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) soldadura láser autógena con las ventajas de deposición en capas de la soldadura de relleno de espacios estrechos-. El estudio investiga las complejas interacciones termofísicas entre el baño de soldadura ultra-profundo (que alcanza los 15 mm en una sola pasada) y las paredes laterales estrechas-, revelando los mecanismos mediante los cuales los parámetros de oscilación del láser regulan el flujo del baño de soldadura y el comportamiento de fusión de las paredes laterales. En última instancia, este método logró con éxito una soldadura sin defectos-de placas de acero inoxidable 316LN de 70 mm de espesor, lo que mejoró significativamente la eficiencia de la producción y garantizó una alta calidad.
Para superar las limitaciones físicas de observar un baño de soldadura de 15 mm de profundidad dentro de un espacio ultra-estrecho de 2,5 mm, el equipo de investigación desarrolló-una plataforma de inspección visual con visualización lateral- (utilizando una estructura sándwich de vidrio GG17) (Fig. 1) e incorporó tecnología de partículas trazadoras de polvo de tungsteno (Fig. 2). Esto permitió a los investigadores rastrear claramente la dinámica de fluidos macroscópica y el comportamiento transitorio de la fusión dentro del baño de soldadura.
Las micrografías de sección transversal-demuestran claramente el papel fundamental de la amplitud de oscilación (Fig. 3). Sin oscilación o con una amplitud pequeña (1,2 mm), el calor no se puede transferir lateralmente de manera eficaz, lo que da como resultado una tasa de defectos de falta-de-fusión (LOF) en las paredes laterales de hasta un 37,28 %. Sin embargo, cuando la amplitud de oscilación se optimiza a 1,8 mm, la energía del láser se distribuye uniformemente en las paredes laterales; la sección transversal-de soldadura cambia de una forma de "cabeza-de clavo" a una forma "rectangular" amplia, y la tasa de defectos LOF cae al 0%.
En la soldadura láser no-oscilante, el baño de soldadura no solo es estrecho y está sujeto a un enfriamiento rápido, sino que el ojo de cerradura interno también existe en un estado altamente inestable caracterizado por expansión y contracción frecuentes. Impulsado por la tensión superficial (el efecto Marangoni), el metal fundido es muy propenso a un flujo asimétrico y sesgado. Este flujo unilateral incontrolado finalmente da como resultado una buena fusión en un lado de la soldadura, mientras que inevitablemente causa graves defectos de fusión-de-la pared lateral en el otro (Figura 4).
Los parámetros de oscilación más bajos dan como resultado una entrada de calor lateral insuficiente y un flujo asimétrico del baño de soldadura. Cuando los parámetros se optimizan a una amplitud de 1,8 mm y una frecuencia de 40 Hz, la zona de calentamiento lateral del láser se expande efectivamente, lo que hace que la geometría del baño de soldadura cambie de "estrecha y profunda" a "ancha y poco profunda" (mayor ancho y longitud reducida). Aunque la oscilación de alta-induce algunas salpicaduras, este régimen mejora significativamente la estabilidad general del ojo de cerradura y del baño de soldadura y mejora la humectación de las paredes laterales, asegurando en última instancia una fusión efectiva entre la costura de soldadura y las paredes laterales (Fig. 5).
La Figura 6 ilustra vívidamente el papel decisivo de la amplitud de oscilación en el control de la evolución dinámica de la morfología de la sección transversal-del baño de soldadura a lo largo de un ciclo de oscilación completo. En amplitudes de oscilación bajas, la energía láser altamente concentrada produce un baño de soldadura cónico y de fondo estrecho-; las paredes laterales reciben calor principalmente a través de una conducción térmica limitada, lo que resulta en una inclinación asimétrica y falta-de-defectos de fusión. A medida que aumenta la amplitud de oscilación, el calor se acumula dinámicamente en la interfaz entre la placa pre-colocada y las paredes laterales, lo que hace que la base del baño de soldadura se ensanche en forma de U-. Bajo una amplitud de oscilación mayor y optimizada, la energía del láser se redistribuye uniformemente en la dirección transversal, lo que mejora significativamente la humectación de las paredes laterales y la profundidad de penetración. Además, a lo largo de un ciclo completo de oscilación izquierda-derecha (de T0 a T0 + 16 ms), el baño de soldadura-impulsado por los efectos combinados de la irradiación directa y la conducción térmica-supera el retraso térmico y acumula calor continuamente; se expande alternativamente hacia ambos lados en sincronía con el movimiento del haz, estableciendo finalmente una morfología perfectamente centrosimétrica.
Este estudio propone y valida sistemáticamente una técnica de soldadura por oscilación láser de espacio estrecho-prellenado-. Analiza exhaustivamente los mecanismos mediante los cuales la oscilación del láser remodela los comportamientos termodinámicos internos y{3}}dinámicos de fluidos de la piscina fundida ultra-profunda, lo que lleva a las siguientes conclusiones clave: 1. La oscilación altera la distribución de energía de pico único- altamente concentrada típica de las fuentes de calor convencionales, reduciendo significativamente la densidad de energía máxima (de 1067 J/mm² a 772,9 J/mm²). Esta homogeneización y redistribución de energía previene fundamentalmente la entrada excesiva de calor en el centro de soldadura, al tiempo que mejora sustancialmente la acumulación de calor local en los límites de las paredes laterales.. 2. El intenso efecto de agitación mecánica generado por los parámetros de oscilación (frecuencia: 40 Hz; amplitud: 1,8 mm) supera con éxito las limitaciones de flujo dominadas por la tensión superficial. El flujo del baño fundido se transforma de un estado asimétrico desordenado, altamente propenso-a-sesgado a un modo convectivo ordenado, simétrico y vigoroso, que acelera la limpieza radial y el transporte de metal líquido a alta-temperatura hacia ambas paredes laterales. 3. Una ventana de proceso matemático para la supresión de defectos-definida como 1 menor o igual a 2A/D menor mayor o igual a 1,5 (donde A es la amplitud de oscilación y D es el ancho del espacio)-se derivó y validó rigurosamente. Esta ventana confiere una robustez excepcional al proceso de soldadura; Dentro de este rango, el proceso puede adaptarse eficazmente a las desviaciones causadas por la vibración del equipo o errores de montaje, asegurando una fusión perfecta al 100% en las paredes laterales.
