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) autogeenista laserhitsausta, jossa on kapean-raon täyttöhitsauksen kerrospinnoitusetuja. Tutkimuksessa tutkitaan monimutkaisia lämpöfysikaalisia vuorovaikutuksia ultra-syvän hitsisulan (joka saavuttaa 15 mm yhdellä läpikäynnillä) ja kapean-raon sivuseinien välillä. Se paljastaa mekanismit, joilla laservärähtelyparametrit säätelevät hitsisulan virtausta ja sivuseinien sulamiskäyttäytymistä. Lopulta tällä menetelmällä saavutettiin 70 mm paksuisten 316LN ruostumattomien teräslevyjen virheetön{7}hitsaus, mikä parantaa merkittävästi tuotannon tehokkuutta ja varmistaa korkean laadun.
Voittaakseen fysikaaliset rajoitukset, jotka liittyvät 15 mm:n syvän hitsausuuman havainnointiin erittäin-kapeassa 2,5 mm:n raossa, tutkimusryhmä kehitti räätälöidyn-sivu-silmämääräisen tarkastusalustan (käyttämällä GG17-lasista sandwich-rakennetta) (kuva. 1) ja mukana toimitettua jauhehiukkastekniikkaa. Tämän ansiosta tutkijat pystyivät selkeästi seuraamaan makroskooppisen nesteen dynamiikkaa ja ohimenevää fuusiokäyttäytymistä hitsausaltaassa.
Poikki-mikrokuvat osoittavat selvästi värähtelyamplitudin kriittisen roolin (kuva. 3). Ilman värähtelyä tai pienellä amplitudilla (1,2 mm) lämpöä ei voida siirtää tehokkaasti sivusuunnassa, jolloin sivuseinämän -of-fuusiovirhe (LOF) on jopa 37,28 %. Kuitenkin, kun värähtelyamplitudi on optimoitu 1,8 mm:iin, laserenergia jakautuu tasaisesti sivuseinille; hitsin poikkileikkaus-siirtyy "naulasta"{10}}leveään "suorakulmaiseen" muotoon, ja LOF-virhesuhde laskee 0 %:iin.
Ei--värähtelevässä laserhitsauksessa hitsausallas ei ole vain kapea ja se jäähtyy nopeasti, vaan sisäinen avaimenreikä on myös erittäin epävakaassa tilassa, jolle on tunnusomaista toistuva laajeneminen ja supistuminen. Pintajännityksen (Marangoni-ilmiön) ohjaama sula metalli on erittäin alttiina epäsymmetriselle, vinoutuvalle virtaukselle. Tämä hallitsematon yksipuolinen virtaus johtaa viime kädessä hyvään yhteensulautumiseen hitsin toisella puolella ja aiheuttaa väistämättä vakavia sivuseinämän -sulatusvirheiden puutteita- toisella puolella (kuva 4).
Pienemmät värähtelyparametrit johtavat riittämättömään lateraaliseen lämmöntuontiin ja epäsymmetriseen hitsausaltaan virtaukseen. Kun parametrit optimoidaan 1,8 mm:n amplitudille ja 40 Hz:n taajuudelle, laserin lateraalinen kuumennusvyöhyke laajenee tehokkaasti, jolloin hitsisulan geometria muuttuu "kapeasta ja syvästä" "leveäksi ja matalaksi" (lisätty leveys ja pienempi pituus). Vaikka korkeataajuinen -värähtely aiheuttaa jonkin verran roiskeita, tämä järjestelmä parantaa merkittävästi avaimenreiän ja hitsausuuman yleistä vakautta ja parantaa sivuseinien kastumista, mikä varmistaa viime kädessä tehokkaan hitsisauman ja sivuseinien välisen sulautumisen (kuva. 5).
Kuva 6 havainnollistaa elävästi värähtelyamplitudin ratkaisevaa roolia hitsisulan poikkileikkausmorfologian dynaamisen kehityksen säätelyssä koko värähtelysyklin ajan. Pienillä värähtelyamplitudeilla erittäin keskittynyt laserenergia tuottaa kapea--pohjaisen kartiomaisen hitsausuman; sivuseinät vastaanottavat lämpöä ensisijaisesti rajoitetun lämmönjohtavuuden kautta, mikä johtaa epäsymmetriseen kallistukseen ja -fuusiovirheiden puuttumiseen. Kun värähtelyamplitudi kasvaa, lämpö kerääntyy dynaamisesti esiasetetun levyn ja sivuseinien väliseen rajapintaan, mikä saa hitsisulan pohjan levenemään U--muotoon. Optimoidulla, suuremmalla värähtelyamplitudilla laserenergia jakautuu uudelleen tasaisesti poikittaissuunnassa, mikä lisää merkittävästi sivuseinän kosttumista ja tunkeutumissyvyyttä. Lisäksi koko vasemman-oikean värähtelyjakson ajan (T0:sta T0 + 16 ms:iin) suoran säteilyn ja lämmönjohtavuuden yhteisvaikutusten ohjaama hitsausallas-voittaa lämpöviiveen ja kerää jatkuvasti lämpöä. se laajenee vuorotellen molemmille puolille tahdissa säteen liikkeen kanssa, mikä lopulta muodostaa täydellisen sentrosymmetrisen morfologian.
Tässä tutkimuksessa ehdotetaan ja vahvistetaan järjestelmällisesti esi-kapearakoinen-laservärähtelyhitsaustekniikka. Se analysoi kattavasti mekanismeja, joilla laservärähtely muotoilee uudelleen ultra-syvän sulan altaan sisäisen termodynaamisen ja nesteen -dynaamisen käyttäytymisen, mikä johtaa seuraaviin keskeisiin johtopäätöksiin: 1. Värähtely häiritsee perinteisille lämmönlähteille tyypillistä erittäin keskittynyttä, yksittäistä energiahuippujakaumaa, mikä vähentää merkittävästi energiatiheyttä J2/7 mm:stä 76 mm:stä. J/mm²). Tämä energian homogenointi ja uudelleenjako estää pohjimmiltaan liiallisen lämmöntuoton hitsauskeskuksessa ja lisää merkittävästi paikallista lämmön kertymistä sivuseinän rajoilla. 2. Värähtelyparametrien synnyttämä voimakas mekaaninen sekoitusvaikutus (taajuus: 40 Hz; amplitudi: 1,8 mm:n pintajännityksen hallitsema) onnistuneesti. Sulan altaan virtaus muuttuu häiriöttömästä, erittäin alttiista-vinoutuvasta-epäsymmetrisestä tilasta järjestykseen, symmetriseen ja voimakkaaseen konvektiiviseen tilaan, mikä kiihdyttää korkean lämpötilan nestemäisen metallin säteittäistä hankausta ja kuljetusta kohti molempia sivuseiniä. Viallinen prosessi{17} vaimennus-määritelty arvoksi 1 Pienempi tai yhtä suuri kuin 2A/D Pienempi tai yhtä suuri kuin 1,5 (jossa A on värähtelyn amplitudi ja D on raon leveys)-johdettiin ja vahvistettiin tarkasti. Tämä ikkuna antaa poikkeuksellisen lujuuden hitsausprosessille; tällä alueella prosessi pystyy tehokkaasti mukautumaan laitteiden tärinän tai kokoonpanovirheiden aiheuttamiin poikkeamiin, mikä varmistaa täydellisen 100 %:n sulautumisen sivuseinissä.
