Diese Studie verglich systematisch die Anwendung von konventionellem LW, OLW und RMOLW auf TC4-Titanlegierungsplatten. Bei der Forschung wurden verschiedene Charakterisierungsmethoden eingesetzt, darunter Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen, optische Mikroskopie (OM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Elektronenrückstreubeugung (EBSD) und Zugversuche. Die Ergebnisse zeigen, dass das RMOLW-Verfahren die Oberflächenqualität der Schweißnaht erheblich verbessert und nicht nur Hinterschneidungsfehler beseitigt, sondern auch Spritzer erheblich reduziert. Mechanistisch gesehen erweitert der ringförmige Strahl die Öffnungsfläche des Schlüssellochs (bis zu 0,76 mm²), und die stabilen Wirbel, die durch die Strahloszillation erzeugt werden, verhindern wirksam, dass sich das Schlüsselloch aufgrund der Kompression des geschmolzenen Metalls schließt, wodurch die Spritzerquelle abgeschnitten wird. In Bezug auf die Mikrostruktur verringert dieser Prozess den Temperaturgradienten und die Abkühlgeschwindigkeit des Schmelzbades, fördert die Bildung einer feinen Korbgeflechtmorphologie in der Schweißnahtmitte und erhöht den Anteil von Korngrenzen mit großem Winkel (HAGB). Letztendlich behalten die RMOLW-Schweißverbindungen eine hohe Zugfestigkeit (ca. 1148,8 MPa), während die Dehnung im Vergleich zum herkömmlichen Laserschweißen um 35,2 % erhöht wird, wodurch eine gute Übereinstimmung von Festigkeit und Duktilität erreicht wird.
Abbildung 1 zeigt den experimentellen Aufbau von RMOLW. Der Kern liegt in der Verwendung spezieller ringförmiger optischer Fasern, die einen Verbundstrahl bestehend aus einem zentralen Faserkern (100 µm) und einem äußeren Ringfaserkern (300 µm) erzeugen. Der Strahl weist nicht nur eine ringförmige Energieverteilung auf, sondern führt durch ein Galvanometersystem auch eine kreisförmige (spiralförmige) Schwingungsbahn aus. Ziel dieser Konstruktion ist es, gleichzeitig den „locherweiternden“ Effekt des Ringstrahls und den „rührenden“ Effekt der Schwingung zu nutzen.
Abbildung 1. Schematische Darstellung des Ring-{1}modus-oszillierenden Laserschweißgeräts: (a) integrierte Versuchsausrüstung (b) Faserquerschnitt, Kerndurchmesser und Brennpunktgröße (c) tatsächliche Flugbahn des Laserstrahls.
Abbildung 2 zeigt, dass die LW-Oberflächenkante wellenförmig ist, begleitet von einer großen Menge Spritzer, mit einem Querschnitt in X-Form und der maximalen Unterschnitttiefe. Die RMOLW-Schweißkante ist gerade und glatt, nahezu spritzerfrei, hat einen breiten V--förmigen Querschnitt-, eine sehr geringe Unterschnitttiefe und einen sanften Übergang. Dies weist darauf hin, dass die Energieverteilung von RMOLW gleichmäßiger ist, was die Qualität der Schweißnahtbildung effektiv verbessert.
Abbildung 2. Makroskopische Morphologie und Querschnittsmorphologie von Verbindungen: (a, d, g) Schweißmorphologie von Laserschweißproben, (b, e, h) Schweißmorphologie von oszillierenden Laserschweißproben, (c, f, i) Schweißmorphologie von Ringmodus-oszillierenden Laserschweißproben.
Abbildung 3. Schmelzbadströmung und Schlüssellochöffnungsverhalten unter verschiedenen Prozessbedingungen: (a) Bildung von Spritzern beim Laserschweißen (b) Ergebnis des oszillierenden Laserschweißens innerhalb eines Zyklus (c) Ergebnis des oszillierenden Laserschweißens mit einem ringförmigen Punktmuster innerhalb eines Zyklus. Abbildung 4 zeigt, dass LW eine scharfe Gaußsche Energieverteilung mit extrem hoher Energie im Zentrum (407,2 J/mm²) aufweist, was zu einem schmalen und tiefen Schmelzbad führt. RMOLW weist eine „flache“ gleichmäßige Energieverteilung auf (maximal nur 107,6 J/mm²), wobei die Gleichmäßigkeit der Energieverteilung um das 2,2-fache erhöht ist. Durch diese gleichmäßige Erwärmung werden Unterschnitte reduziert, wodurch der Schweißnahtquerschnitt breiter und glatter wird.
Die Studie kam durch eine vergleichende Analyse der LW-, OLW- und RMOLW-Prozesse zu den folgenden Hauptschlussfolgerungen: 1. RMOLW verhindert das Zusammenfallen des Schlüssellochs, indem es die Schlüssellochöffnungsfläche auf 0,76 mm² erweitert und einen stabilen Wirbel einführt, wodurch Spritzer während des Schweißens im Vergleich zum herkömmlichen Laserschweißen um 88,6 % reduziert werden.. 2. Der RMOLW-Prozess verbessert die Gleichmäßigkeit der Strahlenergieverteilung um das 20-fache, eliminiert lokale Überhitzung und verringert die Tiefe der Schweißnahtunterschneidung um 56,3 % und bildet einen glatten V-förmigen Querschnitt-. 3.. Die Synergie zwischen dem ringförmigen Strahl und der Oszillation reduziert Temperaturgradienten und Abkühlgeschwindigkeiten im Schmelzbad, fördert die Bildung hoch-fester und zäher Korbgeflechtstrukturen- und einer lamellaren Alphaphase und verringert die Konzentration der Kornorientierung. 4. Dank der Unterdrückung von Hinterschneidungsdefekten und der Verstärkung von Aufgrund der Mikrostruktur (größere Korngrenzen mit hohem -Winkel) wird die Dehnung von RMOLW-Verbindungen im Vergleich zum herkömmlichen Laserschweißen um 35,2 % erhöht, während gleichzeitig eine mit dem Grundmaterial vergleichbare hohe Zugfestigkeit erhalten bleibt.
