Introduction et contexte
Face aux exigences croissantes en matière d'efficacité de la production, l'industrie manufacturière moderne accorde une grande importance aux technologies de traitement-à haute efficacité, agiles et respectueuses de l'environnement. Le soudage au laser a été largement adopté dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, de la construction navale et d'autres industries en raison de sa haute qualité, de sa précision, de sa déformation minimale et de son efficacité exceptionnelle. Parmi les nombreux facteurs affectant la qualité des soudures, le gaz de protection joue un rôle essentiel.
L'émergence des lasers à fibre de haute-puissance a accéléré la popularisation du soudage au laser, en particulier dans l'industrie automobile. Les lasers à fibre fonctionnent à une longueur d'onde de 1 070 nm, nettement plus courte que la longueur d'onde de 10,6 μm des lasers CO2. Étant donné que les matériaux présentent des taux d'absorption différents à différentes longueurs d'onde, les caractéristiques de soudage des lasers à fibre diffèrent intrinsèquement de celles des lasers CO2. Cependant, les recherches approfondies sur les gaz de protection pour le soudage laser à fibre restent limitées. Pour combler cette lacune, cette étude réalise une série de tests de paramètres sur l'acier inoxydable afin d'approfondir la compréhension du soudage laser à fibre.
Configuration expérimentale
Les expériences ont été réalisées sur des plaques d'acier inoxydable SUS304 de 3 mm d'épaisseur à l'aide d'un laser à fibre IPG YLR-6000 (puissance de sortie maximale : 6 kW ; divergence du faisceau : 8 mrad). Le système laser a été intégré à un robot KUKA KR60HA 6-DOF. La buse du gaz de protection avait un diamètre intérieur de 4 mm et était positionnée à 4 mm au-dessus de la pièce à usiner.
Pour isoler les variables, les paramètres de soudage suivants ont été maintenus constants :
- Puissance des lasers :1 kW
- Vitesse de soudage :1,5 m/min
- Distance focale:250 millimètres
- Montant de défocalisation :0 mm
- Méthode de soudage :Soudage de-perles simple face-sur-plaque
Quatre séries d'expériences ont été menées pour évaluer les effets de :
- Type de gaz :Comparaison des effets de Ar, He et N₂ purs.
- Rapport de mélange de gaz :Étudier l'impact des variations des rapports de mélange Ar-He sur la morphologie et la pénétration de la surface de la soudure.
- Angle de soufflage :Évaluation de l'influence des angles de soufflage latéraux sur la pénétration des soudures.
- Position d'alignement du gaz :Analyser comment le décalage entre le point de distribution de gaz et le point laser affecte la formation de la soudure.
Résultats et discussion
Effet du type de gaz :Lors de l'utilisation d'un seul gaz de protection, la profondeur de pénétration de la soudure suivait l'ordre He > N₂ > Ar, ce qui est attribué aux différences d'énergie d'ionisation du gaz et aux seuils de maintien du plasma.
Rapport de mélange et débit :Des concentrations plus élevées d'He dans les mélanges Ar-He, ainsi que des débits totaux de gaz plus élevés, ont entraîné une augmentation correspondante de la profondeur de pénétration.
Effet d'angle de soufflage :La pénétration de la soudure diminuait à mesure que l'angle de soufflage latéral-augmentait. Cette réduction est due aux changements dans l’état du flux de gaz (transition entre flux laminaire et turbulent) à travers la surface de la pièce.
Effet de position d'alignement :La tendance à la pénétration de la soudure variait en fonction de la distance relative entre le point de distribution de gaz et le point laser. La profondeur de pénétration maximale était atteinte lorsque le point de distribution du gaz était décalé d'environ ± 1,5 mm par rapport au point laser, tandis que la profondeur minimale était atteinte lorsque le gaz était aligné directement avec le centre du point laser.