01 Introduction: Welding thick-walled components is a critical step in the manufacturing of devices designed for extreme operating conditions, such as those used in controlled fusion. Conventional autogenous laser welding struggles to maintain the dynamic equilibrium of deep weld pools, while laser welding with wire feeding faces efficiency bottlenecks-such as unstable wire delivery and limited single-layer deposition height. To meet the urgent need for high-quality, high-efficiency thick-plate welding technology, this study proposes a pre-filled narrow-gap laser oscillation welding method. This technique replaces dynamic wire feeding with pre-filled strips, ingeniously combining the high efficiency of high-power (>10 kW) autogeniczne spawanie laserowe z zaletami osadzania warstwowego spawania z wąskimi-szczelinami. W badaniu zbadano złożone interakcje termofizyczne pomiędzy ultra-głębokim jeziorkiem spawalniczym (sięgającym 15 mm w jednym przejściu) a ścianami bocznymi wąskiej-szczeliny, ujawniając mechanizmy, dzięki którym parametry oscylacji lasera regulują przepływ jeziorka spawalniczego i zachowanie wtapiania się ścian bocznych. Ostatecznie dzięki tej metodzie udało się uzyskać-bezdefektowe spawanie blach ze stali nierdzewnej 316LN o grubości 70 mm, znacznie zwiększając wydajność produkcji przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej jakości.
Aby przezwyciężyć fizyczne ograniczenia związane z obserwacją jeziorka spawalniczego o głębokości 15 mm w ultra-wąskiej szczelinie 2,5 mm, zespół badawczy-opracował na zamówienie-platformę do kontroli wizualnej z widokiem z boku (wykorzystując strukturę warstwową ze szkła GG17) (rys.. 1) i wykorzystującą technologię cząstek znacznika proszku wolframu (rys.. 2). Umożliwiło to naukowcom wyraźne śledzenie makroskopowej dynamiki płynów i zachowania przejściowego stapiania w jeziorku spawalniczym.
Mikrografy-przekrojowe wyraźnie pokazują kluczową rolę amplitudy oscylacji (ryc.. 3). Bez oscylacji lub przy małej amplitudzie (1,2 mm) ciepło nie może być skutecznie przenoszone na boki, co skutkuje współczynnikiem defektów-braku-zespalania (LOF) ściany bocznej wynoszącym aż do 37,28%. Jednakże, gdy amplituda oscylacji jest zoptymalizowana do 1,8 mm, energia lasera jest równomiernie rozprowadzana na ściankach bocznych; przekrój poprzeczny spoiny zmienia się z kształtu-łba gwoździa na szeroki kształt prostokątny, a współczynnik defektów LOF spada do 0%.
W-nieoscylacyjnym spawaniu laserowym jeziorko spawalnicze jest nie tylko wąskie i podlega szybkiemu chłodzeniu, ale wewnętrzna dziurka od klucza występuje również w stanie wysoce niestabilnym, charakteryzującym się częstym rozszerzaniem i kurczeniem. Napędzany napięciem powierzchniowym (efekt Marangoniego) roztopiony metal jest bardzo podatny na asymetryczny, stronniczy przepływ. Ten niekontrolowany jednostronny przepływ ostatecznie skutkuje dobrym stopieniem po jednej stronie spoiny, nieuchronnie powodując poważny brak-defektów-ściany bocznej po drugiej stronie (Rysunek 4).
Niższe parametry oscylacji skutkują niewystarczającym bocznym wprowadzaniem ciepła i asymetrycznym przepływem jeziorka spawalniczego. Gdy parametry zostaną zoptymalizowane do amplitudy 1,8 mm i częstotliwości 40 Hz, boczna strefa grzewcza lasera skutecznie się rozszerza, powodując zmianę geometrii jeziorka spawalniczego z „wąskiej i głębokiej” na „szeroką i płytką” (zwiększona szerokość i zmniejszona długość). Chociaż oscylacje o wysokiej-częstotliwości powodują pewne odpryski, ten tryb znacznie poprawia ogólną stabilność dziurki od klucza i jeziorka spawalniczego oraz poprawia zwilżanie ścian bocznych, ostatecznie zapewniając skuteczne stopienie spoiny ze ścianami bocznymi (rys.. 5).
Rysunek 6 wyraźnie ilustruje decydującą rolę amplitudy oscylacji w kontrolowaniu dynamicznej ewolucji morfologii przekroju poprzecznego jeziorka spawalniczego w całym cyklu oscylacji. Przy niskich amplitudach oscylacji wysoce skoncentrowana energia lasera wytwarza jeziorko spawalnicze o wąskim-dennym dnie; ściany boczne odbierają ciepło głównie w wyniku ograniczonego przewodzenia ciepła, co powoduje asymetryczne przechylenie i brak-defektów-zespalania. W miarę wzrostu amplitudy oscylacji ciepło gromadzi się dynamicznie na styku-umieszczonej wcześniej płyty a ścianami bocznymi, powodując rozszerzenie podstawy jeziorka spawalniczego do kształtu-U. Przy zoptymalizowanej, większej amplitudzie oscylacji energia lasera jest rozprowadzana równomiernie w kierunku poprzecznym, co znacznie zwiększa zwilżanie ścian bocznych i głębokość penetracji. Co więcej, podczas całego cyklu oscylacji w lewo-prawo (od T0 do T0 + 16 ms) jeziorko spawalnicze-napędzane połączonym działaniem bezpośredniego napromieniowania i przewodnictwa cieplnego-pokonuje opóźnienie termiczne i stale gromadzi ciepło; rozszerza się naprzemiennie w obie strony, synchronicznie z ruchem wiązki, ostatecznie ustanawiając idealnie centrosymetryczną morfologię.
W tym badaniu zaproponowano i systematycznie weryfikowano technikę spawania laserowego oscylacyjnego z-wąską{1}}wstępnie wypełnioną szczeliną. Kompleksowo analizuje mechanizmy, za pomocą których oscylacja lasera zmienia wewnętrzne zachowania termodynamiczne i-płynu-bardzo głębokiego basenu stopionego, prowadząc do następujących kluczowych wniosków: 1. Oscylacja zakłóca wysoce skoncentrowany, pojedynczy-szczytowy rozkład energii typowy dla konwencjonalnych źródeł ciepła, znacznie zmniejszając szczytową gęstość energii (z 1067 J/mm² do 772,9 J/mm²). Ta homogenizacja i redystrybucja energii zasadniczo zapobiegają nadmiernemu dopływowi ciepła do środka spoiny, jednocześnie znacznie zwiększając lokalną akumulację ciepła na granicach ścianek bocznych.. 2. Intensywny efekt mechanicznego mieszania generowany przez parametry oscylacji (częstotliwość: 40 Hz; amplituda: 1,8 mm) skutecznie pokonuje ograniczenia przepływu zdominowane przez napięcie powierzchniowe. Przepływ stopionego jeziorka ulega przekształceniu z nieuporządkowanego,{14}}wysoce podatnego-do wypaczania stanu asymetrycznego w uporządkowany, symetryczny i energiczny tryb konwekcyjny, przyspieszający promieniowe szorowanie i transport-ciekłego metalu o wysokiej temperaturze w kierunku obu ścian bocznych. 3. Okno procesu matematycznego służące do tłumienia defektów-zdefiniowane jako 1 Mniejsze lub równe 2A/D Wartość mniejsza lub równa 1,5 (gdzie A to amplituda oscylacji, a D to szerokość szczeliny)-została rygorystycznie wyznaczona i sprawdzona. Okno to zapewnia wyjątkową trwałość procesu spawania; w tym zakresie proces może skutecznie kompensować odchylenia spowodowane wibracjami sprzętu lub błędami montażowymi, zapewniając doskonałe 100% wtopienie ścian bocznych.
