Introduction :
Dans l'article précédent, nous avons abordé les principes et les caractéristiques du soudage laser à pénétration profonde. Ici, nous nous concentrerons sur les principaux paramètres du processus. Cela vous aidera à en savoir plus sur cette technique de soudage.
Principaux paramètres du processus de soudage laser à pénétration profonde
1. Puissance du laser
En soudage laser, il existe une valeur seuil de densité d'énergie laser. En dessous de cette valeur, la profondeur de pénétration est très faible. Une fois cette valeur atteinte ou dépassée, la profondeur de pénétration augmente considérablement. Ce n'est que lorsque la densité de puissance laser sur la pièce dépasse une valeur seuil (en fonction du matériau) que le plasma est généré. Cela marque la progression d'un soudage à pénétration profonde stable.
Si la puissance laser est inférieure à ce seuil, seule la surface de la pièce à usiner fond. Il s'agit d'un soudage par conduction thermique stable. Cependant, lorsque la densité de puissance laser est proche de la condition critique pour la formation de petits trous, le soudage par pénétration profonde et le soudage par conduction sont effectués en alternance. Cela devient un processus de soudage instable, entraînant de grandes fluctuations 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 pénétration 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 faisceau laser d'un certain diamètre, la profondeur de pénétration 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 dans le soudage au laser. En effet, elle détermine la densité de puissance. Mais pour les lasers de grande puissance, sa mesure est difficile. Il existe cependant de nombreuses techniques de mesure indirecte.
La taille du spot limité par la diffraction du faisceau focalisé peut être calculée selon la théorie de la diffraction de la lumière. Cependant, en raison de l'existence d'une aberration de la lentille de focalisation, la taille réelle du spot est supérieure à la valeur calculée. La méthode pratique la plus simple est la méthode de profilage isotherme. Il s'agit de mesurer le spot focal et le diamètre de perforation après carbonisation et pénétration d'une plaque de polypropylène avec du papier épais. Cette méthode nécessite de maîtriser la puissance du laser et le temps d'action du faisceau grâce à la pratique de la mesure.
3. Valeur d'absorption du matériau
L'absorption de la lumière laser par un matériau dépend de certaines propriétés importantes de ce dernier, telles que l'absorptivité, la réflectivité, la conductivité thermique, la température de fusion, la température d'évaporation, etc.
La chose la plus importante est le taux d’absorption.
Les facteurs qui affectent le taux d’absorption du matériau par le faisceau laser comprennent deux aspects :
- Premièrement, mesurez l'absorption de la surface polie du matériau. Il a été constaté que la résistivité du matériau est proportionnelle à la racine carrée du coefficient de résistivité. Le coefficient de résistivité change avec la température.
- Deuxièmement, l'état de surface (ou finition) du matériau a un effet plus important sur le taux d'absorption du faisceau. Il a donc un effet significatif sur l'effet de soudage.
Les non-métaux tels que la céramique, le verre, le caoutchouc et les plastiques ont un taux d'absorption élevé à température ambiante. Cependant, les matériaux métalliques ont un taux d'absorption faible à température ambiante. Et une fois que le matériau fond ou même s'évapore, il augmente considérablement. L'utilisation d'un revêtement de surface ou d'un film d'oxyde de surface améliore efficacement l'absorption du faisceau lumineux du matériau.
4. Vitesse de soudage
La vitesse de soudage a une grande influence sur la profondeur de pénétration. L'augmentation de la vitesse rend la pénétration moins profonde. Mais si la vitesse est trop faible, le matériau fondra trop et la pièce sera soudée. Par conséquent, il existe une plage de vitesses de soudage adaptée à un matériau spécifique avec une certaine puissance laser et une certaine épaisseur. La profondeur de pénétration maximale peut être obtenue à la valeur de vitesse correspondante.
5. Gaz protecteur
Le gaz inerte est souvent utilisé pour protéger le bain de fusion pendant le soudage au laser. Certains matériaux sont soudés indépendamment de l'oxydation de surface et la protection peut ne pas être prise en compte. Mais pour la plupart des applications, l'hélium, l'argon, l'azote et d'autres gaz sont souvent utilisés comme protection.
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Hélium
L'hélium ne s'ionise pas facilement (énergie d'ionisation plus élevée). Cela permet au laser de passer en douceur 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 cher.
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Gaz argon
Le gaz argon est moins cher et plus dense, donc l'effet de protection est meilleur. Cependant, il est sensible à l'ionisation du plasma métallique à haute température. Cela peut empêcher une partie du faisceau de heurter la pièce, réduire la puissance laser efficace pour le soudage et endommager la vitesse et la pénétration du soudage. La surface de la soudure protégée par l'argon est plus lisse que celle protégée par l'hélium.
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Azote
L'azote est le gaz de protection le moins cher. Cependant, il n'est pas adapté au soudage de certains types d'acier inoxydable, principalement en raison de problèmes métallurgiques, comme l'absorption. Cela produit parfois des porosités dans la zone de chevauchement.
L’utilisation de gaz protecteur est bénéfique, principalement dans les trois aspects suivants :
- Protégez la pièce de l’oxydation pendant la soudure.
- Protégez la lentille de focalisation contre la contamination par les vapeurs métalliques et la pulvérisation de gouttelettes de liquide, en particulier lors du soudage laser à haute puissance. Étant donné que l'éjection devient puissante, il est nécessaire de protéger la lentille maintenant.
- Le plasma produit par le soudage laser à haute puissance est dissipé. La vapeur métallique absorbe le faisceau laser et s'ionise en un nuage de plasma. Le gaz protecteur autour de la vapeur métallique est également ionisé en raison de la chaleur. Si trop de plasma est présent, le faisceau laser est quelque peu consommé par le plasma. Le plasma existe sur la surface de travail en tant que seconde énergie, ce qui rend la pénétration peu profonde et élargit la surface du bain de soudure. Le taux de recombinaison des électrons est augmenté en augmentant les collisions à trois corps des électrons avec les ions et les atomes neutres pour réduire la densité électronique dans le plasma. Plus les atomes neutres sont légers, plus la fréquence de collision et le taux de recombinaison sont élevés. En revanche, seul le gaz protecteur à haute énergie d'ionisation n'augmentera pas la densité électronique en raison de l'ionisation du gaz lui-même.
6. Distance focale de l'objectif
La méthode de focalisation est généralement utilisée pour condenser le laser pendant le soudage, et une lentille avec une distance focale de 63 à 254 mm est généralement utilisée. La taille du spot de mise au point est proportionnelle à la distance focale. Plus la distance focale est courte, plus le spot est petit. Cependant, la distance focale affecte également la profondeur focale. C'est-à-dire que la profondeur focale augmente de manière synchrone avec la distance focale. Ainsi, une distance focale courte peut augmenter la densité de puissance. En raison de la faible profondeur focale, la distance entre la lentille et la pièce doit être maintenue avec précision et la profondeur de pénétration n'est pas grande.
En raison de l'influence des projections et du mode laser générés lors du processus de soudage, la profondeur focale la plus courte utilisée dans le soudage réel est généralement la distance focale de 126 mm (5″). Lorsque le joint est grand ou que le cordon de soudure doit être agrandi en augmentant la taille du spot, vous pouvez choisir une lentille avec une distance focale de 254 mm. Dans ce cas, une puissance de sortie laser plus élevée (densité de puissance) est nécessaire pour obtenir l'effet de trou d'épingle à pénétration profonde.
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, la méthode de focalisation par réflexion est souvent utilisée pour éviter le risque d'endommagement optique de la lentille de focalisation. Un miroir en cuivre poli est généralement utilisé comme réflecteur. Il est souvent recommandé pour focaliser les faisceaux laser de haute puissance en raison d'un refroidissement efficace.
7. Position de mise au point
La position du point focal est essentielle pour maintenir une densité de puissance adéquate lors du soudage. 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.
Dans la plupart des applications de soudage laser, le point focal est généralement situé 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 matériaux différents, la position du faisceau laser détermine la qualité finale de la soudure, en particulier dans le cas de joints bout à bout plutôt que de joints à recouvrement. Par exemple, lorsqu'un engrenage en acier trempé est soudé à un tambour en acier doux, un contrôle approprié de la position du faisceau laser permettra de produire une soudure avec un composant relativement résistant aux fissures et principalement à faible teneur en carbone. 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. Contrôle progressif de la montée et de la descente de la puissance laser aux points de début et de fin de soudage
Lors du soudage laser à pénétration profonde, de petits trous subsistent toujours, quelle que soit la profondeur de la soudure. Lorsque le processus de soudage est terminé et que l'interrupteur d'alimentation est éteint, un trou apparaît à l'extrémité de la soudure. De plus, lorsque la couche de soudage laser recouvre le cordon de soudure d'origine, une absorption excessive du faisceau laser se produit. Cela entraîne une surchauffe de la soudure ou la formation de pores.
Pour éviter que les phénomènes ci-dessus ne se produisent, les points de démarrage et d'arrêt de la puissance peuvent être programmés pour ajuster les heures de démarrage et de fin de la puissance. La puissance initiale est augmentée électroniquement de zéro à la valeur de puissance définie en peu de temps. Et le temps de soudage peut être ajusté. Enfin, la puissance est progressivement réduite de la puissance définie à zéro lorsque le soudage est terminé.