01 بررسی اجمالی مقاله
در زمینه پردازش لیزر، به ویژه در جوشکاری با نفوذ عمیق، پرتوهای سنتی تک گاوسی، اگرچه چگالی انرژی بالایی دارند، اغلب منجر به توزیع انرژی بیش از حد متمرکز میشوند که به راحتی میتواند منجر به نقصهایی مانند ناپایداری سوراخ کلید، پاشش و تخلخل شود. برای پرداختن به این مسائل، جامعه دانشگاهی استفاده از پرتوهای بسل یا پرتوهای حلقوی را برای پراکنده کردن انرژی پیشنهاد کرده است، که در میان آنها لیزرهای حالت حلقه قابل تنظیم (ARM) ثابت شدهاند که به طور موثر حوضچه مذاب را تثبیت میکنند و عیوب را سرکوب میکنند. با این حال، راه حل های پرتو مرکب موجود معمولاً با مشکلاتی مانند هزینه بالا، فاصله کانونی ثابت و تنظیم محدود توزیع انرژی فضایی مواجه هستند. برای مثال، لیزرهای حلقوی معمولی اغلب نیاز دارند که پرتوهای گاوسی و حلقهای در یک صفحه کانونی باشند، که نمیتواند نیازهای خاص برای موقعیتهای کانونی مختلف در جوشکاری صفحه ضخیم را برآورده کند. برای غلبه بر این محدودیتها، این مطالعه یک روش جدید شکلدهی پرتوی-لیزر گاوسی فوکوس قابل تنظیم{5}}حالت حلقه (AFGRM) را پیشنهاد میکند. این روش از یک «آینه تک شکل آزاد» کم هزینه برای تبدیل یک منبع لیزر گاوسی استاندارد به یک پرتو کامپوزیت با فواصل کانونی مختلف، نسبتهای توان قابل تنظیم و شعاع حلقه استفاده میکند و هدف آن دستیابی به جوشکاری با کیفیت بالا با نفوذ عمیق و نقص کم است.
02 نمای کلی متن کامل
این مطالعه یک روش نوآورانه شکلدهی پرتو را پیشنهاد میکند، یعنی تبدیل یک منبع لیزر استاندارد گاوسی به یک لیزر حالت حلقه گاوسی قابل تنظیم (AFGRM) با فاصله کانونی، نسبت توان و شعاع حلقه به طور مستقل قابل تنظیم، با طراحی یک آینه سطح آزاد منفرد سفارشیسازی شده. این تکنیک به طور هوشمندانه ای به جداسازی فضایی و ترکیب مجدد تیر می رسد و به پرتو گاوسی مرکزی اجازه می دهد تا حالت عدم تمرکز منفی را برای افزایش نفوذ اتخاذ کند، در حالی که پرتو حلقه بیرونی برای گسترش و تثبیت حوضچه مذاب روی سطح قطعه کار متمرکز می شود. این به طور موثر مشکلات جوشکاری سنتی با نفوذ عمیق قوی{4} را برطرف میکند، جایی که انرژی متمرکز میتواند باعث ناپایداری حوضچه مذاب و نقصهای تخلخل شود. آزمایشهای جوشکاری که روی صفحات فولادی ضد زنگ SUS304 با ضخامت 16 میلیمتر انجام شد، نشان داد که در مقایسه با لیزرهای معمولی گاوسی با همان قدرت، لیزر AFGRM با نسبت توان بهینه (8:2) نه تنها نفوذ جوش را 37.0% افزایش داد، بلکه تخلخل جوش را از 17.58% کاهش داد، که نشاندهنده این است که این فناوری کمتر از 3.54% است. راه حل بسیار قابل اعتماد، پتانسیل زیادی برای بهبود کیفیت جوشکاری با نفوذ عمیق صفحه ضخیم دارد.
شکل 1 در تجزیه و تحلیل نمودار، نتایج شبیه سازی شده انتشار پرتو پس از شکل دهی توسط یک آینه آزاد با نسبت توان 8:4 را نشان می دهد. این نشان میدهد که یک آینه آزاد میتواند لیزر را به یک پرتوی مرکزی و یک پرتوی حلقهای شکل دهد و میتواند از جداسازی به نوترکیب در طول انتشار به تکامل برسد و یک نقطه ترکیبی در ناحیه کانونی با توزیع انرژی واضح و نسبتهای قابل کنترل تشکیل دهد. این نتیجه اثربخشی این سیستم شکل دهی پرتو را در دستیابی به اندازه نقطه کوچک و کنترل دقیق انرژی مرکزی به-محیطی تأیید می کند.
شکل 1 شبیه سازی شماتیک انتشار پرتو پس از شکل دهی در سیستم AFGRM: (الف) الگوی انتشار کلی لیزر (ب) الگوی پرتو در 297 میلی متر: (b1) - (b2) توزیع چگالی توان لیزر و نمایش سه بعدی در 297 میلی متر. (ج) الگوی پرتو در 300 میلیمتر: (c1) - (c2) توزیع چگالی توان لیزری و نمایش سه بعدی در 300 میلیمتر.
شکل 2 مورفولوژی مقطعی جوش های ساخته شده با تیر مرکب AFGRM و یک تیر گاوسی معمولی را مقایسه می کند. نتایج نشان میدهد که تیر گاوسی سنتی یک جوش V شکل معمولی را تشکیل میدهد که با افزایش توان کل، عمق نفوذ به طور قابلتوجهی افزایش مییابد. در مقابل، تیر AFGRM یک جوش "T{5}}شکل" پایدار ایجاد میکند، با عمق نفوذ در ابتدا افزایش مییابد و سپس با افزایش قدرت تیر حلقوی تثبیت میشود و حداکثر نفوذ را در نسبت توان 8:2 به دست میآورد. این نتایج نشان میدهد که تیر AFGRM میتواند با کنترل همافزایی مورفولوژی جوش و عمق نفوذ از طریق مدولاسیون انرژی حلقوی مرکزی، به جوشکاری با نفوذ عمیق بهتر دست یابد.
شکل 2 مقایسه مورفولوژی درز جوش بین لیزر گاوسی معمولی و لیزر AFGRM
شکل 3 نشان می دهد که مورفولوژی مقطعی طولی-می تواند به طور شهودی ویژگی های توزیع منافذ داخل جوش را منعکس کند. در مقایسه با لیزرهای گاوسی معمولی، لیزرهای AFGRM به میزان قابل توجهی تعداد منافذ در جوش را تحت شرایط توان حالت گاوسی و توان کل کاهش میدهند. در همین حال، با افزایش توان لیزر، نسبت منافذ در جوشکاری لیزر گاوسی معمولی روند نزولی را نشان میدهد که عمدتاً به افزایش جریان فلز مایع در حوضچه مذاب نسبت داده میشود. معرفی لیزرهای حلقوی شکل گیری منافذ را بیشتر سرکوب می کند و نشان می دهد که آنها مزیت آشکاری در بهبود دینامیک استخر مذاب و شرایط خروج گاز دارند.
04 نتیجه گیری
این مطالعه با موفقیت یک روش جدید{0}}شکل دهی پرتو مبتنی بر یک آینه آزاد را ایجاد کرد که راه حلی کارآمد و کم هزینه{1} برای جوشکاری لیزر صفحه ضخیم ارائه کرد. نتایج اصلی به شرح زیر است: 1. طراحی نوآورانه: مفهوم لیزر AFGRM پیشنهاد و تأیید شد، با دستیابی به جداسازی فضایی حالتهای گاوسی و حلقهای{4}}و تنظیم مستقل فاصله کانونی از طریق یک بازتابنده{5}} افزایش عملکرد: در جوشکاری فولاد 16 میلیمتری ضخیمتر از فولاد بیساختار (RM) نسبت توان 8:2) عمق نفوذ را به میزان 37.0 درصد بهبود داد و تخلخل را به میزان 98.6 درصد در مقایسه با لیزرهای معمولی کاهش داد که به طور قابل توجهی کیفیت جوش را افزایش میدهد{11}} چشماندازهای کاربردی: این فناوری نه تنها چالش دستیابی همزمان به نفوذ عمیق و همزمان را برطرف میکند، بلکه دارای پتانسیل گرانقیمت 2} RM در عمق{1} نیز میباشد. لیزر در تولید صنعتی به دلیل هزینه نسبتا پایین و تحمل توان بالا (30 کیلووات) رفلکتور.
