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) hàn laser tự sinh với các ưu điểm hàn lắng đọng lớp của hàn lấp đầy khoảng cách hẹp. Nghiên cứu này điều tra các tương tác nhiệt vật lý phức tạp giữa vũng hàn cực sâu (đạt 15 mm trong một lần hàn) và các thành bên có khoảng cách hẹp, cho thấy cơ chế mà các thông số dao động laser điều chỉnh dòng chảy của vũng hàn và hành vi hợp nhất của thành bên. Cuối cùng, phương pháp này đã thành công trong việc hàn không có khuyết tật trên các tấm thép không gỉ 316LN dày 70 mm, nâng cao đáng kể hiệu quả sản xuất trong khi vẫn đảm bảo chất lượng cao.
Để khắc phục những hạn chế vật lý của việc quan sát vũng hàn sâu 15 mm trong khoảng cách cực-hẹp 2,5 mm, nhóm nghiên cứu đã tùy chỉnh-đã phát triển một nền tảng kiểm tra trực quan-quan sát một bên (sử dụng cấu trúc bánh sandwich thủy tinh GG17) (Hình. 1) và công nghệ hạt đánh dấu bột vonfram tích hợp (Hình. 2). Điều này cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi rõ ràng động lực học chất lỏng vĩ mô và hành vi hợp nhất nhất thời trong bể hàn.
Ảnh chụp vi mô mặt cắt-thể hiện rõ ràng vai trò quan trọng của biên độ dao động (Hình. 3). Nếu không có dao động hoặc có biên độ nhỏ (1,2 mm), nhiệt không thể được truyền sang bên một cách hiệu quả, dẫn đến tỷ lệ khuyết tật thiếu nhiệt hạch (LOF) lên tới 37,28%. Tuy nhiên, khi biên độ dao động được tối ưu hóa ở mức 1,8 mm, năng lượng laser được phân bổ đều cho các thành bên; mặt cắt ngang của mối hàn chuyển từ hình dạng "đầu đinh" sang hình dạng "hình chữ nhật" rộng và tỷ lệ khuyết tật LOF giảm xuống 0%.
Khi hàn laze không{0}}dao động, vũng hàn không chỉ hẹp và bị nguội nhanh mà lỗ khóa bên trong còn tồn tại ở trạng thái rất không ổn định, đặc trưng bởi sự giãn nở và co lại thường xuyên. Được thúc đẩy bởi sức căng bề mặt (hiệu ứng Marangoni), kim loại nóng chảy rất dễ có dòng chảy không đối xứng, sai lệch. Dòng chảy một chiều không được kiểm soát này cuối cùng dẫn đến sự kết dính tốt ở một bên của mối hàn, đồng thời chắc chắn gây ra sự thiếu hụt-các khuyết tật{4}}nóng chảy nghiêm trọng ở thành bên kia (Hình 4).
Các thông số dao động thấp hơn dẫn đến nhiệt đầu vào bên không đủ và dòng chảy của bể hàn không đối xứng. Khi các thông số được tối ưu hóa ở biên độ 1,8 mm và tần số 40 Hz, vùng gia nhiệt bên của tia laser sẽ mở rộng một cách hiệu quả, khiến hình dạng bể hàn chuyển từ "hẹp và sâu" sang "rộng và nông" (tăng chiều rộng và giảm chiều dài). Mặc dù dao động tần số-cao gây ra một số vết bắn tung tóe nhưng chế độ này tăng cường đáng kể độ ổn định tổng thể của lỗ khóa và bể hàn, đồng thời cải thiện tình trạng làm ướt thành bên, cuối cùng đảm bảo sự kết hợp hiệu quả giữa đường hàn và thành bên (Hình. 5).
Hình 6 minh họa một cách sinh động vai trò quyết định của biên độ dao động trong việc chi phối sự phát triển động học của hình thái mặt cắt ngang-của bể hàn trong suốt một chu kỳ dao động hoàn chỉnh. Ở biên độ dao động thấp, năng lượng laser tập trung cao độ tạo ra một vũng hàn hình nón, có đáy hẹp; các thành bên nhận nhiệt chủ yếu thông qua khả năng dẫn nhiệt hạn chế, dẫn đến độ nghiêng không đối xứng và thiếu-các-khiếm khuyết nhiệt hạch. Khi biên độ dao động tăng lên, nhiệt sẽ tích tụ linh hoạt tại bề mặt tiếp xúc giữa tấm-được đặt sẵn và các thành bên, khiến đế của bể hàn mở rộng thành hình chữ U-. Dưới biên độ dao động lớn hơn, được tối ưu hóa, năng lượng laser được phân phối lại đồng đều theo hướng ngang, tăng cường đáng kể độ sâu xuyên thấu và làm ướt thành bên. Hơn nữa, trong suốt chu kỳ dao động trái{11}}phải hoàn chỉnh (từ T0 đến T{13}} mili giây), bể hàn-được điều khiển bởi tác động kết hợp của chiếu xạ trực tiếp và dẫn nhiệt-vượt qua độ trễ nhiệt và liên tục tích tụ nhiệt; nó mở rộng luân phiên về cả hai phía đồng bộ với chuyển động của chùm tia, cuối cùng thiết lập một hình thái đối xứng tâm hoàn hảo.
Nghiên cứu này đề xuất và xác nhận một cách có hệ thống kỹ thuật hàn dao động laser khoảng cách hẹp{1}}được lấp đầy trước. Nó phân tích toàn diện các cơ chế mà qua đó dao động laser định hình lại các hành vi nhiệt động lực học và động học chất lỏng-bên trong của bể nóng chảy cực-sâu, dẫn đến các kết luận quan trọng sau: 1. Dao động phá vỡ sự phân bố năng lượng cực đại, đơn-tập trung cao độ điển hình của các nguồn nhiệt thông thường, làm giảm đáng kể mật độ năng lượng cực đại (từ 1067 J/mm² xuống 772,9 J/mm²). Quá trình đồng nhất hóa và phân phối lại năng lượng này về cơ bản ngăn chặn lượng nhiệt đầu vào quá mức tại tâm mối hàn, đồng thời tăng cường đáng kể sự tích tụ nhiệt cục bộ ở các ranh giới thành bên. 2. Hiệu ứng khuấy cơ học cường độ cao được tạo ra bởi các thông số dao động (tần số: 40 Hz; biên độ: 1,8 mm) đã khắc phục thành công các hạn chế về dòng chảy do sức căng bề mặt chi phối. Dòng chảy của bể nóng chảy được chuyển từ trạng thái không đối xứng, rất dễ bị lệch-sang{15}}bị lệch thành một chế độ đối lưu có trật tự, đối xứng và mạnh mẽ, đẩy nhanh quá trình cọ rửa xuyên tâm và vận chuyển kim loại lỏng có nhiệt độ-cao về cả hai bên. 3. Cửa sổ quy trình toán học để ngăn chặn khuyết tật-được xác định là 1 Nhỏ hơn hoặc bằng 2A/D Nhỏ hơn hoặc bằng 1,5 (trong đó A là biên độ dao động và D là độ rộng khoảng cách)-được rút ra và xác thực một cách nghiêm ngặt. Cửa sổ này mang lại độ bền vượt trội cho quá trình hàn; trong phạm vi này, quy trình có thể điều chỉnh hiệu quả các sai lệch do rung động thiết bị hoặc lỗi lắp ráp gây ra, đảm bảo sự hợp nhất hoàn hảo 100% ở các thành bên.
