Introduction :
Le soudage laser est un procédé qui utilise un faisceau d'énergie lumineuse très concentré, appelé laser, pour assembler des matériaux. Comment fonctionne le soudage au laser ? Cet article vous donnera la réponse.
Comment les soudage au laser travail ?
1. Génération du faisceau laser
Le processus commence par la génération d'un faisceau très concentré de lumière cohérente, généralement à partir d'un résonateur laser. Le faisceau laser peut être produit à l'aide de différents lasers, tels que des lasers à l'état solide, à gaz ou à fibre.
2. Focalisation du faisceau laser
Une fois généré, le faisceau laser est dirigé à travers une série de miroirs et de lentilles pour le focaliser en un petit point intense. Cette focalisation est cruciale. Elle augmente la densité énergétique du faisceau laser, ce qui lui permet de fondre ou de vaporiser le matériau avec lequel il interagit.
3. Préparation du matériel
Avant le soudage, les matériaux à assembler sont préparés en les nettoyant et en les positionnant correctement. La préparation de la surface est essentielle pour garantir une bonne adhérence et la qualité de la soudure.
4. Processus de soudage
Le faisceau laser focalisé est dirigé sur le joint entre les matériaux à souder. Lorsque le faisceau intense frappe la surface, il chauffe, fait fondre ou vaporise rapidement le matériau. La chaleur générée est localisée, ce qui minimise la zone affectée thermiquement (ZAT) du matériau environnant.
5. Assemblage des matériaux
Lorsque le matériau fond ou s'évapore, il forme un bain de fusion à l'interface du joint. Le matériau fondu se refroidit et se solidifie, créant une liaison par fusion entre les matériaux. Le faisceau laser est déplacé le long du joint pour le souder sur toute sa longueur.
6. Contrôle et surveillance
Les procédés de soudage au laser intègrent souvent des capteurs et des systèmes de surveillance pour contrôler les paramètres de puissance, de focalisation du faisceau et de vitesse. Cela permet de contrôler avec précision le processus de soudage et de maintenir une qualité constante.
Paramètres importants du soudage au laser
1. Densité de puissance
La densité de puissance est l'un des paramètres les plus critiques dans le traitement laser. En utilisant une densité de puissance plus élevée, la couche superficielle peut être chauffée jusqu'au point d'ébullition en l'espace d'une microseconde, ce qui entraîne une vaporisation importante. Par conséquent, une densité de puissance élevée favorise le traitement par enlèvement de matière, tel que le perçage, la découpe et la gravure. Pour les densités de puissance plus faibles, il faut plusieurs millisecondes pour que la température de la surface atteigne le point d'ébullition. Avant que la couche superficielle ne s'évapore, la couche inférieure atteint le point de fusion, ce qui permet de former facilement une bonne soudure en fusion.
2. Forme d'onde de l'impulsion laser
Lorsqu'un faisceau laser de haute intensité frappe la surface d'un matériau, 60 à 98% de l'énergie du laser sont réfléchis et perdus sur la surface du métal. Il s'agit notamment de l'or, de l'argent, du cuivre, de l'aluminium, du titane et d'autres matériaux à forte réflexion et à transfert de chaleur rapide. Pendant un signal d'impulsion laser, la réflectivité du métal change avec le temps. La réflectivité diminue rapidement lorsque la température de la surface du matériau atteint le point de fusion. Lorsque la surface est en fusion, la réflexion se stabilise à une certaine valeur.
3. Largeur d'impulsion du laser
La largeur d'impulsion est un paramètre essentiel pour le soudage par laser à impulsion. La profondeur de pénétration et la zone affectée thermiquement déterminent la largeur d'impulsion. Plus la largeur d'impulsion est longue, plus la zone affectée thermiquement est grande. La profondeur de pénétration augmente avec la puissance 1/2 de la largeur d'impulsion. Toutefois, l'augmentation de la largeur d'impulsion réduit la puissance de crête. Par conséquent, l'augmentation de la largeur d'impulsion est généralement utilisée pour le soudage par conduction thermique. La taille de la soudure formée est large et peu profonde, ce qui convient particulièrement au soudage par recouvrement de plaques minces et épaisses.
Cependant, une puissance de crête plus faible entraîne un apport de chaleur excessif. Chaque matériau a une largeur d'impulsion optimale qui maximise la pénétration.
4. Montant de la défocalisation
Le soudage au laser nécessite généralement une certaine défocalisation. En effet, la densité de puissance au centre du point de focalisation du laser est trop élevée et peut facilement s'évaporer dans les trous. La distribution de la densité de puissance est relativement uniforme sur chaque plan éloigné du foyer laser.
5. Vitesse de soudage
La vitesse de soudage a une grande influence sur la profondeur de pénétration. L'augmentation de la vitesse rendra la pénétration moins profonde. Toutefois, une vitesse trop faible entraînera une fusion excessive du matériau et un soudage à travers la pièce. Par conséquent, il existe une plage de vitesse de soudage appropriée 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.
6. Gaz de protection
Les gaz inertes sont souvent utilisés pour protéger le bain de fusion pendant le soudage au laser. L'hélium, l'argon, l'azote et d'autres gaz sont souvent utilisés pour la protection dans la plupart des applications. La deuxième fonction du gaz protecteur est de protéger la lentille de focalisation de la contamination par les vapeurs métalliques et de la pulvérisation de gouttelettes liquides. Lors du soudage au laser à haute puissance, la pulvérisation est très puissante et il est nécessaire de protéger la lentille. La troisième fonction du gaz de protection est de dissiper efficacement le bouclier de plasma produit par le soudage laser à haute puissance. La vapeur de métal absorbe le faisceau laser et l'ionise en un plasma. S'il y a trop de plasma, celui-ci consumera le faisceau laser dans une certaine mesure.
7. Refroidissement et post-traitement
Après le soudage, le joint soudé peut être refroidi pour solidifier complètement la soudure. En fonction de l'application, des étapes supplémentaires de post-traitement, telles que le meulage ou le polissage, peuvent être nécessaires pour obtenir l'état de surface et l'intégrité de la soudure souhaités.
Avantages du soudage au laser
Le soudage au laser offre plusieurs avantages par rapport aux méthodes de soudage traditionnelles. Il s'agit notamment d'une grande précision, de vitesses de traitement rapides, d'une distorsion minimale et de la possibilité de souder différents matériaux. Ces caractéristiques en font un choix privilégié dans de nombreux secteurs, notamment l'automobile, l'aérospatiale, l'électronique et la fabrication d'appareils médicaux.
Le soudage au laser permet d'obtenir des joints de haute qualité et un grand rapport d'aspect, et la vitesse de soudage est relativement rapide.
Le soudage au laser ne nécessitant pas d'environnement sous vide, des lentilles et des fibres optiques peuvent être utilisées pour le contrôle à distance et la production automatisée.
Le soudage au laser a une grande densité de puissance, un bon effet de soudage sur les matériaux difficiles à souder tels que le titane, le quartz, etc. Il permet de souder des matériaux aux propriétés différentes.
Le micro-soudage est possible. Après avoir été focalisé et positionné avec précision, le faisceau laser peut obtenir un très petit point. Il peut être utilisé pour le soudage d'assemblage de micro-pièces et de petites pièces produites en grandes quantités pour une production automatisée.