У цьому дослідженні систематично порівнювали застосування звичайних LW, OLW та RMOLW на пластинах із титанового сплаву TC4. У дослідженні використовувалися різні методи визначення характеристик, включаючи високо-зображення високошвидкісною камерою, оптичну мікроскопію (OM), скануючу електронну мікроскопію (SEM), дифракцію зворотного розсіювання електронів (EBSD) і випробування на розтяг. Результати показують, що процес RMOLW значно покращує якість формування поверхні зварного шва, не лише усуваючи дефекти підрізу, але й значно зменшуючи бризки. Механічно кільцева балка розширює площу отвору замкової щілини (до 0,76 мм²), а стабільні завихрення, створені коливанням променя, ефективно запобігають закриттю замкової щілини через стиснення розплавленого металу, тим самим усуваючи джерело бризок. З точки зору мікроструктури, цей процес зменшує температурний градієнт і швидкість охолодження ванни розплаву, сприяючи формуванню тонкої морфології кошикового-плетення в центрі зварного шва та збільшуючи частку -межів зерен під великим кутом (HAGB). Зрештою, зварні з’єднання RMOLW зберігають високу міцність на розрив (близько 1148,8 МПа), тоді як відносне подовження збільшується на 35,2% порівняно зі звичайним лазерним зварюванням, досягаючи хорошого збігу між міцністю та пластичністю.
На рисунку 1 показана експериментальна установка RMOLW. Ядро полягає у використанні спеціальних кільцевих оптичних волокон, які створюють композитний промінь, що складається з центральної серцевини волокна (100 мкм) і серцевини зовнішнього кільця волокна (300 мкм). Промінь не тільки має кільцевий розподіл енергії, але й здійснює кругову (спіральну) траєкторію коливань через систему гальванометра. Ця конструкція спрямована на одночасне використання ефекту «-розширення отвору» кільцевого променя та ефекту «перемішування» коливань.
Рисунок 1. Принципова діаграма коливального лазерного зварювального пристрою в кільцевому-режимі: (а) вбудоване експериментальне обладнання (б) поперечний-переріз волокна, діаметр серцевини та розмір фокусної точки (в) фактична траєкторія лазерного променя.
На малюнку 2 показано, що край поверхні LW є хвилястим, супроводжується великою кількістю бризок, з поперечним-перерізом у формі «X» і максимальною глибиною підрізу. Край зварного шва RMOLW прямий і гладкий, майже без бризок, має широкий перетин у формі V--форми, дуже низьку глибину підрізу та плавний перехід. Це вказує на те, що розподіл енергії RMOLW є більш рівномірним, що ефективно покращує якість формування зварного шва.
Рисунок 2. Макроскопічна морфологія та морфологія поперечного{1}}перерізу з’єднань: (a, d, g) морфологія зварювання зразків лазерного зварювання, (b, e, h) морфологія зварювання зразків коливального лазерного зварювання, (c, f, i) морфологія зварювання зразків коливального лазерного зварювання в кільцевому режимі.
Рисунок 3. Потік розплавленої ванни та поведінка відкриття замкової щілини за різних умов процесу: (a) утворення бризок під час лазерного зварювання (b) результат осцилюючого лазерного зварювання протягом одного циклу (c) результат осцилюючого лазерного зварювання з кільцевим точковим малюнком протягом одного циклу. На малюнку 4 показано, що LW має різкий гаусівський розподіл енергії з надзвичайно високою енергією в центрі (407,2 Дж/мм²), що призводить до вузької та глибокої ванни розплаву. RMOLW демонструє рівномірний розподіл енергії з «плоскою вершиною» (максимум лише 107,6 Дж/мм²), причому рівномірність розподілу енергії зросла в 2,2 рази. Таке рівномірне нагрівання зменшує підріз, роблячи поперечний-зріз шва ширшим і гладкішим.
Дослідження шляхом порівняльного аналізу процесів LW, OLW і RMOLW прийшло до таких основних висновків: 1. RMOLW запобігає колапсу замкової щілини, розширюючи площу отвору замкової щілини до 0,76 мм² і створюючи стабільний вихор, зменшуючи розбризкування під час зварювання на 88,6% порівняно зі звичайним лазерним зварюванням. 2. Процес RMOLW покращує розподіл енергії променя. рівномірність у 20 разів, усуває локальний перегрів, зменшує глибину підрізу зварного шва на 56,3% і формує гладкий V-подібний поперечний-переріз. 3.. Синергія між кільцевою балкою та коливаннями зменшує температурні градієнти та швидкості охолодження в розплавленому басейні, сприяє формуванню високо-міцних і жорстких корзинчастих-структур плетіння та пластинчастої альфа-фази та зменшує концентрацію орієнтації зерна. 4. Завдяки придушенню дефектів підрізання та зміцненню мікроструктури (більш-межі зерен під високим кутом) подовження з’єднань RMOLW збільшується на 35,2% порівняно зі звичайним лазерним зварюванням, зберігаючи при цьому високу міцність на розрив, порівнянну з основним матеріалом.
