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) autogeen laserlassen met de gelaagde afzettingsvoordelen van smal-gap fill-lassen. De studie onderzoekt de complexe thermofysische interacties tussen het ultra-diepe lasbad (tot 15 mm in één enkele doorgang) en de smalle- zijwanden met openingen, waarbij de mechanismen worden onthuld waarmee laseroscillatieparameters de lasbadstroming en het smeltgedrag van de zijwanden reguleren. Uiteindelijk heeft deze methode met succes het -foutvrij lassen van 70 mm dikke 316LN roestvrijstalen platen opgeleverd, waardoor de productie-efficiëntie aanzienlijk werd verbeterd en tegelijkertijd een hoge kwaliteit werd gegarandeerd.
Om de fysieke beperkingen van het observeren van een smeltbad van 15 mm diep binnen een ultra-smalle opening van 2,5 mm te overwinnen, heeft het onderzoeksteam op maat-een platform voor visuele inspectie aan de zijkant-ontwikkeld (gebruikmakend van een GG17 glazen sandwichstructuur) (Fig. 1) en technologie van wolfraampoeder-tracerdeeltjes erin verwerkt (Fig. 2). Hierdoor konden de onderzoekers de macroscopische vloeistofdynamica en het tijdelijke smeltgedrag binnen het smeltbad duidelijk volgen.
Dwars-microfoto's in dwarsdoorsnede laten duidelijk de cruciale rol van de oscillatie-amplitude zien (Fig. 3). Zonder oscillatie of met een kleine amplitude (1,2 mm) kan warmte niet effectief lateraal worden overgedragen, wat resulteert in een defectpercentage in de zijwand zonder-of- fusie (LOF) van maximaal 37,28%. Wanneer de oscillatieamplitude echter wordt geoptimaliseerd tot 1,8 mm, wordt de laserenergie gelijkmatig over de zijwanden verdeeld; de lasdwarssectie-verschuift van de vorm van een "spijker-kop" naar een brede "rechthoekige" vorm, en het LOF-defectpercentage daalt naar 0%.
Bij niet-oscillerend laserlassen is het smeltbad niet alleen smal en onderhevig aan snelle afkoeling, maar bevindt het interne sleutelgat zich ook in een zeer onstabiele toestand die wordt gekenmerkt door veelvuldig uitzetten en samentrekken. Aangedreven door oppervlaktespanning (het Marangoni-effect) is het gesmolten metaal zeer gevoelig voor asymmetrische, vooringenomen stroming. Deze ongecontroleerde eenzijdige stroming resulteert uiteindelijk in een goede smelting aan de ene kant van de las, terwijl onvermijdelijk een ernstig gebrek aan-fusiefouten in de zijwanden aan de andere kant wordt veroorzaakt (Afbeelding 4).
Lagere oscillatieparameters resulteren in onvoldoende zijdelingse warmte-inbreng en een asymmetrische smeltbadstroom. Wanneer de parameters worden geoptimaliseerd tot een amplitude van 1,8 mm en een frequentie van 40 Hz, zet de laterale verwarmingszone van de laser effectief uit, waardoor de geometrie van het smeltbad verschuift van "smal en diep" naar "breed en ondiep" (grotere breedte en kleinere lengte). Hoewel hoogfrequente oscillaties enige spatten veroorzaken, verbetert dit regime de algehele stabiliteit van het sleutelgat en het lasbad aanzienlijk en verbetert het de bevochtiging van de zijwanden, waardoor uiteindelijk een effectieve versmelting tussen de lasnaad en de zijwanden wordt gegarandeerd (Fig. 5).
Figuur 6 illustreert op levendige wijze de beslissende rol van de oscillatie-amplitude bij het bepalen van de dynamische evolutie van de dwarsdoorsnedemorfologie van het smeltbad gedurende een volledige oscillatiecyclus. Bij lage oscillatie-amplitudes produceert de sterk geconcentreerde laserenergie een conisch smeltbad met een smalle-bodem; de zijwanden ontvangen warmte voornamelijk via beperkte thermische geleiding, wat resulteert in asymmetrisch kantelen en het ontbreken-van- smeltdefecten. Naarmate de oscillatieamplitude toeneemt, accumuleert de warmte dynamisch op het grensvlak tussen de vooraf geplaatste plaat en de zijwanden, waardoor de basis van het lasbad zich verwijdt tot een U-vorm. Onder een geoptimaliseerde, grotere oscillatie-amplitude wordt de laserenergie gelijkmatig herverdeeld in de dwarsrichting, waardoor de bevochtiging van de zijwand en de penetratiediepte aanzienlijk worden verbeterd. Bovendien overwint het smeltbad, aangedreven door de gecombineerde effecten van directe bestraling en thermische geleiding, gedurende een volledige links{11}}rechts-oscillatiecyclus (van T0 tot T0 + 16 ms), -aangedreven door de gecombineerde effecten van directe bestraling en thermische geleiding- de thermische vertraging en accumuleert voortdurend warmte; het breidt zich afwisselend naar beide kanten uit, synchroon met de beweging van de straal, waardoor uiteindelijk een perfect centrosymmetrische morfologie ontstaat.
In deze studie wordt een vooraf-gevulde laser-oscillatielastechniek met nauwe- openingen voorgesteld en systematisch gevalideerd. Het analyseert uitgebreid de mechanismen waarmee laseroscillatie het interne thermodynamische en fluïde{3}}dynamische gedrag van het ultra-diepe gesmolten zwembad hervormt, wat tot de volgende belangrijke conclusies leidt: 1. Oscillatie verstoort de zeer geconcentreerde energieverdeling met enkele-piek die typisch is voor conventionele warmtebronnen, waardoor de piekenergiedichtheid aanzienlijk wordt verminderd (van 1067 J/mm² tot 772,9 J/mm²). Deze homogenisering en herverdeling van energie voorkomt op fundamentele wijze overmatige warmte-inbreng in het lascentrum, terwijl de lokale warmteaccumulatie aan de zijwandgrenzen aanzienlijk wordt verbeterd.. 2. Het intense mechanische roereffect dat wordt gegenereerd door de oscillatieparameters (frequentie: 40 Hz; amplitude: 1,8 mm) overwint met succes stromingsbeperkingen die worden gedomineerd door oppervlaktespanning. De stroming van het smeltbad wordt getransformeerd van een ongeordende, zeer gevoelig-tot-scheeftrekkende asymmetrische toestand in een geordende, symmetrische en krachtige convectiemodus, waardoor het radiale schuren en transport van vloeibaar metaal met hoge-temperatuur naar beide zijwanden wordt versneld. 3. Een wiskundig procesvenster voor het onderdrukken van defecten-gedefinieerd als 1 Kleiner dan of gelijk aan 2A/D Kleiner dan of gelijk aan 1.5 (waarbij A de oscillatieamplitude is en D de spleetbreedte)-werd rigoureus afgeleid en gevalideerd. Dit venster verleent uitzonderlijke robuustheid aan het lasproces; binnen dit bereik kan het proces effectief afwijkingen opvangen die worden veroorzaakt door trillingen van de apparatuur of montagefouten, waardoor een perfecte 100% versmelting aan de zijwanden wordt gegarandeerd.
