01 Ikhtisar Makalah
Di bidang pemrosesan laser, khususnya dalam pengelasan penetrasi dalam, sinar Gaussian tunggal tradisional, meskipun kepadatan energinya tinggi, sering kali menghasilkan distribusi energi yang terlalu terkonsentrasi, yang dapat dengan mudah menyebabkan cacat seperti ketidakstabilan lubang kunci, percikan, dan porositas. Untuk mengatasi masalah ini, komunitas akademis telah mengusulkan penggunaan sinar Bessel atau sinar annular untuk menyebarkan energi, di antaranya laser mode cincin yang dapat disesuaikan (ARM) telah terbukti secara efektif menstabilkan kumpulan lelehan dan menekan cacat. Namun, solusi sinar komposit yang ada biasanya menghadapi masalah seperti biaya tinggi, panjang fokus tetap, dan terbatasnya penyesuaian distribusi energi spasial. Misalnya, laser cincin konvensional sering kali mengharuskan berkas Gaussian dan berkas cincin berada pada bidang fokus yang sama, sehingga tidak dapat memenuhi kebutuhan spesifik untuk posisi fokus berbeda dalam pengelasan pelat tebal. Untuk mengatasi keterbatasan ini, penelitian ini mengusulkan metode pembentukan sinar baru laser -Adjustable Focus Gaussian-Ring Mode (AFGRM). Metode ini menggunakan 'cermin bentuk bebas tunggal' berbiaya rendah untuk mengubah sumber laser Gaussian standar menjadi sinar komposit dengan panjang fokus berbeda, rasio daya yang dapat disesuaikan, dan jari-jari cincin, yang bertujuan untuk mencapai pengelasan berkualitas tinggi dengan penetrasi dalam dan cacat rendah.
02 Ikhtisar Teks Lengkap
Studi ini mengusulkan metode pembentukan sinar inovatif, yaitu mengonversi sumber laser Gaussian standar menjadi laser mode cincin Gaussian-fokus (AFGRM) yang dapat disesuaikan dengan panjang fokus, rasio daya, dan radius cincin yang dapat disesuaikan secara independen, dengan merancang cermin permukaan bentuk bebas tunggal yang dapat disesuaikan. Teknik ini secara cerdik mencapai pemisahan spasial dan rekombinasi berkas, memungkinkan berkas Gaussian pusat mengadopsi keadaan pengaburan negatif untuk meningkatkan penetrasi, sedangkan berkas cincin luar berfokus pada permukaan benda kerja untuk memperluas dan menstabilkan kumpulan lelehan. Hal ini secara efektif mengatasi masalah dalam pengelasan penetrasi dalam-berkekuatan tinggi tradisional, di mana energi terkonsentrasi dapat menyebabkan ketidakstabilan kolam leleh dan cacat porositas. Eksperimen pengelasan yang dilakukan pada pelat baja tahan karat SUS304 setebal 16 mm menunjukkan bahwa, dibandingkan dengan laser Gaussian konvensional dengan daya yang sama, laser AFGRM dengan rasio daya optimal (8:2) tidak hanya meningkatkan penetrasi las sebesar 37,0%, namun juga mengurangi porositas dari 17,58% menjadi 0,24%, menunjukkan bahwa teknologi ini, sebagai solusi berbiaya rendah dan sangat andal, memiliki potensi besar untuk meningkatkan kualitas penetrasi dalam pelat tebal pengelasan.
Gambar 1 pada diagram analisis menunjukkan hasil simulasi perambatan berkas setelah dibentuk oleh cermin tunggal bentuk bebas dengan perbandingan daya 8:4. Hal ini menunjukkan bahwa satu cermin bentuk bebas dapat membentuk laser menjadi sinar pusat dan sinar berbentuk cincin, dan dapat mencapai evolusi dari pemisahan ke rekombinasi selama propagasi, membentuk titik gabungan di wilayah fokus dengan distribusi energi yang jelas dan proporsi yang dapat dikontrol. Hasil ini memvalidasi efektivitas sistem pembentukan sinar ini dalam mencapai ukuran titik kecil dan kontrol energi pusat-hingga-periferal yang presisi.
Gambar 1 Simulasi skema perambatan sinar setelah pembentukan dalam sistem AFGRM: (a) Pola perambatan laser keseluruhan (b) Pola sinar pada 297 mm: (b1)–(b2) Distribusi kepadatan daya laser dan tampilan 3D pada 297 mm. (c) Pola sinar pada 300 mm: (c1)–(c2) Distribusi kepadatan daya laser dan tampilan 3D pada 300 mm.
Gambar 2 membandingkan-morfologi penampang las yang dibuat dengan balok komposit AFGRM dan balok Gaussian konvensional. Hasilnya menunjukkan bahwa balok Gaussian tradisional membentuk las berbentuk V-yang khas, dengan kedalaman penetrasi meningkat secara signifikan seiring dengan peningkatan daya total. Sebaliknya, berkas AFGRM menghasilkan las "berbentuk T-yang stabil, dengan kedalaman penetrasi awalnya meningkat dan kemudian menjadi stabil seiring dengan meningkatnya kekuatan berkas annular, mencapai penetrasi maksimum pada rasio daya 8:2. Hasil ini menunjukkan bahwa sinar AFGRM dapat mencapai pengelasan penetrasi dalam yang lebih baik dengan mengontrol morfologi las dan kedalaman penetrasi secara sinergis melalui modulasi energi pusat-annular.
Gambar 2 Perbandingan morfologi lapisan las antara laser Gaussian konvensional dan pengelasan laser AFGRM
Gambar 3 menunjukkan bahwa morfologi penampang memanjang-dapat secara intuitif mencerminkan karakteristik distribusi pori-pori di dalam las. Dibandingkan dengan laser Gaussian konvensional, laser AFGRM secara signifikan mengurangi jumlah pori-pori pada pengelasan di bawah mode daya Gaussian dan kondisi daya total yang sama. Sementara itu, dengan meningkatnya daya laser, proporsi pori-pori pada pengelasan laser Gaussian konvensional menunjukkan tren menurun, yang terutama disebabkan oleh peningkatan aliran logam cair di kolam cair. Pengenalan laser annular semakin menekan pembentukan pori-pori, yang menunjukkan bahwa mereka memiliki keuntungan yang jelas dalam meningkatkan dinamika kolam cair dan kondisi pelepasan gas.
04 Kesimpulan
Studi ini berhasil mengembangkan metode pembentukan berkas-baru berdasarkan cermin bentuk bebas tunggal, memberikan solusi-biaya yang efisien dan rendah untuk pengelasan laser pelat tebal. Kesimpulan utamanya adalah sebagai berikut: 1. Desain Inovatif: Konsep laser AFGRM diusulkan dan divalidasi, mencapai pemisahan spasial mode Gaussian dan berbentuk cincin serta penyesuaian independen panjang fokus melalui reflektor tunggal. 2. Peningkatan Kinerja: Dalam pengelasan baja tahan karat setebal 16 mm, laser AFGRM (terutama dengan rasio daya 8:2) meningkatkan kedalaman penetrasi sebesar 37,0% dan mengurangi porositas sebesar 98,6% dibandingkan dengan konvensional laser, yang secara signifikan meningkatkan kualitas pengelasan. 3. Prospek Aplikasi: Teknologi ini tidak hanya mengatasi tantangan untuk secara bersamaan mencapai penetrasi dalam dan kualitas tinggi dalam pengelasan penetrasi dalam, namun juga memiliki potensi besar untuk menggantikan laser ARM yang mahal dalam produksi industri karena biaya yang relatif rendah dan toleransi daya yang tinggi (30kW) pada reflektor.
