Soudage au laser Paramètres du processus principal

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

2) Papée focale du faisceau. La taille de la tache du faisceau est l'une des variables les plus importantes du soudage au laser, car elle détermine la densité de puissance. Cependant, sa mesure est un défi pour les lasers à haute puissance, bien que de nombreuses techniques de mesure indirectes soient déjà disponibles.

La taille de la limite de diffraction focale du faisceau peut être calculée à partir de la théorie de la diffraction de la lumière, mais la tache réelle est plus grande que la valeur calculée en raison de la présence de l'aberration de la lentille de mise au point. La méthode de mesure réelle la plus simple est la méthode de profil isotherme, qui est de mesurer le diamètre focal et le diamètre de perforation après avoir brûlé et pénétré une plaque de polypropylène avec du papier épais. Cette méthode doit être mesurée par la pratique, maîtrisant la taille de la puissance du laser et le temps de l'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. Le plus important est le taux d'absorption.

Les facteurs affectant le taux d'absorption du matériau au faisceau laser comprennent deux aspects: premièrement, la résistivité du matériau. Après avoir mesuré le taux d'absorption de la surface polie du matériau, il est constaté 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; Deuxièmement, l'état de surface (ou finition) du matériau a un effet plus important sur le taux d'absorption du faisceau, 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, la céramique, le verre, le caoutchouc, le plastique et d'autres non-métaux sur son taux d'absorption à température ambiante est très élevée, tandis que les matériaux métalliques à température ambiante sur son absorption sont très médiocres, jusqu'à ce que le matériau ait fait fondre ou même vaporisé, son absorption augmente fortement. L'utilisation du revêtement de surface ou de la génération de surface de méthode de film d'oxyde pour améliorer l'absorption du matériau au faisceau est très efficace.

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

5) gaz protecteur. Le processus de soudage au laser utilise souvent du gaz inerte pour protéger le pool de fusion, lorsque certains matériaux soudés indépendamment de l'oxydation de la surface, ne considèrent pas non plus la protection, mais pour la plupart des applications, sont souvent utilisés par l'hélium, l'argon, l'azote et d'autres gaz pour la protection, de sorte que la pièce contre l'oxydation pendant le processus de soudage.

L'hélium n'est pas facilement ionisé (l'énergie d'ionisation est élevée), permettant au laser de passer à travers et l'énergie du faisceau pour atteindre la surface de la pièce sans entrave. Il s'agit du gaz de blindage le plus efficace utilisé dans le soudage au laser, mais il est plus cher.

L'argon est moins cher et plus dense, donc il protège mieux. Cependant, il est sensible à une ionisation plasmatique métallique à haute température, ce qui entraîne un blindage d'une partie du faisceau à la pièce, réduisant la puissance laser efficace pour le soudage et altérant également la vitesse de soudage et la profondeur de la fonte. La surface de la partie soudée est plus fluide avec la protection de l'argon qu'avec la protection de l'hélium.

L'azote est le gaz de blindage le moins cher, mais il ne convient pas à certains types de soudage en acier inoxydable, principalement en raison de problèmes métallurgiques, tels que l'absorption, qui produit parfois de la porosité dans la zone de tour.

Le deuxième rôle de l'utilisation d'un gaz de blindage est de protéger la lentille de mise au point de la contamination par la vapeur métallique et la pulvérisation des gouttelettes en fusion liquide. Ceci est particulièrement nécessaire dans le soudage au laser haute puissance, où l'éjection devient très puissante.

Une troisième fonction du gaz de blindage est qu'elle est efficace pour disperser le blindage du plasma produit par le soudage laser haute puissance. La vapeur métallique absorbe le faisceau laser et ionise dans un nuage de plasma, et le gaz de blindage autour de la vapeur métallique est également ionisé par la chaleur. Si trop de plasma est présent, le faisceau laser est consommé par le plasma dans une certaine mesure. La présence de plasma comme une seconde énergie sur la surface de travail rend la profondeur de la fonte moins profonde et la surface de la piscine de soudure plus large. Le taux de complexation d'électrons est augmenté en augmentant le nombre de collisions d'électron-ion et d'atomes neutres à trois corps pour réduire la densité électronique dans le plasma. Plus l'atome neutre est léger, plus la fréquence de collision est élevée, plus le taux de composé est élevé; D'un autre côté, seule l'énergie d'ionisation élevée du gaz de blindage, afin de ne pas augmenter la densité électronique due à l'ionisation du gaz lui-même.

Comme le montre le tableau, la taille des nuages ​​plasma varie avec le gaz protecteur 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 profonde. La raison de cette différence est d'abord due au degré différent d'ionisation des molécules de gaz et également en raison de la différence de diffusion de la vapeur métallique causée par les différentes densités des gaz protecteurs.

L'hélium est le moins ionisé et le moins dense, et il dissipe rapidement la vapeur en métal montante de la piscine en fusion en fusion. Par conséquent, l'utilisation de l'hélium comme gaz de blindage peut maximiser la suppression du plasma, augmentant ainsi la profondeur de la fonte et l'amélioration de la vitesse de soudage; Il n'est pas facile de provoquer la porosité en raison de son poids léger et de sa capacité à s'échapper. Bien sûr, à partir de 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 la fonte dans la zone de vitesse de soudage basse est le plus évident. Lorsque la vitesse de soudage augmente, son influence sera affaiblie.

Le gaz de blindage 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 la sortie sont très importantes. Il doit être suffisamment grand pour conduire le gaz de blindage pulvérisé pour couvrir la surface de soudage, mais afin de protéger efficacement la lentille et d'empêcher la contamination par la vapeur métallique ou les dégâts de éclaboussures métalliques à l'objectif, la taille de la buse doit également être limitée. Le débit doit également être contrôlé, sinon l'écoulement laminaire de gaz de blindage devient turbulent et l'atmosphère s'implique dans la piscine fondée, formant finalement la porosité.

Afin d'améliorer l'effet de protection, également disponible de la manière de soufflage latérale supplémentaire, c'est-à-dire à travers une buse de plus petit diamètre sera le gaz protecteur à un certain angle directement dans le trou de soudure fondu profond. Le gaz de blindage 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 davantage la profondeur de la fusion et obtenant une couture de soudure plus profonde et plus large que désirable. Cependant, cette méthode nécessite un contrôle précis de la taille et de la direction du débit de gaz, sinon il est facile de produire des turbulences et d'endommager le pool de fonte, ce qui entraîne le processus de soudage est difficile à stabiliser.

6) la distance focale de la lentille. Le soudage est généralement utilisé pour concentrer la façon dont la convergence laser, le choix général de 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10 ') de la distance focale de la lentille. La taille des spots focalisée est proportionnelle à la distance focale, plus la distance focale est courte, plus la tache est petite. Mais la distance focale affecte également la profondeur focale, c'est-à-dire que la profondeur focale augmente simultanément avec la longueur focale, de sorte que la distance focale courte peut améliorer la densité de puissance, mais en raison de la petite profondeur focale, la distance entre l'objectif et la pièce doit être maintenue précise, et la profondeur de fusion n'est pas grande. En raison de l'influence des éclaboussures générées pendant le processus de soudage et du mode laser, le soudage réel utilisant la profondeur de focus la plus courte plus de la longueur focale de 126 mm (5 '). Lorsque la couture est grande ou que la couture de soudure doit être augmentée en augmentant la taille du spot, une lentille avec une distance de sortie lasé effet.

Lorsque la puissance 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 le risque de dommages optiques à la lentille de mise au point, choisissez souvent la méthode de mise au point de réflexion, en utilisant généralement un miroir en cuivre poli pour le réflecteur. En raison du refroidissement efficace, il est souvent recommandé pour la focalisation laser à haute puissance.

7) Position du point focal. Soudage, afin de maintenir une densité de puissance suffisante, la position du point focal est essentielle. Les changements dans la 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 la fonte et de la largeur de couture de 1018 acier. Dans la plupart des applications de soudage au laser, le point focal est généralement positionné environ 1/4 de la profondeur de fusion souhaitée sous la surface de la pièce.

8) Position du faisceau laser. Lorsque le soudage au laser différents matériaux, la position du faisceau laser contrôle la qualité finale de la soudure, en particulier dans le cas des joints de bout qui sont plus sensibles à celle que les joints de repos. Par exemple, lorsque les engrenages en acier durci 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 à prédominance du carbone, qui a une meilleure résistance aux fissures. Dans certaines applications, la géométrie de la pièce à souder nécessite que le faisceau laser soit dévié par un angle. Lorsque l'angle de déviation entre l'axe du faisceau et le plan de l'articulation est à 100 degrés, l'absorption de l'énergie laser par la pièce ne sera pas affectée.

9) Point de démarrage et fin du soudage de la puissance laser RISE GRADUALE, CONTRÔLE DES DÉCLIATION GRADUAL. Soudage de fusion profonde au laser, quelle que soit la profondeur de la soudure, le phénomène des petits trous existent toujours. Lorsque le processus de soudage est terminé et que l'interrupteur d'alimentation est désactivé, un cratère apparaîtra à la fin de la soudure. De plus, lorsque la couche de soudage au laser couvre 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 puissance peuvent être programmés de sorte que les temps de démarrage et d'arrêt de puissance deviennent réglables, c'est-à-dire que la puissance de départ est augmentée électroniquement de zéro à la valeur de puissance définie en peu de temps et le temps de soudage est ajusté, et enfin la puissance est progressivement réduite de la puissance définie à la valeur zéro lorsque le soudage est terminé.