01 ภาพรวมกระดาษ
ในด้านการประมวลผลด้วยเลเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเชื่อมแบบเจาะลึก ลำแสงเกาส์เซียนเดี่ยวแบบดั้งเดิม แม้ว่าจะมีความหนาแน่นของพลังงานสูง แต่ก็มักส่งผลให้เกิดการกระจายพลังงานที่มีความเข้มข้นมากเกินไป ซึ่งสามารถนำไปสู่ข้อบกพร่อง เช่น ความไม่แน่นอนของรูกุญแจ การกระเด็น และความพรุนได้อย่างง่ายดาย เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ชุมชนวิชาการได้เสนอให้ใช้คาน Bessel หรือคานวงแหวนเพื่อกระจายพลังงาน ซึ่งเลเซอร์โหมดวงแหวนแบบปรับได้ (ARM) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถรักษาเสถียรภาพของสระหลอมเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพและระงับข้อบกพร่อง อย่างไรก็ตาม โซลูชันลำแสงคอมโพสิตที่มีอยู่มักประสบปัญหา เช่น ต้นทุนสูง ทางยาวโฟกัสคงที่ และความสามารถในการปรับเปลี่ยนการกระจายพลังงานเชิงพื้นที่มีจำกัด ตัวอย่างเช่น เลเซอร์วงแหวนแบบธรรมดามักต้องการให้ลำแสงเกาส์เซียนและวงแหวนอยู่บนระนาบโฟกัสเดียวกัน ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการเฉพาะสำหรับตำแหน่งโฟกัสที่แตกต่างกันในการเชื่อมแผ่นหนาได้ เพื่อเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ การศึกษานี้เสนอวิธีการสร้างลำแสงแบบใหม่-เลเซอร์แบบ Gaussian แบบปรับโฟกัสได้-โหมดวงแหวน (AFGRM) วิธีการนี้ใช้ 'กระจกเงาอิสระตัวเดียว' ราคาประหยัด-เพื่อแปลงแหล่งกำเนิดเลเซอร์เกาส์เซียนมาตรฐานให้เป็นลำแสงคอมโพสิตที่มีความยาวโฟกัสต่างกัน อัตราส่วนกำลังที่ปรับได้ และรัศมีวงแหวน โดยมีเป้าหมายเพื่อให้ได้การเชื่อมคุณภาพสูง-ทั้งที่มีการเจาะทะลุลึกและข้อบกพร่องต่ำ
02 ภาพรวมข้อความแบบเต็ม
การศึกษานี้เสนอวิธีการสร้างลำแสงที่เป็นนวัตกรรม กล่าวคือการแปลงแหล่งกำเนิดเลเซอร์เกาส์เซียนมาตรฐานเป็นเลเซอร์โหมดวงแหวน (AFGRM) โฟกัสแบบเกาส์เซียน{0}}ที่ปรับได้ (AFGRM) พร้อมความยาวโฟกัส อัตราส่วนกำลัง และรัศมีวงแหวนที่ปรับได้อย่างอิสระ โดยการออกแบบกระจกพื้นผิวอิสระรูปแบบเดียวที่ปรับแต่งเอง เทคนิคนี้ช่วยให้เกิดการแยกเชิงพื้นที่และการรวมตัวกันใหม่ของลำแสงอย่างชาญฉลาด ช่วยให้ลำแสงเกาส์เซียนส่วนกลางมีสถานะพร่ามัวเชิงลบเพื่อเพิ่มการเจาะทะลุ ในขณะที่ลำแสงวงแหวนรอบนอกมุ่งเน้นไปที่พื้นผิวชิ้นงานเพื่อขยายและทำให้สระหลอมเหลวมีความเสถียร วิธีนี้ช่วยแก้ปัญหาได้อย่างมีประสิทธิภาพในการเชื่อมแบบเจาะลึกที่มีกำลังสูง-แบบเดิม ซึ่งพลังงานที่เข้มข้นอาจทำให้เกิดความไม่เสถียรของสระหลอมเหลวและข้อบกพร่องของรูพรุน การทดลองการเชื่อมที่ดำเนินการบนแผ่นสแตนเลส SUS304 หนา 16 มม. แสดงให้เห็นว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์ Gaussian ทั่วไปที่มีกำลังเท่ากัน เลเซอร์ AFGRM ที่มีอัตราส่วนกำลังที่เหมาะสม (8:2) ไม่เพียงแต่เพิ่มการเจาะทะลุ 37.0% แต่ยังลดความพรุนจาก 17.58% เป็น 0.24% ด้วย ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้ซึ่งมี-โซลูชันที่มีต้นทุนต่ำและเชื่อถือได้สูง มีศักยภาพที่ดีในการปรับปรุงคุณภาพของความหนา การเชื่อมแบบเจาะลึกของแผ่น
รูปที่ 1 ในการวิเคราะห์แผนภาพแสดงผลการจำลองการแพร่กระจายของลำแสงหลังจากสร้างรูปร่างด้วยกระจกเงาอิสระตัวเดียวที่มีอัตราส่วนกำลัง 8:4 มันแสดงให้เห็นว่ากระจกเงาอิสระตัวเดียวสามารถสร้างรูปร่างเลเซอร์ให้เป็นลำแสงตรงกลางและลำแสงรูปทรงวงแหวน- และสามารถบรรลุวิวัฒนาการจากการแยกตัวไปสู่การรวมตัวใหม่ในระหว่างการแพร่กระจาย โดยสร้างจุดประกอบขึ้นในบริเวณโฟกัสที่มีการกระจายพลังงานที่ชัดเจนและสัดส่วนที่ควบคุมได้ ผลลัพธ์นี้จะตรวจสอบประสิทธิภาพของระบบการสร้างลำแสงนี้ในการบรรลุทั้งขนาดลำแสงขนาดเล็กและการควบคุมพลังงานจากศูนย์กลาง-ถึง-ส่วนต่อพ่วงอย่างแม่นยำ
รูปที่ 1 การจำลองแผนผังของการแพร่กระจายของลำแสงหลังจากสร้างรูปร่างในระบบ AFGRM: (a) รูปแบบการแพร่กระจายของเลเซอร์โดยรวม (b) รูปแบบลำแสงที่ 297 มม.: (b1)–(b2) การกระจายความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์และการแสดงผล 3 มิติที่ 297 มม. (c) รูปแบบลำแสงที่ 300 มม.: (c1)–(c2) การกระจายความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์และการแสดงผล 3 มิติที่ 300 มม.
รูปที่ 2 เปรียบเทียบสัณฐานวิทยาหน้าตัด-ของรอยเชื่อมที่ทำด้วยคานคอมโพสิต AFGRM และคานเกาส์เซียนทั่วไป ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าลำแสงเกาส์เซียนแบบดั้งเดิมก่อให้เกิดการเชื่อมรูปตัว V- โดยทั่วไป โดยความลึกของการเจาะจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อกำลังทั้งหมดเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม ลำแสง AFGRM จะสร้างรอยเชื่อม "รูปตัว T-" ที่มั่นคง โดยเริ่มแรกความลึกของการเจาะจะเพิ่มขึ้น จากนั้นจะคงที่ตามกำลังของลำแสงวงแหวนที่เพิ่มขึ้น ทำให้สามารถเจาะทะลุได้สูงสุดที่อัตราส่วนกำลัง 8:2 ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าลำแสง AFGRM สามารถบรรลุการเชื่อมแบบเจาะลึก-ได้ดีขึ้นโดยการควบคุมลักษณะทางสัณฐานวิทยาของการเชื่อมและความลึกของการเจาะโดยการทำงานร่วมกันผ่านการปรับพลังงานวงแหวนกลาง
รูปที่ 2 การเปรียบเทียบสัณฐานวิทยาของรอยเชื่อมระหว่างเลเซอร์เกาส์เซียนแบบธรรมดาและการเชื่อมด้วยเลเซอร์ AFGRM
รูปที่ 3 แสดงให้เห็นว่าสัณฐานวิทยาของหน้าตัดตามยาว-สามารถสะท้อนลักษณะการกระจายตัวของรูพรุนภายในรอยเชื่อมได้โดยสังหรณ์ใจ เมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์เกาส์เซียนทั่วไป เลเซอร์ AFGRM จะลดจำนวนรูพรุนในการเชื่อมลงอย่างมากภายใต้กำลังโหมดเกาส์เซียนและสภาวะกำลังทั้งหมดเดียวกัน ในขณะเดียวกัน ด้วยพลังงานเลเซอร์ที่เพิ่มขึ้น สัดส่วนของรูพรุนในการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบเกาส์เซียนแบบเดิมมีแนวโน้มลดลง ซึ่งสาเหตุหลักมาจากการไหลที่เพิ่มขึ้นของโลหะเหลวในสระหลอมเหลว การใช้เลเซอร์รูปวงแหวนช่วยยับยั้งการสร้างรูพรุนเพิ่มเติม ซึ่งบ่งชี้ว่ามีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการปรับปรุงไดนามิกของสระหลอมเหลวและเงื่อนไขของการหลบหนีของก๊าซ
04 บทสรุป
การศึกษานี้ประสบความสำเร็จในการพัฒนาวิธีการสร้างลำแสง-แบบใหม่โดยใช้กระจกเงาอิสระเพียงตัวเดียว ซึ่งเป็นโซลูชันที่มีประสิทธิภาพและต้นทุนต่ำ-สำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์แผ่นหนา ข้อสรุปหลักมีดังต่อไปนี้: 1. การออกแบบเชิงนวัตกรรม: แนวคิดเลเซอร์ AFGRM ได้รับการเสนอและตรวจสอบความถูกต้อง โดยบรรลุการแยกเชิงพื้นที่ของโหมดรูปทรงเกาส์เซียนและวงแหวน- และการปรับความยาวโฟกัสอย่างอิสระผ่านตัวสะท้อนแสงเพียงตัวเดียว. 2. การเพิ่มประสิทธิภาพประสิทธิภาพ: ในการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมหนา 16 มม. เลเซอร์ AFGRM (โดยเฉพาะอย่างยิ่งด้วยอัตราส่วนกำลัง 8:2) ปรับปรุงความลึกของการเจาะขึ้น 37.0% และลดความพรุนลง 98.6% เมื่อเทียบกับเลเซอร์ทั่วไป ซึ่งช่วยเพิ่มคุณภาพการเชื่อมได้อย่างมาก. 3. แนวโน้มการใช้งาน: เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่จัดการกับความท้าทายในการบรรลุการเจาะลึกและคุณภาพสูงในการเชื่อมเจาะลึก-ไปพร้อมๆ กัน แต่ยังมีศักยภาพที่ดีในการแทนที่เลเซอร์ ARM ที่มีราคาแพงในการผลิตทางอุตสาหกรรม เนื่องจากมีต้นทุนที่ค่อนข้างต่ำและความทนทานต่อพลังงานสูง (30kW) ของตัวสะท้อนแสง
