Tableau d'épaisseur de soudage laser et réglages de puissance

L'épaisseur du soudage laser est un aspect crucial du processus de soudage qui détermine la qualité et la résistance de la soudure. Comprendre les facteurs qui influencent l'épaisseur réalisable en soudage laser permet d'optimiser le processus pour différents matériaux et applications.

Introduction au soudage au laser et son importance

Le soudage au laser est un procédé de haute précision largement utilisé dans diverses industries en raison de sa capacité à créer des soudures solides et propres avec une distorsion minimale. Il est particulièrement utile dans les applications où la précision et le contrôle des paramètres de soudage sont essentiels. L'épaisseur de la soudure est un paramètre clé qui influence les propriétés mécaniques et l'intégrité globale du joint soudé.

Facteurs clés influençant l'épaisseur du soudage laser

Puissance du laser

La puissance du laser influe directement sur la profondeur de pénétration dans le matériau. Une puissance laser plus élevée permet de souder des matériaux plus épais en fournissant l'énergie nécessaire pour faire fondre et fusionner des couches plus profondes. Par exemple, le soudage d'un acier inoxydable d'une épaisseur de 10 mm peut nécessiter une puissance laser d'environ 5 kW, alors que des matériaux plus fins, comme un acier inoxydable de 2 mm, n'ont besoin que de 1 kW. Inversement, une puissance laser plus faible convient pour les matériaux plus fins afin d'éviter les brûlures et une fusion excessive.

Type de matériau

Les propriétés des différents matériaux, telles que la conductivité thermique, le coefficient d'absorption et le point de fusion, varient et influencent la manière dont ils réagissent au soudage au laser. Par exemple, l'aluminium, avec sa conductivité thermique élevée, nécessite une puissance laser plus élevée et des vitesses de soudage plus lentes que l'acier inoxydable pour obtenir la même épaisseur. Le cuivre, dont la réflectivité est élevée, nécessite des sources laser ou des traitements de surface spécialisés pour garantir une absorption efficace de l'énergie.

Vitesse de soudage

La vitesse à laquelle le laser se déplace sur le matériau influe sur l'apport de chaleur et, par conséquent, sur l'épaisseur de la soudure. Des vitesses de soudage plus lentes permettent à une plus grande quantité d'énergie de pénétrer dans le matériau, ce qui se traduit par des soudures plus profondes. Par exemple, la réduction de la vitesse de soudage de 3 m/min à 1 m/min peut augmenter de manière significative la profondeur de pénétration dans des matériaux tels que l'aluminium et l'acier inoxydable. Les vitesses plus rapides sont utilisées pour les matériaux plus fins afin d'éviter la surchauffe et la déformation.

Position centrale

La position du foyer laser par rapport à la surface du matériau est essentielle. Pour les matériaux plus épais, le point focal est généralement placé au-dessus de la pièce soudée afin d'obtenir une meilleure pénétration. Pour les matériaux plus fins, le point focal est placé en dessous de la soudure afin de minimiser la zone affectée par la chaleur et d'éviter les déformations. Un réglage de la position du foyer de quelques millimètres seulement peut avoir un effet marqué sur la qualité et la profondeur de la soudure.

Diamètre du faisceau

Le diamètre du faisceau laser influe sur la densité d'énergie. Un diamètre de faisceau plus petit fournit une densité d'énergie plus élevée, adaptée au soudage de matériaux plus fins. Par exemple, un diamètre de faisceau de 0,2 mm peut être utilisé pour des applications de tôle fine, tandis qu'un diamètre de faisceau plus grand, de 0,6 mm, est utile pour le soudage de matériaux plus épais. Un diamètre de faisceau plus important répartit l'énergie sur une zone plus large, ce qui est avantageux pour le soudage de matériaux plus épais.

Considérations pratiques

Lors de la mise en place d'un processus de soudage au laser, il est essentiel de tenir compte de l'interaction entre ces facteurs. Par exemple, augmenter la puissance du laser sans ajuster la vitesse de soudage ou la position du foyer peut entraîner des défauts tels qu'une fusion excessive ou incomplète. De même, l'optimisation du diamètre du faisceau et de la position de focalisation en fonction du type et de l'épaisseur du matériau garantit une soudure de haute qualité.

Les fabricants utilisent souvent des tableaux détaillés qui mettent en corrélation la puissance du laser, l'épaisseur du matériau et la vitesse de soudage pour guider la configuration. Ces tableaux fournissent des paramètres spécifiques pour différents matériaux et épaisseurs, garantissant ainsi des soudures cohérentes et fiables.

En comprenant et en ajustant ces paramètres, les fabricants peuvent contrôler avec précision l'épaisseur de la soudure, ce qui permet d'améliorer la qualité et les performances de la soudure.

Paramétrage du processus de soudage au laser

La clé de l'équipement de soudage au laser est le réglage et l'ajustement des paramètres du processus. Différentes vitesses de balayage, largeurs, puissances, etc., sont sélectionnées en fonction de l'épaisseur et du type de matériau (le cycle de travail et la fréquence des impulsions n'ont généralement pas besoin d'être ajustés). Les paramètres de processus courants sont indiqués dans le tableau ci-dessous.

Paramètres linéaires du processus de soudage au laser

① Optimiser l'amplitude d'oscillation du galvanomètre pour qu'elle corresponde précisément à la largeur de la pièce à souder. Cela garantit une distribution uniforme de l'énergie sur le cordon de soudure.

② Les exigences en matière de puissance laser sont directement liées à l'épaisseur du matériau. Les plaques plus épaisses nécessitent une puissance laser plus élevée pour obtenir une pénétration complète, tandis que les matériaux plus fins requièrent moins de puissance pour éviter les brûlures et les déformations.

③ Pour les plaques minces de moins de 1,0 mm, il est essentiel de régler avec précision les paramètres du laser. Ajustez le cycle de travail en fonction de l'épaisseur du matériau pour contrôler l'apport de chaleur et la profondeur de pénétration. Ces paramètres influencent principalement les caractéristiques de pénétration de la soudure et minimisent la zone affectée thermiquement (HAZ).

④ La technique de soudage linéaire est polyvalente et convient à diverses configurations de joints, y compris les soudures diagonales et les soudures bout à bout. Elle offre une qualité de soudure constante sur différentes géométries lorsqu'elle est correctement optimisée.

⑤ La plage de fréquence optimale pour l'oscillation de la tête de soudage est de 4 à 20 Hz. Dans cette plage, régler la densité de puissance en fonction des propriétés du matériau, de l'épaisseur et des caractéristiques de soudage souhaitées. Des fréquences plus élevées permettent généralement des vitesses de soudage plus rapides, mais peuvent nécessiter une puissance accrue.

⑥ Pour le soudage d'angle interne, utiliser une largeur d'oscillation étroite du galvanomètre. La réduction de l'amplitude de l'oscillation concentre l'énergie, ce qui permet une pénétration plus profonde et une fusion plus forte à l'interface du joint. Toutefois, il faut tenir compte du risque de contre-dépouille ou de pénétration excessive.

Note spéciale :

Les paramètres susmentionnés servent de lignes directrices générales et doivent être affinés en fonction de plusieurs facteurs critiques, notamment la puissance de sortie du laser, la composition et les propriétés du matériau, la technique de soudage spécifique et la largeur du joint. En règle générale, les plaques plus fines nécessitent une puissance laser plus faible, tandis que les plaques plus épaisses requièrent des réglages de puissance plus élevés. Toutefois, cette relation n'est pas strictement linéaire et peut varier en fonction de la conductivité thermique et de la réflectivité du matériau.

Les paramètres de contrôle de la tête laser jouent également un rôle crucial dans l'obtention d'une qualité de soudure optimale. Le paramètre de type de ligne est particulièrement efficace pour les soudures diagonales et les joints d'angle mâles, car il permet une distribution précise de l'énergie le long de la trajectoire de la soudure. En revanche, le paramètre de type O est polyvalent et convient à un large éventail d'applications de soudage, y compris les soudures bout à bout, les soudures à recouvrement et les géométries complexes.

Il est important de noter que ces paramètres doivent être validés par des essais pratiques et peuvent nécessiter des ajustements itératifs pour obtenir les caractéristiques de soudage souhaitées, telles que la profondeur de pénétration, la largeur du cordon et la zone minimale affectée par la chaleur. En outre, des facteurs tels que la composition du gaz de protection, le débit et la conception de la buse peuvent influencer de manière significative le processus de soudage et doivent être pris en compte en même temps que les paramètres du laser.

Pour obtenir des résultats optimaux, il est recommandé d'élaborer une spécification de mode opératoire de soudage (WPS) complète qui tienne compte de toutes les variables pertinentes et qui soit adaptée au matériau spécifique et à la configuration du joint à souder.

Paramètres du processus de soudage laser de type O

① Régler l'amplitude d'oscillation du galvanomètre pour qu'elle corresponde précisément à la largeur de la pièce à souder. Cela garantit une distribution optimale de l'énergie sur le cordon de soudure.

② La puissance laser requise est directement liée à l'épaisseur de la plaque. Les plaques plus épaisses nécessitent une puissance laser plus élevée pour obtenir une pénétration complète, tandis que les plaques plus fines nécessitent moins de puissance pour éviter la surchauffe ou le passage au travers.

③ Pour les plaques minces de moins de 1,0 mm, il est essentiel d'affiner les paramètres. Ajustez la position du point focal, la durée de l'impulsion et la densité d'énergie pour contrôler la profondeur de pénétration et minimiser la zone affectée thermiquement (ZAT). Ces paramètres influencent principalement la pénétration de la soudure et les propriétés mécaniques du joint de la plaque mince.

④ Le schéma de soudage linéaire est polyvalent et convient à diverses configurations de joints, y compris les soudures diagonales et les soudures bout à bout. Cependant, il convient d'envisager des techniques de mise en forme du faisceau pour optimiser la distribution de l'énergie dans des géométries de joints spécifiques.

⑤ La gamme de fréquences du pistolet de soudage, de 4 à 20 Hz, permet d'optimiser le processus. Les fréquences plus basses conviennent généralement aux matériaux plus épais, tandis que les fréquences plus élevées sont bénéfiques pour les plaques minces. Réglez la densité de puissance en fonction de la fréquence pour obtenir les caractéristiques de soudage souhaitées.

⑥ Le mode de soudage de type O, qui utilise une double oscillation du moteur, s'adapte à diverses applications de soudage. Cette technique assure une fusion complète du matériau et favorise un mélange uniforme dans le bain de soudure, ce qui se traduit par une stabilité de la soudure supérieure à celle du soudage linéaire. L'amélioration de l'apport d'énergie nécessite une puissance laser plus élevée, mais offre des avantages tels qu'une meilleure capacité à combler les écarts et une réduction de la porosité dans le cordon de soudure.

Note spéciale :

Les paramètres fournis servent de lignes directrices générales et doivent être affinés en fonction de facteurs spécifiques tels que la puissance du laser, les propriétés du matériau, la technique de soudage et la largeur du joint. En règle générale, les plaques plus fines nécessitent une puissance laser plus faible, tandis que les plaques plus épaisses requièrent des réglages de puissance plus élevés. En ce qui concerne le contrôle de la tête laser, le paramètre de type de ligne est particulièrement efficace pour les soudures diagonales et les soudures d'angle mâles, tandis que le paramètre de type O est polyvalent et convient à un large éventail d'applications de soudage.

Il est essentiel de prendre en compte les éléments suivants lors de l'optimisation soudage au laser paramètres :

1. Caractéristiques du matériau : La conductivité thermique, la réflectivité et le point de fusion de la pièce influencent considérablement le choix des paramètres.
2. Géométrie du joint : Différentes configurations de joints (bout à bout, recouvrement, congé) peuvent nécessiter des ajustements de paramètres distincts pour obtenir des résultats optimaux.
3. Vitesse de soudage : ce paramètre affecte directement l'apport de chaleur et la pénétration de la soudure, ce qui nécessite un équilibre minutieux avec la puissance du laser.
4. Position focale : Le réglage du point focal par rapport à la surface de la pièce peut optimiser la distribution de l'énergie et le profil de la soudure.
5. Gaz de protection : Le type et le débit du gaz de protection ont une incidence sur la qualité de la soudure et doivent être adaptés à l'application spécifique.
6. Mise en forme de l'impulsion : Pour le soudage par laser pulsé, la manipulation de la durée et de la fréquence des impulsions peut améliorer les caractéristiques de la soudure et minimiser les défauts.

Il faut toujours effectuer des soudures d'essai sur des échantillons représentatifs pour valider et affiner les réglages des paramètres avant de commencer le soudage de production. Cette approche garantit une qualité de soudure constante, minimise les défauts et optimise l'efficacité du processus dans les applications industrielles.

Questions fréquemment posées

Vous trouverez ci-dessous les réponses à certaines questions fréquemment posées :

Quelle est l'épaisseur maximale qui peut être soudée avec un laser de 2000W ?

L'épaisseur maximale pouvant être soudée avec un laser 2000W varie en fonction du type de matériau à souder. Pour l'acier inoxydable, un laser 2000W peut souder jusqu'à une épaisseur de 6-8 mm. L'acier doux peut être soudé jusqu'à une épaisseur de 6 mm. Lors du soudage de l'aluminium, l'épaisseur maximale réalisable se situe entre 4 et 6 mm. Pour le cuivre et le laiton, l'épaisseur maximale est généralement de 2 mm. Ces valeurs montrent que les propriétés des matériaux influencent considérablement l'épaisseur de soudure réalisable avec un laser de 2000W.

Comment la puissance du laser influe-t-elle sur l'épaisseur de la soudure ?

La puissance du laser influe considérablement sur l'épaisseur de la soudure lors du soudage au laser. En général, une puissance laser plus élevée permet une pénétration plus profonde, ce qui permet de souder des matériaux plus épais. Par exemple, les plaques minces (moins de 1,0 mm) nécessitent une puissance laser plus faible, généralement comprise entre 500 et 1500 W, afin d'éviter la surchauffe et de maintenir un contrôle précis de la soudure. Les matériaux d'épaisseur moyenne (1,0 mm - 5,0 mm) nécessitent une puissance laser moyenne, généralement de l'ordre de 1500-3000 W, pour assurer une pénétration adéquate sans provoquer de défauts. Pour les tôles épaisses (plus de 5,0 mm), une puissance laser plus élevée, souvent de l'ordre de 3 000 à 6 000 W ou plus, est essentielle pour obtenir une pénétration complète et une résistance suffisante du joint.

La relation entre la puissance du laser et l'épaisseur de soudage implique également la vitesse de soudage. Pour les matériaux plus épais, une combinaison de puissance laser plus élevée et de vitesses de soudage plus lentes est nécessaire pour laisser suffisamment de temps à l'énergie laser de pénétrer dans toute l'épaisseur du matériau. Inversement, les matériaux plus fins bénéficient d'une puissance laser plus faible et de vitesses de soudage plus élevées pour éviter un apport de chaleur excessif et des défauts tels que la perforation.

En résumé, la puissance laser appropriée doit être sélectionnée en fonction de l'épaisseur du matériau afin d'obtenir des résultats de soudage optimaux, garantissant une pénétration adéquate tout en évitant les défauts associés à une puissance excessive ou insuffisante.

Quels sont les paramètres de soudage recommandés pour l'aluminium ?

Lors du soudage au laser de l'aluminium, plusieurs paramètres clés doivent être soigneusement ajustés pour garantir des soudures de haute qualité. Les paramètres de soudage recommandés pour l'aluminium varient en fonction de l'épaisseur du matériau.

Pour les tôles d'aluminium minces (moins de 1,0 mm), on utilise généralement une puissance laser plus faible, comprise entre 500 et 1500 W. La vitesse de soudage pour ces matériaux minces doit être relativement élevée, de l'ordre de 5 à 10 mètres par minute, afin de garantir une fusion homogène et de minimiser la zone affectée par la chaleur.

Pour les tôles d'aluminium d'épaisseur moyenne (1,0-3,0 mm), une puissance laser moyenne à élevée de 1000-3000 W est nécessaire. La vitesse de soudage pour ces tôles est généralement fixée entre 3 et 4 mètres par minute, ce qui permet d'équilibrer la puissance et la vitesse pour obtenir des soudures de qualité.

Pour les tôles d'aluminium plus épaisses (plus de 3,0 mm), une puissance laser plus élevée, de l'ordre de 3 000 à 6 000 W ou plus, est nécessaire. La vitesse de soudage doit être plus faible, généralement entre 1 et 5 mètres par minute, pour permettre une pénétration plus profonde et une fusion correcte.

La position du foyer a un impact significatif sur la qualité du soudage et doit être réglée de manière à obtenir des profondeurs de pénétration maximales. Un faisceau laser d'une taille comprise entre 0,2 et 2 mm est recommandé pour la précision, et le réglage de la taille du faisceau permet de gérer la densité de puissance.

Les lasers pulsés sont souvent préférés pour le soudage de tôles d'aluminium minces afin de réduire la porosité et les fissures thermiques, tandis que les lasers continus conviennent mieux aux tôles plus épaisses, car ils permettent d'obtenir une surface de soudure plus lisse.

Une préparation efficace de la surface est cruciale pour éviter les défauts. Le nettoyage de la surface de l'aluminium pour éliminer les impuretés est nécessaire avant le soudage. Le gaz de protection, tel que l'hélium ou l'argon, doit être optimisé pour garantir une formation stable des trous de serrure et minimiser les défauts.

En outre, les alliages d'aluminium ont une forte réflectivité et une faible absorption de l'énergie laser, de sorte qu'il est essentiel d'augmenter rapidement la densité de puissance du laser pour éviter que la chaleur ne soit réfléchie ou évacuée. Le soudage à double point ou des passes de laser supplémentaires peuvent améliorer la qualité de la soudure et réduire les défauts.

En ajustant soigneusement ces paramètres en fonction de l'épaisseur et du type d'aluminium, les opérateurs peuvent obtenir des soudures de haute qualité avec un minimum de défauts et des propriétés mécaniques optimales.

Le soudage au laser peut-il être utilisé pour le cuivre et quelle est l'épaisseur réalisable ?

Oui, le soudage au laser peut être utilisé pour le cuivre, bien qu'il présente plusieurs défis en raison des propriétés physiques du cuivre. La faible absorption du rayonnement laser infrarouge par le cuivre nécessite une puissance laser plus élevée pour atteindre la densité d'énergie requise. En outre, la conductivité thermique élevée du cuivre entraîne une dissipation rapide de la chaleur, ce qui rend difficile le maintien de la chaleur nécessaire dans la zone de soudure pour une pénétration profonde. La faible viscosité du cuivre fondu peut également entraîner des morphologies de soudure irrégulières et des défauts tels que des éclaboussures et des porosités.

Malgré ces difficultés, les technologies laser modernes ont permis de souder efficacement le cuivre. Pour le cuivre pur, il est possible d'atteindre des profondeurs d'environ 4 mm en utilisant des lasers à haute puissance, comme le soudage hybride laser-MIG à passage unique. La combinaison de lasers verts et infrarouges permet également d'atteindre des profondeurs de soudage de plusieurs millimètres, car le laser vert chauffe la surface tandis que le laser infrarouge apporte la profondeur nécessaire. Des configurations expérimentales spécifiques ont montré qu'avec une puissance laser de 5 kW et des vitesses de soudage appropriées, il est possible de réaliser un soudage à pénétration profonde, par exemple avec une vitesse de soudage de 20 m/min.

En résumé, le soudage au laser du cuivre est réalisable et permet d'atteindre des épaisseurs importantes grâce à une gestion minutieuse des paramètres du processus et à des techniques avancées permettant d'atténuer les difficultés inhérentes aux propriétés physiques du cuivre.

Comment la vitesse de soudage influence-t-elle la qualité de la soudure ?

La vitesse de soudage influence considérablement la qualité de la soudure dans les procédés de soudage au laser. Elle joue un rôle essentiel dans la détermination de l'apport de chaleur, de la pénétration et de l'intégrité globale de la soudure. Si la vitesse de soudage est trop lente, une chaleur excessive est injectée dans le matériau, ce qui peut entraîner un grand bain de soudure, une pénétration excessive et des défauts potentiels tels que l'affaissement, la porosité et la traversée, en particulier dans les matériaux plus minces. D'autre part, une vitesse de soudage trop rapide peut ne pas laisser suffisamment de temps au laser pour faire fondre le matériau de base, ce qui entraîne une fusion et une pénétration médiocres, avec pour résultat une soudure faible et étroite.

La vitesse de soudage optimale est essentielle pour équilibrer ces facteurs et obtenir des soudures de haute qualité. Elle doit être soigneusement ajustée en fonction du type de matériau, de son épaisseur et des paramètres de soudage spécifiques tels que la puissance du laser et la position du point focal. Par exemple, les matériaux comme l'aluminium, qui sont très conducteurs, nécessitent souvent des vitesses de soudage plus rapides pour éviter la surchauffe et les brûlures. Inversement, les matériaux plus épais peuvent nécessiter des vitesses plus lentes pour assurer une pénétration et une fusion correctes.

En résumé, le contrôle de la vitesse de soudage est essentiel pour optimiser l'apport de chaleur, assurer une pénétration et une fusion adéquates et préserver les propriétés mécaniques de la soudure. Il est nécessaire d'ajuster correctement la vitesse de soudage en fonction du matériau spécifique et des paramètres de soudage au laser pour obtenir des soudures de haute qualité et sans défaut.

Quels sont les autres facteurs à prendre en compte pour optimiser le soudage au laser ?

Pour optimiser le soudage au laser, il faut tenir compte de plusieurs facteurs autres que la puissance du laser et la vitesse de soudage afin d'obtenir l'épaisseur et la qualité de soudure souhaitées. Ces facteurs sont les suivants

1. Taille du spot et focalisation du faisceau: La taille du point du faisceau laser et sa focalisation déterminent la densité de puissance et la profondeur de pénétration. Un faisceau plus petit et plus focalisé permet une pénétration plus profonde, tandis qu'un faisceau plus large convient mieux aux soudures plus étendues.
2. Fréquence des impulsions et taux de chevauchement: Le réglage de la fréquence des impulsions et du taux de chevauchement est crucial pour la qualité de la soudure. Un taux de chevauchement plus élevé permet d'obtenir des soudures plus lisses, mais peut réduire la vitesse de soudage. Un chevauchement excessif peut entraîner des défauts tels que des brûlures ou des éclaboussures.
3. Défocalisation et distance focale: Un réglage correct de la défocalisation et de la distance focale est nécessaire pour contrôler l'interaction du faisceau avec le matériau et obtenir le profil de soudure souhaité.
4. Propriétés des matériaux: L'absorptivité, la conductivité thermique et les points de fusion et d'ébullition du matériau influencent la manière dont l'énergie laser est absorbée et dissipée, ce qui a une incidence sur la dynamique du bain de soudure.
5. État de surface: Des surfaces propres et lisses garantissent une interaction cohérente entre le faisceau laser et le matériau, ce qui améliore la qualité de la soudure.
6. Gaz de protection: L'utilisation de gaz de protection appropriés tels que l'argon, l'hélium ou l'azote protège la soudure de l'oxydation et aide à stabiliser le trou de serrure, en maintenant une soudure propre.
7. Conception et préparation des joints: Un ajustement correct, la tolérance des écarts et la préparation des bords, comme le biseautage ou le chanfreinage, sont essentiels pour éviter les défauts tels qu'une fusion incomplète ou une porosité.
8. Fixation et serrage: Une fixation et un serrage sûrs permettent de maintenir l'ajustement souhaité du joint et d'éviter les déformations pendant le soudage.
9. Oscillation du faisceau: Cette technique permet d'élargir la soudure sans augmenter la focalisation du laser, ce qui réduit l'apport d'énergie et la distorsion thermique et permet d'obtenir une surface de soudure plus lisse.
10. Gestion thermique et contraintes résiduelles: Les techniques de gestion de la dilatation thermique et du refroidissement inégal, telles que le contrôle de la séquence de soudage, le refroidissement localisé et le traitement thermique après soudage, permettent d'éviter les distorsions et les contraintes résiduelles.

En optimisant soigneusement ces facteurs, il est possible d'obtenir des soudures laser de haute qualité avec l'épaisseur souhaitée, en minimisant le risque de défauts et en garantissant l'intégrité du joint soudé.