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) sudare autogenă cu laser cu avantajele depunerii stratificate ale sudării de umplere a spațiilor înguste-. Studiul investighează interacțiunile termofizice complexe dintre bazinul de sudură ultra-adânc (atingând 15 mm într-o singură trecere) și pereții laterali cu spații înguste-, dezvăluind mecanismele prin care parametrii de oscilație laser reglează debitul bazinului de sudură și comportamentul de fuziune a pereților laterali. În cele din urmă, această metodă a realizat cu succes sudarea-fără defecte a plăcilor din oțel inoxidabil 316LN cu grosimea de 70 mm, sporind semnificativ eficiența producției, asigurând în același timp calitate înaltă.
Pentru a depăși limitările fizice ale observării unui bazin de sudură de 15 mm adâncime într-un spațiu ultra{-îngust de 2,5 mm, echipa de cercetare personalizată-a dezvoltat o platformă de inspecție vizuală de vizualizare laterală{- (folosind o structură de tip sandwich din sticlă GG17) (Fig{. 1) și a încorporat tehnologia de pulbere de tungsten (Fig. 2}). Acest lucru a permis cercetătorilor să urmărească în mod clar dinamica macroscopică a fluidelor și comportamentul fuziunii tranzitorii în bazinul de sudură.
Micrografiile în secțiune transversală-demonstrează clar rolul critic al amplitudinii oscilației (Fig. 3). Fără oscilație sau cu o amplitudine mică (1,2 mm), căldura nu poate fi transferată în mod eficient lateral, rezultând o rată a defectelor de lipsă-de-fuziune a peretelui lateral (LOF) de până la 37,28%. Cu toate acestea, atunci când amplitudinea oscilației este optimizată la 1,8 mm, energia laserului este distribuită uniform pe pereții laterali; secțiunea transversală-de sudură trece de la o formă de „cap-cuie” la o formă „dreptunghiulară” largă, iar rata defectelor LOF scade la 0%.
În sudarea cu laser ne-oscilante, bazinul de sudură nu este doar îngust și supus răcirii rapide, dar și gaura cheii internă există într-o stare extrem de instabilă, caracterizată prin expansiune și contracție frecventă. Acționat de tensiunea superficială (efectul Marangoni), metalul topit este foarte predispus la curgere asimetrică, părtinită. Acest flux unilateral necontrolat are ca rezultat în cele din urmă o fuziune bună pe o parte a sudurii, în timp ce inevitabil provoacă lipsa-de-defecte de fuziune pe pereții laterali pe cealaltă parte (Figura 4).
Parametrii mai mici de oscilație au ca rezultat un aport de căldură lateral insuficient și un flux asimetric al bazinului de sudură. Când parametrii sunt optimizați la o amplitudine de 1,8 mm și o frecvență de 40 Hz, zona de încălzire laterală a laserului se extinde efectiv, ceea ce face ca geometria bazinului de sudură să se schimbe de la „îngust și adânc” la „larg și puțin adânc” (lățime crescută și lungime redusă). Deși oscilația cu frecvență înaltă-induce stropire, acest regim îmbunătățește semnificativ stabilitatea generală a găurii cheii și a bazinului de sudură și îmbunătățește umezirea pereților laterali, asigurând în cele din urmă fuziunea eficientă între cordonul de sudură și pereții laterali (Fig. 5).
Figura 6 ilustrează în mod viu rolul decisiv al amplitudinii oscilației în guvernarea evoluției dinamice a morfologiei secțiunii transversale-a bazinului de sudură pe parcursul unui ciclu complet de oscilație. La amplitudini mici de oscilație, energia laser foarte concentrată produce un bazin de sudură conic-îngust; pereții laterali primesc căldură în primul rând prin conducție termică limitată, rezultând înclinarea asimetrică și lipsa-de-defecte de fuziune. Pe măsură ce amplitudinea oscilației crește, căldura se acumulează dinamic la interfața dintre placa pre-așezată și pereții laterali, determinând lărgirea bazei bazinului de sudură într-o formă de U-. Sub o amplitudine optimizată, de oscilație mai mare, energia laserului este redistribuită uniform pe direcția transversală, îmbunătățind semnificativ umezirea pereților laterali și adâncimea de penetrare. În plus, pe parcursul unui ciclu complet de oscilație stânga-dreapta (de la T0 la T0 + 16 ms), bazinul de sudură-condus de efectele combinate ale iradierii directe și ale conducției termice-depășește întârzierea termică și acumulează în mod continuu căldură; se extinde alternativ spre ambele părți în sincron cu mișcarea fasciculului, stabilind în cele din urmă o morfologie perfect centrosimetrică.
Acest studiu propune și validează sistematic o tehnică de sudare prin oscilație cu laser cu spații înguste-pre-umplute. Acesta analizează cuprinzător mecanismele prin care oscilația laser remodelează comportamentele termodinamice interne și fluide-dinamice ale bazinului de topire ultra-adânc, conducând la următoarele concluzii cheie: 1. Oscilația perturbă distribuția de energie foarte concentrată, cu un singur pic, tipică surselor de căldură convenționale, reducând semnificativ densitatea energiei de vârf la 297/mm². J/mm²). Această omogenizare și redistribuire a energiei previne în mod fundamental aportul excesiv de căldură la centrul de sudare, sporind în același timp în mod substanțial acumularea locală de căldură la limitele pereților laterali. 2. Efectul intens de agitare mecanică generat de parametrii de oscilație (frecvență: 40 Hz; amplitudine: 1,8 mm) depășește cu succes constrângerile de suprafață dominate de curgere. Debitul bazinului topit este transformat dintr-o stare asimetrică dezordonată, foarte predispusă-la-deformare asimetrică într-un mod convectiv ordonat, simetric și viguros, accelerând curățarea radială și transportul metalului lichid la-înaltă temperatură către ambii pereți laterali. 3. O fereastră de suprimare defectuoasă a procesului de suprimare{18}1{18}1. Mai mic sau egal cu 2A/D Mai mic sau egal cu 1,5 (unde A este amplitudinea oscilației și D este lățimea intervalului)-a fost riguros derivat și validat. Această fereastră conferă o robustețe excepțională procesului de sudare; în acest interval, procesul poate găzdui eficient abaterile cauzate de vibrațiile echipamentului sau erorile de asamblare, asigurând o fuziune perfectă 100% pe pereții laterali.
