Soudage au laser de tôles : Guide du débutant

Introduction

Le soudage est un processus primaire dans fabrication de tôlesLe secteur de l'agriculture et de l'élevage se caractérise par une forte intensité de travail et des conditions de travail difficiles. Il est donc essentiel d'avoir un niveau de compétence élevé.

L'automatisation du soudage et le développement de méthodes d'assemblage innovantes ont toujours été au centre des préoccupations des professionnels du secteur de l'énergie. technologie du soudage.

Un aspect essentiel de l'automatisation du soudage est le contrôle des éléments suivants qualité du soudage et l'efficacité. Au cours du processus, des défis tels que l'alignement de l'arc et du cordon de soudure, l'uniformité des espaces entre les composants, la pénétration de la soudure et le contrôle de l'humidité sont à relever. distorsion de soudage doivent être prises en compte.

Avec les progrès rapides de la technologie de soudage au laserDepuis, elle a fait un grand pas en avant et a mûri dans ses applications dans divers secteurs, notamment l'électroménager, l'électronique de pointe, la construction automobile, la production de trains à grande vitesse et l'usinage de précision.

Les avantages du soudage au laser peuvent être compris en le comparant au soudage à l'arc traditionnel. Ce billet se penchera sur les processus du laser et d'explorer les moyens d'obtenir de meilleurs résultats.

Pour évaluer la qualité d'une soudure laser, le rapport profondeur/largeur et la morphologie de la surface sont pris en considération. Cet article examine les paramètres du processus qui ont un impact sur ces indices.

Expériences de soudage au laser ont été menées sur des plaques d'acier inoxydable, d'aluminium et d'acier au carbone. Les résultats fournissent des informations pratiques qui peuvent être utilisées dans la production de soudure.

Le soudage au laser est une technique de production de pointe qui utilise un laser à haute densité d'énergie comme source de chaleur pour le soudage. Il est largement utilisé dans les fabrication de tôles en raison de ses avantages, notamment une densité énergétique élevée, une vitesse de soudage rapide, le respect de l'environnement, une déformation minimale des plaques, etc.

Le soudage au laser, basé sur les caractéristiques de la formation du cordon de soudure, peut être divisé en deux catégories : le soudage par conduction et le soudage au laser. soudage par pénétration profonde. Le soudage par conduction utilise une faible puissance laser, ce qui se traduit par des temps de formation du bain de fusion plus longs et des profondeurs de fusion plus faibles.

Il est principalement utilisé pour le soudage de petites pièces.

En revanche, le soudage par pénétration profonde présente une densité de puissance élevée, ce qui entraîne une fusion rapide du métal dans la zone d'irradiation du laser.

Cette fusion s'accompagne d'une vaporisation intense, ce qui permet d'obtenir des cordons de soudure d'une profondeur importante et d'un rapport largeur/profondeur pouvant aller jusqu'à 10:1.

Les composants en tôle mince peuvent être assemblés à l'aide de diverses méthodes de soudage, notamment le soudage au laser, le brasage, le soudage à l'hydrogène atomique et le soudage par résistance, soudage à l'arc plasmaet le soudage par faisceau d'électrons.

Lorsque l'on compare le soudage au laser à d'autres méthodes techniques de soudageIl offre des avantages significatifs en termes de zone affectée thermiquement, de déformation thermique, de qualité du cordon de soudure, de nécessité de matériau d'apport et d'environnement de soudage.

La comparaison entre le soudage au laser et les autres méthodes de soudage est présentée dans le tableau 1.

Tableau 1 Comparaison entre le soudage au laser et les autres méthodes de soudage

Caractéristiques du soudage au laser

Le soudage au laser utilise un laser qui canalise un faisceau laser à haute énergie dans une fibre optique. Après transmission, il est collimaté en lumière parallèle à l'aide d'une lentille de collimation, puis focalisé sur la pièce à usiner.

Il en résulte une source de chaleur à très haute énergie qui fait fondre le matériau au niveau du joint. Le métal en fusion se refroidit ensuite rapidement pour former une soudure de haute qualité. L'aspect d'une pièce de tôle soudée au laser est illustré dans la figure ci-dessous.

Fonctionnement facile :

Machines à souder au laser sont faciles à utiliser. Le fonctionnement est simple, facile à apprendre et convivial. Le niveau d'expertise requis pour les opérateurs est relativement faible, ce qui se traduit par des économies en termes de coûts de main-d'œuvre.

Grande flexibilité :

Les soudeurs laser peuvent souder sous n'importe quel angle et sont capables d'accéder à des zones difficiles d'accès. Ils peuvent traiter des composants de soudage complexes et des pièces de grande taille de forme irrégulière, offrant une flexibilité inégalée dans le soudage à partir de n'importe quelle orientation.

Sécurité renforcée :

La buse de soudage à haute sécurité ne s'active qu'au contact du métal, grâce à un interrupteur tactile qui détecte la température du corps. Des normes de sécurité spécifiques doivent être respectées lors de l'utilisation du générateur laser spécialisé, notamment le port de lunettes de protection pour minimiser les risques de lésions oculaires.

Supérieure Qualité du faisceau laser:

Une fois le laser focalisé, il atteint une densité de puissance élevée. Avec une puissance élevée et une focalisation laser en mode bas, le diamètre du point résultant est minuscule, ce qui favorise considérablement l'automatisation dans les applications à faible épaisseur. soudage de tôles.

Vitesse de soudage rapide avec une pénétration profonde et une distorsion minimale :

En raison de la densité de puissance élevée du soudage au laser, de minuscules pores se forment dans le métal au cours du processus. L'énergie laser pénètre profondément dans le matériau à travers ces pores, avec une propagation latérale minimale. La profondeur de fusion du matériau est considérable et la vitesse de soudage est rapide, ce qui permet de couvrir une grande surface en peu de temps.

Réduction des coûts de main-d'œuvre :

En raison de l'apport minimal de chaleur pendant le soudage au laser, la distorsion post-soudure est mineure. Il en résulte une finition de soudure visuellement attrayante, ce qui permet de réduire le traitement post-soudure et, par conséquent, de réduire considérablement, voire d'éliminer, les coûts de main-d'œuvre liés au lissage et à l'égalisation.

Capacité à souder des matériaux difficiles :

Le soudage au laser convient non seulement à l'assemblage d'une variété de métaux dissemblables, mais aussi aux opérations suivantes soudage des métaux et des alliages comme le titane, le nickel, le zinc, le cuivre, l'aluminium, le chrome, l'or, l'argent, l'acier et les alliages de coupe. Elle répond bien aux besoins de développement des nouveaux matériaux dans les appareils ménagers.

Particulièrement adapté au soudage de feuilles minces et de composants esthétiques non revêtus :

Compte tenu de son rapport d'aspect élevé lors du soudage, de son faible apport de chaleur, de sa zone affectée par la chaleur minimale et de sa distorsion réduite, le soudage au laser est particulièrement adapté au soudage de tôles minces, de composants esthétiques non revêtus, de pièces de précision et de composants thermosensibles. Cela permet de minimiser les corrections après soudage et le traitement secondaire.

Comparaison entre le soudage au laser et le soudage à l'arc traditionnel

Introduction au soudage à l'arc

Traditionnel soudage à l'arc peuvent être classés en plusieurs catégories, notamment le soudage à l'arc par électrode, le soudage au gaz inerte de tungstène (TIG), le soudage au gaz inerte de métal (MIG) et le soudage à l'arc submergé.

Le soudage à l'arc par électrode consiste à créer un arc entre l'électrode et la pièce à souder, ce qui génère une chaleur qui fait fondre le métal au point de contact entre l'électrode et la pièce à souder. Cela crée un bain de métal en fusion. L'électrode est ensuite déplacée dans une direction spécifique, créant de nouvelles flaques de métal en fusion et solidifiant les flaques précédentes, ce qui aboutit à la formation d'une soudure.

Un diagramme de la processus de soudage est illustrée à la figure 1.

Fig. 1. Schéma du soudage à l'arc à l'électrode

Le soudage au gaz inerte de tungstène (TIG) utilise une électrode de tungstène comme électrode de décharge, qui ne se consume pas au cours du processus. La zone de soudage est protégée par un gaz inerte, généralement de l'argon, et la chaleur générée par l'arc est utilisée pour faire fondre à la fois le métal de base et le métal de base. matériel de soudage. Il en résulte une surface de soudage avec peu ou pas d'éclaboussures.

Gaz Arc métallique Le soudage (GMAW) est un procédé dans lequel un arc est généré entre le fil de soudage et le métal de base, ce qui fait fondre le fil et le métal de base. Le matériau fondu se solidifie et forme une soudure.

Bien que le soudage à l'arc occupe toujours une position dominante dans l'industrie du soudage, les exigences croissantes en matière de qualité et d'efficacité du soudage ont conduit à limiter son application dans certains secteurs haut de gamme. tôle les domaines de la fabrication. Les inconvénients du soudage à l'arc traditionnel sont les suivants :

• La nécessité d'utiliser de l'argon de haute pureté en tant que source d'énergie pour la production d'électricité. gaz de protectionce qui peut s'avérer coûteux.
• Un niveau élevé de compétences et de certification est requis pour un fonctionnement correct, ce qui le rend inaccessible à de nombreuses personnes.
• Le courant à haute densité et la chaleur générée pendant la processus de soudage peut avoir un impact négatif sur le soudage des plaques métalliques à bas point de fusion.
• Faible efficacité de soudage et vitesse lente.
• Les surface de soudage est rugueuse et nécessite un meulage supplémentaire pour obtenir une surface lisse.
• Limitée résistance au soudage.

Avantages du soudage au laser

Les principales techniques de soudage au laser comprennent le soudage par autofusion, le soudage par oscillation, le soudage par remplissage de fil, le soudage par galvanomètre et le soudage composite qui combine plusieurs méthodes de soudage.

Le tableau 1 présente les avantages du soudage au laser par rapport au soudage à l'arc traditionnel.

Pour les industries de fabrication de tôles haut de gamme qui exigent des produits à forte valeur ajoutée d'une qualité constante, de faibles écarts de soudure et une grande efficacité, le soudage au laser est un choix de premier ordre.

Tableau 1 Comparaison des caractéristiques du soudage au laser et du soudage à l'arc

Paramètres du processus de soudage au laser

Indice de soudure au laser

Les exigences relatives à l'effet de soudage des pièces de tôle varient en fonction des besoins du client. Ces exigences se reflètent principalement dans les indicateurs suivants :

• Morphologie de la surface (par exemple, concave, plate ou convexe)
• Le rapport profondeur/largeur du bain de soudure
• Absence de défauts tels que pores, fissures, impuretés et contre-dépouilles

La morphologie de la surface de la soudure peut être modifiée en ajustant des facteurs tels que la puissance de soudage, défocalisationet le mode d'assemblage. Le rapport profondeur/largeur du bain de soudure est un facteur important pour déterminer la résistance de la soudure.

Pour les clients qui ont des exigences de résistance pour leurs produits de soudage, une série d'étapes doivent être franchies, notamment le découpage du fil, l'incrustation, le meulage et le polissage, les essais de corrosion et l'analyse métallographique microscopique. Ce processus reflète la dureté de la soudure, qui est étroitement liée au rapport profondeur/largeur. L'indice de résistance à la traction de la soudure peut également être déterminé par un essai de résistance à la traction. La figure 2 montre l'analyse métallographique du rapport de pénétration.

Fig. 2 Analyse métallographique du taux de pénétration

Dans certains environnements de travail, les pièces soudées peuvent présenter des défauts tels que des pores, des fissures, des impuretés et des contre-dépouilles, qui peuvent présenter de graves risques pour la sécurité. Par exemple, certains produits doivent répondre à des normes strictes en matière d'étanchéité à l'air et à l'eau.

La figure 3 présente une comparaison entre les soudures normales et les soudures présentant des défauts.

Fig. 3 cordon de soudure diagramme

Facteurs d'influence du soudage au laser

Plusieurs facteurs ont un impact direct sur le soudage au laser, notamment température de soudageLe point de fusion des matériaux de soudage, le taux d'absorption du laser par les matériaux de soudage et l'influence thermique.

En ce qui concerne le processus de soudage, des facteurs tels que les propriétés des matériaux, puissance du laserLa vitesse de soudage, la position du foyer, le gaz de protection et l'espace de soudure doivent être pris en considération.

L'absorption laser des matériaux de soudage influe sur la qualité de la soudure. Les matériaux tels que l'aluminium et le cuivre ont une capacité d'absorption laser plus élevée, tandis que l'acier au carbone et l'acier inoxydable ont une capacité d'absorption laser plus faible. Les matériaux de soudage à forte absorptivité nécessitent généralement plus d'énergie pour fondre et former un bain de soudure stable.

La puissance du laser est la source d'énergie pour le soudage au laser et joue un rôle essentiel dans la détermination de l'effet de soudage. Plus la puissance du laser est élevée, meilleur est l'effet de soudage. Toutefois, une puissance laser trop élevée peut entraîner une instabilité du bain de soudure et une réduction de la profondeur. Il est donc essentiel de choisir la valeur appropriée de la puissance du laser.

Il existe une relation inverse entre la vitesse de soudage et la pénétration. Des vitesses de soudage plus rapides entraînent un apport d'énergie plus faible, tandis que des vitesses plus lentes peuvent provoquer une surchauffe, en particulier dans les matériaux sensibles à la chaleur tels que l'aluminium.

La position du foyer affecte directement la pénétration et la largeur de la soudure. Lorsque le foyer est situé à la surface du matériau de soudage, on parle de foyer zéro. Lorsque le foyer est situé au-dessus ou au-dessous du matériau de soudage, on parle de foyer excentré. Le point de focalisation zéro est le plus petit et a la densité d'énergie la plus élevée, tandis que le soudage excentré a une densité d'énergie plus faible mais un point lumineux plus large, ce qui le rend approprié pour le soudage de pièces de plus grande portée.

Le type et la méthode d'utilisation du gaz de protection ont également une incidence sur le processus de soudage. La fonction du gaz de protection n'est pas seulement d'empêcher l'oxydation pendant le soudage, mais aussi de supprimer le nuage de plasma généré pendant le soudage au laser. Le choix du gaz de protection peut avoir un impact sur l'aspect et la couleur de la surface soudée.

Le jeu de soudure de la pièce à souder est lié à la pénétration, à la largeur et à la morphologie de la soudure. Un écart de soudure trop important peut entraîner des difficultés de fusion et de combinaison, ainsi qu'exposer le laser et potentiellement endommager l'outillage ou la pièce à souder. L'augmentation du point lumineux ou de l'oscillation peut améliorer le soudage, mais l'amélioration est limitée.

Analyse des essais de soudage

Le test de soudage a été réalisé à l'aide d'un robot Yaskawa GP25, d'un laser Prima, d'un ospri joint de soudure (diamètre du noyau 100μm, longueur focale 300mm), et un dévidoir WSX. L'effet de soudage a été testé sur des plaques d'acier au carbone Q235 de 1,5 mm, de l'acier inoxydable SS304 et de l'aluminium de série 3 plaque d'alliage.

Sur la base de l'expérience acquise, les références suivantes peuvent être fournies pour le processus d'essai :

Pour le soudage d'essai d'une plaque de 1 mm d'épaisseur, on peut utiliser une puissance de démarrage de 1 kW et une vitesse de soudage de 30 mm/s. La puissance de référence peut être calculée comme P=A-X, où A est un coefficient constant (A≥0) et X est l'épaisseur de la plaque. Lorsque l'épaisseur de la plaque augmente, le coefficient constant A diminue progressivement et est également influencé par la méthode de soudage.

Analyse du processus de soudage des plaques d'acier au carbone

Voir le tableau 2 pour les paramètres du processus de soudage par oscillation de Q235 Plaque d'acier au carbone d'une épaisseur de 1,5 mm.

Tableau 2 : Paramètres du processus de soudage par balayage du carbone Q235 tôle d'acier

Les données de l'essai montrent que lorsque le swing soudage de l'acier au carbone Dans le cas des plaques de soudage, la puissance du laser doit être augmentée avec l'augmentation de la vitesse de soudage, tout en veillant à ce que la plage d'oscillation reste inchangée. Si la vitesse d'oscillation est trop lente, la soudure sera irrégulière.

En général, il faut moins d'énergie pour le soudage par autofusion de l'acier au carbone que pour le soudage par oscillation de l'acier au carbone, et moins d'énergie pour le soudage par oscillation de l'acier au carbone que pour le soudage par oscillation du fil d'apport de l'acier au carbone. L'énergie requise dépend principalement de la puissance et de la vitesse, une puissance plus élevée et une vitesse plus rapide nécessitant plus d'énergie.

Idéalement, pour équilibrer la qualité et l'efficacité, la vitesse de soudage devrait être augmentée autant que possible. Cependant, un soudage trop rapide peut provoquer une instabilité et être limité par la puissance du laser et le temps de soudage. propriétés des matériaux. Par conséquent, un équilibre entre la puissance et la vitesse est généralement recherché.

Analyse du processus de soudage des plaques d'aluminium

Dans le test, le diamètre du cœur de la fibre optique sélectionnée était de 100μm. Pour le soudage de matériaux hautement réfléchissants et absorbant la chaleur, tels que l'aluminium et le cuivre, une densité de puissance plus élevée est nécessaire pour la fusion. Dans ce cas, le soudage à focalisation zéro est nécessaire.

Le soudage à focalisation zéro permet d'obtenir une densité de puissance maximale avec une puissance minimale, ce qui le rend idéal pour le soudage de petites pièces et la fusion du métal pour former un bain de fusion. Le tableau 3 présente les paramètres du processus de soudage pour différents matériaux.

Tableau 3 Comparaison des paramètres du processus de soudage pour différents matériaux

Les données du test indiquent que, les autres paramètres restant constants, l'effet de soudage idéal pour l'alliage d'aluminium de la série 3 nécessite une vitesse de soudage plus lente par rapport à l'acier au carbone Q235, étant donné qu'il faut plus de chaleur.

Analyse du processus de soufflage du blanc d'acier inoxydable

Le tableau 4 montre la comparaison des paramètres du processus de blanchiment pour soudage de l'acier inoxydable avec une épaisseur de 1,5 mm. La comparaison de l'effet de soudage est illustrée à la figure 4.

Les paramètres de soudage des trois soudures de la figure 4 (de gauche à droite) correspondent respectivement aux numéros de série 1, 2 et 3 du tableau 4.

Fig. 4 Comparaison de l'effet de soudage

Tableau 4 Comparaison des paramètres du processus de blanchiment des cordons de soudure de l'acier inoxydable

Pour obtenir une surface blanchie sur l'acier inoxydable, il est nécessaire de refroidir et de cristalliser rapidement le métal dans une atmosphère de gaz protecteur après la fusion au laser. Si la puissance est trop élevée, une grande quantité de chaleur sera retenue dans la plaque métallique, ce qui ralentira le refroidissement et augmentera le risque d'oxydation et de décoloration. Si la puissance est trop faible, le métal risque de ne pas fondre complètement.

Si la vitesse est trop rapide, l'outil de soufflage peut ne pas être suffisant, ce qui affecte l'effet de soufflage. Si la vitesse est trop lente, il y aura une accumulation excessive de chaleur. Pour obtenir une surface blanchie, il est important de trouver un équilibre entre la puissance, la vitesse et le soufflage.

S'il n'est pas possible d'obtenir une surface blanchie en une seule tentative, il est possible de le faire en soudant une couche à une puissance légèrement plus élevée, puis en réduisant la puissance pour une deuxième couche.

Conclusion

Pendant le processus de soudage au laser, pour assurer une haute qualité de l'air, il est nécessaire d'utiliser des matériaux de haute qualité.soudage de qualité il est important de tenir compte d'une série de facteurs, notamment les propriétés du matériau, la puissance du laser, la vitesse de soudage, la position du foyer, le gaz de protection et l'espace entre les soudures.

Pour les matériaux couramment utilisés tels que l'acier au carbone, l'acier inoxydable et les plaques d'aluminium, les paramètres de test initiaux mentionnés précédemment peuvent être utilisés comme référence, puis ajustés en fonction des caractéristiques spécifiques du matériau et des exigences du client afin d'obtenir l'effet de soudage désiré.