Soudage laser – Influence des paramètres d’oscillation sur le soudage laser en mode annulaire ajustable (ARM) des alliages d’aluminium

Soudage laser – Influence des paramètres d’oscillation sur le soudage laser en mode annulaire ajustable (ARM) des alliages d’aluminium

1. Résumé

Cette étude examine les effets de l'amplitude et de la fréquence d'oscillation sur la qualité de surface, les macro et microstructures, et la porosité du mode annulaire ajustable (ARM).soudage oscillant au laserPlaques en alliage d'aluminium A5083. Les résultats montrent qu'une augmentation de l'amplitude et de la fréquence d'oscillation améliore la qualité de la surface de la soudure. Lorsque l'amplitude augmente, la section transversale de la soudure passe d'une forme en « gobelet » à une forme en « croissant ». L'analyse microstructurale indique que la taille des grains de la soudure ne diminue pas avec l'augmentation de l'amplitude et de la fréquence d'oscillation, en raison de la compétition entre l'effet de brassage et la réduction de la vitesse de refroidissement. La porosité de la soudure diminue avec l'augmentation des paramètres d'oscillation, atteignant une porosité finale de 0,22 % pour une amplitude de 2 mm. La tomographie aux rayons X tridimensionnelle confirme l'influence de l'oscillation sur la distribution des pores : les gros pores ont tendance à s'agréger derrière le bain de fusion, tandis que les petits pores présentent une meilleure symétrie. Cette recherche apporte des informations précieuses pour l'optimisation des paramètres d'oscillation afin d'obtenir un soudage laser de haute qualité pour les applications en alliage d'aluminium A5083.

2 Contexte industriel

Les alliages d'aluminium présentent l'avantage d'être légers, d'avoir une résistance spécifique élevée et une bonne résistance à la corrosion, et sont largement utilisés dans l'automobile, le ferroviaire à grande vitesse, l'aérospatiale et d'autres secteurs industriels. Le soudage laser offre les avantages d'une grande efficacité, d'une zone affectée thermiquement réduite et de faibles déformations. Par conséquent,Le soudage laser est une méthode de soudage économique adaptée aux plaques épaisses.Ce procédé permet de réduire considérablement le nombre de passes de soudage. La porosité constitue un défaut majeur du soudage laser des alliages d'aluminium, affectant fortement les propriétés mécaniques des joints soudés. C'est pourquoi de nombreuses études ont été menées pour réduire et éliminer la formation de porosités, notamment par l'optimisation du gaz de protection, l'application de la technologie à double faisceau, l'utilisation de systèmes laser à puissance modulée et l'adoption de méthodes de soudage par faisceau oscillant. La technologie de soudage laser oscillant se distingue par sa capacité à combiner les avantages du soudage laser classique avec ses propres caractéristiques. Son utilisation permet non seulement de réduire la porosité, mais aussi d'améliorer la microstructure de la soudure et d'en accroître la qualité. De nombreuses études ont porté principalement sur divers aspects du soudage laser oscillant, tels que la réduction de la porosité, l'optimisation de la distribution d'énergie, l'affinage de la structure granulaire et la caractérisation de l'écoulement du métal en fusion dans le bain de fusion. La distribution de l'énergie laser joue un rôle crucial dans la distribution de température et la profondeur de pénétration du soudage laser. À une certaine amplitude d'oscillation, avec l'augmentation de la fréquence de balayage, le processus de soudage évolue d'un soudage à pénétration profonde à un soudage instable, puis à un soudage par conduction thermique. Les résultats montrent qu'augmenter l'amplitude et la fréquence de balayage permet de réduire la porosité, mais diminue également la profondeur de pénétration de la soudure, ce qui altère ses propriétés mécaniques. Ces dernières années, un laser à mode annulaire ajustable (ARM) a été développé. Ce laser divise l'énergie en un cœur à haute densité d'énergie et un anneau à faible densité d'énergie, afin de stabiliser le trou de serrure et d'améliorer la qualité de la soudure. Des chercheurs ont utilisé le soudage oscillant par laser ARM pour souder des alliages d'aluminium haute résistance de la série 6xxx, en faisant varier le rapport de puissance cœur/anneau et la largeur d'oscillation. Les résultats expérimentaux indiquent que le principal facteur influençant la géométrie de la soudure est la largeur d'oscillation, et non le rapport de puissance cœur/anneau. Cependant, la distribution des pores et son mécanisme d'inhibition sous l'effet combiné de l'oscillation et du laser ARM n'ont pas encore été étudiés. Cet article présente une nouvelle technologie de soudage oscillant par laser ARM, permettant de réduire la porosité de la soudure, d'obtenir une profondeur de pénétration plus importante et une meilleure qualité de soudure. Une étude exhaustive de la distribution de l'énergie laser, du comportement dynamique du bain de fusion et de la microstructure sous différentes fréquences et amplitudes d'oscillation est réalisée.

3. Objectifs et procédures expérimentales

La technologie de soudage par laser oscillant circulaire a été utilisée pour souder des alliages d'aluminium. Le matériau de base (MB) était un alliage d'aluminium 5083-O de dimensions 300 mm × 100 mm × 5 mm (longueur × largeur × épaisseur), dont la composition chimique est présentée dans le tableau. Avant le soudage, les échantillons ont été polis pour éliminer la couche d'oxyde superficielle, puis nettoyés à l'acétone dans un bain à ultrasons pendant 15 minutes afin d'éliminer les traces d'huile en surface.système de soudage laserLe système se compose principalement d'un robot Kuka, d'un laser à disque TruDisk 8001 et d'un scanner galvanométrique 3D PFO. Le laser à disque TruDisk 8001 est utilisé comme source laser à mode annulaire ajustable, avec un rapport fibre cœur/anneau de 100/400 μm et une puissance de sortie maximale de 8 kW (longueur d'onde de 1030 nm, paramètre de qualité de faisceau de 4,0 mm·rad). Le faisceau laser est composé d'une partie centrale et d'une partie annulaire. Le laser de la partie centrale génère un effet de trou de serrure (60 % de l'énergie laser), tandis que celui de la partie annulaire assure une bonne distribution de température (40 % de l'énergie laser), comme illustré sur la figure (b). Les distances focales du collimateur et de la lentille de focalisation sont respectivement de 138 mm et 450 mm. Lors du soudage, une caméra haute vitesse Phantom V1840 et une source lumineuse haute fréquence Cavilux ont été utilisées pour surveiller le processus en temps réel, à une vitesse d'acquisition de 5 000 images par seconde et un temps d'exposition de 1 µs. Dans cette étude, la trajectoire d'oscillation du faisceau circulaire, le trajet du laser et la vitesse instantanée sont définis comme indiqué sur la figure.

4. Résultats et discussion

4.1 Caractéristiques morphologiques des soudures. La figure présente la morphologie des surfaces de soudure obtenues sous différents modes d'oscillation laser. Les résultats montrent que la surface de soudure conventionnelle en ligne droite est rugueuse (rugosité de 78,01 μm), avec une faible continuité des ondulations et une extension insuffisante du cordon. On observe également une formation de soudure insuffisante, des projections importantes et des caniveaux. Avec l'augmentation de l'amplitude et de la fréquence d'oscillation, la surface de soudure présente un aspect en écailles de poisson dense et uniforme. La rugosité de surface des soudures avec des amplitudes d'oscillation de 0,5 mm, 1 mm et 2 mm est respectivement de 80,71 μm, 49,63 μm et 31,12 μm. Aucune irrégularité ni protubérance due aux projections n'est observée. Ces résultats indiquent qu'une fréquence d'oscillation plus élevée induit un écoulement du bain de fusion plus régulier, un brassage plus efficace par le faisceau laser et une surface de soudure plus lisse. Fondamentalement, la forme de la soudure laser est directement liée au mouvement du faisceau laser. Lors du soudage, les variations d'amplitude et de fréquence d'oscillation modifient la vitesse de soudage, influençant ainsi la densité d'énergie linéaire et l'apport thermique total du laser. La morphologie en coupe transversale de la soudure est en forme de gobelet, composée de deux parties : la partie inférieure, la « tige », et la partie supérieure, la « cuve ». La profondeur de pénétration et la « tige » sont respectivement notées H1 et H2, et les largeurs de la soudure (« cuve ») et de la « tige », respectivement W1 et W2. Les largeurs W1 et W2 augmentent de façon synchrone avec l'amplitude d'oscillation, et la morphologie de la soudure évolue progressivement d'une forme de gobelet à une forme de croissant. La densité d'énergie laser maximale est atteinte au point de superposition des trajectoires. En comparant les figures (b, d) et (c, e), on constate que l'augmentation de la fréquence de balayage accroît la zone de recouvrement de la trajectoire le long du trajet de balayage, ce qui uniformise la distribution de l'énergie laser. Cependant, la réduction de la densité d'énergie maximale entraîne une diminution de la profondeur de soudure.

4.2 Comportement du bain de fusion. Afin de clarifier l'influence de la trajectoire de balayage sur le comportement du bain de fusion, un système de caméra haute vitesse a été utilisé pour observer l'évolution du bain de fusion et du trou de serrure. La figure (a) illustre l'évolution du bain de fusion lors d'un balayage rectiligne. Les figures (b, f) représentent les diagrammes d'évolution du bain de fusion pour différents paramètres d'oscillation. L'augmentation de la fréquence et de l'amplitude d'oscillation entraîne un arrondi de la partie arrière du bain de fusion, dû à son élargissement. À mesure que la longueur du bain de fusion augmente, les fluctuations de surface causées par l'éruption du trou de serrure diminuent lors de la propagation vers l'arrière. Par conséquent, le métal liquide se solidifie de manière régulière et homogène à l'extrémité arrière du bain de fusion, formant des écailles de soudure uniformes et denses. La figure montre l'évolution de la surface d'ouverture du trou de serrure pendant le soudage laser, d'après les images photographiques haute vitesse du bain de fusion. Comme le montre la figure (a), lors du soudage en ligne droite, la taille de l'ouverture du trou de serrure présente des fluctuations importantes. Plusieurs fermetures complètes du trou de serrure (0 mm²) ont été observées, avec une surface d'ouverture moyenne de 0,47 mm². L'augmentation de l'amplitude d'oscillation permet de réduire les fluctuations et d'améliorer la stabilité. En effet, lors du soudage oscillant, une plus grande proportion d'énergie est répartie de part et d'autre. Par conséquent, l'orifice du trou de serrure s'élargit et l'amplitude d'oscillation augmente, ce qui accroît sa surface d'ouverture. L'augmentation d'amplitude élargit la zone d'agitation du faisceau laser, entraînant une augmentation du rayon du mouvement périodique du trou de serrure. Du fait de la viscosité du métal en fusion et de la pression hydrodynamique agissant près de la paroi du trou de serrure, des courants de Foucault se produisent dans le bain de fusion à proximité de l'ouverture. L'élargissement de la surface d'ouverture du trou de serrure renforce sa stabilité, évite la formation de bulles et réduit ainsi considérablement la porosité.

4.3 Microstructure. La figure présente la morphologie EBSD de la section transversale de la soudure pour différentes fréquences et amplitudes d'oscillation. À proximité de la ligne de fusion de la soudure laser, des grains dendritiques colonnaires croissent vers le centre de la soudure. Comme illustré sur la figure (a), on observe des différences notables dans la distribution des grains colonnaires entre les zones de « cuvette » et de « tige ». Dans la zone de « cuvette », les grains colonnaires sont distribués en forme de U le long de la paroi, tandis que dans la zone de « tige », ils sont distribués en forme de U le long de la ligne de fusion. Lors de la solidification de la soudure, les grains partiellement solidifiés dans la zone de fusion servent de sites de nucléation pour le front de solidification et croissent préférentiellement perpendiculairement à la limite du bain de fusion, dans la direction du gradient de température maximal. Ce phénomène s'explique par la forte densité de puissance du laser, qui entraîne une surchauffe du bain de fusion. Le gradient thermique G élevé et la vitesse de croissance R modérée font que le rapport G/R dépasse le seuil de transformation de la microstructure, ce qui conduit à la formation de grains colonnaires. Le gradient de température G au centre de la soudure diminue, ce qui entraîne une chute progressive du rapport G/R en dessous du seuil de transformation microstructurale, induisant une transition vers des grains équiaxes. Ces grains équiaxes sont situés dans les parties centrales du « creux » et de la « tige ». La « tige » de la soudure, étroite et proche du matériau de base, se solidifie complètement avant la zone du « creux » lors du refroidissement. La partie solidifiée de la « tige » agit comme site de nucléation au fond du « creux », favorisant la croissance ascendante des grains colonnaires. La figure illustre les procédés de soudage en ligne droite et oscillant. Elle montre que la variation continue de la position du faisceau laser lors du soudage oscillant augmente la longueur du bain de fusion intermédiaire, refondant le métal déjà solidifié et entraînant une diminution de la vitesse de croissance des grains r. Ceci peut conduire à une diminution du rapport G/R dans la zone inférieure à grains équiaxes.

4.4 Distribution de la porosité. La tomographie tridimensionnelle aux rayons X a permis une inspection complète de la soudure, révélant la distribution tridimensionnelle des pores (voir figure). La porosité est calculée en divisant le volume total des pores par le volume total de la soudure. La comparaison de la morphologie et de la distribution des pores des soudures oscillantes laser rectilignes et circulaires montre que les premières présentent une porosité plus importante (2,49 %), nettement supérieure à celle des secondes.soudures oscillantes au laserEn comparant les figures (b, c) et (d, e), on constate qu'augmenter la fréquence d'oscillation contribue à inhiber la formation de pores. La comparaison des figures (b, d) et (c, e) montre également que l'augmentation de l'amplitude d'oscillation joue un rôle significatif dans cette inhibition. Lorsque l'amplitude d'oscillation est portée à 2 mm (figure (f)), la porosité est réduite à 0,22 %, ne laissant subsister que des pores de faible volume et de petite taille. La figure illustre la distribution de la surface des pores à différentes distances de l'axe de soudure, représentant la porosité en fonction de la taille des pores. Pour le soudage en ligne droite, la surface des pores est distribuée symétriquement le long de l'axe de soudure et diminue progressivement avec la distance à cet axe. Les résultats indiquent que les pores induits par le trou de serrure sont principalement concentrés derrière le bord du bain de fusion, au niveau de l'axe de soudure. Pour le soudage par oscillation laser, la symétrie de la distribution des pores est moins marquée. La figure illustre la surface des pores à différentes distances de la surface de soudure, la ligne rouge représentant la limite entre les zones de « cuvette » et de « tige ». En présence de pores de grande taille prédominants (figures (ac)), la surface des pores située au-dessus de cette limite représente plus de 85 %. Ceci s’explique par le fait que la transition de contour au niveau de la limite longitudinale favorise le piégeage des bulles dans le bain de fusion, lesquelles ont tendance à remonter sous l’effet de la poussée d’Archimède. En présence de pores de petite taille prédominants (figures (df)), les pores sont concentrés dans la zone située à moins de 0,5 mm sous la limite. Ce phénomène pourrait être dû à un temps de refroidissement court et à un faible déplacement ascendant.

5 Conclusions

(1) Les différents modes d'oscillation du laser ont des effets notables sur la surface de la soudure. Une amplitude et une fréquence plus élevées peuvent améliorer la qualité de la surface, tandis que des paramètres d'oscillation excessivement élevés peuvent accroître la rugosité et provoquer des défauts concaves.

(2) La forme de la soudure est principalement déterminée par les paramètres d'oscillation du laser, qui influent sur la vitesse de soudage, la répartition de l'énergie et l'apport thermique total. Avec l'augmentation de l'amplitude d'oscillation, la morphologie de la soudure passe d'une forme en « gobelet » à une forme en « croissant », et son rapport d'aspect diminue.

(3) L'augmentation de l'amplitude et de la fréquence d'oscillation entraîne un élargissement du bain de fusion et un arrondi de sa partie arrière. Cet effet d'oscillation accroît la longueur du bain de fusion, favorisant ainsi l'évacuation des bulles et une solidification uniforme. Lors du soudage en ligne droite, la surface d'ouverture du trou de serrure fluctue ; en réduisant cette fluctuation, on améliore la stabilité de la soudure.

(4) L'augmentation de l'amplitude et de la fréquence d'oscillation réduit le gradient thermique et la vitesse de croissance, ce qui favorise la formation de gros grains. Cependant, l'agitation laser contribue à affiner la taille des grains et à améliorer la résistance de la texture. Sous différents paramètres laser, la dureté de la soudure reste relativement stable, légèrement inférieure à celle du matériau de base, probablement en raison des pertes par évaporation du magnésium.

(5) La tomographie tridimensionnelle aux rayons X montre que le soudage en ligne droite présente une porosité plus élevée (2,49 %) et un volume poreux plus important que le soudage oscillant. L'augmentation des paramètres d'oscillation permet de réduire significativement la porosité, jusqu'à 0,22 % pour une amplitude de 2 mm. La distribution des pores se modifie avec l'oscillation : les grands pores se regroupent derrière le bain de fusion, tandis que les petits pores présentent une meilleure symétrie. Les grands pores sont principalement situés au-dessus de la limite entre les zones « cuvette » et « tige », tandis que les petits pores sont concentrés en dessous.