1.Pprincipede lsoudage aser
Le soudage au laser peut être réalisé par des faisceaux laser continus ou pulsés. Le principe du soudage au laser peut être divisé en soudage par conduction thermique et soudage par pénétration profonde au laser. Lorsque la densité de puissance est inférieure à 104 ~ 105W / cm2, il s'agit d'un soudage par conduction thermique. A ce moment, la profondeur de soudage est faible et la vitesse de soudage est lente. Lorsque la densité de puissance est supérieure à 105 ~ 107W / cm2, la surface métallique est encastrée dans une cavité&"GG". sous l'action de la chaleur, formant une soudure par fusion profonde. Rapport hauteur / largeur rapide et large.
Le principe du soudage laser à conduction thermique est le suivant: le rayonnement laser chauffe la surface à traiter et la chaleur de surface est diffusée vers l'intérieur par conduction thermique. En contrôlant les paramètres du 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.
Machines à souder au laserpour le soudage des engrenages et le soudage de tôles métallurgiques impliquent principalement le soudage par pénétration profonde au laser. Ce qui suit se concentre sur le principe du soudage par pénétration profonde au laser.
Le soudage par pénétration profonde au laser utilise généralement un faisceau laser continu pour terminer la connexion des matériaux. Le processus physique métallurgique est très similaire au soudage par faisceau d'électrons, c'est-à-dire que le mécanisme de conversion d'énergie est complété par un trou de serrure" structure. Sous une irradiation laser à densité de puissance suffisamment élevée, le matériau s'évapore et forme de petits trous. Ce trou rempli de vapeur est comme un corps noir, qui absorbe presque toute l'énergie du faisceau incident. La température d'équilibre dans la cavité atteint environ 2500 ° C. La chaleur est transférée de la paroi externe de la cavité à haute température, qui fait fondre le métal entourant la cavité. Le petit trou est rempli de vapeur à haute température générée par l'évaporation continue du matériau de la paroi sous la poutre. Les quatre parois du petit trou entourent le métal fondu et le métal liquide entoure le matériau solide. (Dans la plupart des procédés de soudage conventionnels et du soudage par conduction laser, l'énergie est d'abord (déposée sur la surface de la pièce, puis transférée à l'intérieur par transfert). L'écoulement du liquide et la tension superficielle de la paroi à l'extérieur de la paroi interstitielle sont cohérents avec la vapeur pression générée en continu dans la cavité des pores et maintenir l'équilibre dynamique. Le faisceau lumineux pénètre en continu dans le petit trou et le matériau à l'extérieur du petit trou coule en continu. Lorsque le faisceau lumineux se déplace, le petit trou est toujours en état d'écoulement constant. Autrement dit, le petit trou et le métal fondu entourant la paroi du trou se déplacent vers l'avant avec la vitesse d'avancement du faisceau d'attaque. Le métal fondu remplit l'espace laissé après le retrait du petit trou et se condense avec lui, et une soudure est formée. Tout de ceci se produit si rapidement que la vitesse de soudage peut facilement atteindre plusieurs mètres par minute.
2.Les principaux paramètres du processus de soudage par pénétration profonde au laser
(1)Puissance laser. Il existe un seuil de densité d'énergie laser en soudage laser. En dessous de cette valeur, la profondeur de pénétration est très faible. Une fois qu'elle atteint ou dépasse cette valeur, la profondeur de pénétration sera considérablement augmentée. Le plasma est généré uniquement lorsque la densité de puissance du laser sur la pièce dépasse un seuil (dépendant du matériau), ce qui signifie un soudage par pénétration profonde stable. Si la puissance laser est inférieure à ce seuil, seule la fusion de surface de la pièce se produit, c'est-à-dire que le soudage est effectué dans un type à conduction thermique stable. Cependant, lorsque la densité de puissance du laser est proche de la condition critique pour la formation de petits trous, le soudage par pénétration profonde et le soudage par conduction sont alternativement effectués, ce qui devient un processus de soudage instable, entraînant de grandes fluctuations de la profondeur de pénétration. En soudage laser en profondeur, la puissance du laser contrôle à la fois la profondeur de pénétration et la vitesse de soudage. La profondeur de pénétration de la soudure est directement liée à la densité de puissance du faisceau et est fonction de la puissance du faisceau incident et de la tache focale du faisceau. D'une manière générale, 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 point du faisceau est l'une des variables les plus importantes pour le soudage au laser car elle détermine la densité de puissance. Mais pour les lasers haute puissance, sa mesure est un problème difficile, bien qu'il existe déjà de nombreuses techniques de mesure indirecte.
La taille de point limite de diffraction du faisceau de faisceau peut être calculée selon la théorie de la diffraction de la lumière, mais en raison de l'aberration de la lentille de focalisation, la taille réelle du point est plus grande que la valeur calculée. La méthode de mesure la plus simple est le profilage isotherme, qui mesure le point focal et le diamètre de perforation après avoir brûlé et pénétré un panneau de polypropylène avec du papier épais. Cette méthode consiste à mesurer la puissance du laser et le temps du faisceau grâce à la pratique de la mesure.
(3)Valeur d'absorption du matériau. L'absorption d'un laser par un matériau dépend de certaines propriétés importantes du matériau, telles que l'absorbance, la réflectivité, la conductivité thermique, la température de fusion, la température d'évaporation, etc. La plus importante d'entre elles est l'absorption.
Les facteurs qui affectent le taux d'absorption d'un faisceau laser par matériau comprennent deux aspects: Premièrement, la résistivité du matériau GG. Après avoir mesuré l'absorbance de la surface polie du matériau, on constate que l'absorbance du matériau est proportionnelle à la racine carrée de la résistivité et que la résistivité varie avec la température et change; deuxièmement, l'état de surface (ou la douceur) du matériau a une influence plus importante sur la vitesse d'absorption du faisceau, ce qui a un effet significatif sur l'effet de soudage.
La longueur d'onde de sortie d'un laser CO2 est généralement de 10,6 μm. Les non-métaux tels que la céramique, le verre, le caoutchouc et le plastique ont un taux d'absorption élevé à température ambiante, et les matériaux métalliques ont une mauvaise absorption à température ambiante jusqu'à ce que le matériau soit fondu et même le gaz. Son absorption a fortement augmenté.
Il est très efficace d'améliorer l'absorption du faisceau lumineux par la méthode de revêtement de surface ou la formation d'un film d'oxyde en surface.
(4)Vitesse de soudage. La vitesse de soudage a un plus grand impact sur la profondeur de pénétration. L'augmentation de la vitesse rendra la profondeur de pénétration moins profonde, mais une vitesse trop faible entraînera une fusion excessive du matériau et le soudage de la pièce. Par conséquent, il existe une plage de vitesse de soudage appropriée pour un certain matériau avec une certaine puissance laser et une certaine épaisseur, et la profondeur de pénétration maximale peut être obtenue à la valeur de vitesse correspondante.
(5)Gaz protecteur. Le processus de soudage au laser utilise souvent un gaz inerte pour protéger la piscine fondue. Lorsque certains matériaux sont soudés, l'oxydation de surface peut être ignorée, mais la protection n'est pas prise en compte, mais pour la plupart des applications, l'hélium, l'argon, l'azote et d'autres gaz sont souvent utilisés pour protéger la pièce. Protégé de l'oxydation pendant le soudage.
L'hélium n'est pas facilement ionisé (énergie d'ionisation plus élevée), ce qui permet au laser de passer en douceur, et l'énergie du faisceau atteint la surface de la pièce sans entrave. C'est le gaz de protection le plus efficace utilisé dans le soudage au laser, mais il est plus cher.
L'argon est moins cher et a une densité plus élevée, donc l'effet protecteur est meilleur. Cependant, il est sensible à l'ionisation par plasma métallique à haute température. En conséquence, il empêche une partie du faisceau lumineux d'être rayonnée vers la pièce à usiner, ce qui réduit la puissance laser efficace pour le soudage et endommage la vitesse de soudage et la pénétration. Les surfaces des soudures protégées à l'argon sont plus lisses que celles protégées à l'hélium.
L'azote est le gaz le moins cher en tant que gaz de protection, mais il ne convient pas au soudage de certains types d'acier inoxydable, principalement en raison de problèmes métallurgiques, tels que l'absorption, et parfois des pores sont créés dans la zone de chevauchement.
Le deuxième rôle de l'utilisation d'un gaz protecteur est de protéger la lentille de focalisation de la contamination par les vapeurs métalliques et de la pulvérisation de gouttelettes de liquide. Surtout lors du soudage laser haute puissance, comme l'éjection devient très puissante, il est plus nécessaire de protéger la lentille à ce moment.
La troisième fonction du gaz de protection est de dissiper efficacement l'écran plasma généré par le soudage au laser à haute puissance. La vapeur métallique absorbe le faisceau laser et s'ionise en un nuage de plasma. Le gaz protecteur entourant la vapeur métallique est également ionisé par chauffage. S'il y a trop de plasma, le faisceau laser est consommé dans une certaine mesure par le plasma. Le plasma existe sur la surface de travail en tant que deuxième énergie, ce qui rend la pénétration moins profonde et la surface de la piscine de soudage plus large. Le taux de recombinaison électronique est augmenté en augmentant la collision des électrons avec les ions et les atomes neutres, de manière à réduire la densité électronique dans le plasma. Plus l'atome neutre est léger, plus la fréquence de collision est élevée et plus le taux de recombinaison est élevé; d'autre part, seul le gaz protecteur à haute énergie d'ionisation n'augmentera pas la densité électronique en raison de l'ionisation du gaz lui-même.
L'hélium a l'ionisation la plus faible et la densité la plus faible, et il peut éliminer rapidement la vapeur de métal ascendante générée par le pool de métal fondu. Par conséquent, l'utilisation d'hélium comme gaz protecteur peut supprimer le plasma au maximum, augmentant ainsi la profondeur de pénétration et la vitesse de soudage; il peut s'échapper en raison de sa légèreté et il n'est pas facile de provoquer des pores. Bien sûr, de l'effet de notre soudage réel, l'effet de la protection à l'argon n'est pas mauvais.
L'effet du nuage de plasma sur la pénétration est le plus évident dans la région à faible vitesse de soudage. Au fur et à mesure que la vitesse de soudage augmente, ses effets diminuent.
Le gaz protecteur est éjecté à la surface de la pièce à travers la buse avec une certaine pression. La forme hydrodynamique de la buse et le diamètre de la sortie sont très importants. Il doit être suffisamment grand pour entraîner le gaz protecteur pulvérisé pour couvrir la surface de soudage, mais pour protéger efficacement la lentille et empêcher la pollution par la vapeur métallique ou les projections métalliques d'endommager la lentille, la taille de la buse doit également être limitée. Le débit doit également être contrôlé, sinon, l'écoulement laminaire du gaz protecteur devient turbulent, l'atmosphère est aspirée dans la piscine fondue, et finalement, des pores se forment.
Afin d'améliorer l'effet de protection, un procédé supplémentaire de soufflage latéral peut également être utilisé, c'est-à-dire qu'un gaz protecteur est directement injecté dans le petit trou de soudage par pénétration profonde à travers une buse de petit diamètre à un certain angle. Le gaz de protection supprime non seulement le nuage de plasma à la surface de la pièce, mais exerce également une influence sur le plasma à l'intérieur des trous et la formation de petits trous, et la profondeur de pénétration est encore augmentée pour obtenir une soudure idéale avec une profondeur- comparaison à la largeur. Cependant, ce procédé nécessite un contrôle précis de l'amplitude et de la direction du flux de gaz, sinon, des turbulences sont susceptibles de se produire et d'endommager la piscine fondue, ce qui rend le processus de soudage difficile à stabiliser.
(6)Distance focale de l'objectif. Lors du soudage, la focalisation est généralement utilisée pour faire converger le laser. Généralement, une lentille avec une distance focale de 63 à 254 mm (2,5&~ 10 GG) est utilisée. La taille de la tache focale est directement proportionnelle à la distance focale. Plus la distance focale est courte, plus la tache focale est petite. 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, donc une courte distance focale peut augmenter la densité de puissance, mais comme la profondeur focale est petite, la distance entre l'objectif et le la pièce doit être entretenue avec précision et la profondeur de pénétration n'est pas importante. En raison des effets des projections et des modes laser générés pendant le soudage, la profondeur focale la plus courte utilisée dans le soudage réel est principalement une distance focale de 126 mm (5 ”). Lorsque la couture est grande ou qu'il est nécessaire d'augmenter la soudure en augmentant la taille du point, choisissez une lentille avec une distance focale de 254 mm (10 ”). Dans ce cas, afin d'obtenir l'effet de trou d'épingle à fusion profonde, une puissance de sortie laser plus élevée (densité de puissance) est nécessaire.
Lorsque la puissance du 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 d'endommagement optique de la lentille de focalisation, la méthode de focalisation par réflexion est souvent utilisés, et les miroirs en cuivre poli sont généralement utilisés comme miroirs. En raison de son refroidissement efficace, il est souvent recommandé pour la focalisation du faisceau laser haute puissance.
(7)Position de mise au point. Afin de maintenir une densité de puissance suffisante pendant le soudage, la position de mise au point est critique. Le changement de la position relative de la mise au point et de la surface de la pièce affecte directement la largeur et la profondeur de la soudure.
Dans la plupart des applications de soudage au laser, la position du point focal est généralement définie à environ 1/4 de la profondeur de pénétration requise sous la surface de la pièce.
(8)Position du faisceau laser. Lors du soudage laser de différents matériaux, la position du faisceau laser contrôle la qualité finale de la soudure, en particulier dans le cas des assemblages bout à bout, qui sont plus sensibles que dans le cas des assemblages à recouvrement. Par exemple, lorsque des engrenages en acier trempé sont soudés à des tambours en acier à faible teneur en carbone, le contrôle correct de la position du faisceau laser sera bénéfique pour la production de soudures principalement composées de composants à faible teneur en carbone, qui ont une meilleure résistance aux fissures. Dans certaines applications, la géométrie de la pièce soudée 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 à moins de 100 degrés, l'absorption de l'énergie laser par la pièce&ne sera pas affectée.
(9)La puissance laser au début et à la fin du soudage est contrôlée progressivement. Dans le soudage en profondeur au laser, les trous d'épingle existent toujours quelle que soit la profondeur de la soudure. Lorsque le processus de soudage est terminé et que l'interrupteur d'alimentation est éteint, des fossettes apparaissent à la fin de la soudure. De plus, lorsque la couche de soudage au laser recouvre le cordon de soudage d'origine, une absorption excessive du faisceau laser peut se produire, entraînant une surchauffe de la soudure ou une génération de porosité.
TPour éviter que le phénomène mentionné ci-dessus ne se produise, un programme peut être fait pour les points de départ et de fin de la puissance, de sorte que l'heure de début et de fin de la puissance puisse être ajustée, c'est-à-dire que la puissance de départ est augmentée de zéro à la valeur de puissance réglée dans un court laps de temps par des méthodes électroniques, et le temps de soudage est ajusté, et enfin la puissance est progressivement réduite de la puissance réglée à zéro lorsque le soudage est terminé.
3.Caractéristiques, avantages et inconvénients du soudage par fusion profonde au laser
(1)Caractéristiques du soudage par pénétration profonde au laser
①Rapport d'aspect élevé. Du fait que le métal fondu est formé autour de la cavité cylindrique à vapeur haute température et s'étend vers la pièce à usiner, le cordon de soudure devient profond et étroit.
②Apport de chaleur minimum. Parce que la température dans les petits trous est très élevée, le processus de fusion se produit très rapidement, l'apport de chaleur à la pièce à usiner est très faible et la déformation thermique et la zone affectée par la chaleur sont petites.
③Haute densité. Parce que les petits trous remplis de vapeur à haute température sont propices à l'agitation de la piscine de soudage et à la fuite de gaz, ce qui entraîne la formation de soudures de pénétration sans pores. La vitesse de refroidissement élevée après le soudage facilite la miniaturisation de la structure de soudure.
④Soudures solides. En raison de la source de chaleur chaude et de l'absorption suffisante des composants non métalliques, la teneur en impuretés est réduite, la taille des inclusions et leur répartition dans le bain fondu sont modifiées. Le processus de soudage ne nécessite pas d'électrodes ou de fils d'apport et la zone de fusion est moins polluée, ce qui rend la résistance et la ténacité de la soudure au moins équivalentes ou même supérieures au métal-mère.
⑤Contrôle précis. Le point focal étant petit, la soudure peut être positionnée avec une grande précision. La sortie laser n'a pas d'inertie&"GG". et peut être arrêté et redémarré à des vitesses élevées. La technologie de déplacement de faisceau CNC peut souder des pièces complexes.
⑥Procédé de soudage sous atmosphère sans contact. Étant donné que l'énergie provient du faisceau de photons et qu'il n'y a pas de contact physique avec la pièce, aucune force externe n'est appliquée sur la pièce. De plus, le magnétique et l'air n'ont aucun effet sur le laser.
(2)Aavantages du soudage en profondeur au laser
①Les lasers focalisés ont une densité de puissance beaucoup plus élevée que les méthodes conventionnelles, ce qui se traduit par des vitesses de soudage plus rapides, des zones et des déformations moins affectées thermiquement, et le soudage de matériaux difficiles à souder tels que le titane.
②Parce que le faisceau est facile à transmettre et à contrôler, il n'est pas nécessaire de changer fréquemment la torche de soudage et la buse, et il n'y a pas de vide nécessaire pour le soudage par faisceau d'électrons, ce qui réduit considérablement le temps auxiliaire pour l'arrêt, donc le facteur de charge et l'efficacité de la production sont élevés.
③En raison de l'effet de purification et de la vitesse de refroidissement élevée, la soudure a une résistance, une ténacité et des performances complètes.
④En raison du faible apport de chaleur moyen et de la haute précision d'usinage, les coûts de retraitement peuvent être réduits; en outre, les coûts d'opération de soudage au laser sont également inférieurs, ce qui peut réduire les coûts de traitement des pièces.
⑤Il peut contrôler efficacement l'intensité du faisceau et le positionnement fin, et il est facile de réaliser un fonctionnement automatique.
(3)Inconvénients du soudage en profondeur au laser
①Wprofondeur d'éldingestLimité.
②Les exigences d'assemblage des pièces sont élevées.
③Oinvestissement en temps réel dans les systèmes laserest haut.