Par rapport à la technologie de soudage traditionnelle,soudage au laserprésente des avantages inégalés en termes de précision, d'efficacité, de fiabilité, d'automatisation et d'autres aspects du soudage. Ces dernières années, elle s'est développée rapidement dans les domaines de l'automobile, de l'énergie, de l'électronique et dans d'autres domaines, et est considérée comme l'une des technologies de fabrication les plus prometteuses du 21e siècle.
1. Aperçu de la double poutresoudage au laser
Double poutresoudage au laserconsiste à utiliser des méthodes optiques pour séparer le même laser en deux faisceaux de lumière distincts pour le soudage, ou à utiliser deux types différents de lasers pour les combiner, tels que le laser CO2, le laser Nd : YAG et le laser à semi-conducteur haute puissance. Tout peut être combiné. Il a été proposé principalement de résoudre l'adaptabilité du soudage laser à la précision de l'assemblage, d'améliorer la stabilité du processus de soudage et d'améliorer la qualité de la soudure. Double poutresoudage au laserpeut ajuster de manière pratique et flexible le champ de température de soudage en modifiant le rapport d'énergie du faisceau, l'espacement des faisceaux et même le modèle de distribution d'énergie des deux faisceaux laser, modifiant ainsi le modèle d'existence du trou de serrure et le modèle d'écoulement du métal liquide dans le bain en fusion. Offre un plus grand choix de procédés de soudage. Il présente non seulement les avantages des grandssoudage au laserpénétration, vitesse rapide et haute précision, mais convient également aux matériaux et joints difficiles à souder avec dessoudage au laser.
Pour double poutresoudage au laser, nous discutons d’abord des méthodes de mise en œuvre du laser double faisceau. Une littérature abondante montre qu'il existe deux manières principales de réaliser un soudage à double faisceau : la focalisation par transmission et la focalisation par réflexion. Plus précisément, l'un d'entre eux est obtenu en ajustant l'angle et l'espacement de deux lasers via des miroirs de focalisation et des miroirs collimateurs. L'autre est obtenu en utilisant une source laser puis en se concentrant à travers des miroirs réfléchissants, des miroirs transmissifs et des miroirs en forme de coin pour obtenir des faisceaux doubles. Pour la première méthode, il existe principalement trois formes. La première forme consiste à coupler deux lasers via des fibres optiques et à les diviser en deux faisceaux différents sous le même miroir collimateur et le même miroir de focalisation. La seconde est que deux lasers émettent des faisceaux laser à travers leurs têtes de soudage respectives et qu'un double faisceau est formé en ajustant la position spatiale des têtes de soudage. La troisième méthode consiste à diviser le faisceau laser à travers deux miroirs 1 et 2, puis à le focaliser respectivement par deux miroirs de focalisation 3 et 4. La position et la distance entre les deux points focaux peuvent être ajustées en ajustant les angles des deux miroirs de focalisation 3 et 4. La deuxième méthode consiste à utiliser un laser à semi-conducteurs pour diviser la lumière afin d'obtenir des faisceaux doubles, et à ajuster l'angle et espacement à travers un miroir perspective et un miroir focalisateur. Les deux dernières images de la première rangée ci-dessous montrent le système spectroscopique d'un laser CO2. Le miroir plat est remplacé par un miroir en forme de coin et placé devant le miroir de focalisation pour diviser la lumière afin d'obtenir une lumière parallèle à double faisceau.
Après avoir compris la mise en œuvre des doubles poutres, présentons brièvement les principes et méthodes de soudage. Dans la double poutresoudage au laserprocessus, il existe trois dispositions de faisceaux courantes, à savoir la disposition en série, la disposition parallèle et la disposition hybride. tissu, c'est-à-dire qu'il y a une distance à la fois dans la direction du soudage et dans la direction verticale du soudage. Comme le montre la dernière rangée de la figure, selon les différentes formes de petits trous et de bassins de fusion qui apparaissent sous différents espacements de points au cours du processus de soudage en série, ils peuvent être divisés en fusions simples. Il existe trois états : pool, pool de fusion commun et pool de fusion séparé. Les caractéristiques d'un bain de fusion unique et d'un bain de fusion séparé sont similaires à celles d'un bain de fusion unique.soudage au laser, comme le montre le diagramme de simulation numérique. Il existe différents effets de processus pour différents types.
Type 1 : sous un certain espacement des points, deux trous de serrure de faisceau forment un grand trou de serrure commun dans le même bassin de fusion ; pour le type 1, il est rapporté qu'un faisceau de lumière est utilisé pour créer un petit trou et que l'autre faisceau de lumière est utilisé pour le traitement thermique de soudage, ce qui peut améliorer efficacement les propriétés structurelles de l'acier à haute teneur en carbone et de l'acier allié.
Type 2 : augmentez l'espacement des points dans le même bain de fusion, séparez les deux faisceaux en deux trous de serrure indépendants et modifiez le modèle d'écoulement du bain de fusion ; pour le type 2, sa fonction est équivalente à celle du soudage à deux faisceaux d'électrons. Réduit les projections de soudure et les soudures irrégulières à la distance focale appropriée.
Type 3 : augmentez encore l'espacement des points et modifiez le rapport énergétique des deux faisceaux, de sorte que l'un des deux faisceaux soit utilisé comme source de chaleur pour effectuer le traitement de pré-soudage ou de post-soudage pendant le processus de soudage, et l'autre faisceau est utilisé pour générer de petits trous. Pour le type 3, l'étude a révélé que les deux poutres forment un trou de serrure, que le petit trou n'est pas facile à effondrer et que la soudure n'est pas facile à produire des pores.
2. L'influence du procédé de soudage sur la qualité du soudage
Effet du rapport faisceau-énergie en série sur la formation des cordons de soudure
Lorsque la puissance du laser est de 2 kW, la vitesse de soudage est de 45 mm/s, le degré de défocalisation est de 0 mm et l'espacement des faisceaux est de 3 mm, la forme de la surface de soudure lors du changement de RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) est la même. montré sur la figure. Lorsque RS = 0,50 et 2,00, la soudure est plus bosselée et il y a plus de projections sur le bord de la soudure, sans former de motifs réguliers en écailles de poisson. En effet, lorsque le rapport d'énergie du faisceau est trop petit ou trop grand, l'énergie laser est trop concentrée, ce qui provoque une oscillation plus importante du trou d'épingle laser pendant le processus de soudage, et la pression de recul de la vapeur provoque l'éjection et les éclaboussures du métal fondu. mettre du métal dans la mare en fusion ; Un apport de chaleur excessif rend la profondeur de pénétration du bain de fusion du côté de l'alliage d'aluminium trop grande, provoquant une dépression sous l'action de la gravité. Lorsque RS = 0,67 et 1,50, le motif en écailles de poisson sur la surface de soudure est uniforme, la forme de la soudure est plus belle et il n'y a pas de fissures chaudes, de pores et d'autres défauts de soudure visibles sur la surface de soudure. Les formes de section transversale des soudures avec différents rapports d'énergie de faisceau RS sont telles qu'indiquées sur la figure. La section transversale des soudures a une forme typique de « verre à vin », ce qui indique que le processus de soudage est effectué en mode de soudage laser à pénétration profonde. RS a une influence importante sur la profondeur de pénétration P2 de la soudure côté alliage d’aluminium. Lorsque le rapport d'énergie du faisceau RS = 0,5, P2 est de 1203,2 microns. Lorsque le rapport d'énergie du faisceau est RS = 0,67 et 1,5, P2 est considérablement réduit, qui sont respectivement de 403,3 microns et 93,6 microns. Lorsque le rapport d'énergie du faisceau est RS=2, la profondeur de pénétration de la soudure dans la section transversale du joint est de 1 151,6 microns.
Effet du rapport énergie-faisceau parallèle sur la formation des cordons de soudure
Lorsque la puissance du laser est de 2,8 kW, la vitesse de soudage est de 33 mm/s, le degré de défocalisation est de 0 mm et l'espacement des faisceaux est de 1 mm, la surface de soudure est obtenue en modifiant le rapport d'énergie du faisceau (RS = 0,25, 0,5, 0,67, 1,5). , 2, 4) L'apparence est représentée sur la figure. Lorsque RS=2, le motif en écailles de poisson sur la surface de la soudure est relativement irrégulier. La surface de la soudure obtenue par les cinq autres rapports d'énergie de faisceau différents est bien formée et il n'y a aucun défaut visible tel que des pores et des éclaboussures. Par conséquent, par rapport au double faisceau sériesoudage au laser, la surface de soudure utilisant des poutres doubles parallèles est plus uniforme et plus belle. Lorsque RS=0,25, il y a une légère dépression dans la soudure ; à mesure que le rapport d'énergie du faisceau augmente progressivement (RS = 0,5, 0,67 et 1,5), la surface de la soudure est uniforme et aucune dépression ne se forme ; cependant, lorsque le rapport d'énergie du faisceau augmente encore (RS=1,50, 2,00), mais qu'il y a des dépressions sur la surface de la soudure. Lorsque le rapport d'énergie du faisceau RS = 0,25, 1,5 et 2, la forme en coupe transversale de la soudure est « en forme de verre à vin » ; lorsque RS = 0,50, 0,67 et 1, la forme de la section transversale de la soudure est « en forme d'entonnoir ». Lorsque RS=4, non seulement des fissures sont générées au bas de la soudure, mais également des pores sont générés au milieu et dans la partie inférieure de la soudure. Lorsque RS=2, de grands pores de processus apparaissent à l'intérieur de la soudure, mais aucune fissure n'apparaît. Lorsque RS = 0,5, 0,67 et 1,5, la profondeur de pénétration P2 de la soudure du côté de l'alliage d'aluminium est plus petite, et la section transversale de la soudure est bien formée et aucun défaut de soudage évident n'est formé. Ceux-ci montrent que le rapport d’énergie du faisceau lors du soudage laser parallèle à double faisceau a également un impact important sur la pénétration de la soudure et les défauts de soudage.
Faisceau parallèle – l’effet de l’espacement des faisceaux sur la formation des cordons de soudure
Lorsque la puissance du laser est de 2,8 kW, la vitesse de soudage est de 33 mm/s, le degré de défocalisation est de 0 mm et le rapport d'énergie du faisceau RS=0,67, modifiez l'espacement du faisceau (d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) pour obtenir la morphologie de la surface de soudure comme le montre l'image. Lorsque d=0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, la surface de la soudure est lisse et plate et la forme est belle ; le motif en écailles de poisson de la soudure est régulier et beau, et il n'y a pas de pores, fissures et autres défauts visibles. Par conséquent, dans les conditions d’espacement des quatre faisceaux, la surface de soudure est bien formée. De plus, lorsque d = 2 mm, deux soudures différentes se forment, ce qui montre que les deux faisceaux laser parallèles n'agissent plus sur un bain en fusion, et ne peuvent former une soudure hybride laser double faisceau efficace. Lorsque l'espacement des faisceaux est de 0,5 mm, la soudure est « en forme d'entonnoir », la profondeur de pénétration P2 de la soudure côté alliage d'aluminium est de 712,9 microns et il n'y a pas de fissures, pores et autres défauts à l'intérieur de la soudure. À mesure que l’espacement des poutres continue d’augmenter, la profondeur de pénétration P2 de la soudure côté alliage d’aluminium diminue considérablement. Lorsque l'espacement des faisceaux est de 1 mm, la profondeur de pénétration de la soudure côté alliage d'aluminium n'est que de 94,2 microns. À mesure que l’espacement des poutres augmente encore, la soudure ne forme pas une pénétration efficace du côté de l’alliage d’aluminium. Par conséquent, lorsque l’espacement des faisceaux est de 0,5 mm, l’effet de recombinaison à double faisceau est le meilleur. À mesure que l'espacement des faisceaux augmente, l'apport de chaleur de soudage diminue fortement et l'effet de recombinaison laser à deux faisceaux s'aggrave progressivement.
La différence dans la morphologie de la soudure est causée par l'écoulement différent et la solidification par refroidissement du bain de fusion pendant le processus de soudage. La méthode de simulation numérique peut non seulement rendre l’analyse des contraintes du bain en fusion plus intuitive, mais également réduire le coût expérimental. L'image ci-dessous montre les changements dans le bassin de fusion latéral avec un seul faisceau, différentes dispositions et espacements des points. Les principales conclusions sont les suivantes : (1) Au cours de l'essai à faisceau uniquesoudage au laserprocessus, la profondeur du trou de la piscine fondue est la plus profonde, il y a un phénomène d'effondrement du trou, la paroi du trou est irrégulière et la répartition du champ d'écoulement près de la paroi du trou est inégale ; près de la surface arrière du bassin de fusion. La refusion est forte et il y a une refusion vers le haut au fond du bassin de fusion ; la répartition du champ d'écoulement du bain de fusion en surface est relativement uniforme et lente, et la largeur du bain de fusion est inégale dans la direction de la profondeur. Il y a une perturbation causée par la pression de recul des parois dans le bain de fusion entre les petits trous du double faisceau.soudage au laser, et il existe toujours dans la direction de la profondeur des petits trous. À mesure que la distance entre les deux faisceaux continue d’augmenter, la densité d’énergie du faisceau passe progressivement d’un état à pic unique à un état à double pic. Il existe une valeur minimale entre les deux pics et la densité énergétique diminue progressivement. (2) Pour double poutresoudage au laser, lorsque l'espacement des points est de 0 à 0,5 mm, la profondeur des petits trous du bain de fusion diminue légèrement et le comportement global de l'écoulement du bain de fusion est similaire à celui d'un faisceau unique.soudage au laser; lorsque l'espacement des points est supérieur à 1 mm, les petits trous sont complètement séparés et pendant le processus de soudage, il n'y a presque aucune interaction entre les deux lasers, ce qui équivaut à deux soudages laser consécutifs/deux parallèles à faisceau unique d'une puissance de 1750 W. Il n'y a presque aucun effet de préchauffage et le comportement de l'écoulement du bain de fusion est similaire à celui du soudage laser à faisceau unique. (3) Lorsque l'espacement des points est de 0,5 à 1 mm, la surface de la paroi des petits trous est plus plate dans les deux dispositions, la profondeur des petits trous diminue progressivement et le fond se sépare progressivement. La perturbation entre les petits trous et l'écoulement du bain de fusion superficiel est de 0,8 mm. Le plus fort. Pour le soudage en série, la longueur du bain de fusion augmente progressivement, la largeur est la plus grande lorsque l'espacement des points est de 0,8 mm et l'effet de préchauffage est plus évident lorsque l'espacement des points est de 0,8 mm. L'effet de la force de Marangoni s'affaiblit progressivement et davantage de liquide métallique s'écoule des deux côtés du bassin en fusion. Rendre la distribution de la largeur de fusion plus uniforme. Pour le soudage parallèle, la largeur du bain de fusion augmente progressivement et la longueur est maximale à 0,8 mm, mais il n'y a pas d'effet de préchauffage ; le reflux près de la surface provoqué par la force Marangoni existe toujours, et le reflux vers le bas au fond du petit trou disparaît progressivement ; le champ d'écoulement transversal n'est pas aussi bon qu'il est fort en série, la perturbation n'affecte guère l'écoulement des deux côtés du bain de fusion et la largeur de fusion est inégalement répartie.
Heure de publication : 12 octobre 2023
