01 論文概要
レーザー加工の分野、特に深溶け込み溶接では、従来の単一ガウス ビームはエネルギー密度は高いものの、エネルギー分布が過度に集中することが多く、キーホールの不安定性、スパッタ、気孔などの欠陥を容易に引き起こす可能性があります。これらの問題に対処するために、学術界はベッセルビームまたは環状ビームを使用してエネルギーを分散させることを提案しており、その中で調整リングモード（ARM）レーザーが溶融池を効果的に安定させ、欠陥を抑制することが証明されています。しかし、既存の複合ビーム ソリューションは通常、高コスト、固定焦点距離、空間エネルギー分布の調整機能の制限などの問題に直面しています。たとえば、従来のリングレーザーでは、多くの場合、ガウスビームとリングビームが同じ焦点面上にある必要があり、厚板溶接における異なる焦点位置に対する特定のニーズを満たすことができません。これらの制限を克服するために、この研究では新しいビーム整形方法-調整可能なフォーカス ガウシアン-リング モード (AFGRM) レーザーを提案します。この方法では、低コストの「単一自由曲面ミラー」を使用して、標準的なガウス レーザー光源をさまざまな焦点距離、調整可能なパワー比、リング半径を持つ複合ビームに変換します。これにより、深い溶け込みと欠陥の少ない高品質の溶接を実現することを目指しています。-
02 全文概要
この研究では、革新的なビーム整形方法を提案しています。つまり、カスタマイズされた単一の自由曲面ミラーを設計することで、標準的なガウス レーザー光源を、焦点距離、パワー比、リング半径を個別に調整できる調整可能な焦点ガウス リング モード（AFGRM）レーザーに変換します。{0}{1}この技術は、ビームの空間分離と再結合を巧みに実現し、中央のガウス ビームが負の焦点ぼけ状態を採用して貫通力を高め、外側のリング ビームがワークピース表面に焦点を合わせて溶融池を拡大して安定化させます。これにより、集中したエネルギーが溶融池の不安定性や気孔欠陥を引き起こす可能性がある、従来の高出力深溶け込み溶接の問題に効果的に対処できます。-厚さ 16 mm の SUS304 ステンレス鋼板で行われた溶接実験では、同じ出力の従来のガウシアン レーザーと比較して、最適な出力比 (8:2) の AFGRM レーザーは溶接の溶け込みを 37.0% 増加させただけでなく、気孔率を 17.58% から 0.24% に減少させ、この技術が低コストで信頼性の高いソリューションとして品質を向上させる大きな可能性があることを実証しました。-厚板の深溶け込み溶接の様子。
ダイアグラム解析の図 1 は、パワー比 8:4 の単一自由曲面ミラーによる整形後のビーム伝播のシミュレーション結果を示しています。これは、単一の自由曲面ミラーでレーザーを中央ビームとリング状ビームに成形でき、伝播中に分離から再結合まで進化して、焦点領域に明確なエネルギー分布と制御可能な比率を備えた複合スポットを形成できることを示しています。この結果は、小さなスポット サイズと中心から周辺までのエネルギーの正確な制御の両方を達成するこのビーム整形システムの有効性を検証します。-
図 1 AFGRM システムでの整形後のビーム伝播の概略シミュレーション: (a) 全体的なレーザー伝播パターン (b) 297 mm でのビーム パターン: (b1) – (b2) 297 mm でのレーザー出力密度分布と 3D 表示。 (c) 300 mm でのビーム パターン: (c1) – (c2) 300 mm でのレーザー出力密度分布と 3D 表示。
図 2 は、AFGRM 複合ビームと従来のガウス ビームで行われた溶接の断面形態を比較しています。-結果は、従来のガウス ビームが典型的な V- 形状の溶接を形成し、総出力が増加するにつれて溶け込み深さが大幅に増加することを示しています。対照的に、AFGRM ビームは安定した「T- 形状」の溶接を生成し、最初は溶け込み深さが増加し、その後環状ビームの出力が増加するにつれて安定し、8:2 の出力比で最大の溶け込みを達成します。これらの結果は、AFGRM ビームが中心環状エネルギー変調によって溶接形態と溶け込み深さを相乗的に制御することで、より優れた深溶け込み溶接を実現できることを示しています。-
図2 従来のガウシアンレーザー溶接とAFGRMレーザー溶接の溶接シーム形態の比較
図 3 は、縦断面形状が溶接内部の気孔の分布特性を直感的に反映できることを示しています。{1}従来のガウス レーザーと比較して、AFGRM レーザーは、同じガウス モード出力と総出力条件下で溶接部の気孔の数を大幅に削減します。一方、レーザー出力の増加に伴い、従来のガウスレーザー溶接における気孔の割合は減少傾向を示しており、これは主に溶融池内の液体金属の流れの促進に起因する。環状レーザーの導入により細孔の形成がさらに抑制され、溶融池のダイナミクスとガスの流出条件の改善に明らかな利点があることが示されています。
04 まとめ
この研究では、単一の自由曲面ミラーに基づく新しいビーム整形方法の開発に成功し、厚板レーザー溶接に効率的で低コストのソリューションを提供します。{0}{1}{1}主な結論は次のとおりです。 1. 革新的な設計: AFGRM レーザーのコンセプトが提案および検証され、ガウス モードとリング状モードの空間分離と、単一の反射鏡による焦点距離の独立した調整を実現しました。. 2. 性能の向上: 厚さ 16 mm のステンレス鋼の溶接において、AFGRM レーザー (特に出力比 8:2) は、溶け込み深さを 37.0% 改善し、気孔率を減少させました。従来のレーザーと比較して 98.6% 向上し、溶接品質が大幅に向上します. 3. 応用の見通し: この技術は、深溶け込み溶接における深溶け込みと高品質を同時に達成するという課題に対処するだけでなく、反射鏡の比較的低コストと高出力耐性 (30kW) により、工業生産において高価な ARM レーザーを置き換える大きな可能性を秘めています。-
