Introduction :
Avez-vous entendu parler du soudage laser à pénétration profonde ? Le soudage laser à pénétration profonde est une technique de soudage avancée. Le soudage laser à pénétration profonde (DPLW) utilise un faisceau laser à haute énergie pour créer des joints de soudure profonds et étroits dans divers matériaux, généralement des métaux. Dans cet article, nous allons découvrir son fonctionnement ainsi que ses avantages et ses inconvénients.
Le principe du soudage laser
Le soudage laser peut être réalisé à l'aide de faisceaux laser continus ou pulsés. Le principe du soudage laser peut être divisé en soudage par conduction thermique et soudage laser à pénétration profonde.
- Lorsque la densité de puissance est inférieure à 104~105 W/cm2, il s'agit d'un soudage par conduction thermique. À ce stade, la profondeur de pénétration est faible et la vitesse de soudage est lente ;
- Lorsque la densité de puissance est supérieure à 105~107 W/cm2, la surface métallique s'enfonce dans des « cavités » par chauffage, formant ainsi une soudure à pénétration profonde. Elle présente les caractéristiques d'une vitesse de soudage rapide et d'un grand rapport hauteur/largeur.
Le principe du soudage laser par conduction thermique est le suivant : le rayonnement laser chauffe la surface à traiter. La chaleur de surface se diffuse vers l'intérieur par conduction thermique. En contrôlant les paramètres laser tels que la largeur d'impulsion laser, l'énergie, la puissance de crête et la fréquence de répétition, la pièce est fondue pour former un bain de fusion spécifique. La machine de soudage laser utilisée pour le soudage des engrenages et des plaques minces métallurgiques implique principalement le soudage laser à pénétration profonde.
Ce qui suit se concentre sur le principe du soudage laser à pénétration profonde.
Le principe du soudage laser à pénétration profonde
Le soudage laser à pénétration profonde utilise généralement des faisceaux laser continus pour compléter la connexion des matériaux. Son processus physique métallurgique est très similaire au soudage par faisceau d'électrons. Le mécanisme de conversion d'énergie est réalisé grâce à la structure en « trou de serrure ». Sous une irradiation laser à densité de puissance suffisamment élevée, le matériau s'évapore et forme de petits pores. Ce petit trou rempli de vapeur est comme un corps noir, absorbant presque toute l'énergie du faisceau incident. La température d'équilibre dans la cavité atteint environ 2500℃. La chaleur est transmise depuis la paroi extérieure de la cavité à haute température pour faire fondre le métal entourant la cavité.
Le petit trou est rempli de vapeur à haute température générée par l'évaporation continue du matériau des parois sous l'irradiation du faisceau. Les parois du petit trou sont entourées de métal en fusion. Le métal liquide est entouré de matériaux solides (alors que dans la plupart des procédés de soudage conventionnels et de soudage par conduction laser, l'énergie est d'abord déposée sur la surface de la pièce puis transportée vers l'intérieur par transmission).
L'écoulement du liquide à l'extérieur de la paroi du pore et la tension superficielle de la couche de paroi maintiennent un équilibre dynamique avec la pression de vapeur générée en continu dans la cavité du pore. Le faisceau pénètre en continu dans le petit trou et le matériau s'écoule du petit trou. Lorsque le faisceau se déplace, le petit trou est toujours dans un état d'écoulement stable. C'est-à-dire que le petit trou et le métal en fusion qui l'entoure se déplacent vers l'avant avec la vitesse d'avancement du faisceau principal, et le métal en fusion remplit l'espace laissé par le petit trou et se condense en conséquence de sorte que la soudure se forme.
Caractéristiques du soudage laser à pénétration profonde
1) Rapport hauteur/largeur élevé
À mesure que le métal en fusion se forme autour de la cavité cylindrique de vapeur chaude et s’étend vers la pièce, la soudure devient profonde et étroite.
2) Apport de chaleur minimal
Étant donné que la température dans le petit trou est très élevée, le processus de fusion se produit extrêmement rapidement, l'apport de chaleur dans la pièce est très faible et la déformation thermique et la zone affectée par la chaleur sont faibles.
3) Haute densité
Étant donné que les petits pores remplis de vapeur à haute température favorisent l'agitation du bain de soudure et la fuite de gaz, il en résulte une soudure pénétrante sans pores. La vitesse de refroidissement élevée après le soudage peut facilement rendre la structure de la soudure plus fine.
4) Soudures solides
Grâce à la source de chaleur brûlante et à l'absorption suffisante des composants non métalliques, la teneur en impuretés est réduite et la taille et la répartition des inclusions dans le bain de fusion sont modifiées. Le processus de soudage ne nécessite pas d'électrodes ni de fils d'apport et la zone de fusion est moins polluée, de sorte que la résistance et la ténacité de la soudure sont au moins égales, voire supérieures à celles du métal de base.
5) Contrôle précis
Grâce à la petite taille du spot lumineux focalisé, le cordon de soudure peut être positionné avec une grande précision. La sortie laser n'a pas d'« inertie », elle peut être arrêtée et redémarrée à grande vitesse. La pièce complexe peut être soudée grâce à la technologie de déplacement du faisceau à commande numérique.
6) Procédé de soudage atmosphérique sans contact
L'énergie provient du faisceau de photons, il n'y a aucun contact physique avec la pièce. Aucune force externe n'est donc appliquée à la pièce. De plus, le magnétisme et l'air n'affectent pas la lumière laser.
Avantages et inconvénients du soudage laser à pénétration profonde
Avantages
1) Le laser focalisé a une densité de puissance bien supérieure à celle des méthodes conventionnelles. La vitesse de soudage est donc rapide, la zone affectée par la chaleur et la déformation sont faibles. Les matériaux difficiles à souder tels que le titane peuvent également être soudés.
2) Le faisceau lumineux est facile à transmettre et à contrôler, il n'est pas nécessaire de remplacer fréquemment la torche et la buse. Aucun vide n'est requis pour le soudage par faisceau d'électrons. Cela réduit considérablement le temps d'arrêt auxiliaire. Le facteur de charge et l'efficacité de la production sont donc élevés.
3) La résistance de la soudure, la ténacité et les performances globales sont élevées en raison de l'effet de purification et du taux de refroidissement élevé.
4) En raison du faible apport de chaleur moyen et de la précision d'usinage élevée, le coût du retraitement peut être réduit ; en outre, le coût de fonctionnement du soudage laser est également faible, ce qui peut réduire le coût de traitement des pièces.
5) Il peut contrôler efficacement l'intensité du faisceau et le positionnement fin, ce qui facilite la réalisation d'un fonctionnement automatique.
Inconvénients
1) La profondeur de soudage est limitée.
2) Les exigences d’assemblage de la pièce sont élevées.
3) L’investissement unique dans le système laser est relativement élevé.