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) de soldagem a laser autógena com as vantagens de deposição em camadas da soldagem-de preenchimento de lacunas estreitas. O estudo investiga as complexas interações termofísicas entre a poça de fusão ultra{3}}profunda (atingindo 15 mm em uma única passagem) e as paredes laterais-estreitas, revelando os mecanismos pelos quais os parâmetros de oscilação do laser regulam o fluxo da poça de fusão e o comportamento de fusão da parede lateral. Em última análise, esse método alcançou com êxito a soldagem{7}}isenta de defeitos de placas de aço inoxidável 316LN com 70 mm de espessura, melhorando significativamente a eficiência da produção e garantindo alta qualidade.
Para superar as limitações físicas da observação de uma poça de fusão de 15 mm de profundidade dentro de uma lacuna ultra{1}}estreita de 2,5 mm, a equipe de pesquisa desenvolveu-uma plataforma de inspeção visual com visualização lateral (utilizando uma estrutura de sanduíche de vidro GG17) (Fig. 1) e incorporou a tecnologia de partículas traçadoras de pó de tungstênio (Fig. 2). Isso permitiu que os pesquisadores rastreassem claramente a dinâmica macroscópica dos fluidos e o comportamento transitório da fusão dentro da poça de fusão.
Micrografias-transversais demonstram claramente o papel crítico da amplitude de oscilação (Fig. 3). Sem oscilação ou com uma pequena amplitude (1,2 mm), o calor não pode ser transferido lateralmente de forma eficaz, resultando em uma taxa de defeito de falta de -de{5}}fusão (LOF) na parede lateral de até 37,28%. No entanto, quando a amplitude de oscilação é otimizada para 1,8 mm, a energia do laser é distribuída uniformemente pelas paredes laterais; a seção transversal-da solda muda de um formato de "cabeça-de prego" para um formato "retangular" amplo, e a taxa de defeito LOF cai para 0%.
Na soldagem a laser não{0}}oscilante, a poça de fusão não é apenas estreita e sujeita a resfriamento rápido, mas o buraco de fechadura interno também existe em um estado altamente instável, caracterizado por expansão e contração frequentes. Impulsionado pela tensão superficial (efeito Marangoni), o metal fundido é altamente propenso a fluxos assimétricos e tendenciosos. Esse fluxo unilateral descontrolado resulta, em última análise, em uma boa fusão em um lado da solda, enquanto inevitavelmente causa grave falta de -de{4}}defeitos de fusão na parede lateral do outro (Figura 4).
Parâmetros de oscilação mais baixos resultam em entrada de calor lateral insuficiente e fluxo assimétrico da poça de fusão. Quando os parâmetros são otimizados para uma amplitude de 1,8 mm e uma frequência de 40 Hz, a zona de aquecimento lateral do laser se expande efetivamente, fazendo com que a geometria da poça de fusão mude de “estreita e profunda” para “larga e rasa” (largura aumentada e comprimento reduzido). Embora a oscilação de alta-frequência induza alguns respingos, este regime aumenta significativamente a estabilidade geral do buraco de fechadura e da poça de fusão e melhora a umectação da parede lateral, garantindo, em última análise, uma fusão eficaz entre a costura de solda e as paredes laterais (Fig. 5).
A Figura 6 ilustra vividamente o papel decisivo da amplitude de oscilação no governo da evolução dinâmica da morfologia da seção transversal-da poça de fusão ao longo de um ciclo completo de oscilação. Em baixas amplitudes de oscilação, a energia do laser altamente concentrada produz uma poça de fusão cônica-de fundo estreito; as paredes laterais recebem calor principalmente por meio de condução térmica limitada, resultando em inclinação assimétrica e falta de-de{5}}defeitos de fusão. À medida que a amplitude de oscilação aumenta, o calor se acumula dinamicamente na interface entre a placa pré-colocada e as paredes laterais, fazendo com que a base da poça de fusão se alargue em forma de U-. Sob uma amplitude de oscilação otimizada e maior, a energia do laser é redistribuída uniformemente na direção transversal, melhorando significativamente o umedecimento das paredes laterais e a profundidade de penetração. Além disso, ao longo de um ciclo completo de oscilação esquerda-direita (de T0 a T0 + 16 ms), a poça de fusão-impulsionada pelos efeitos combinados de irradiação direta e condução térmica-supera o atraso térmico e acumula calor continuamente; ele se expande alternadamente para ambos os lados em sincronia com o movimento do feixe, estabelecendo em última análise uma morfologia centrossimétrica perfeita.
Este estudo propõe e valida sistematicamente uma técnica de soldagem por oscilação a laser com-espaço estreito-preenchido. Ele analisa de forma abrangente os mecanismos pelos quais a oscilação do laser remodela os comportamentos termodinâmicos e dinâmicos-de fluido internos da poça fundida ultra-profunda, levando às seguintes conclusões principais: 1. A oscilação interrompe a distribuição de energia de pico único- altamente concentrada, típica de fontes de calor convencionais, reduzindo significativamente a densidade de energia de pico (de 1.067 J/mm² para 772,9 J/mm²). Essa homogeneização e redistribuição de energia evita fundamentalmente a entrada excessiva de calor no centro da solda, ao mesmo tempo que aumenta substancialmente o acúmulo de calor local nos limites da parede lateral. 2. O intenso efeito de agitação mecânica gerado pelos parâmetros de oscilação (frequência: 40 Hz; amplitude: 1,8 mm) supera com sucesso as restrições de fluxo dominadas pela tensão superficial. O fluxo da poça de fusão é transformado de um estado desordenado, altamente propenso-a-distorção assimétrica em um modo convectivo ordenado, simétrico e vigoroso, acelerando a erosão radial e o transporte de metal líquido de alta{{16}temperatura em direção a ambas as paredes laterais. 3. Uma janela de processo matemático para supressão de defeitos-definida como 1 menor ou igual a 2A/D menor igual ou igual a 1,5 (onde A é a amplitude de oscilação e D é a largura do intervalo)-foi rigorosamente derivado e validado. Esta janela confere robustez excepcional ao processo de soldagem; dentro dessa faixa, o processo pode acomodar com eficácia desvios causados por vibração do equipamento ou erros de montagem, garantindo 100% de fusão perfeita nas paredes laterais.
