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 (>Dar-boşluklu dolgu kaynağının katmanlı biriktirme avantajlarına sahip otojen lazer kaynağı. Çalışma, ultra-derin kaynak havuzu (tek geçişte 15 mm'ye ulaşan) ile dar-aralıklı yan duvarlar arasındaki karmaşık termofiziksel etkileşimleri araştırıyor ve lazer salınım parametrelerinin kaynak havuzu akışını ve yan duvar füzyon davranışını düzenlediği mekanizmaları ortaya çıkarıyor. Sonuç olarak bu yöntem, 70 mm kalınlığındaki 316LN paslanmaz çelik levhaların hatasız kaynaklanmasını başarıyla sağladı ve yüksek kalite sağlarken üretim verimliliğini de önemli ölçüde artırdı.
15 mm derinliğindeki bir kaynak havuzunu 2,5 mm'lik son derece dar bir boşluk içinde gözlemlemenin fiziksel sınırlamalarının üstesinden gelmek için, araştırma ekibi özel olarak-bir yandan görüşlü görsel inceleme platformu geliştirdi (GG17 cam sandviç yapısını kullanarak) (Şek{. 1) ve tungsten tozu izleyici parçacık teknolojisini birleştirdi (Şek{. 2). Bu, araştırmacıların kaynak havuzundaki makroskobik akışkan dinamiğini ve geçici füzyon davranışını net bir şekilde izlemelerine olanak sağladı.
Kesitsel mikrograflar-salınım genliğinin kritik rolünü açıkça göstermektedir (Şekil. 3). Salınım olmadan veya küçük bir genlikle (1,2 mm), ısı yanal olarak etkili bir şekilde aktarılamaz, bu da yan duvarda %37,28'e varan füzyon eksikliği (LOF) kusur oranıyla sonuçlanır. Ancak salınım genliği 1,8 mm'ye optimize edildiğinde lazer enerjisi yan duvarlara eşit şekilde dağıtılır; kaynak kesiti-bir "çivi başı" şeklinden geniş bir "dikdörtgen" şekle kayar ve LOF kusur oranı %0'a düşer.
Salınımlı olmayan lazer kaynakta, kaynak havuzu yalnızca dar ve hızlı soğumaya maruz kalmaz, aynı zamanda dahili anahtar deliği de sık sık genleşme ve daralma ile karakterize edilen son derece dengesiz bir durumda bulunur. Yüzey gerilimi (Marangoni etkisi) tarafından yönlendirilen erimiş metal, asimetrik, taraflı akışa oldukça yatkındır. Bu kontrolsüz tek taraflı akış sonuçta kaynağın bir tarafında iyi bir kaynaşmayla sonuçlanırken, diğer tarafta kaçınılmaz olarak yan duvarda ciddi-füzyon-eksikliği- kusurlarına neden olur (Şekil 4).
Daha düşük salınım parametreleri, yetersiz yanal ısı girdisine ve asimetrik kaynak havuzu akışına neden olur. Parametreler 1,8 mm genliğe ve 40 Hz frekansa optimize edildiğinde, lazerin yanal ısıtma bölgesi etkili bir şekilde genişler ve kaynak havuzu geometrisinin "dar ve derin"den "geniş ve sığ"a (artan genişlik ve azaltılmış uzunluk) değişmesine neden olur. Yüksek-frekanslı salınım bir miktar sıçramaya neden olsa da, bu rejim anahtar deliği ve kaynak havuzunun genel stabilitesini önemli ölçüde artırır ve yan duvar ıslanmasını iyileştirir, sonuçta kaynak dikişi ile yan duvarlar arasında etkili bir kaynaşma sağlar (Şekil. 5).
Şekil 6, tam bir salınım döngüsü boyunca kaynak havuzunun kesitsel morfolojisinin dinamik gelişimini yönetmede salınım genliğinin belirleyici rolünü canlı bir şekilde göstermektedir. Düşük salınım genliklerinde, yüksek düzeyde yoğunlaşmış lazer enerjisi dar-tabanlı, konik bir kaynak havuzu üretir; yan duvarlar ısıyı esas olarak sınırlı termal iletim yoluyla alır, bu da asimetrik eğime ve füzyon kusurlarının-yokluğuna- neden olur. Salınım genliği arttıkça ısı, önceden yerleştirilmiş plaka ile yan duvarlar arasındaki arayüzde dinamik olarak birikir ve kaynak havuzunun tabanının U-şeklinde genişlemesine neden olur. Optimize edilmiş, daha büyük bir salınım genliği altında, lazer enerjisi enine yönde eşit şekilde yeniden dağıtılarak yan duvar ıslatma ve nüfuz derinliği önemli ölçüde artırılır. Ayrıca, tam bir sol-sağ salınım döngüsü (T0'dan T0 + 16 ms'ye kadar) boyunca, doğrudan ışınlama ve termal iletkenliğin birleşik etkileriyle hareket eden kaynak havuzu-termal gecikmenin üstesinden gelir ve sürekli olarak ısı biriktirir; ışının hareketiyle senkronize olarak her iki tarafa doğru dönüşümlü olarak genişler ve sonuçta mükemmel bir sentrosimetrik morfoloji oluşturur.
Bu çalışma, önceden doldurulmuş bir dar-aralıklı lazer salınımlı kaynak tekniğini önerir ve sistematik olarak doğrular. Lazer salınımının, ultra-derin erimiş havuzun iç termodinamik ve akışkan-dinamik davranışlarını yeniden şekillendirdiği mekanizmaları kapsamlı bir şekilde analiz ederek aşağıdaki temel sonuçlara varır: 1. Salınım, geleneksel ısı kaynaklarına özgü yüksek düzeyde konsantre, tek-tepe enerji dağılımını bozar ve tepe enerji yoğunluğunu önemli ölçüde azaltır (1067 J/mm²'den 772,9 J/mm²'ye). Enerjinin bu homojenleştirilmesi ve yeniden dağıtılması, temel olarak kaynak merkezindeki aşırı ısı girişini önlerken yan duvar sınırlarındaki yerel ısı birikimini de önemli ölçüde artırır. 2. Salınım parametreleri (frekans: 40 Hz; genlik: 1,8 mm) tarafından oluşturulan yoğun mekanik karıştırma etkisi, yüzey geriliminin hakim olduğu akış kısıtlamalarının başarıyla üstesinden gelir. Erimiş havuzun akışı, düzensiz,-eğilmeye-eğilimli asimetrik durumdan düzenli, simetrik ve güçlü bir konvektif moda dönüştürülerek yüksek sıcaklıktaki sıvı metalin her iki yan duvara doğru radyal yıkanması ve-taşınması hızlandırılır. 3. Kusur gidermeye yönelik bir matematiksel işlem penceresi-1'den küçük veya ona eşit 2A/D olarak tanımlanır Küçük veya 1,5'e eşit (burada A, salınım genliği ve D aralık genişliğidir)- titizlikle türetilmiş ve doğrulanmıştır. Bu pencere kaynak işlemine olağanüstü sağlamlık kazandırır; Bu aralık dahilinde süreç, ekipman titreşimi veya montaj hatalarından kaynaklanan sapmaları etkili bir şekilde karşılayabilir ve yan duvarlarda %100 mükemmel birleşim sağlar.
