L'interaction entre le laser et les matériaux met en jeu de nombreux phénomènes et caractéristiques physiques. Les trois articles suivants présenteront les trois principaux phénomènes physiques liés au procédé de soudage laser afin d'offrir aux chercheurs une meilleure compréhension de ce phénomène.procédé de soudage laserCe sujet est divisé en fonction du taux d'absorption laser et des changements d'état, de l'effet plasma et de l'effet de trou de serrure. Nous allons ici mettre à jour la relation entre les changements d'état du laser et des matériaux et le taux d'absorption.
Changements d'état de la matière provoqués par l'interaction entre le laser et les matériaux
Le traitement laser des matériaux métalliques repose principalement sur le traitement thermique par effets photothermiques. Lorsqu'un laser est appliqué à la surface du matériau, diverses modifications se produisent à différentes densités de puissance. Ces modifications incluent l'élévation de la température de surface, la fusion, la vaporisation, la formation de cavités et la génération de plasma. De plus, les changements d'état physique de la surface du matériau influencent fortement l'absorption du laser par celui-ci. Avec l'augmentation de la densité de puissance et de la durée d'exposition, le matériau métallique subit les changements d'état suivants :
Quand lepuissance laserLa densité étant faible (<10⁴ W/cm²) et la durée d'irradiation courte, l'énergie laser absorbée par le métal ne provoque qu'une élévation de température de la surface vers l'intérieur du matériau, sans modification de la phase solide. Ce procédé est principalement utilisé pour le recuit de pièces et le traitement de durcissement par transformation de phase, notamment pour les outils, les engrenages et les roulements.
Avec l'augmentation de la densité de puissance du laser (10⁴ à 10⁶ W/cm²) et l'allongement du temps d'irradiation, la surface du matériau fond progressivement. À mesure que l'énergie apportée augmente, l'interface liquide-solide se déplace graduellement vers l'intérieur du matériau. Ce procédé physique est principalement utilisé pour la refusion superficielle, l'alliage, le revêtement et le soudage par conduction thermique des métaux.
En augmentant encore la densité de puissance (>10⁶ W/cm²) et en prolongeant la durée d'exposition au laser, la surface du matériau fond et se vaporise. Les substances vaporisées s'accumulent près de la surface et s'ionisent faiblement pour former un plasma. Ce plasma ténu permet au matériau d'absorber le laser. Sous la pression de vaporisation et d'expansion, la surface du liquide se déforme et forme des cavités. Cette étape peut être utilisée pour le soudage laser, notamment pour le soudage par conduction thermique de micro-connexions inférieures à 0,5 mm.
En augmentant encore la densité de puissance (>10⁷ W/cm²) et en prolongeant la durée d'irradiation, la surface du matériau subit une forte vaporisation, formant un plasma à haut degré d'ionisation. Ce plasma dense exerce un effet de blindage sur le laser, réduisant considérablement la densité d'énergie du laser incident sur le matériau. Simultanément, sous l'effet d'une forte force de réaction de la vapeur, de petits trous, communément appelés cavités, se forment dans le métal fondu. L'existence de ces cavités favorise l'absorption du laser par le matériau, et cette étape peut être exploitée pour le soudage par fusion profonde laser, la découpe et le perçage, le durcissement par impact, etc.
Dans différentes conditions, différentes longueurs d'onde d'irradiation laser sur différents matériaux métalliques donneront lieu à des valeurs spécifiques de densité de puissance à chaque étape.
En ce qui concerne l'absorption laser par les matériaux, la vaporisation de ces derniers constitue une limite. Tant que le matériau ne se vaporise pas, qu'il soit à l'état solide ou liquide, son absorption laser ne varie que lentement avec l'augmentation de la température de surface. Dès que le matériau se vaporise et forme un plasma et des cavités, son absorption laser change brutalement.
Comme illustré sur la figure 2, le taux d'absorption du laser à la surface du matériau lors du soudage laser varie en fonction de la densité de puissance du laser et de la température de surface du matériau. Tant que le matériau n'est pas fondu, le taux d'absorption du laser augmente lentement avec la température de surface. Lorsque la densité de puissance dépasse 10⁶ W/cm², le matériau se vaporise violemment, formant un trou de serrure. Le laser pénètre dans ce trou de serrure et subit de multiples réflexions et absorptions, ce qui entraîne une augmentation significative du taux d'absorption du laser par le matériau et une augmentation significative de la profondeur de fusion.
Absorption du laser par les matériaux métalliques – Longueur d'onde
La figure ci-dessus illustre la courbe de relation entre la réflectivité, l'absorbance et la longueur d'onde des métaux couramment utilisés à température ambiante. Dans l'infrarouge, le taux d'absorption diminue et la réflectivité augmente avec la longueur d'onde. La plupart des métaux réfléchissent fortement la lumière infrarouge de 10,6 µm (CO₂) et faiblement celle de 1,06 µm (1060 nm). Les matériaux métalliques présentent des taux d'absorption plus élevés pour les lasers à courte longueur d'onde, comme la lumière bleue et verte.
Absorption du laser par les matériaux métalliques – Température du matériau et densité d'énergie laser
Prenons l'exemple d'un alliage d'aluminium : lorsque le matériau est solide, le taux d'absorption laser est d'environ 5 à 7 %, le taux d'absorption liquide atteint 25 à 35 %, et il peut dépasser 90 % à l'état de trou de serrure.
Le taux d'absorption du laser par un matériau augmente avec la température. À température ambiante, ce taux est très faible pour les métaux. Lorsque la température approche leur point de fusion, il peut atteindre 40 à 60 %. À proximité du point d'ébullition, il peut même atteindre 90 %.
Absorption du laser par les matériaux métalliques – État de surface
Le taux d'absorption conventionnel est mesuré à l'aide d'une surface métallique lisse, mais dans les applications pratiques du chauffage laser, il est généralement nécessaire d'augmenter le taux d'absorption de certains matériaux à haute réflectivité (aluminium, cuivre) pour éviter les soudures erronées causées par une réflexion élevée ;
Les méthodes suivantes peuvent être utilisées :
1. L'adoption de procédés de prétraitement de surface appropriés pour améliorer la réflectivité du laser : l'oxydation du prototype, le sablage, le nettoyage laser, le nickelage, l'étamage, le revêtement en graphite, etc. peuvent tous améliorer le taux d'absorption du laser par le matériau ;
Le principe consiste à augmenter la rugosité de la surface du matériau (ce qui favorise les réflexions et l'absorption multiples du laser), ainsi qu'à utiliser un revêtement à fort taux d'absorption. En absorbant l'énergie laser, puis en la faisant fondre et en la volatilisant à travers ce matériau à fort taux d'absorption, la chaleur du laser est transmise au matériau de base afin d'améliorer son taux d'absorption et de réduire le phénomène de soudure virtuelle dû à la forte réflexion.
Date de publication : 23 novembre 2023
