Le processus de soudage au laser, principalement pour le soudage de tôles, peut être divisé en deux catégories : le soudage au laser continu à fibres et le soudage au laser à impulsions YAG. Sur la base du principe du soudage au laser, il peut être divisé en deux catégories : le soudage par conduction thermique et le soudage par pénétration profonde du laser. Lorsque la densité de puissance est inférieure à 104 à 105 [...]
Le processus de soudage au laser, principalement pour le soudage de tôles, peut être divisé en deux catégories : le soudage au laser continu à fibres et le soudage au laser à impulsions YAG.
Sur la base du principe du soudage au laser, on peut distinguer le soudage par conduction thermique et le soudage par pénétration profonde du laser. Lorsque la densité de puissance est inférieure à 104 à 105 W/cm², on parle de soudage par conduction thermique. Il en résulte une pénétration peu profonde et une vitesse de soudage plus lente.
En revanche, lorsque la densité de puissance est supérieure à 105 à 107 W/cm², la surface du métal forme des "trous" sous l'effet de l'échauffement, ce qui entraîne un soudage par pénétration profonde au laser. Cette méthode se caractérise par une vitesse de soudage rapide et un rapport profondeur/largeur important.
Le principe de la conduction de la chaleur soudage au laser consiste à chauffer la surface à traiter par rayonnement laser, à guider la chaleur de surface par transfert et diffusion interne, et à faire fondre la pièce pour former un bain de fusion spécifique en contrôlant les paramètres du laser tels que la largeur d'impulsion, l'énergie, la puissance de crête et la fréquence de répétition. Cette méthode convient aux pièces de faible épaisseur. soudage de plaques.
Le soudage laser à pénétration profonde est principalement utilisé pour le soudage d'engrenages et la métallurgie. soudage de tôlesCet article se concentre sur le principe du soudage laser à pénétration profonde.
Soudage de la coque en aluminium du couvercle de la batterie au lithium - laser continu à fibre (cellules de véhicules à énergie nouvelle, principalement 3-Série aluminium)
Le soudage laser à pénétration profonde utilise généralement un faisceau laser continu à fibre optique pour assembler des matériaux. Le processus métallurgique de cette méthode est similaire au soudage par faisceau d'électrons et s'effectue par une structure en "trou de serrure".
Lorsque le matériau est exposé à un laser à haute densité de puissance, il s'évapore et crée de petits trous. Ces petits trous, remplis de vapeur, se comportent comme des corps noirs et absorbent la quasi-totalité de l'énergie du faisceau incident.
La température à l'intérieur des trous atteint environ 2500 ℃ et la chaleur est transférée des parois extérieures des trous à haute température pour faire fondre le métal environnant.
Les petits trous sont remplis de vapeur à haute température générée par l'évaporation continue du matériau de la paroi sous l'irradiation du laser. Les quatre parois des trous sont entourées de métal en fusion, et le métal liquide est entouré de matériaux solides.
Dans la plupart des procédés de soudage conventionnels et dans le soudage laser par conduction, l'énergie est d'abord déposée sur la surface de la pièce, puis transmise à l'intérieur par conduction.
L'écoulement du liquide et la tension superficielle à l'extérieur des parois du trou sont en équilibre dynamique avec la pression continue de la vapeur à l'intérieur de la cavité du trou. Le faisceau laser pénètre continuellement dans les petits trous et le matériau à l'extérieur des trous s'écoule continuellement.
Le mouvement du faisceau laser maintient les petits trous et le métal en fusion qui les entoure dans un état d'écoulement stable.
Cela signifie que les petits trous et le métal en fusion se déplacent vers l'avant à la vitesse du faisceau principal, remplissant l'espace laissé derrière eux et se solidifiant pour former la soudure.
Tous ces processus se déroulent si rapidement que la vitesse de soudage peut facilement atteindre plusieurs mètres par minute.
Soudage au laser CW de fibres d'aluminium de la série 6 (ceci est le plancher du train à grande vitesse)
Il existe un seuil pour la densité d'énergie du laser dans le soudage au laser. Si la densité d'énergie du laser est inférieure à cette valeur, la pénétration est faible. En revanche, si elle atteint ou dépasse cette valeur, la pénétration est grandement améliorée.
La génération de plasma, qui signifie la progression d'un soudage stable à pénétration profonde, ne se produit que lorsque les densité de puissance du laser sur la pièce dépasse le seuil, qui dépend du matériau.
Lorsque la densité de puissance du laser est inférieure au seuil, seule la fusion superficielle de la pièce a lieu, ce qui permet d'obtenir un soudage stable par conduction thermique.
Si la densité de puissance du laser est proche de la condition critique pour la formation d'un trou de serrure, les processus de soudage devient instable, avec une alternance de soudage par pénétration profonde et de soudage par conduction, ce qui entraîne des fluctuations importantes de la profondeur de pénétration.
Lors du soudage laser à pénétration profonde, la puissance du laser contrôle simultanément la profondeur de pénétration et la vitesse de soudage. La profondeur de pénétration est directement liée à la densité de puissance du faisceau et est fonction de la puissance du faisceau incident et du point focal du faisceau.
En général, pour un faisceau laser de diamètre donné, la pénétration augmente avec la puissance du faisceau.
Soudage au laser à impulsion YAG (peut faire directement la surface d'apparence)
La taille du spot du faisceau est une variable critique dans le soudage laser car elle détermine la densité de puissance. Cependant, la mesure de la taille du spot pour les lasers à haute puissance est une tâche difficile, malgré la disponibilité de diverses technologies de mesure indirecte.
La limite de la taille de la tache de diffraction du faisceau peut être calculée en utilisant la théorie de la diffraction de la lumière, mais la taille réelle de la tache est plus grande en raison de la présence d'aberrations de la lentille de focalisation.
La méthode de mesure la plus simple est la méthode du profil de température égale, qui consiste à mesurer le point focal et le diamètre de la perforation après avoir brûlé du papier épais et pénétré une plaque de polypropylène.
Cette méthode nécessite la maîtrise de la puissance du laser et du temps d'action du faisceau, ce qui peut être obtenu par la pratique et la mesure.
L'absorption des matériaux par le laser dépend de plusieurs propriétés importantes du matériau, telles que l'absorptivité, la réflectivité, la conductivité thermique, la température de fusion, la température d'évaporation, etc.
Deux facteurs influencent l'absorption du faisceau laser par les matériaux :
Tout d'abord, le coefficient de résistance du matériau. Après avoir mesuré l'absorptivité de la surface polie du matériau, on a constaté que l'absorptivité du matériau est directement proportionnelle à la racine carrée du coefficient de résistance, qui varie avec la température.
Deuxièmement, l'état de surface ou la finition du matériau, qui a un impact significatif sur l'absorption du faisceau et donc sur l'effet de soudage.
Les matériaux d'une grande pureté et d'une conductivité générale, tels que l'acier inoxydable et le nickel, sont les meilleurs à souder.
D'autre part, les matériaux à haute conductivité tels que les cuivre et aluminium sont difficiles à souder. Le soudage de l'aluminium de la série 6 et des séries supérieures est sujet à des fissures et à des pores.
Les soudage du cuivre dépend généralement des exigences de l'application, et peut être réalisée avec un laser à impulsion YAG et un laser continu à fibre.
Dans l'industrie de la bijouterie, l'or et l'argent sont généralement soudés par points. Cependant, il existe peu d'applications industrielles pour le soudage de ces matériaux. L'accent est mis ici sur les applications industrielles.
La longueur d'onde de sortie du CO2 est généralement de 10,6 μm. À température ambiante, le taux d'absorption de l'énergie nonmatériaux métalliquestels que la céramique, le verre, le caoutchouc et le plastique, est très élevé, alors que le taux d'absorption des matériaux métalliques est faible.
Cependant, une fois que le matériau est fondu ou même vaporisé, son absorption augmente considérablement.
La méthode de revêtement de la surface ou de formation d'un film d'oxyde sur la surface est très efficace pour améliorer l'absorption des faisceaux lumineux.
La vitesse de soudage a un impact significatif sur la profondeur de pénétration. Une augmentation de la vitesse entraînera une pénétration moins profonde, mais une vitesse trop faible provoquera une fusion excessive du matériau et une pénétration trop importante de la pièce.
Par conséquent, il existe une gamme appropriée de vitesses de soudage pour un matériau spécifique avec une certaine puissance laser et une certaine épaisseur, et la pénétration maximale peut être obtenue à la valeur de vitesse correspondante.
Soudage par remplissage de fil laser à impulsion YGA en acier inoxydable (il permet de résoudre le problème de la grande jonction bout à bout et de l'apparence). traitement de surface dans la phase ultérieure)
Le gaz inerte est souvent utilisé dans le soudage au laser pour protéger le bain de fusion. Dans certains cas, la protection n'est pas nécessaire si le matériau peut être soudé sans oxydation de surface.
Cependant, la plupart des applications utilisent de l'hélium, de l'argon, de l'azote ou d'autres gaz pour protéger la pièce de l'oxydation pendant le soudage.
L'hélium est un gaz de protection efficace en raison de son énergie d'ionisation élevée, qui permet au faisceau laser de passer en douceur et d'atteindre la surface de la pièce sans aucun obstacle. Cependant, il est relativement cher.
L'argon est relativement bon marché et a une densité élevée, ce qui lui confère une bonne protection. Mais il est sujet à l'ionisation par le plasma métallique à haute température, ce qui réduit la puissance effective du laser et la vitesse de soudage, ainsi que la pénétration.
La surface de la pièce soudée protégée par l'argon est plus lisse que celle protégée par l'hélium.
L'azote est le gaz de protection le moins cher, mais il n'est pas adapté à certains types de soudage de l'acier inoxydable en raison de problèmes métallurgiques, tels que l'absorption, qui peut parfois entraîner l'apparition de pores dans la zone de recouvrement.
Le deuxième objectif de l'utilisation d'un gaz de protection est de protéger la lentille de focalisation de la pollution par les vapeurs métalliques et de la pulvérisation de gouttelettes liquides, ce qui est particulièrement important dans le cas du soudage laser à haute puissance, où les éjectas deviennent plus puissants.
La troisième fonction du gaz de protection est de disperser le plasma produit par le soudage au laser à haute puissance. La vapeur métallique absorbe le faisceau laser, l'ionisant en un nuage de plasma, et le gaz de protection autour de la vapeur métallique s'ionise également en raison de l'échauffement.
S'il y a trop de plasma, il consommera le faisceau laser dans une certaine mesure. Le plasma sur la surface de travail agit comme une deuxième source d'énergie, rendant la pénétration moins profonde et la surface du bain de soudure plus large.
Le taux de recombinaison des électrons peut être accru en augmentant la collision des électrons avec les ions et les atomes neutres, ce qui réduit la densité électronique dans le plasma.
Plus l'atome neutre est léger, plus la fréquence de collision et le taux de recombinaison sont élevés.
D'autre part, seul un gaz de protection à haute énergie d'ionisation n'augmentera pas la densité d'électrons en raison de sa propre ionisation.
Poids atomique (moléculaire) et énergie d'ionisation des gaz et métaux courants
| Matériau | Il | Ar | N | Al | Mg | Fe |
| Poids atomique (moléculaire) | 4 | 40 | 28 | 27 | 24 | 56 |
| Énergie d'ionisation (eV) | 24.46 | 15.68 | 14.5 | 5.96 | 7.61 | 7.83 |
Comme le montre le tableau, la taille du nuage de plasma dépend du type de gaz de protection utilisé. L'hélium produit le plus petit nuage de plasma, l'azote le deuxième plus petit et l'argon le plus grand. Plus la taille du plasma est importante, plus la profondeur de pénétration est faible.
Cette différence n'est pas seulement due aux différents niveaux d'ionisation des molécules de gaz, mais aussi à la différence de diffusion des vapeurs métalliques causée par les différentes densités du gaz de protection.
L'hélium a l'ionisation et la densité les plus faibles, et il peut rapidement éliminer la vapeur de métal qui s'élève de la piscine de métal en fusion.
Par conséquent, l'utilisation de l'hélium comme gaz de protection permet d'inhiber efficacement le plasma et d'augmenter la pénétration et la vitesse de soudage. En outre, il est léger et peu susceptible de provoquer des pores.
Toutefois, dans le cas d'un soudage réel, l'utilisation de l'argon comme bouclier donne de bons résultats. L'effet du nuage de plasma sur la pénétration est surtout perceptible à faible vitesse de soudage, et son impact diminue au fur et à mesure que la vitesse de soudage augmente.
Le gaz de protection est libéré sur la surface de la pièce à travers une buse à une certaine pression. La forme de la buse et le diamètre de sortie sont essentiels, car la buse doit être suffisamment grande pour couvrir la surface de la pièce. surface de soudage avec le gaz de protection, mais il doit aussi être limité en taille pour protéger efficacement la lentille et empêcher la pollution par les vapeurs métalliques ou les projections de métal d'endommager la lentille.
Le débit doit également être contrôlé, sinon le flux laminaire du gaz protecteur devient turbulent et de l'air est aspiré dans le bain de fusion, formant des pores.
Pour améliorer l'effet protecteur, il est également possible d'utiliser le soufflage latéral, qui consiste à injecter le gaz de protection dans le petit trou du soudage par pénétration profonde sous un certain angle, à l'aide d'une buse de petit diamètre.
Cela réduit non seulement le nuage de plasma à la surface de la pièce, mais affecte également le plasma dans le trou et la formation de petits trous, ce qui permet d'augmenter la profondeur de pénétration et d'obtenir une soudure idéale avec un rapport profondeur-largeur élevé.
Toutefois, cette méthode nécessite un contrôle précis de la taille et de la direction du flux de gaz, car des turbulences et des dommages au bain de fusion peuvent facilement se produire, ce qui rend difficile la stabilisation du processus de soudage.
Le faisceau laser est généralement focalisé pendant le soudage et une lentille d'une longueur focale de 63 mm à 254 mm (2,5″ à 10″) est généralement choisie. La taille du point de focalisation est directement proportionnelle à la longueur focale ; une longueur focale plus courte donne un point plus petit.
Cependant, la longueur focale affecte également la profondeur focale, qui augmente avec la longueur focale. Cela signifie qu'une longueur focale courte améliore la densité de puissance mais nécessite un maintien précis de la distance entre la lentille et la pièce à usiner pour une pénétration correcte.
En soudage réel, la profondeur focale la plus courte utilisée est généralement de 126 mm (5″). Lorsqu'un joint plus grand ou une soudure plus importante est nécessaire, une lentille d'une longueur focale de 254 mm (10″) peut être sélectionnée, mais cela nécessite une puissance de sortie laser plus élevée pour obtenir l'effet de trou de serrure à pénétration profonde désiré.
Pour les puissances laser supérieures à 2kW, notamment pour les lasers CO2 de 10,6μm, la méthode de focalisation par réflexion est souvent utilisée, avec des miroirs en cuivre poli en guise de miroirs, afin d'éviter le risque de dommages optiques sur la lentille de focalisation.
Les miroirs en cuivre sont souvent recommandés pour les applications de haute puissance. focalisation du faisceau laser grâce à un refroidissement efficace.
Dans le soudage au laser, la position du foyer est cruciale pour garantir une densité de puissance adéquate. La variation de la position relative entre le foyer et la surface de la pièce a un impact significatif sur la profondeur et la largeur de la soudure.
Dans la plupart des applications de soudage au laserLe foyer est généralement réglé à environ un quart de la pénétration requise sous la surface de la pièce à usiner.
La qualité finale de la soudure lors du soudage au laser de différents matériaux est largement contrôlée par la position du faisceau laser, les joints d'about étant plus sensibles que les joints de recouvrement.
Par exemple, lors du soudage d'un matériau trempé engrenage en acier sur un tambour en acier à faible teneur en carbone, un contrôle adéquat de la position du faisceau laser permettra d'obtenir une soudure principalement composée d'éléments à faible teneur en carbone, qui possèdent une excellente résistance aux fissures.
Dans certaines situations, la géométrie de la pièce à souder nécessite un angle de déviation du faisceau laser. Lorsque l'angle de déviation entre l'axe du faisceau et le plan du joint est inférieur à 100 degrés, l'appareil de soudage à l'arc est utilisé. absorption du laser de la pièce n'est pas affectée.
Dans le cas du soudage laser à pénétration profonde, de petits trous sont présents quelle que soit la profondeur de la soudure. Lorsque le processus de soudage est terminé et que l'interrupteur est éteint, des piqûres apparaissent à la fin de la soudure.
En outre, si la nouvelle couche de soudure au laser recouvre la soudure précédente, une absorption excessive du faisceau laser peut se produire, entraînant une surchauffe ou une porosité de l'élément soudé.
Pour éviter ces problèmes, les points de départ et de fin de la puissance peuvent être programmés pour permettre de régler les temps de départ et de fin. Pour ce faire, la puissance de départ est augmentée électroniquement de zéro à la valeur de puissance définie rapidement et le temps de soudage est ajusté.
Enfin, la puissance est progressivement réduite de la valeur réglée jusqu'à zéro à la fin du soudage.
Soudage laser continu par fibre optique de l'acier inoxydable (adapté à l'acier inoxydable) soudage bout à bout de petites plaques d'une épaisseur de 0,2-3 mm)
Le procédé de soudage à haut rapport d'aspect se caractérise par des soudures profondes et étroites, qui sont formées en dirigeant une cavité cylindrique de vapeur à haute température autour de la pièce à usiner. Le métal en fusion se forme alors autour de la cavité et s'étend jusqu'à la pièce.
Le processus de soudage nécessite un apport de chaleur minimal en raison de la température élevée à l'intérieur du petit trou. Il en résulte un processus de fusion rapide et un faible apport de chaleur sur la pièce, ce qui entraîne une déformation thermique minimale et une petite zone affectée par la chaleur.
La vapeur à haute température à l'intérieur du petit trou favorise le brassage du bain de soudure et l'évacuation des gaz, ce qui permet d'obtenir une soudure dense et pénétrante, sans pores. Le refroidissement rapide après le soudage permet d'affiner la structure de la soudure.
Le processus de soudage ne nécessite pas d'électrodes ou de fils d'apport, et la source de chaleur est chaude, ce qui entraîne une réduction de la teneur en impuretés et une modification de la taille et de la distribution des inclusions dans le bain de fusion. Il en résulte une soudure solide et résistante, dont la résistance est au moins égale, voire supérieure, à celle du métal de base.
La petite zone de focalisation du laser permet de positionner la soudure avec une grande précision. La sortie du laser n'a pas d'"inertie" et peut être arrêtée et redémarrée rapidement, ce qui en fait un outil idéal pour le soudage de pièces complexes avec la technologie de déplacement du faisceau à commande numérique.
Le procédé de soudage sous atmosphère sans contact fait appel à un faisceau de photons qui fournit de l'énergie à la pièce sans aucun contact physique. Cela signifie qu'aucune force externe n'est appliquée à la pièce et que le laser n'est pas affecté par le magnétisme ou l'air.
Le laser focalisé utilisé dans le soudage au laser a une densité de puissance beaucoup plus élevée que les méthodes conventionnelles, ce qui permet des vitesses de soudage rapides et des zones affectées par la chaleur et des déformations minimales. Il est ainsi possible de souder même des matériaux difficiles tels que titane.
Le faisceau est facile à transmettre et à contrôler, ce qui permet de remplacer moins souvent le pistolet de soudage et la buse, et aucun pompage à vide n'est nécessaire pour les opérations de soudage. soudage par faisceau d'électrons. Cela permet de réduire considérablement les temps d'arrêt des auxiliaires et d'augmenter le facteur de charge et l'efficacité de la production.
La purification et la vitesse de refroidissement élevée pendant le soudage au laser permettent d'obtenir une résistance, une ténacité et des propriétés globales élevées de la soudure.
Le faible apport moyen de chaleur et la grande précision d'usinage du soudage au laser contribuent à réduire le coût du retraitement. En outre, le faible coût d'exploitation du soudage au laser contribue également à réduire le coût global de traitement de la pièce.
Le soudage au laser permet un contrôle efficace de l'intensité du faisceau et un positionnement précis, ce qui facilite l'automatisation du processus de soudage.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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