جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا|طريقة جديدة لتشكيل الشعاع للتركيز-ليزر الوضع الدائري الغوسي القابل للضبط في عمليات اللحام-عالية الجودة

01 نظرة عامة على الورق

في مجال المعالجة بالليزر، لا سيما في اللحام العميق الاختراق، غالبًا ما تؤدي الحزم الغوسية المفردة التقليدية، على الرغم من كثافة الطاقة العالية، إلى توزيع طاقة مفرط التركيز، مما قد يؤدي بسهولة إلى عيوب مثل عدم استقرار ثقب المفتاح، والتناثر، والمسامية. ولمعالجة هذه المشكلات، اقترح المجتمع الأكاديمي استخدام حزم بيسل أو الحزم الحلقية لتشتيت الطاقة، ومن بينها ثبت أن ليزر وضع الحلقة القابل للتعديل (ARM) يعمل على تثبيت المجمع المنصهر بشكل فعال وقمع العيوب. ومع ذلك، عادةً ما تواجه حلول الحزم المركبة الحالية مشكلات مثل التكلفة العالية، والبعد البؤري الثابت، وقابلية التعديل المحدودة لتوزيع الطاقة المكانية. على سبيل المثال، تتطلب أشعة الليزر الحلقية التقليدية غالبًا أن تكون الحزم الغوسية والحلقية على نفس المستوى البؤري، وهو ما لا يمكنه تلبية الاحتياجات المحددة لمواضع بؤرية مختلفة في لحام الألواح السميكة. للتغلب على هذه القيود، تقترح هذه الدراسة طريقة جديدة لتشكيل الشعاع-تركيز غاوسي قابل للتعديل-ليزر ذو وضع حلقي (AFGRM). تستخدم هذه الطريقة "مرآة حرة الشكل" منخفضة التكلفة- لتحويل مصدر ليزر غاوسي قياسي إلى شعاع مركب بأطوال بؤرية مختلفة، ونسب طاقة قابلة للتعديل، ونصف قطر حلقة، بهدف تحقيق لحام-عالي الجودة مع اختراق عميق وعيوب منخفضة.

02 نظرة عامة على النص الكامل

تقترح هذه الدراسة طريقة مبتكرة لتشكيل الشعاع، وهي تحويل مصدر ليزر غاوسي قياسي إلى ليزر وضع حلقة غوسي-بتركيز قابل للتعديل (AFGRM) مع طول بؤري قابل للتعديل بشكل مستقل، ونسبة الطاقة، ونصف قطر الحلقة، من خلال تصميم مرآة سطحية حرة واحدة مخصصة. تحقق هذه التقنية بذكاء الفصل المكاني وإعادة تركيب الشعاع، مما يسمح للشعاع الغاوسي المركزي باعتماد حالة إلغاء التركيز السلبية لتعزيز الاختراق، بينما يركز شعاع الحلقة الخارجية على سطح قطعة العمل لتوسيع وتثبيت البركة المنصهرة. يعالج هذا بشكل فعال المشكلات المتعلقة باللحام التقليدي عالي الاختراق العميق-، حيث يمكن أن تتسبب الطاقة المركزة في عدم استقرار حوض السباحة المنصهر وعيوب المسامية. أظهرت تجارب اللحام التي تم إجراؤها على ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ SUS304 بسمك 16 مم أنه، مقارنةً بأشعة الليزر الغاوسية التقليدية بنفس القوة، فإن ليزر AFGRM مع نسبة طاقة مثالية (8:2) لم يزيد من اختراق اللحام بنسبة 37.0% فحسب، بل قلل أيضًا من المسامية من 17.58% إلى 0.24%، مما يدل على أن هذه التكنولوجيا، باعتبارها حلاً منخفض التكلفة -وموثوقًا للغاية، لديها إمكانات كبيرة لتحسين جودة لحام الاختراق العميق للوحة السميكة.

ويبين الشكل 1 في تحليل الرسم البياني النتائج المحاكاة لانتشار الشعاع بعد تشكيله بواسطة مرآة واحدة ذات شكل حر مع نسبة طاقة تبلغ 8:4. ويوضح أن مرآة واحدة ذات شكل حر يمكنها تشكيل الليزر إلى شعاع مركزي وشعاع على شكل حلقة-، ويمكنها تحقيق التطور من الانفصال إلى إعادة التركيب أثناء الانتشار، وتشكيل نقطة مركبة في المنطقة البؤرية مع توزيع واضح للطاقة ونسب يمكن التحكم فيها. تتحقق هذه النتيجة من فعالية نظام تشكيل الشعاع هذا في تحقيق كل من حجم البقعة الصغير والتحكم الدقيق في الطاقة المركزية - إلى - الطاقة المحيطية.

الشكل 1: محاكاة تخطيطية لانتشار الشعاع بعد التشكيل في نظام AFGRM: (أ) نمط انتشار الليزر الشامل (ب) نمط الشعاع عند 297 مم: (b1) - (b2) توزيع كثافة طاقة الليزر وعرض ثلاثي الأبعاد عند 297 مم. ( ج ) نمط الشعاع عند 300 مم: (c1) - (c2) توزيع كثافة طاقة الليزر وعرض ثلاثي الأبعاد عند 300 مم.

يقارن الشكل 2 الشكل المقطعي -للحامات المصنوعة باستخدام العارضة المركبة AFGRM والعارضة الغوسية التقليدية. أظهرت النتائج أن العارضة الغوسية التقليدية تشكل لحامًا نموذجيًا على شكل V-، مع زيادة عمق الاختراق بشكل ملحوظ مع زيادة الطاقة الإجمالية. في المقابل، ينتج شعاع AFGRM لحامًا مستقرًا على شكل "T-"، مع زيادة عمق الاختراق في البداية ثم استقراره مع زيادة قوة الشعاع الحلقي، مما يحقق أقصى اختراق بنسبة طاقة 8:2. تشير هذه النتائج إلى أن شعاع AFGRM يمكنه تحقيق أفضل -لحام اختراق عميق من خلال التحكم التآزري في شكل اللحام وعمق الاختراق من خلال تعديل الطاقة الحلقي المركزي.

الشكل 2 مقارنة شكل التماس اللحام بين الليزر الغوسي التقليدي واللحام بالليزر AFGRM

يوضح الشكل 3 أن الشكل المقطعي الطولي-يمكن أن يعكس بشكل بديهي خصائص توزيع المسام داخل اللحام. بالمقارنة مع الليزر الغاوسي التقليدي، فإن ليزر AFGRM يقلل بشكل كبير من عدد المسام في اللحام تحت نفس قوة الوضع الغاوسي وظروف الطاقة الإجمالية. وفي الوقت نفسه، مع زيادة قوة الليزر، تظهر نسبة المسام في اللحام بالليزر الغوسي التقليدي اتجاهًا تنازليًا، والذي يُعزى بشكل أساسي إلى التدفق المعزز للمعدن السائل في البركة المنصهرة. يؤدي إدخال الليزر الحلقي إلى منع تكوين المسام، مما يشير إلى أن لديهم ميزة واضحة في تحسين ديناميكيات البركة المنصهرة وظروف هروب الغاز.

04 الاستنتاج

نجحت هذه الدراسة في تطوير طريقة جديدة لتشكيل الشعاع- تعتمد على مرآة واحدة ذات شكل حر، مما يوفر حلاً فعالاً ومنخفض التكلفة-لحام الألواح السميكة بالليزر. الاستنتاجات الرئيسية هي كما يلي: 1. التصميم المبتكر: تم اقتراح مفهوم الليزر AFGRM والتحقق من صحته، مما أدى إلى تحقيق الفصل المكاني لأوضاع الشكل الغاوسي والحلقي - والضبط المستقل للطول البؤري من خلال عاكس واحد . 2. تحسين الأداء: في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ بسمك 16 مم، أدى ليزر AFGRM (خاصة مع نسبة طاقة 8:2) إلى تحسين عمق الاختراق بنسبة 37.0% وتقليل المسامية بنسبة 98.6% مقارنة بالليزر التقليدي، مما يؤدي إلى تحسين جودة اللحام بشكل كبير. 3. آفاق التطبيق: لا تعالج هذه التقنية التحدي المتمثل في تحقيق اختراق عميق وجودة عالية في نفس الوقت في اللحام-العميق فحسب، ولكنها تمتلك أيضًا إمكانات كبيرة لاستبدال ليزر ARM باهظ الثمن في الإنتاج الصناعي بسبب التكلفة المنخفضة نسبيًا وتحمل الطاقة العالي (30 كيلو واط) للعاكس.