Comparaison des effets de soudage de lasers avec différents diamètres de noyau

Soudage laserpeut être réalisé en utilisant des faisceaux laser continus ou pulsés. Les principes desoudage au laserpeut être divisé en soudage par conduction thermique et soudage à pénétration profonde au laser. Lorsque la densité de puissance est inférieure à 104 ~ 105 W/cm2, il s’agit d’un soudage par conduction thermique. À ce moment, 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 est concave en « trous » en raison de la chaleur, formant un soudage à pénétration profonde, qui présente les caractéristiques d'une vitesse de soudage rapide et d'un grand rapport d'aspect. Le principe de la conduction thermiquesoudage au laserest le suivant : le rayonnement laser chauffe la surface à traiter et la chaleur de la 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.

Le soudage par pénétration profonde au laser utilise généralement un faisceau laser continu pour compléter la connexion des matériaux. Son processus physique métallurgique est très similaire à celui du soudage par faisceau d'électrons, c'est-à-dire que le mécanisme de conversion d'énergie est complété par une structure en « trou de serrure ».

Sous irradiation laser avec une densité de puissance suffisamment élevée, le matériau s'évapore et de petits trous se forment. Ce petit trou rempli de vapeur ressemble à un corps noir, absorbant presque toute l’énergie du faisceau incident. La température d'équilibre dans le trou atteint environ 2500°C. La chaleur est transférée de la paroi extérieure du trou à haute température, provoquant la fonte du métal entourant le trou. Le petit trou est rempli de vapeur à haute température générée par l'évaporation continue du matériau du mur sous l'irradiation du faisceau. Les parois du petit trou sont entourées de métal en fusion et le métal liquide est entouré de matériaux solides (dans la plupart des procédés de soudage conventionnels et de soudage par conduction laser, l'énergie est d'abord déposée à la surface de la pièce puis transportée vers l'intérieur par transfert. ). Le flux de liquide à l'extérieur de la paroi du trou et la tension superficielle de la couche de paroi sont en phase avec la pression de vapeur générée en continu dans la cavité du trou et maintiennent un équilibre dynamique. Le faisceau lumineux pénètre en continu dans le petit trou et le matériau à l’extérieur du petit trou circule en continu. Lorsque le faisceau lumineux se déplace, le petit trou est toujours dans un état de flux stable.

C'est-à-dire que le petit trou et le métal en fusion entourant la paroi du trou avancent avec la vitesse d'avancement du faisceau pilote. Le métal fondu remplit l'espace laissé après le retrait du petit trou et se condense en conséquence, et la soudure est formée. Tout cela se produit si rapidement que les vitesses de soudage peuvent facilement atteindre plusieurs mètres par minute.

Après avoir compris les concepts de base de la densité de puissance, du soudage par conductivité thermique et du soudage à pénétration profonde, nous procéderons ensuite à une analyse comparative de la densité de puissance et des phases métallographiques de différents diamètres de noyau.

Comparaison des expériences de soudage basées sur des diamètres de noyau laser courants sur le marché :

Densité de puissance de la position du point focal de lasers avec différents diamètres de noyau

Du point de vue de la densité de puissance, pour une même puissance, plus le diamètre du noyau est petit, plus la luminosité du laser est élevée et plus l'énergie est concentrée. Si l’on compare le laser à un couteau bien aiguisé, plus le diamètre du noyau est petit, plus le laser est tranchant. La densité de puissance du laser de diamètre de noyau de 14 um est plus de 50 fois supérieure à celle du laser de diamètre de noyau de 100 um, et la capacité de traitement est plus forte. Dans le même temps, la densité de puissance calculée ici n’est qu’une simple densité moyenne. La distribution d'énergie réelle est une distribution gaussienne approximative, et l'énergie centrale sera plusieurs fois supérieure à la densité de puissance moyenne.

Diagramme schématique de la distribution d'énergie laser avec différents diamètres de noyau

La couleur du diagramme de distribution d'énergie est la distribution d'énergie. Plus la couleur est rouge, plus l'énergie est élevée. L'énergie rouge est l'endroit où l'énergie est concentrée. Grâce à la distribution d'énergie laser de faisceaux laser de différents diamètres de noyau, on peut voir que le front du faisceau laser n'est pas net et que le faisceau laser est net. Plus l'énergie est petite et concentrée sur un point, plus elle est nette et plus sa capacité de pénétration est forte.

Comparaison des effets de soudage de lasers avec différents diamètres de noyau

Comparaison de lasers avec différents diamètres de noyau :

(1) L'expérience utilise une vitesse de 150 mm/s, un soudage en position de mise au point, et le matériau est de l'aluminium série 1, de 2 mm d'épaisseur ;

(2) Plus le diamètre du noyau est grand, plus la largeur de fusion est grande, plus la zone affectée thermiquement est grande et plus la densité de puissance unitaire est petite. Lorsque le diamètre du noyau dépasse 200 um, il n'est pas facile d'obtenir une profondeur de pénétration sur des alliages à haute réaction tels que l'aluminium et le cuivre, et un soudage à pénétration profonde plus élevée ne peut être obtenu qu'avec une puissance élevée ;

(3) Les lasers à petit noyau ont une densité de puissance élevée et peuvent rapidement percer des trous de serrure sur la surface de matériaux à haute énergie et de petites zones affectées par la chaleur. Cependant, en même temps, la surface de la soudure est rugueuse et la probabilité d'effondrement du trou de serrure est élevée lors du soudage à basse vitesse, et le trou de serrure est fermé pendant le cycle de soudage. Le cycle est long et des défauts tels que des défauts et des pores sont susceptibles de se produire. Il convient au traitement à grande vitesse ou au traitement avec une trajectoire d'oscillation ;

(4) Les lasers de grand diamètre de noyau ont des points lumineux plus grands et une énergie plus dispersée, ce qui les rend plus adaptés à la refusion de surface laser, au revêtement, au recuit et à d'autres processus.


Heure de publication : 06 octobre 2023