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 soudage laser autogène avec les avantages du dépôt en couches du soudage de remplissage à espacement étroit. L'étude étudie les interactions thermophysiques complexes entre le bain de soudure ultra profond (atteignant 15 mm en un seul passage) et les parois latérales à espace étroit -, révélant les mécanismes par lesquels les paramètres d'oscillation laser régulent l'écoulement du bain de soudure et le comportement de fusion des parois latérales. En fin de compte, cette méthode a permis de souder sans défaut-des plaques d'acier inoxydable 316LN de 70 mm d'épaisseur, améliorant considérablement l'efficacité de la production tout en garantissant une qualité élevée.
Pour surmonter les limitations physiques liées à l'observation d'un bain de soudure de 15 mm de profondeur dans un espace ultra-étroit de 2,5 mm, l'équipe de recherche a développé sur mesure-une plate-forme d'inspection visuelle à visualisation latérale-(utilisant une structure sandwich en verre GG17) (Fig. 1) et a incorporé une technologie de particules traceuses de poudre de tungstène (Fig. 2). Cela a permis aux chercheurs de suivre clairement la dynamique macroscopique des fluides et le comportement transitoire de la fusion au sein du bain de fusion.
Les micrographies en coupe transversale-démontrent clairement le rôle critique de l'amplitude d'oscillation (Fig. 3). Sans oscillation ou avec une faible amplitude (1,2 mm), la chaleur ne peut pas être transférée efficacement latéralement, ce qui entraîne un taux de défaut de fusion-de-défaut de fusion (LOF) pouvant atteindre 37,28 %. Cependant, lorsque l'amplitude d'oscillation est optimisée à 1,8 mm, l'énergie laser est uniformément répartie sur les parois latérales ; la section transversale de la soudure-passe d'une forme de "tête de clou-à une forme large "rectangulaire", et le taux de défauts LOF tombe à 0 %.
Dans le soudage laser non oscillant, le bain de fusion est non seulement étroit et soumis à un refroidissement rapide, mais le trou de serrure interne existe également dans un état très instable caractérisé par une expansion et une contraction fréquentes. Entraîné par la tension superficielle (effet Marangoni), le métal en fusion est très sujet à un écoulement asymétrique et biaisé. Ce flux unilatéral incontrôlé aboutit finalement à une bonne fusion d'un côté de la soudure, tout en provoquant inévitablement un manque grave de-défauts de fusion-des parois latérales de l'autre (Figure 4).
Des paramètres d'oscillation plus faibles entraînent un apport de chaleur latéral insuffisant et un débit de bain de soudure asymétrique. Lorsque les paramètres sont optimisés à une amplitude de 1,8 mm et une fréquence de 40 Hz, la zone de chauffage latérale du laser s'étend efficacement, provoquant le passage de la géométrie du bain de soudure de « étroite et profonde » à « large et peu profonde » (largeur accrue et longueur réduite). Bien que l'oscillation à haute fréquence-induise quelques projections, ce régime améliore considérablement la stabilité globale du trou de serrure et du bain de soudure et améliore le mouillage des parois latérales, garantissant finalement une fusion efficace entre le cordon de soudure et les parois latérales (Fig. 5).
La figure 6 illustre de manière frappante le rôle décisif de l'amplitude d'oscillation dans la gouvernance de l'évolution dynamique de la morphologie en coupe transversale du bain de soudure tout au long d'un cycle d'oscillation complet. À de faibles amplitudes d'oscillation, l'énergie laser hautement concentrée produit un bain de soudure conique à fond étroit ; les parois latérales reçoivent de la chaleur principalement par conduction thermique limitée, ce qui entraîne une inclinaison asymétrique et une absence de-défauts de fusion-. À mesure que l'amplitude de l'oscillation augmente, la chaleur s'accumule dynamiquement à l'interface entre la plaque pré-placée - et les parois latérales, provoquant l'élargissement de la base du bain de fusion en forme de U -. Sous une amplitude d'oscillation optimisée et plus grande, l'énergie laser est redistribuée uniformément dans la direction transversale, améliorant considérablement le mouillage des parois latérales et la profondeur de pénétration. De plus, tout au long d'un cycle complet d'oscillation gauche-droite (de T0 à T0 + 16 ms), le bain de soudure-entraîné par les effets combinés de l'irradiation directe et de la conduction thermique-surmonte le décalage thermique et accumule continuellement de la chaleur ; il s'étend alternativement des deux côtés en synchronisation avec le mouvement du faisceau, établissant finalement une morphologie parfaitement centrosymétrique.
Cette étude propose et valide systématiquement une technique de soudage par oscillation laser à espace étroit pré-rempli-. Il analyse de manière exhaustive les mécanismes par lesquels l'oscillation laser remodèle les comportements thermodynamiques et fluides-dynamiques internes du bassin de fusion ultra-profond, conduisant aux conclusions clés suivantes : 1. L'oscillation perturbe la distribution d'énergie hautement concentrée et unique-pic typique des sources de chaleur conventionnelles, réduisant considérablement la densité d'énergie maximale (de 1067 J/mm² à 772,9 J/mm²). Cette homogénéisation et cette redistribution de l'énergie empêchent fondamentalement un apport de chaleur excessif au centre de la soudure tout en améliorant considérablement l'accumulation de chaleur locale au niveau des limites des parois latérales.. 2. L'effet d'agitation mécanique intense généré par les paramètres d'oscillation (fréquence : 40 Hz ; amplitude : 1,8 mm) surmonte avec succès les contraintes d'écoulement dominées par la tension superficielle. L'écoulement du bain de fusion est transformé d'un état asymétrique désordonné-à-inclinaison en un mode convectif ordonné, symétrique et vigoureux, accélérant le récurage radial et le transport du métal liquide à haute-température vers les deux parois latérales. 3. Une fenêtre de processus mathématique pour la suppression des défauts-définie comme 1 inférieur ou égal à 2A/D Inférieur ou égal à 1,5 (où A est l'amplitude d'oscillation et D est la largeur de l'espace)-a été rigoureusement dérivé et validé. Cette fenêtre confère une robustesse exceptionnelle au procédé de soudage ; dans cette plage, le processus peut efficacement s'adapter aux écarts causés par les vibrations de l'équipement ou par des erreurs d'assemblage, garantissant ainsi une fusion parfaite à 100 % au niveau des parois latérales.
