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

Soudage laserpeut être réalisé à l'aide de faisceaux laser continus ou pulsés. Les principes desoudage laserLe soudage 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. Dans ce cas, la profondeur de pénétration est faible et la vitesse de soudage lente. Lorsque la densité de puissance est supérieure à 10⁵~10⁷ W/cm², la surface du métal se creuse sous l'effet de la chaleur, formant des « trous », ce qui constitue un soudage à pénétration profonde. Ce dernier se caractérise par une vitesse de soudage élevée et un rapport d'aspect important. Le principe de la conduction thermique…soudage laserLe procédé consiste à chauffer la surface à traiter par rayonnement laser, la chaleur se diffusant ensuite à l'intérieur par conduction thermique. En contrôlant les paramètres du laser, tels que la durée d'impulsion, l'énergie, la puissance de crête et la fréquence de répétition, la pièce est fondue pour former un bain de fusion spécifique.

Le soudage laser à pénétration profonde utilise généralement un faisceau laser continu pour assembler les matériaux. Son processus physique métallurgique est très similaire à celui du soudage par faisceau d'électrons : la conversion d'énergie s'effectue par une structure en « trou de serrure ».

Sous irradiation laser de densité de puissance suffisamment élevée, le matériau s'évapore et de minuscules cavités se forment. Ces cavités, remplies de vapeur, se comportent comme des corps noirs et absorbent la quasi-totalité de l'énergie du faisceau incident. La température d'équilibre à l'intérieur de ces cavités atteint environ 2500 °C.°C. La chaleur est transférée de la paroi extérieure du trou à haute température, provoquant la fusion du métal environnant. Le petit trou se remplit de vapeur à haute température générée par l'évaporation continue du matériau de la paroi sous l'effet du faisceau. Les parois du petit trou sont entourées de métal en fusion, lui-même entouré de matériau solide (dans la plupart des procédés de soudage conventionnels et du soudage par conduction laser, l'énergie est d'abord déposée à la surface de la pièce puis transportée à l'intérieur par transfert). L'écoulement du liquide à l'extérieur du trou et la tension superficielle de la couche de la 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 continuellement dans le petit trou, et le matériau extérieur s'écoule continuellement. Malgré le déplacement du faisceau lumineux, le petit trou reste toujours dans un état d'écoulement stable.

Autrement dit, le petit trou et le métal en fusion qui l'entoure se déplacent à la vitesse d'avancement du faisceau pilote. Le métal en fusion remplit l'espace laissé par le petit trou et se condense, formant ainsi la soudure. Tout cela se déroule 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 d'expériences de soudage basées sur les diamètres de noyaux laser courants disponibles sur le marché :

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

Du point de vue de la densité de puissance, à puissance égale, plus le diamètre du cœur est petit, plus la brillance du laser est élevée et plus l'énergie est concentrée. Si l'on compare le laser à un couteau tranchant, plus le diamètre du cœur est petit, plus le faisceau est fin. La densité de puissance d'un laser à cœur de 14 µm de diamètre est plus de 50 fois supérieure à celle d'un laser à cœur de 100 µm de diamètre, et sa capacité de traitement est plus importante. Par ailleurs, la densité de puissance calculée ici n'est qu'une simple moyenne. La distribution réelle de l'énergie suit approximativement une loi gaussienne, et l'énergie centrale est plusieurs fois supérieure à la densité de puissance moyenne.

Schéma de la distribution de l'énergie laser en fonction du diamètre du cœur

La couleur du diagramme de distribution d'énergie représente cette distribution. Plus la couleur est rouge, plus l'énergie est élevée. L'énergie rouge correspond à une concentration importante. L'analyse de la distribution d'énergie de faisceaux laser de différents diamètres de cœur révèle que le front du faisceau est diffus et que le faisceau lui-même est pointu. Plus le diamètre est petit, plus l'énergie est concentrée en un point, plus le faisceau est pointu et plus son pouvoir de pénétration est élevé.

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

Comparaison de lasers avec différents diamètres de cœur :

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

(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 faible. Lorsque le diamètre du noyau dépasse 200 µm, il n'est pas facile d'atteindre une profondeur de pénétration sur des alliages à haute réactivité 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 cœur présentent une densité de puissance élevée et permettent de réaliser rapidement des perforations à la surface des matériaux grâce à une énergie élevée et des zones affectées thermiquement réduites. Cependant, la surface de la soudure est rugueuse et le risque d'effondrement de la perforation est élevé lors du soudage à basse vitesse. De plus, la perforation se referme au cours du cycle de soudage. Ce cycle étant long, des défauts tels que des porosités et des creux sont susceptibles d'apparaître. Ce type de laser est adapté aux procédés à grande vitesse ou aux procédés avec trajectoire oscillante.

(4) Les lasers à grand diamètre de cœur 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 procédés.