01 논문개요
레이저 가공 분야, 특히 심용입 용접에서 전통적인 단일 가우스 빔은 에너지 밀도가 높음에도 불구하고 에너지 분포가 과도하게 집중되어 키홀 불안정성, 스패터 및 다공성과 같은 결함이 쉽게 발생할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 학계에서는 베셀 빔 또는 환형 빔을 사용하여 에너지를 분산시킬 것을 제안했으며, 그 중 조정 가능한 링 모드(ARM) 레이저가 용융 풀을 효과적으로 안정화하고 결함을 억제하는 것으로 입증되었습니다. 그러나 기존 복합 빔 솔루션은 일반적으로 높은 비용, 고정된 초점 거리, 제한된 공간 에너지 분포 조정 가능성 등의 문제에 직면해 있습니다. 예를 들어, 기존 링 레이저에서는 가우시안 빔과 링 빔이 동일한 초점면에 있어야 하는 경우가 많으며, 이는 두꺼운 판 용접에서 서로 다른 초점 위치에 대한 특정 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 새로운 빔 성형 방법인 -Adjustable Focus Gaussian-Ring Mode(AFGRM) 레이저를 제안합니다. 이 방법은 저렴한-비용의 '단일 자유 형태 미러'를 사용하여 표준 가우스 레이저 소스를 다양한 초점 거리, 조정 가능한 출력 비율 및 링 반경을 갖춘 복합 빔으로 변환하여 깊은 침투와 낮은 결함을 모두 갖춘 고품질 용접을 달성하는 것을 목표로 합니다.-
02 전문 개요
본 연구에서는 맞춤형 단일 자유형 표면 거울을 설계하여 표준 가우스 레이저 소스를 독립적으로 조정 가능한 초점 거리, 출력 비율 및 링 반경을 갖춘 조정 가능한 -초점 가우스-링 모드(AFGRM) 레이저로 변환하는 혁신적인 빔 성형 방법을 제안합니다. 이 기술은 빔의 공간 분리 및 재결합을 교묘하게 달성하여 중앙 가우스 빔이 음의 디포커스 상태를 채택하여 침투력을 향상시키는 반면 외부 링 빔은 가공물 표면에 초점을 맞춰 용융 풀을 확장하고 안정화시킵니다. 이는 집중된 에너지로 인해 용융 풀 불안정성과 다공성 결함이 발생할 수 있는 기존의 고전력-심용입 용접 문제를 효과적으로 해결합니다. 16mm 두께의 SUS304 스테인리스 강판을 대상으로 용접 실험을 진행한 결과, 동일한 출력의 기존 가우시안 레이저와 비교하여 최적의 출력비(8:2)를 갖춘 AFGRM 레이저는 용접 관통률을 37.0% 증가시켰을 뿐만 아니라 기공률을 17.58%에서 0.24%로 감소시켰습니다. 이는 이 기술이 저비용 및 고신뢰성 솔루션으로서 두꺼운 판재의 품질을 향상시킬 수 있는 큰 잠재력이 있음을 보여줍니다. 침투 용접.
다이어그램 분석의 그림 1은 전력비 8:4의 단일 자유형 거울로 성형한 후 빔 전파의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 이는 단일 자유형 거울이 레이저를 중앙 빔과 링{3}} 모양의 빔으로 형성할 수 있고 전파 중에 분리에서 재결합으로 진화하여 명확한 에너지 분포와 제어 가능한 비율로 초점 영역에 복합 스폿을 형성할 수 있음을 보여줍니다. 이 결과는 작은 스폿 크기와 중앙-~-주변 에너지의 정밀한 제어를 모두 달성하는 데 있어 이 빔 성형 시스템의 효율성을 검증합니다.
그림 1 AFGRM 시스템에서 성형 후 빔 전파의 도식적 시뮬레이션: (a) 전체 레이저 전파 패턴 (b) 297mm의 빔 패턴: (b1)–(b2) 297mm의 레이저 출력 밀도 분포 및 3D 디스플레이. (c) 300mm의 빔 패턴: (c1)–(c2) 300mm의 레이저 전력 밀도 분포 및 3D 디스플레이.
그림 2는 AFGRM 합성보와 기존 가우시안 빔을 사용하여 만든 용접부의 단면 형태를 비교합니다. 결과는 전통적인 가우스 빔이 일반적인 V- 모양의 용접을 형성하고 총 전력이 증가함에 따라 침투 깊이가 크게 증가한다는 것을 보여줍니다. 이와 대조적으로 AFGRM 빔은 안정적인 "T{5}}자형" 용접을 생성합니다. 처음에는 침투 깊이가 증가하다가 환형 빔의 출력이 증가함에 따라 안정화되어 8:2 출력 비율에서 최대 침투를 달성합니다. 이러한 결과는 AFGRM 빔이 중앙-환형 에너지 변조를 통해 용접 형태와 침투 깊이를 시너지적으로 제어함으로써 더 깊은-침입 용접을 달성할 수 있음을 나타냅니다.
그림 2 기존 가우시안 레이저 용접과 AFGRM 레이저 용접 간의 용접 이음새 형태 비교
그림 3은 종방향 단면-형태가 용접 내부 기공의 분포 특성을 직관적으로 반영할 수 있음을 보여줍니다. 기존 가우스 레이저와 비교하여 AFGRM 레이저는 동일한 가우스 모드 전력 및 총 전력 조건에서 용접의 기공 수를 크게 줄입니다. 한편, 레이저 출력이 증가함에 따라 기존 가우시안 레이저 용접의 기공 비율은 감소하는 경향을 보이며 이는 주로 용융 풀 내 액체 금속의 흐름이 향상되었기 때문입니다. 환형 레이저의 도입은 기공 형성을 더욱 억제하여 용융 풀 역학 및 가스 탈출 조건을 개선하는 데 분명한 이점이 있음을 나타냅니다.
04 결론
이 연구에서는 단일 자유형 거울을 기반으로 하는 새로운 빔{0}성형 방법을 성공적으로 개발하여 후판 레이저 용접을 위한 효율적이고 저렴한{1}}솔루션을 제공했습니다. 주요 결론은 다음과 같습니다. 1. 혁신적인 설계: AFGRM 레이저 개념이 제안되고 검증되었으며, 단일 반사경을 통해 가우시안 및 링{4}} 모드의 공간 분리 및 초점 거리의 독립적인 조정이 가능합니다.. 2. 성능 향상: 16mm 두께의 스테인레스 스틸 용접에서 AFGRM 레이저(특히 8:2 출력 비율)는 침투 깊이를 37.0% 향상시키고 기공률을 기존 레이저에 비해 98.6%, 용접 품질 대폭 향상. 3. 응용 전망: 이 기술은 심용입 용접에서 심용입과 고품질을 동시에 달성해야 하는 문제를 해결할 뿐만 아니라 반사판의 상대적으로 저렴한 비용과 높은 출력 허용 오차(30kW)로 인해 산업 생산에서 고가의 ARM 레이저를 대체할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
