Paramètres principaux du processus de soudage au laser

1) Puissance du laser. Il existe un seuil de densité d'énergie laser dans le soudage laser, en dessous duquel la profondeur de fusion est faible, et une fois cette valeur atteinte ou dépassée, la profondeur de fusion augmente considérablement. Ce n'est que lorsque la densité de puissance laser sur la pièce dépasse le seuil (en fonction du matériau) que le plasma est généré, ce qui marque la stabilisation du soudage par fusion profonde. Si la puissance du laser est inférieure à ce seuil, la pièce ne subit qu'une fusion superficielle, c'est-à-dire que le soudage s'effectue selon un type de transfert de chaleur stable. Lorsque la densité de puissance du laser est proche de la condition critique de formation de petits trous, le soudage par fusion profonde et le soudage par conduction alternent et deviennent des processus de soudage instables, entraînant de grandes fluctuations de la profondeur de fusion. Dans le soudage par fusion profonde au laser, la puissance du laser contrôle à la fois la profondeur de pénétration et la vitesse de soudage, comme le montre la figure 1. La profondeur de fusion du soudage 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 certain diamètre du faisceau laser, la profondeur de fusion augmente à mesure que la puissance du faisceau augmente.

2) Point focal du faisceau. La taille du spot du faisceau est l’une des variables les plus importantes du soudage laser, car elle détermine la densité de puissance. Cependant, sa mesure constitue un défi pour les lasers de forte puissance, même si de nombreuses techniques de mesure indirecte sont déjà disponibles.

La taille du point limite de diffraction focale du faisceau peut être calculée à partir de la théorie de la diffraction de la lumière, mais le point réel est plus grand que la valeur calculée en raison de la présence d'aberrations de la lentille de focalisation. La méthode de mesure réelle la plus simple est la méthode du profil isotherme, qui consiste à mesurer le point focal et le diamètre de la perforation après avoir brûlé et pénétré une plaque de polypropylène avec du papier épais. Cette méthode doit être mesurée par la pratique, en maîtrisant la taille de la puissance laser et le temps d'action du faisceau.

3) Valeur d'absorption du matériau. L'absorption du laser par le matériau dépend de certaines propriétés importantes du matériau, telles que le taux d'absorption, la réflectivité, la conductivité thermique, la température de fusion, la température d'évaporation, etc. La plus importante est le taux d'absorption.

Les facteurs affectant le taux d’absorption du matériau par le faisceau laser comprennent deux aspects : premièrement, la résistivité du matériau. Après avoir mesuré le taux d'absorption de la surface polie du matériau, on constate que le taux d'absorption du matériau est proportionnel à la racine carrée du coefficient de résistivité, qui varie à son tour avec la température ; d'autre part, l'état de surface (ou finition) du matériau a un effet plus important sur le taux d'absorption de la poutre, ayant ainsi un effet significatif sur l'effet de soudage.

La longueur d'onde de sortie du laser CO2 est généralement de 10,6 μm, le taux d'absorption de la céramique, du verre, du caoutchouc, du plastique et d'autres non-métaux à température ambiante est très élevé, tandis que l'absorption des matériaux métalliques à température ambiante est très faible, jusqu'à ce que le matériau une fois fondu ou même vaporisé, son absorption augmente fortement. L'utilisation d'un revêtement de surface ou d'une méthode de génération de surface d'un film d'oxyde pour améliorer l'absorption du matériau par le faisceau est très efficace.

4) vitesse de soudage. La vitesse de soudage a un impact important sur la profondeur de fusion, augmenter la vitesse rendra la profondeur de fusion peu profonde, mais la vitesse est trop faible et entraînera une fusion excessive du matériau, la pièce étant soudée. Par conséquent, une certaine puissance laser et une certaine épaisseur d'un matériau particulier ont une plage appropriée de vitesse de soudage, et dans laquelle la valeur de vitesse correspondante peut être obtenue lorsque la profondeur de fusion maximale est atteinte. La figure 2 donne la relation entre la vitesse de soudage et la profondeur de fusion de l'acier 1018.

5) Gaz protecteur. Le processus de soudage au laser utilise souvent un gaz inerte pour protéger le bain de fusion. Lorsque certains matériaux sont soudés indépendamment de l'oxydation de la surface, ils ne prennent pas non plus en compte la protection, mais pour la plupart des applications, on utilise souvent de l'hélium, de l'argon, de l'azote et d'autres gaz pour la protection, de sorte que la pièce à usiner contre l'oxydation pendant le processus de soudage.

L'hélium n'est pas facilement ionisé (l'énergie d'ionisation est élevée), ce qui permet au laser de passer à travers et à l'énergie du faisceau d'atteindre la surface de la pièce sans entrave. C’est le gaz de protection le plus efficace utilisé dans le soudage laser, mais il est plus coûteux.

L'argon est moins cher et plus dense, il protège donc mieux. Cependant, il est sensible à l'ionisation par plasma métallique à haute température, ce qui entraîne un blindage d'une partie du faisceau vers la pièce, réduisant ainsi la puissance laser effective pour le soudage et altérant également la vitesse de soudage et la profondeur de fusion. La surface de la pièce soudée est plus lisse avec une protection à l'argon qu'avec une protection à 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, principalement en raison de problèmes métallurgiques, tels que l'absorption, qui produit parfois de la porosité dans la zone de recouvrement.

Le deuxième rôle de l’utilisation d’un gaz de protection est de protéger la lentille de focalisation de la contamination par les vapeurs métalliques et de la pulvérisation de gouttelettes liquides fondues. Ceci est particulièrement nécessaire dans le soudage laser à haute puissance, où les éjectas deviennent très puissants.

Une troisième fonction du gaz de protection est qu’il disperse efficacement le blindage plasma produit par le soudage laser à haute puissance. La vapeur métallique absorbe le faisceau laser et s'ionise dans un nuage de plasma, et le gaz de protection autour de la vapeur métallique est également ionisé par la chaleur. S'il y a trop de plasma, le faisceau laser est dans une certaine mesure consommé par le plasma. La présence de plasma comme seconde énergie sur la surface de travail rend la profondeur de fusion moins profonde et la surface du bain de fusion plus large. Le taux de complexation électronique augmente en augmentant le nombre de collisions à trois corps électron-ion et atome neutre afin de réduire la densité électronique dans le plasma. Plus l'atome neutre est léger, plus la fréquence de collision est élevée, plus le taux composé est élevé ; d'autre part, uniquement la forte énergie d'ionisation du gaz de protection, afin de ne pas augmenter la densité électronique due à l'ionisation du gaz lui-même.

Comme le montre le tableau, la taille du nuage de plasma varie en fonction du gaz de protection utilisé, l'hélium étant le plus petit, suivi de l'azote, et le plus grand lorsque l'argon est utilisé. Plus la taille du plasma est grande, plus la profondeur de fusion est faible. La raison de cette différence est d’abord due au degré différent d’ionisation des molécules de gaz et également à la différence de diffusion de la vapeur métallique provoquée par les différentes densités des gaz protecteurs.

L'hélium est le moins ionisé et le moins dense, et il dissipe rapidement la vapeur de métal montante du bain de métal en fusion. Par conséquent, l'utilisation de l'hélium comme gaz de protection peut maximiser la suppression du plasma, augmentant ainsi la profondeur de fusion et améliorant la vitesse de soudage ; il n'est pas facile de provoquer de la porosité en raison de son poids léger et de sa capacité à s'échapper. Bien entendu, d’après nos résultats de soudage réels, l’effet de la protection avec le gaz argon n’est pas mauvais.

Le nuage de plasma sur la profondeur de fusion dans la zone de faible vitesse de soudage est le plus évident. Lorsque la vitesse de soudage augmente, son influence sera affaiblie.

Le gaz de protection est éjecté à travers l'ouverture de la buse à une certaine pression pour atteindre la surface de la pièce. La forme hydrodynamique de la buse et la taille du diamètre de sortie sont très importantes. Elle doit être suffisamment grande pour que le gaz de protection pulvérisé recouvre la surface de soudage, mais afin de protéger efficacement la lentille et d'éviter toute contamination par des vapeurs métalliques ou des éclaboussures métalliques sur la lentille, la taille de la buse doit également être limitée. Le débit doit également être contrôlé, sinon le flux laminaire de gaz de protection devient turbulent et l'atmosphère s'implique dans le bain de fusion, formant éventuellement une porosité.

Afin d'améliorer l'effet de protection, une méthode de soufflage latéral supplémentaire est également disponible, c'est-à-dire qu'à travers une buse de plus petit diamètre, le gaz de protection sera placé sous un certain angle directement dans le trou de soudure fondu profond. Le gaz de protection supprime non seulement le nuage de plasma à la surface de la pièce, mais exerce également une influence sur le plasma dans le trou et la formation du petit trou, augmentant encore la profondeur de fusion et obtenant un cordon de soudure plus profond et plus large que ce qui est souhaitable. Cependant, cette méthode nécessite un contrôle précis de la taille et de la direction du flux de gaz, sinon il est facile de produire des turbulences et d'endommager le bain de fusion, ce qui rend le processus de soudage difficile à stabiliser.

6) Distance focale de l’objectif. Le soudage est généralement utilisé pour focaliser la convergence du laser, le choix général d'une longueur focale de 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') de la lentille. La taille du point focalisé est proportionnelle à la distance focale, plus la distance focale est courte, plus le point est petit. Mais la distance focale affecte également la profondeur focale, c'est-à-dire que la profondeur focale augmente simultanément avec la distance focale, de sorte que la distance focale courte peut améliorer la densité de puissance, mais en raison de la faible profondeur focale, la distance entre l'objectif et la pièce doit être maintenue avec précision et la profondeur de fusion n'est pas grande. En raison de l'influence des projections générées pendant le processus de soudage et du mode laser, le soudage réel utilise la profondeur de focalisation la plus courte, plus la distance focale est de 126 mm (5'). Lorsque le joint est grand ou que le cordon de soudure doit être augmenté en augmentant la taille du point, une lentille avec une distance focale de 254 mm (10') peut être sélectionnée, auquel cas une puissance de sortie laser (densité de puissance) plus élevée est nécessaire pour obtenir un effet de petit trou de fusion profonde.

Lorsque la puissance du laser dépasse 2 kW, en particulier pour le faisceau laser CO2 de 10,6 μm, en raison de l'utilisation de matériaux optiques spéciaux pour former le système optique, afin d'éviter tout risque de dommages optiques à la lentille de focalisation, choisissez souvent la méthode de focalisation par réflexion, généralement en utilisant un miroir en cuivre poli pour le réflecteur. En raison de son refroidissement efficace, il est souvent recommandé pour la focalisation de faisceaux laser de haute puissance.

7) position du point focal. Lors du soudage, afin de maintenir une densité de puissance suffisante, la position du point focal est critique. Les changements de position du point focal par rapport à la surface de la pièce affectent directement la largeur et la profondeur de la soudure. La figure 3 montre l'effet de la position du point focal sur la profondeur de fusion et la largeur du joint de l'acier 1018. Dans la plupart des applications de soudage au laser, le point focal est généralement positionné à environ 1/4 de la profondeur de fusion souhaitée sous la surface de la pièce.

8) Position du faisceau laser. Lors du soudage laser de différents matériaux, la position du faisceau laser contrôle la qualité finale de la soudure, notamment dans le cas des joints bout à bout qui y sont plus sensibles que les joints à recouvrement. Par exemple, lorsque des engrenages en acier trempé sont soudés à des tambours en acier doux, un contrôle approprié de la position du faisceau laser facilitera la production d'une soudure avec un composant principalement à faible teneur en carbone, qui présente une meilleure résistance aux fissures. Dans certaines applications, la géométrie de la pièce à souder nécessite que le faisceau laser soit dévié d'un angle. Lorsque l'angle de déviation entre l'axe du faisceau et le plan de joint est inférieur à 100 degrés, l'absorption de l'énergie laser par la pièce ne sera pas affectée.

9) Point de début et de fin de soudage de l'augmentation progressive de la puissance du laser, contrôle du déclin progressif. Soudage par fusion profonde au laser, quelle que soit la profondeur de la soudure, le phénomène de petits trous existe toujours. Lorsque le processus de soudage est terminé et que l'interrupteur d'alimentation est éteint, un cratère apparaîtra à la fin de la soudure. De plus, lorsque la couche de soudage laser recouvre la soudure d'origine, il y aura une absorption excessive du faisceau laser, entraînant une surchauffe ou une porosité de la soudure.

Afin d'éviter les phénomènes ci-dessus, les points de démarrage et d'arrêt de la puissance peuvent être programmés de telle sorte que les temps de démarrage et d'arrêt de la puissance deviennent réglables, c'est-à-dire que la puissance de démarrage est augmentée électroniquement de zéro à la valeur de puissance réglée dans un court laps de temps et que le temps de soudage est ajusté, et enfin la puissance est progressivement réduite de la puissance réglée à la valeur zéro lorsque le soudage est terminé.