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 кВт) автогенная лазерная сварка с преимуществами послойного наплавления сварки с заполнением узкого-зазора. В исследовании изучаются сложные теплофизические взаимодействия между сверхглубокой сварочной ванной (достигающей 15 мм за один проход) и боковыми стенками с узким-зазором, выявляются механизмы, с помощью которых параметры лазерных колебаний регулируют течение сварочной ванны и поведение сварки боковых стенок. В конечном итоге с помощью этого метода удалось добиться-бездефектной сварки листов нержавеющей стали 316LN толщиной 70 мм, что значительно повысило эффективность производства и одновременно обеспечило высокое качество.
Чтобы преодолеть физические ограничения, связанные с наблюдением за сварочной ванной глубиной 15 мм в сверх-узком зазоре (2,5 мм), исследовательская группа по заказу-разработала платформу для визуального осмотра с боковым-обзором (с использованием сэндвич-структуры из стекла GG17) (рис. 1) и внедрила технологию трассирующих частиц из вольфрамового порошка (рис. 2). Это позволило исследователям четко отслеживать макроскопическую динамику жидкости и переходное поведение плавления внутри сварочной ванны.
Микрофотографии поперечного-среза ясно демонстрируют решающую роль амплитуды колебаний (рис. 3). Без колебаний или при небольшой амплитуде (1,2 мм) тепло не может эффективно передаваться вбок, что приводит к тому, что уровень дефектов-не-проваривания боковой стенки (LOF) достигает 37,28%. Однако когда амплитуда колебаний оптимизирована до 1,8 мм, энергия лазера равномерно распределяется по боковым стенкам; поперечное сечение сварного шва-смещается с формы "шляпки гвоздя-" на широкую "прямоугольную" форму, а процент дефектов LOF падает до 0 %.
При не-колебательной лазерной сварке сварочная ванна не только узкая и подвержена быстрому охлаждению, но и внутренняя замочная скважина также находится в крайне нестабильном состоянии, характеризующемся частым расширением и сжатием. Под действием поверхностного натяжения (эффект Марангони) расплавленный металл очень склонен к асимметричному, смещенному течению. Этот неконтролируемый односторонний поток в конечном итоге приводит к хорошему провариванию на одной стороне сварного шва, в то же время неизбежно вызывая серьезные дефекты-не-проваривания боковой стенки на другой (рис. 4).
Более низкие параметры колебаний приводят к недостаточному боковому тепловому вложению и асимметричному течению сварочной ванны. Когда параметры оптимизированы до амплитуды 1,8 мм и частоты 40 Гц, боковая зона нагрева лазера эффективно расширяется, в результате чего геометрия сварочной ванны меняется от «узкой и глубокой» к «широкой и мелкой» (увеличенная ширина и уменьшенная длина). Хотя высокочастотные колебания- вызывают некоторое разбрызгивание, этот режим значительно повышает общую стабильность замочной скважины и сварочной ванны, а также улучшает смачивание боковых стенок, в конечном итоге обеспечивая эффективное сплавление между сварным швом и боковыми стенками (рис. 5).
Рисунок 6 наглядно иллюстрирует решающую роль амплитуды колебаний в управлении динамической эволюцией морфологии поперечного сечения сварочной ванны на протяжении всего цикла колебаний. При малых амплитудах колебаний высококонцентрированная лазерная энергия создает коническую сварочную ванну с узким-дном; боковые стенки получают тепло в основном за счет ограниченной теплопроводности, что приводит к асимметричному наклону и отсутствию--дефектов сварки. По мере увеличения амплитуды колебаний тепло динамически накапливается на границе раздела между предварительно-установленной пластиной и боковыми стенками, в результате чего основание сварочной ванны расширяется и принимает U-форму. При оптимизированной большей амплитуде колебаний энергия лазера равномерно перераспределяется в поперечном направлении, что значительно увеличивает смачивание боковой стенки и глубину проникновения. Кроме того, на протяжении всего цикла левых-правых колебаний (от T0 до T0 + 16 мс) сварочная ванна,-управляемая совместным воздействием прямого облучения и теплопроводности,-преодолевает тепловую задержку и непрерывно накапливает тепло; он расширяется попеременно в обе стороны синхронно с движением луча, в конечном итоге создавая идеально центросимметричную морфологию.
В этом исследовании предлагается и систематически подтверждается метод лазерной колебательной сварки с предварительным -заполненным-зазором. В нем всесторонне анализируются механизмы, с помощью которых лазерные колебания изменяют внутреннее термодинамическое и жидкостное-динамическое поведение сверх-глубокой ванны расплава, что приводит к следующим ключевым выводам: 1. Колебания разрушают высококонцентрированное, одно-пиковое распределение энергии, типичное для обычных источников тепла, значительно снижая пиковую плотность энергии (с 1067 Дж/мм² до 772,9 Дж/мм²). Такая гомогенизация и перераспределение энергии принципиально предотвращает чрезмерный подвод тепла в центре сварного шва, одновременно существенно увеличивая локальное накопление тепла на границах боковых стенок.. 2. Интенсивный эффект механического перемешивания, создаваемый параметрами колебаний (частота: 40 Гц; амплитуда: 1,8 мм), успешно преодолевает ограничения потока, в которых преобладает поверхностное натяжение. Поток расплавленной ванны преобразуется из неупорядоченного, склонного к-к-асимметричному состоянию в упорядоченный, симметричный и энергичный конвективный режим, ускоряющий радиальную размывку и транспортировку высоко-жидкого металла к обеим боковым стенкам. 3. Окно математического процесса для подавления дефектов-определяется как 1 Меньше или равно 2A/D Меньше или равное 1,5 (где A — амплитуда колебаний, а D — ширина зазора)- было тщательно получено и проверено. Это окно придает процессу сварки исключительную надежность; В этом диапазоне процесс может эффективно компенсировать отклонения, вызванные вибрацией оборудования или ошибками сборки, обеспечивая идеальное 100% сваривание боковых стенок.
