La formation et le développement des trous de serrure :
Définition de l'effet de trou de serrure : Lorsque l'irradiance du rayonnement dépasse 10⁶ W/cm², la surface du matériau fond et s'évapore sous l'action du laser. Lorsque la vitesse d'évaporation est suffisamment élevée, la pression de recul de la vapeur générée est suffisante pour vaincre la tension superficielle et la gravité du métal liquide, déplaçant ainsi une partie de ce dernier. Le bain de fusion dans la zone d'excitation s'enfonce alors et forme de petites cavités. Le faisceau lumineux agit directement sur le fond de ces cavités, provoquant la fusion et la vaporisation du métal. La vapeur à haute pression continue de repousser le métal liquide du fond de la cavité vers la périphérie du bain de fusion, approfondissant ainsi la cavité. Ce processus se poursuit, formant finalement un trou de serrure dans le métal liquide. Lorsque la pression de vapeur du métal générée par le faisceau laser dans la cavité atteint l'équilibre avec la tension superficielle et la gravité du métal liquide, la cavité cesse de s'approfondir et forme une cavité de profondeur stable, phénomène appelé « effet de trou de serrure ».
Lorsque le faisceau laser se déplace par rapport à la pièce, le petit trou présente une face avant légèrement incurvée vers l'arrière et une forme triangulaire inversée nettement inclinée à l'arrière. Le bord avant du petit trou constitue la zone d'action du laser, caractérisée par une température et une pression de vapeur élevées, tandis que la température et la pression de vapeur y sont relativement basses à l'arrière. Sous l'effet de cette différence de pression et de température, le métal en fusion s'écoule autour du petit trou, de l'avant vers l'arrière, formant un vortex à l'arrière, avant de se solidifier. L'état dynamique du trou de serrure, obtenu par simulation laser et par soudage réel, est illustré dans la figure ci-dessus : la morphologie du petit trou et l'écoulement du métal en fusion environnant lors du déplacement à différentes vitesses.
Grâce à la présence de micro-orifices, l'énergie du faisceau laser pénètre au cœur du matériau, formant ainsi un cordon de soudure profond et étroit. La morphologie typique en coupe transversale d'un cordon de soudure à pénétration laser profonde est illustrée dans la figure ci-dessus. La profondeur de pénétration du cordon est proche de celle du trou de serrure (plus précisément, la couche métallographique est 60 à 100 µm plus profonde que le trou de serrure, soit une couche liquide en moins). Plus la densité d'énergie laser est élevée, plus les micro-orifices sont profonds et plus la profondeur de pénétration du cordon est importante. En soudage laser haute puissance, le rapport profondeur/largeur maximal du cordon de soudure peut atteindre 12:1.
Analyse de l'absorption deénergie laserpar trou de serrure
Avant la formation de micro-perforations et de plasma, l'énergie du laser est principalement transmise à l'intérieur de la pièce par conduction thermique. Le procédé de soudage est alors un soudage par conduction (profondeur de pénétration inférieure à 0,5 mm), et le taux d'absorption du laser par le matériau est compris entre 25 et 45 %. Une fois la perforation formée, l'énergie du laser est principalement absorbée par l'intérieur de la pièce grâce à l'effet de pénétration, et le procédé de soudage devient un soudage à pénétration profonde (profondeur de pénétration supérieure à 0,5 mm). Le taux d'absorption peut alors atteindre 60 à 90 %.
L'effet de trou de serrure joue un rôle extrêmement important dans l'amélioration de l'absorption du laser lors de procédés tels que le soudage, la découpe et le perçage laser. Le faisceau laser pénétrant dans le trou de serrure est presque entièrement absorbé par de multiples réflexions sur la paroi de ce dernier.
On considère généralement que le mécanisme d'absorption d'énergie du laser à l'intérieur du trou de serrure comprend deux processus : l'absorption inverse et l'absorption de Fresnel.
Équilibre de pression à l'intérieur du trou de serrure
Lors du soudage laser à pénétration profonde, le matériau subit une vaporisation importante. La pression d'expansion générée par la vapeur à haute température expulse le métal liquide, formant de petits trous. Outre la pression de vapeur et la pression d'ablation (également appelée force de réaction d'évaporation ou pression de recul) du matériau, s'exercent également la tension superficielle, la pression statique du liquide due à la gravité et la pression dynamique du fluide générée par l'écoulement du matériau fondu à l'intérieur du trou. Parmi ces pressions, seule la pression de vapeur maintient le trou ouvert, les trois autres forces tendant à le refermer. Pour assurer la stabilité du trou de serrure pendant le soudage, la pression de vapeur doit être suffisante pour vaincre les autres résistances et atteindre l'équilibre, garantissant ainsi la stabilité à long terme du trou de serrure. Par souci de simplification, on considère généralement que les forces agissant sur la paroi du trou de serrure sont principalement la pression d'ablation (pression de recul de la vapeur métallique) et la tension superficielle.
Instabilité du trou de serrure
Contexte : Un laser agit sur la surface d'un matériau, provoquant l'évaporation d'une grande quantité de métal. La pression de recul s'exerce sur le bain de fusion, formant des cavités et du plasma, ce qui augmente la profondeur de fusion. Lors de son déplacement, le laser frappe la paroi avant de la cavité, et le point de contact avec le matériau engendre une forte évaporation. Simultanément, la paroi de la cavité subit une perte de masse, et l'évaporation génère une pression de recul qui s'exerce sur le métal liquide. Cette pression provoque un mouvement de la paroi interne de la cavité vers le bas, la faisant se déplacer vers le fond de la cavité, en direction du fond du bain de fusion. Du fait de ce mouvement du bain de fusion entre la paroi avant et la paroi arrière, le volume à l'intérieur de la cavité varie constamment. La pression interne varie également en conséquence, ce qui entraîne une variation du volume de plasma projeté. La variation du volume du plasma entraîne des modifications du blindage, de la réfraction et de l'absorption de l'énergie laser, ce qui modifie l'énergie du laser atteignant la surface du matériau. L'ensemble du processus est dynamique et périodique, aboutissant à une pénétration du métal en dents de scie et ondulée, et non à une soudure à pénétration lisse et uniforme. La figure ci-dessus est une vue en coupe du centre de la soudure, obtenue par une découpe longitudinale parallèle à son centre, ainsi qu'une mesure en temps réel de la variation de profondeur du trou de serrure.IPG-LDD comme preuve.
Améliorer la direction de stabilité du trou de serrure
Lors du soudage laser à pénétration profonde, la stabilité du petit trou ne peut être assurée que par l'équilibre dynamique des différentes pressions internes. Or, l'absorption de l'énergie laser par la paroi du trou, l'évaporation des matériaux, l'éjection de vapeurs métalliques hors du trou et le déplacement du trou et du bain de fusion sont des processus extrêmement intenses et rapides. Dans certaines conditions opératoires, à certains moments du soudage, la stabilité du petit trou peut être localement perturbée, engendrant des défauts de soudage. Les plus courants sont les défauts de porosité de type micropore et les projections dues à l'effondrement du trou de serrure.
Comment stabiliser le trou de serrure ?
La fluctuation du fluide de soudage est relativement complexe et fait intervenir de nombreux facteurs (champ de température, champ d'écoulement, champ de forces, physique optoélectronique), que l'on peut résumer en deux catégories : la relation entre la tension superficielle et la pression de recul des vapeurs métalliques ; cette pression de recul agit directement sur la formation des trous de soudure et est étroitement liée à leur profondeur et à leur volume. Par ailleurs, étant la seule substance des vapeurs métalliques à se déplacer vers le haut lors du soudage, elle est également étroitement liée à l'apparition de projections ; la tension superficielle influence l'écoulement du bain de fusion.
Ainsi, la stabilité du procédé de soudage laser repose sur le maintien d'un gradient de tension superficielle constant dans le bain de fusion, sans fluctuations excessives. La tension superficielle est liée à la distribution de température, elle-même liée à la source de chaleur. Par conséquent, l'utilisation de sources de chaleur composites et le soudage oscillant constituent des pistes techniques prometteuses pour un procédé de soudage stable.
Il est nécessaire de prendre en compte l'effet plasma et la taille de l'ouverture du trou de serrure pour le volume de vapeur métallique et le volume du trou de serrure. Plus l'ouverture est grande, plus le trou de serrure est important. Les fluctuations négligeables au niveau du fond du bain de fusion ont un impact relativement faible sur le volume total du trou de serrure et les variations de pression interne. Ainsi, le laser à mode annulaire ajustable (spot annulaire), la recombinaison d'arcs laser, la modulation de fréquence, etc., sont autant de pistes à explorer.
Date de publication : 1er décembre 2023
