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 (>10kW) 자기 레이저 용접으로 좁은 간격 채우기 용접의 적층 증착 이점을 제공합니다.- 이 연구에서는 매우 깊은 용접 풀(단일 패스에서 15mm에 도달)과 좁은- 간격 측벽 사이의 복잡한 열물리학적 상호 작용을 조사하여 레이저 진동 매개변수가 용접 풀 흐름과 측벽 융합 동작을 조절하는 메커니즘을 밝힙니다. 궁극적으로 이 방법은 70mm 두께의 316LN 스테인리스 강판을 무결함- 용접하는 데 성공하여 고품질을 보장하는 동시에 생산 효율성을 크게 향상시켰습니다.
매우 좁은 2.5mm 간격 내에서 15mm 깊이의 용접 풀을 관찰하는 데 따른 물리적 한계를 극복하기 위해 연구팀은 맞춤형-측면 육안 검사 플랫폼(GG17 유리 샌드위치 구조 활용)을 개발했으며(그림. 1) 텅스텐 분말 추적 입자 기술을 통합했습니다(그림. 2). 이를 통해 연구원들은 용접 풀 내에서 거시적 유체 역학과 일시적인 융합 거동을 명확하게 추적할 수 있었습니다.
단면 현미경 사진-은 진동 진폭의 중요한 역할을 명확하게 보여줍니다(그림. 3). 진동이 없거나 진폭(1.2mm)이 작으면 열이 효과적으로 측면으로 전달될 수 없으므로 측벽의 LOF(융합 부족) 결함률이 최대 37.28%에 이릅니다. 그러나 진동 진폭이 1.8mm로 최적화되면 레이저 에너지가 측벽에 고르게 분포됩니다. 용접 단면이 '못-머리' 모양에서 넓은 '직사각형' 모양으로 바뀌고 LOF 결함률이 0%로 떨어집니다.
비진동 레이저 용접에서는 -용접 풀이 좁고 급격하게 냉각될 뿐만 아니라 내부 키홀도 잦은 팽창과 수축을 특징으로 하는 매우 불안정한 상태로 존재합니다. 표면 장력(마랑고니 효과)에 의해 용융 금속은 비대칭적이고 편향된 흐름을 일으키기 쉽습니다. 이러한 제어되지 않은 일방적 흐름은 궁극적으로 용접의 한쪽 면에서 양호한 융합을 가져오지만 필연적으로 다른 쪽에서는 심각한 측벽 융합 부족--융합 결함을 유발합니다(그림 4).
진동 매개변수가 낮으면 측면 열 입력이 부족하고 용접 풀 흐름이 비대칭이 됩니다. 매개변수가 1.8mm의 진폭과 40Hz의 주파수로 최적화되면 레이저의 측면 가열 영역이 효과적으로 확장되어 용접 풀 형상이 "좁고 깊은"에서 "넓고 얕은"(너비 증가 및 길이 감소)으로 이동합니다. 고주파-진동으로 인해 약간의 스패터가 발생하기는 하지만 이 체계는 키홀과 용접 풀의 전반적인 안정성을 크게 향상시키고 측벽 습윤을 개선하여 궁극적으로 용접 이음새와 측벽 사이의 효과적인 융합을 보장합니다(그림. 5).
그림 6은 전체 진동 사이클 전반에 걸쳐 용접 풀 단면 형태의 동적 진화를 제어하는 진동 진폭의 결정적인 역할을 생생하게 보여줍니다. 낮은 진동 진폭에서 고도로 집중된 레이저 에너지는 바닥이 좁은 원추형 용접 풀을 생성합니다. 측벽은 주로 제한된 열 전도를 통해 열을 받아 비대칭 기울어짐과 -융합 결함 부족-을 초래합니다. 진동 진폭이 증가함에 따라 사전 배치된 플레이트와 측벽 사이의 경계면에 열이 동적으로 축적되어 용접 풀의 베이스가 U- 모양으로 넓어집니다. 최적화되고 더 큰 진동 진폭에서 레이저 에너지는 가로 방향으로 균일하게 재분배되어 측벽 습윤 및 침투 깊이를 크게 향상시킵니다. 또한 완전한 왼쪽-오른쪽 진동 주기(T0에서 T0 + 16ms) 동안 직접 조사와 열 전도의 결합 효과에 의해 구동되는 용접 풀은-열 지연을 극복하고 지속적으로 열을 축적합니다. 이는 빔의 움직임과 동시에 양쪽으로 번갈아 확장되어 궁극적으로 완벽한 중심대칭 형태를 확립합니다.
본 연구에서는 사전 충전된 좁은 간격-의 레이저 발진 용접 기술을 제안하고 체계적으로 검증합니다. 레이저 진동이 매우 깊은 용융 풀의 내부 열역학과 유체{3}}동적 거동을 재구성하는 메커니즘을 종합적으로 분석하여 다음과 같은 주요 결론을 도출합니다. 1. 진동은 기존 열원에서 일반적으로 나타나는 고농축 단일{6}}피크 에너지 분포를 방해하여 피크 에너지 밀도(1067 J/mm²에서 772.9 J/mm²로)를 크게 줄입니다. 이러한 에너지 균질화 및 재분배는 근본적으로 용접 센터의 과도한 열 입력을 방지하는 동시에 측벽 경계에서 국부적인 열 축적을 실질적으로 향상시킵니다.{10}} 진동 매개변수(주파수: 40Hz, 진폭: 1.8mm)에 의해 생성된 강렬한 기계적 교반 효과는 표면 장력에 의해 지배되는 흐름 제약을 성공적으로 극복합니다. 용융 풀의 흐름은 무질서하고{14}}비뚤어지기 쉬운-비대칭 상태에서 규칙적이고 대칭적이며 활발한 대류 모드로 변환되어 방사형 정련 및 고온 액체 금속의 양쪽 측벽으로의 이동을 가속화합니다.. 3. 결함 억제를 위한 수학적 프로세스 창-1로 정의됨 2A/D 이하 1.5(A는 진동 진폭이고 D는 간격 너비)-가 엄격하게 도출되고 검증되었습니다. 이 창은 용접 공정에 탁월한 견고성을 부여합니다. 이 범위 내에서 프로세스는 장비 진동이나 조립 오류로 인한 편차를 효과적으로 수용하여 측벽에서 완벽한 100% 융합을 보장할 수 있습니다.
