01 Aperçu du papier
Dans le domaine du traitement laser, en particulier dans le soudage à pénétration profonde, les faisceaux gaussiens simples traditionnels, bien que leur densité d'énergie soit élevée, entraînent souvent une distribution d'énergie trop concentrée, ce qui peut facilement conduire à des défauts tels qu'une instabilité en trou de serrure, des projections et une porosité. Pour résoudre ces problèmes, la communauté universitaire a proposé d'utiliser des faisceaux de Bessel ou des faisceaux annulaires pour disperser l'énergie, parmi lesquels il a été prouvé que les lasers à mode annulaire réglable (ARM) stabilisent efficacement le bain de fusion et suppriment les défauts. Cependant, les solutions de faisceaux composites existantes sont généralement confrontées à des problèmes tels qu'un coût élevé, une distance focale fixe et une possibilité d'ajustement limitée de la distribution spatiale de l'énergie. Par exemple, les lasers annulaires conventionnels nécessitent souvent que les faisceaux gaussiens et annulaires soient sur le même plan focal, ce qui ne peut pas répondre aux besoins spécifiques de différentes positions focales dans le soudage de plaques épaisses. Pour surmonter ces limitations, cette étude propose une nouvelle méthode de mise en forme du faisceau laser -gaussien à focalisation réglable-mode anneau (AFGRM). Cette méthode utilise un « miroir unique de forme libre » à faible coût pour convertir une source laser gaussienne standard en un faisceau composite avec différentes distances focales, rapports de puissance réglables et rayons d'anneau, dans le but d'obtenir un soudage de haute qualité avec une pénétration profonde et de faibles défauts.
02 Aperçu du texte intégral
Cette étude propose une méthode innovante de mise en forme du faisceau, à savoir la conversion d'une source laser gaussienne standard en un laser à mode d'anneau gaussien -à focalisation réglable- (AFGRM) avec une distance focale, un rapport de puissance et un rayon d'anneau réglables indépendamment, en concevant un miroir à surface libre unique personnalisé. Cette technique réalise intelligemment la séparation spatiale et la recombinaison du faisceau, permettant au faisceau gaussien central d'adopter un état de défocalisation négatif pour améliorer la pénétration, tandis que le faisceau annulaire externe se concentre sur la surface de la pièce pour dilater et stabiliser le bain de fusion. Cela résout efficacement les problèmes liés au soudage traditionnel à pénétration profonde à haute puissance, où l'énergie concentrée peut provoquer une instabilité du bain de fusion et des défauts de porosité. Des expériences de soudage menées sur des plaques d'acier inoxydable SUS304 de 16 mm d'épaisseur ont montré que, par rapport aux lasers gaussiens conventionnels de même puissance, le laser AFGRM avec un rapport de puissance optimal (8:2) a non seulement augmenté la pénétration de la soudure de 37,0 %, mais a également réduit la porosité de 17,58 % à 0,24 %, démontrant que cette technologie, en tant que solution peu coûteuse et hautement fiable, a un grand potentiel pour améliorer la qualité des tôles épaisses. soudage à pénétration profonde.
La figure 1 de l'analyse du diagramme montre les résultats simulés de la propagation du faisceau après mise en forme par un seul miroir de forme libre avec un rapport de puissance de 8:4. Il démontre qu'un seul miroir de forme libre peut façonner le laser en un faisceau central et un faisceau en forme d'anneau -, et peut réaliser une évolution de la séparation à la recombinaison pendant la propagation, formant un point composite dans la région focale avec une distribution d'énergie claire et des proportions contrôlables. Ce résultat valide l'efficacité de ce système de mise en forme de faisceau pour obtenir à la fois une petite taille de spot et un contrôle précis de l'énergie centrale-à-périphérique.
Figure 1 Simulation schématique de la propagation du faisceau après mise en forme dans le système AFGRM : (a) Modèle global de propagation du laser (b) Modèle de faisceau à 297 mm : (b1) – (b2) Distribution de la densité de puissance laser et affichage 3D à 297 mm. (c) Modèle de faisceau à 300 mm : (c1) – (c2) Distribution de la densité de puissance laser et affichage 3D à 300 mm.
La figure 2 compare la morphologie en coupe transversale-des soudures réalisées avec la poutre composite AFGRM et une poutre gaussienne conventionnelle. Les résultats montrent que le faisceau gaussien traditionnel forme une soudure typique en forme de V-, la profondeur de pénétration augmentant considérablement à mesure que la puissance totale augmente. En revanche, la poutre AFGRM produit une soudure stable en forme de « T -, la profondeur de pénétration augmentant initialement puis se stabilisant à mesure que la puissance de la poutre annulaire augmente, atteignant une pénétration maximale à un rapport de puissance de 8 : 2. Ces résultats indiquent que la poutre AFGRM peut obtenir un meilleur soudage à pénétration profonde - en contrôlant de manière synergique la morphologie de la soudure et la profondeur de pénétration grâce à la modulation d'énergie centrale-annulaire.
Figure 2 Comparaison de la morphologie du cordon de soudure entre le soudage laser gaussien conventionnel et le soudage laser AFGRM
La figure 3 montre que la morphologie de la section transversale longitudinale-peut refléter intuitivement les caractéristiques de répartition des pores à l'intérieur de la soudure. Par rapport aux lasers gaussiens conventionnels, les lasers AFGRM réduisent considérablement le nombre de pores dans la soudure dans les mêmes conditions de puissance de mode gaussien et de puissance totale. Parallèlement, avec l'augmentation de la puissance du laser, la proportion de pores dans le soudage laser gaussien conventionnel présente une tendance à la baisse, principalement attribuée à l'écoulement accru du métal liquide dans le bain en fusion. L’introduction de lasers annulaires supprime davantage la formation de pores, ce qui indique qu’ils présentent un net avantage dans l’amélioration de la dynamique du bain de fusion et des conditions d’échappement des gaz.
04 Conclusion
Cette étude a permis de développer une nouvelle méthode de mise en forme de faisceau-basée sur un seul miroir de forme libre, offrant une solution efficace et peu coûteuse-pour le soudage laser de plaques épaisses. Les principales conclusions sont les suivantes : 1. Conception innovante : le concept laser AFGRM a été proposé et validé, permettant une séparation spatiale des modes gaussien et annulaire-et un réglage indépendant de la distance focale via un seul réflecteur. 2. Amélioration des performances : dans le soudage de l'acier inoxydable de 16 mm d'épaisseur, le laser AFGRM (en particulier avec un rapport de puissance de 8:2) a amélioré la profondeur de pénétration de 37,0 % et réduit la porosité de 98,6 % par rapport aux lasers conventionnels, améliorant considérablement la qualité du soudage. 3. Perspectives d'application : cette technologie relève non seulement le défi d'obtenir simultanément une pénétration profonde et une haute qualité dans le soudage à pénétration profonde-, mais a également un grand potentiel pour remplacer les lasers ARM coûteux dans la production industrielle en raison du coût relativement faible et de la tolérance de puissance élevée (30 kW) du réflecteur.
