidad de penetración que aumenta significativamente a medida que aumenta la potencia total. En contraste, la viga AFGRM produce una soldadura estable en forma de "T-", con la profundidad de penetración inicialmente aumentando y luego estabilizándose a medida que aumenta la potencia de la viga anular, logrando una penetración máxima con una relación de potencia de 8:2. Estos resultados indican que el haz AFGRM puede lograr una mejor soldadura de penetración-profunda controlando sinérgicamente la morfología de la soldadura y la profundidad de penetración a través de la modulación de energía central-anular.
Figura 2 Comparación de la morfología de la costura de soldadura entre la soldadura láser gaussiana convencional y la soldadura láser AFGRM
La Figura 3 muestra que la morfología de la sección transversal-longitudinal puede reflejar intuitivamente las características de distribución de los poros dentro de la soldadura. En comparación con los láseres gaussianos convencionales, los láseres AFGRM reducen significativamente el número de poros en la soldadura en las mismas condiciones de potencia del modo gaussiano y potencia total. Mientras tanto, con el aumento de la potencia del láser, la proporción de poros en la soldadura láser gaussiana convencional muestra una tendencia a la baja, que se atribuye principalmente al mayor flujo de metal líquido en el baño fundido. La introducción de láseres anulares suprime aún más la formación de poros, lo que indica que tienen una clara ventaja a la hora de mejorar la dinámica del charco fundido y las condiciones para el escape del gas.
04 Conclusión
Este estudio desarrolló con éxito un novedoso método-de formación de haz basado en un único espejo de forma libre, lo que proporciona una solución eficiente y de bajo-costo para la soldadura láser de placas gruesas. Las principales conclusiones son las siguientes: 1. Diseño innovador: Se propuso y validó el concepto de láser AFGRM, logrando separación espacial de los modos gaussiano y en forma de anillo-y ajuste independiente de la longitud focal a través de un solo reflector. 2. Mejora del rendimiento: en la soldadura de acero inoxidable de 16 mm de espesor, el láser AFGRM (especialmente con una relación de potencia de 8:2) mejoró la profundidad de penetración en un 37,0% y redujo la porosidad en un 98,6% en comparación con el convencional. láseres, lo que mejora significativamente la calidad de la soldadura. 3. Perspectivas de aplicación: esta tecnología no solo aborda el desafío de lograr simultáneamente una penetración profunda y alta calidad en la soldadura de penetración profunda-, sino que también tiene un gran potencial para reemplazar los costosos láseres ARM en la producción industrial debido al costo relativamente bajo y la alta tolerancia de potencia (30kW) del reflector.
