Comparée à la technologie de soudage traditionnelle,soudage laserLe soudage présente des avantages inégalés en matière de précision, d'efficacité, de fiabilité, d'automatisation et autres aspects. Ces dernières années, il a connu un développement rapide dans les secteurs de l'automobile, de l'énergie, de l'électronique et autres, et est considéré comme l'une des technologies de fabrication les plus prometteuses du XXIe siècle.
1. Aperçu du double faisceausoudage laser
Double poutresoudage laserIl s'agit d'utiliser des méthodes optiques pour séparer un même laser en deux faisceaux lumineux distincts pour le soudage, ou de combiner deux types de lasers différents, tels que le laser CO2, le laser Nd:YAG et le laser semi-conducteur haute puissance. Toutes ces combinaisons sont possibles. Cette technique a été proposée principalement pour améliorer l'adaptabilité du soudage laser à la précision d'assemblage, la stabilité du processus de soudage et la qualité de la soudure.soudage laserIl est possible d'ajuster facilement et avec précision le champ de température de soudage en modifiant le rapport d'énergie des faisceaux, l'espacement entre les faisceaux, et même la répartition de l'énergie des deux faisceaux laser, modifiant ainsi la configuration du trou de serrure et le flux de métal liquide dans le bain de fusion. Il offre un plus large choix de procédés de soudage. Outre ses avantages en termes de grande capacité, il permet un réglage précis et flexible du champ de température de soudage.soudage laserElle offre une pénétration élevée, une grande rapidité et une haute précision, mais convient également aux matériaux et aux assemblages difficiles à souder par des procédés conventionnels.soudage laser.
Pour double poutresoudage laserNous aborderons d'abord les méthodes de mise en œuvre du laser à double faisceau. La littérature abondante montre qu'il existe deux principales méthodes pour réaliser le soudage à double faisceau : la focalisation par transmission et la focalisation par réflexion. La première consiste à ajuster l'angle et l'espacement de deux lasers à l'aide de miroirs de focalisation et de collimation. La seconde utilise une source laser, puis focalise le faisceau à travers des miroirs réfléchissants, des miroirs de transmission et des miroirs en forme de coin pour obtenir deux faisceaux. La première méthode se décline principalement en trois variantes. La première consiste à coupler deux lasers par des fibres optiques et à les séparer en deux faisceaux distincts sous un même miroir de collimation et un même miroir de focalisation. La deuxième consiste à faire sortir les faisceaux laser par les têtes de soudage respectives, et à former un double faisceau en ajustant la position spatiale de ces têtes. La troisième méthode consiste à séparer 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 modifiant l'angle des deux miroirs de focalisation 3 et 4. Une autre méthode consiste à utiliser un laser à semi-conducteurs pour diviser la lumière et obtenir deux faisceaux, puis à ajuster l'angle et l'espacement à l'aide d'un miroir de perspective et d'un miroir de focalisation. Les deux dernières images de la première rangée ci-dessous illustrent le système spectroscopique d'un laser CO₂. Le miroir plan est remplacé par un miroir en forme de coin, placé devant le miroir de focalisation pour diviser la lumière et obtenir deux faisceaux parallèles.
Après avoir compris la mise en œuvre des poutres doubles, présentons brièvement les principes et les méthodes de soudage. Dans le cas des poutres doublessoudage laserDans ce procédé, il existe trois configurations de faisceau courantes : en série, en parallèle et hybride. Le tissu est soumis à un espacement, c’est-à-dire qu’il existe une distance dans le sens du soudage et dans le sens vertical du soudage. Comme illustré dans la dernière ligne de la figure, selon les différentes formes de petits trous et de bains de fusion qui apparaissent en fonction de l’espacement des points de soudage lors du processus de soudage en série, on peut les subdiviser en bains de fusion individuels. Il existe trois états : bain de fusion, bain de fusion commun et bain de fusion séparé. Les caractéristiques des bains de fusion individuels et des bains de fusion séparés sont similaires à celles des bains de fusion individuels.soudage laser, comme le montre le diagramme de simulation numérique. Les effets du processus varient selon le type de procédé.
Type 1 : Sous un certain espacement entre les points de contact, deux faisceaux lumineux forment un grand trou de serrure commun dans le même bain de fusion ; pour le type 1, il est rapporté qu’un faisceau lumineux est utilisé pour créer un petit trou et que l’autre faisceau lumineux 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 : Augmenter l’espacement des points dans le même bain de fusion, séparer les deux faisceaux en deux trous de serrure indépendants et modifier le schéma d’écoulement du bain de fusion ; pour le type 2, sa fonction est équivalente à un soudage à deux faisceaux d’électrons, réduisant les projections de soudure et les soudures irrégulières à la distance focale appropriée.
Type 3 : Augmenter davantage l’espacement des points de soudage et modifier le rapport énergétique des deux faisceaux, de sorte que l’un des faisceaux serve de source de chaleur pour les opérations de pré-soudage ou de post-soudage, tandis que l’autre sert à créer de petits trous. L’étude a montré que, pour ce type 3, les deux faisceaux forment un trou de serrure, que le petit trou est résistant à l’affaissement et que la soudure présente peu de porosités.
2. Influence du procédé de soudage sur la qualité du soudage
Effet du rapport d'énergie du faisceau en série sur la formation du cordon de soudure
Lorsque la puissance du laser est de 2 kW, la vitesse de soudage de 45 mm/s, le défaut de mise au point de 0 mm et l'espacement des faisceaux de 3 mm, la morphologie de la surface de la soudure, pour différentes valeurs de RS (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00), est illustrée sur la figure. Pour RS = 0,50 et 2,00, la soudure présente des irrégularités plus importantes et davantage de projections sur ses bords, sans formation de motifs réguliers en écailles. Ceci s'explique par le fait qu'un rapport d'énergie du faisceau trop faible ou trop élevé entraîne une concentration excessive de l'énergie laser, provoquant une oscillation plus marquée du point d'impact du laser pendant le soudage. La pression de recul de la vapeur induit alors des projections de métal en fusion dans le bain de fusion. Un apport de chaleur excessif entraîne une profondeur de pénétration trop importante du bain de fusion du côté de l'alliage d'aluminium, créant un affaissement sous l'effet de la gravité. Lorsque RS = 0,67 et 1,50, le motif en écailles de poisson à la surface de la soudure est uniforme, la forme de la soudure est plus esthétique et aucune fissure à chaud, porosité ou autre défaut de soudage n'est visible. Les profils des sections transversales des soudures obtenues pour différents rapports d'énergie du faisceau RS sont présentés sur la figure. Ces sections transversales présentent une forme typique de « verre à vin », indiquant que le procédé de soudage est réalisé en mode de soudage laser à pénétration profonde. RS influe fortement sur la profondeur de pénétration P2 de la soudure côté alliage d'aluminium. Pour un rapport d'énergie du faisceau RS = 0,5, P2 est de 1 203,2 microns. Pour des rapports d'énergie du faisceau RS = 0,67 et 1,5, P2 est considérablement réduite, atteignant respectivement 403,3 microns et 93,6 microns. Pour un rapport d'énergie du faisceau RS = 2, la profondeur de pénétration de la soudure dans la section transversale de l'assemblage est de 1 151,6 microns.
Effet du rapport d'énergie du faisceau parallèle sur la formation du cordon de soudure
Lorsque la puissance du laser est de 2,8 kW, la vitesse de soudage de 33 mm/s, le défaut de mise au point de 0 mm et l'espacement des faisceaux de 1 mm, la surface de la soudure est obtenue en faisant varier le rapport d'énergie des faisceaux (RS = 0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4). L'aspect est illustré sur la figure. Pour RS = 2, le motif en écailles de poisson à la surface de la soudure est relativement irrégulier. Les surfaces de soudure obtenues avec les cinq autres rapports d'énergie des faisceaux sont bien formées et ne présentent aucun défaut visible tel que des porosités ou des projections. Par conséquent, comparée à la technique du double faisceau en série…soudage laserAvec un double faisceau parallèle, la surface de la soudure est plus uniforme et esthétique. Pour un rapport d'énergie des faisceaux (RS) de 0,25, une légère dépression apparaît. Lorsque ce rapport augmente progressivement (RS = 0,5, 0,67 et 1,5), la surface devient uniforme et aucune dépression n'est visible. Cependant, pour des rapports d'énergie supérieurs (RS = 1,50 et 2,00), des dépressions apparaissent. Pour des rapports RS de 0,25, 1,5 et 2, la section transversale de la soudure est en forme de verre à vin ; pour des rapports RS de 0,50, 0,67 et 1, elle est en forme d'entonnoir. À RS = 4, des fissures se forment à la base de la soudure, ainsi que des porosités dans sa partie médiane et inférieure. Enfin, pour RS = 2, de larges porosités apparaissent à l'intérieur de la soudure, sans toutefois présenter de fissures. Lorsque RS = 0,5, 0,67 et 1,5, la profondeur de pénétration P2 de la soudure côté alliage d'aluminium est plus faible, la section transversale de la soudure est bien formée et aucun défaut de soudure apparent n'apparaît. Ces résultats montrent que le rapport d'énergie du faisceau lors du soudage laser à double faisceau parallèle a également un impact important sur la pénétration et les défauts de soudure.
Poutre parallèle – l’effet de l’espacement des poutres sur la formation du cordon de soudure
Lorsque la puissance du laser est de 2,8 kW, la vitesse de soudage de 33 mm/s, le défocalisation de 0 mm et le rapport d'énergie du faisceau RS de 0,67, on fait varier l'espacement des faisceaux (d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) afin d'obtenir la morphologie de surface de la soudure illustrée. Pour d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm et 2 mm, la surface de la soudure est lisse et plane, et sa forme est esthétique ; le motif en écailles de poisson est régulier et bien visible, sans pores, fissures ni autres défauts apparents. Ainsi, pour ces quatre valeurs d'espacement, la surface de la soudure est bien formée. En revanche, pour d = 2 mm, deux soudures distinctes se forment, ce qui indique que les deux faisceaux laser parallèles n'agissent plus sur le bain de fusion et qu'il est impossible de réaliser une soudure hybride laser à double faisceau efficace. Lorsque l'écartement des faisceaux est de 0,5 mm, la soudure présente une forme conique, la profondeur de pénétration P2 côté alliage d'aluminium est de 712,9 microns et la soudure est exempte de fissures, de porosités et d'autres défauts. Au-delà de cet écartement, la profondeur de pénétration P2 côté alliage d'aluminium diminue significativement. Pour un écartement de 1 mm, elle n'est plus que de 94,2 microns. Si l'écartement augmente encore, la pénétration côté alliage d'aluminium devient inefficace. Par conséquent, l'effet de recombinaison du double faisceau est optimal pour un écartement de 0,5 mm. Au-delà de cet écartement, l'apport de chaleur de soudage diminue fortement et l'effet de recombinaison laser à deux faisceaux se dégrade progressivement.
La différence de morphologie de la soudure est due aux variations d'écoulement et de solidification du bain de fusion lors du soudage. La simulation numérique permet non seulement de rendre l'analyse des contraintes dans le bain de fusion plus intuitive, mais aussi de réduire les coûts expérimentaux. L'image ci-dessous illustre les modifications du bain de fusion latéral pour un faisceau unique, différentes configurations et espacements de points. Les principales conclusions sont les suivantes : (1) Lors du soudage à faisceau unique…soudage laserAu cours du processus, la profondeur du trou du bain de fusion est maximale, un phénomène d'effondrement se produit, la paroi du trou est irrégulière et la distribution du champ d'écoulement près de la paroi est hétérogène ; près de la surface arrière du bain de fusion, le reflux est important et un reflux ascendant se produit au fond du bain ; la distribution du champ d'écoulement en surface du bain de fusion est relativement uniforme et lente, et la largeur du bain de fusion est irrégulière en profondeur. Des perturbations sont causées par la pression de recul de la paroi dans le bain de fusion entre les petits trous dans le double faisceau.soudage laseret elle existe toujours dans le sens de la profondeur des petits trous. À mesure que la distance entre les deux faisceaux augmente, la densité d'énergie du faisceau passe progressivement d'un pic unique à un état à double pic. Il existe une valeur minimale entre les deux pics, et la densité d'énergie diminue progressivement. (2) Pour un faisceau doublesoudage 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 laserLorsque l'espacement des points d'impact est supérieur à 1 mm, les micro-trous sont complètement séparés et, durant le soudage, l'interaction entre les deux lasers est quasi nulle, ce qui équivaut à deux soudages laser mono-faisceau consécutifs/parallèles d'une puissance de 1750 W. L'effet de préchauffage est alors négligeable et le comportement du bain de fusion est similaire à celui du soudage laser mono-faisceau. (3) Lorsque l'espacement des points d'impact est compris entre 0,5 et 1 mm, la surface des parois des micro-trous est plus plane dans les deux configurations, leur profondeur diminue progressivement et leur fond se sépare peu à peu. La perturbation entre les micro-trous et l'écoulement du bain de fusion en surface est maximale à 0,8 mm. Lors d'un soudage en série, la longueur du bain de fusion augmente progressivement et sa largeur est maximale pour un espacement de 0,8 mm, où l'effet de préchauffage est également le plus marqué. L'effet de la force de Marangoni s'atténue progressivement, et davantage de métal liquide s'écoule de part et d'autre du bain de fusion. La largeur du bain de fusion est ainsi plus uniforme. Lors du soudage parallèle, la largeur du bain de fusion augmente progressivement, atteignant une longueur maximale de 0,8 mm, mais sans effet de préchauffage. Un reflux près de la surface, dû à la force de Marangoni, persiste, tandis que le reflux vers le bas au fond du petit orifice disparaît progressivement. Le champ d'écoulement transversal est moins favorable qu'en série, les perturbations affectent peu l'écoulement de part et d'autre du bain de fusion, et la largeur du bain de fusion est irrégulière.
Date de publication : 12 octobre 2023
