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) autogenes Laserschweißen mit den Schichtauftragsvorteilen des Engspaltschweißens. Die Studie untersucht die komplexen thermophysikalischen Wechselwirkungen zwischen dem ultratiefen Schweißbad (das in einem einzigen Durchgang 15 mm erreicht) und den schmalen Spaltseitenwänden und deckt die Mechanismen auf, durch die Laseroszillationsparameter den Schweißbadfluss und das Seitenwandschmelzverhalten regulieren. Letztendlich konnte mit dieser Methode erfolgreich ein fehlerfreies Schweißen von 70 mm dicken 316LN-Edelstahlplatten erreicht werden, was die Produktionseffizienz erheblich steigerte und gleichzeitig eine hohe Qualität sicherstellte.
Um die physikalischen Einschränkungen bei der Beobachtung eines 15 mm tiefen Schweißbades innerhalb eines ultra-engen Spalts von 2,5 mm zu überwinden, entwickelte das Forschungsteam individuell-eine seitensichtbare visuelle Inspektionsplattform (unter Verwendung einer GG17-Glassandwichstruktur) (Abb.. 1) und integrierte die Wolframpulver-Markierungspartikeltechnologie (Abb.. 2). Dies ermöglichte es den Forschern, die makroskopische Fluiddynamik und das transiente Schmelzverhalten innerhalb des Schweißbades klar zu verfolgen.
Querschnittsmikroskopische Aufnahmen zeigen deutlich die entscheidende Rolle der Schwingungsamplitude (Abb. 3). Ohne Oszillation oder mit einer kleinen Amplitude (1,2 mm) kann die Wärme seitlich nicht effektiv übertragen werden, was zu einer Fehlerrate von bis zu 37,28 % an der Seitenwand führt. Wenn die Schwingungsamplitude jedoch auf 1,8 mm optimiert ist, wird die Laserenergie gleichmäßig auf die Seitenwände verteilt; Der Schweißnahtquerschnitt verschiebt sich von einer „Nagelkopf“-Form zu einer breiten „rechteckigen“ Form und die LOF-Fehlerrate sinkt auf 0 %.
Beim nicht-oszillierenden Laserschweißen ist das Schweißbad nicht nur schmal und unterliegt einer schnellen Abkühlung, sondern das innere Schlüsselloch befindet sich auch in einem äußerst instabilen Zustand, der durch häufige Ausdehnung und Kontraktion gekennzeichnet ist. Aufgrund der Oberflächenspannung (Marangoni-Effekt) ist die Metallschmelze sehr anfällig für asymmetrische, voreingenommene Strömungen. Dieser unkontrollierte einseitige Fluss führt letztendlich zu einer guten Verschmelzung auf einer Seite der Schweißnaht, während er auf der anderen Seite unweigerlich zu schwerwiegenden Fehlschlüssen an den Seitenwänden führt (Abbildung 4).
Niedrigere Oszillationsparameter führen zu einem unzureichenden seitlichen Wärmeeintrag und einer asymmetrischen Schweißbadströmung. Wenn die Parameter auf eine Amplitude von 1,8 mm und eine Frequenz von 40 Hz optimiert werden, dehnt sich die seitliche Heizzone des Lasers effektiv aus, wodurch sich die Schweißbadgeometrie von „schmal und tief“ zu „breit und flach“ (größere Breite und reduzierte Länge) verschiebt. Obwohl hochfrequente Schwingungen einige Spritzer hervorrufen, verbessert dieses Regime die Gesamtstabilität des Schlüssellochs und des Schweißbads deutlich und verbessert die Seitenwandbenetzung, was letztendlich eine effektive Verschmelzung zwischen der Schweißnaht und den Seitenwänden gewährleistet (Abb. 5).
Abbildung 6 veranschaulicht anschaulich die entscheidende Rolle der Schwingungsamplitude bei der Steuerung der dynamischen Entwicklung der Querschnittsmorphologie des Schweißbades während eines vollständigen Schwingungszyklus. Bei niedrigen Schwingungsamplituden erzeugt die hochkonzentrierte Laserenergie ein schmales, kegelförmiges Schweißbad; Die Seitenwände erhalten Wärme hauptsächlich durch begrenzte Wärmeleitung, was zu einer asymmetrischen Neigung und dem Fehlen-von-Fusionsdefekten führt. Mit zunehmender Schwingungsamplitude sammelt sich an der Grenzfläche zwischen der vor-platzierten Platte und den Seitenwänden dynamisch Wärme an, wodurch sich der Boden des Schweißbades in eine U--Form aufweitet. Unter einer optimierten, größeren Schwingungsamplitude wird die Laserenergie gleichmäßig in Querrichtung verteilt, wodurch die Seitenwandbenetzung und die Eindringtiefe deutlich verbessert werden. Darüber hinaus überwindet das Schweißbad, das durch die kombinierten Effekte von direkter Strahlung und Wärmeleitung angetrieben wird, während eines vollständigen Links--Rechts-Oszillationszyklus (von T0 bis T0 + 16 ms) die thermische Verzögerung und speichert kontinuierlich Wärme; es dehnt sich synchron mit der Bewegung des Strahls abwechselnd nach beiden Seiten aus und bildet schließlich eine perfekt zentrosymmetrische Morphologie.
In dieser Studie wird eine Laseroszillationsschweißtechnik mit vor{0}}gefülltem schmalen-Spalt vorgeschlagen und systematisch validiert. Es analysiert umfassend die Mechanismen, durch die Laseroszillation das interne thermodynamische und fluid-dynamische Verhalten des ultra-tiefen Schmelzbads umformt, was zu den folgenden wichtigen Schlussfolgerungen führt: 1. Oszillation stört die hochkonzentrierte, einzelne-Peak-Energieverteilung, die für herkömmliche Wärmequellen typisch ist, wodurch die Peak-Energiedichte erheblich reduziert wird (von 1067 J/mm² auf 772,9 J/mm²). Diese Homogenisierung und Umverteilung der Energie verhindert grundsätzlich einen übermäßigen Wärmeeintrag in der Schweißnahtmitte und verbessert gleichzeitig die lokale Wärmeansammlung an den Seitenwandgrenzen erheblich.. 2. Der intensive mechanische Rühreffekt, der durch die Oszillationsparameter (Frequenz: 40 Hz; Amplitude: 1,8 mm) erzeugt wird, überwindet erfolgreich Strömungsbeschränkungen, die durch die Oberflächenspannung dominiert werden. Der Fluss des geschmolzenen Pools wandelt sich von einem ungeordneten, sehr anfälligen asymmetrischen Zustand in einen geordneten, symmetrischen und kräftigen Konvektionsmodus um, wodurch die radiale Ausspülung und der Transport von Hochtemperatur-Flüssigmetall zu beiden Seitenwänden beschleunigt werden. Ein mathematisches Prozessfenster zur Defektunterdrückung ist definiert als 1 kleiner oder gleich 2A/D Kleiner oder gleich 1,5 (wobei A die Schwingungsamplitude und D die Spaltbreite ist)-wurde streng abgeleitet und validiert. Dieses Fenster verleiht dem Schweißprozess eine außergewöhnliche Robustheit; Innerhalb dieses Bereichs kann der Prozess Abweichungen, die durch Gerätevibrationen oder Montagefehler verursacht werden, wirksam ausgleichen und so eine perfekte 100-prozentige Verschmelzung an den Seitenwänden gewährleisten.
