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) autogenní laserové svařování s výhodami vrstveného nanášení, které nabízí svařování v úzkých-mezerách. Studie zkoumá složité termofyzikální interakce mezi ultra-hlubokou svarovou lázní (dosahující 15 mm při jednom průchodu) a bočními stěnami s úzkou-mezírkou a odhaluje mechanismy, kterými parametry oscilace laseru regulují proudění svarové lázně a chování fúze bočních stěn. Tato metoda nakonec úspěšně dosáhla bezvadného-svaření plechů z nerezové oceli 316LN o tloušťce 70 mm, což výrazně zvýšilo efektivitu výroby a zároveň zajistilo vysokou kvalitu.
Aby výzkumný tým překonal fyzikální omezení pozorování 15 mm hluboké svarové lázně v ultra-úzké mezeře 2,5 mm, na zakázku-vyvinul platformu pro vizuální kontrolu z boku- (využívající skleněnou sendvičovou strukturu GG17) (obr. 1) a začlenil technologii stopování částic wolframového prášku (obr. 2). To umožnilo výzkumníkům jasně sledovat makroskopickou dynamiku tekutin a přechodné fúzní chování ve svarové lázni.
Průřezové mikrofotografie jasně demonstrují kritickou roli oscilační amplitudy (obr. 3). Bez oscilace nebo s malou amplitudou (1,2 mm) nemůže být teplo účinně přenášeno do stran, což má za následek nedostatek--stavení (LOF) bočních stěn až 37,28 %. Když je však amplituda oscilace optimalizována na 1,8 mm, energie laseru je rovnoměrně distribuována do bočních stěn; průřez svaru-se posouvá z tvaru „hlavičky{10} hřebíku“ na široký „obdélníkový“ tvar a míra vad LOF klesne na 0 %.
Při laserovém svařování -s oscilacím je svarová lázeň nejen úzká a podléhá rychlému ochlazování, ale vnitřní klíčová dírka také existuje ve vysoce nestabilním stavu, který se vyznačuje častým roztahováním a smršťováním. Roztavený kov, poháněný povrchovým napětím (Marangoniho efekt), je vysoce náchylný k asymetrickému, vychýlenému toku. Tento nekontrolovaný jednostranný tok nakonec vede k dobrému svaru na jedné straně svaru, zatímco nevyhnutelně způsobuje vážné nedostatky--svaru na straně druhé (obrázek 4).
Nižší parametry kmitání mají za následek nedostatečný boční přívod tepla a asymetrické proudění svarové lázně. Když jsou parametry optimalizovány na amplitudu 1,8 mm a frekvenci 40 Hz, boční ohřívací zóna laseru se efektivně rozšíří, což způsobí posun geometrie svarové lázně z „úzké a hluboké“ na „širokou a mělkou“ (zvětšení šířky a zmenšení délky). Ačkoli vysokofrekvenční oscilace způsobují určitý rozstřik, tento režim výrazně zlepšuje celkovou stabilitu klíčové dírky a svarové lázně a zlepšuje smáčení bočních stěn, což v konečném důsledku zajišťuje účinné spojení mezi svarovým švem a bočními stěnami (obr.{5}}).
Obrázek 6 názorně ilustruje rozhodující roli amplitudy kmitání při řízení dynamického vývoje morfologie průřezu svarové lázně- během celého cyklu oscilací. Při nízkých amplitudách oscilací vytváří vysoce koncentrovaná laserová energie úzkou -kónickou svarovou lázeň; boční stěny přijímají teplo primárně prostřednictvím omezené tepelné vodivosti, což má za následek asymetrické naklánění a nedostatek--fúzních defektů. Jak se amplituda oscilace zvyšuje, teplo se dynamicky akumuluje na rozhraní mezi předem umístěnou deskou a bočními stěnami, což způsobuje, že se základna svarové lázně rozšiřuje do tvaru U. Při optimalizované, větší amplitudě oscilace je energie laseru přerozdělena rovnoměrně v příčném směru, což výrazně zlepšuje smáčení bočních stěn a hloubku průniku. Navíc během celého cyklu levo{11}}pravé oscilace (od T0 do T0 + 16 ms) překonává svarová lázeň-poháněná kombinovanými účinky přímého záření a tepelného vedení-tepelnou prodlevu a nepřetržitě akumuluje teplo; rozšiřuje se střídavě na obě strany v synchronizaci s pohybem paprsku, což nakonec vytváří dokonale centrosymetrickou morfologii.
Tato studie navrhuje a systematicky ověřuje před-vyplněnou techniku laserového oscilačního svařování s úzkou mezerou-. Komplexně analyzuje mechanismy, kterými oscilace laseru přetvářejí vnitřní termodynamické a fluidní-dynamické chování ultra-hluboké roztavené lázně, což vede k následujícím klíčovým závěrům: 1. Oscilace narušuje vysoce koncentrovanou distribuci jediné-vrcholové energie typické pro konvenční zdroje tepla, čímž výrazně snižuje špičkovou hustotu energie (z 1067 J/mm2,92). Tato homogenizace a redistribuce energie zásadně zabraňuje nadměrnému přívodu tepla do středu svaru a zároveň podstatně zvyšuje místní akumulaci tepla na hranicích bočních stěn. 2. Intenzivní mechanický míchací efekt generovaný parametry oscilace (frekvence: 40 Hz; amplituda: 1,8 mm) úspěšně překonává omezení proudění, kterému dominuje povrchové napětí. Proud roztavené lázně se přemění z neuspořádaného, vysoce náchylného-k-vychýlení asymetrického stavu do uspořádaného, symetrického a silného konvektivního režimu, čímž se urychluje radiální praní a transport tekutého kovu o vysoké teplotě směrem k oběma bočním stěnám. 3. proces definující 8 matematické{15}porušení} nebo rovno 2A/D Menší nebo rovno 1,5 (kde A je amplituda oscilace a D je šířka mezery)-bylo důsledně odvozeno a ověřeno. Toto okno dodává procesu svařování výjimečnou robustnost; v tomto rozsahu se proces může účinně vyrovnat s odchylkami způsobenými vibracemi zařízení nebo chybami při montáži a zajistit dokonalé 100% spojení na bočních stěnách.
