La méthode de soudage à double faisceau est proposée, principalement pour résoudre le problème d'adaptabilité desoudage laserPour une précision d'assemblage accrue, une meilleure stabilité du processus de soudage et une qualité de soudure supérieure, notamment pour le soudage de tôles minces et d'alliages d'aluminium, le soudage laser à double faisceau utilise des méthodes optiques pour séparer un même laser en deux faisceaux distincts. Il est également possible de combiner deux types de lasers différents : laser CO2, laser Nd:YAG et laser semi-conducteur haute puissance. En modifiant l'énergie, l'espacement et même la répartition de l'énergie des deux faisceaux, le champ thermique de soudage peut être ajusté facilement et avec précision, modifiant ainsi la porosité et l'écoulement du métal en fusion dans le bain de fusion. Cette technique offre une solution optimisée pour le processus de soudage. Le soudage laser à faisceau unique offre une plus grande flexibilité que le soudage laser à faisceau unique. Outre une forte pénétration, une vitesse élevée et une grande précision, il s'adapte parfaitement aux matériaux et aux assemblages difficiles à souder par laser conventionnel.
Principe desoudage laser à double faisceau
Le soudage à double faisceau consiste à utiliser simultanément deux faisceaux laser lors du processus de soudage. La disposition des faisceaux, leur espacement, l'angle entre eux, la position de focalisation et le rapport d'énergie des deux faisceaux sont autant de paramètres importants pour le soudage laser à double faisceau. Généralement, deux configurations sont possibles lors du soudage. La première consiste à aligner les faisceaux en série dans le sens de soudage. Cette configuration permet de réduire la vitesse de refroidissement du bain de fusion, limitant ainsi la tendance à la trempe de la soudure et la formation de porosités. La seconde consiste à aligner les faisceaux côte à côte ou en croix de part et d'autre de la soudure afin d'améliorer l'adaptation aux jeux de soudure.
Principe de soudage laser à double faisceau
Le soudage à double faisceau consiste à utiliser simultanément deux faisceaux laser lors du processus de soudage. La disposition des faisceaux, leur espacement, l'angle entre eux, la position de focalisation et le rapport d'énergie des deux faisceaux sont autant de paramètres importants pour le soudage laser à double faisceau. Généralement, deux configurations sont possibles lors du soudage. La première consiste à aligner les faisceaux en série dans le sens de soudage. Cette configuration permet de réduire la vitesse de refroidissement du bain de fusion, limitant ainsi la tendance à la trempe de la soudure et la formation de porosités. La seconde consiste à aligner les faisceaux côte à côte ou en croix de part et d'autre de la soudure afin d'améliorer l'adaptation aux jeux de soudure.
Pour un système de soudage laser à double faisceau disposé en tandem, il existe trois mécanismes de soudage différents en fonction de la distance entre les faisceaux avant et arrière, comme illustré dans la figure ci-dessous.
1. Dans le premier type de procédé de soudage, la distance entre les deux faisceaux lumineux est relativement importante. Un faisceau, à haute densité énergétique, est focalisé sur la surface de la pièce pour créer des micro-perforations dans la soudure ; l’autre faisceau, à plus faible densité énergétique, sert uniquement de source de chaleur pour les traitements thermiques avant ou après soudage. Ce procédé permet de contrôler la vitesse de refroidissement du bain de fusion, ce qui est avantageux pour le soudage de matériaux sensibles à la fissuration, tels que l’acier à haute teneur en carbone et l’acier allié, et améliore également la ténacité de la soudure.
2. Dans le second type de procédé de soudage, la distance focale entre les deux faisceaux lumineux est relativement faible. Ces deux faisceaux créent deux zones de fusion distinctes dans le bain de fusion, ce qui modifie l'écoulement du métal liquide et contribue à prévenir le grippage. Ce procédé permet d'éliminer les défauts tels que les bavures et les boursouflures sur les cordons de soudure et d'améliorer la qualité de la soudure.
3. Dans le troisième type de procédé de soudage, la distance entre les deux faisceaux lumineux est très faible. Ces deux faisceaux créent alors un même trou de serrure dans le bain de fusion. Comparé au soudage laser à faisceau unique, ce procédé offre une meilleure stabilité grâce à un trou de serrure plus large et plus difficile à refermer. L'évacuation des gaz est ainsi facilitée, ce qui réduit les porosités et les projections et permet d'obtenir des soudures continues, uniformes et esthétiques.
Lors du soudage, les deux faisceaux laser peuvent être orientés selon un angle précis. Le mécanisme de soudage est similaire à celui du soudage à double faisceau parallèle. Les tests montrent qu'avec deux lasers OO haute puissance, inclinés à 30° et espacés de 1 à 2 mm, on obtient un trou de serrure en forme d'entonnoir. Ce trou de serrure, plus large et plus stable, améliore la qualité de la soudure. En pratique, la combinaison des deux faisceaux peut être adaptée aux différentes conditions de soudage pour obtenir divers procédés.
6. Méthode de mise en œuvre du soudage laser à double faisceau
L'acquisition de faisceaux doubles peut être obtenue en combinant deux faisceaux laser différents, ou en divisant un faisceau laser en deux pour le soudage à l'aide d'un système de spectrométrie optique. Pour séparer un faisceau lumineux en deux faisceaux laser parallèles de puissances différentes, on peut utiliser un spectroscope ou un système optique spécifique. L'image présente deux schémas illustrant les principes de séparation de la lumière à l'aide de miroirs de focalisation.
De plus, un réflecteur peut également servir de séparateur de faisceau, et le dernier réflecteur du trajet optique peut être utilisé à cette fin. Ce type de réflecteur est aussi appelé réflecteur en forme de toit. Sa surface réfléchissante n'est pas plane, mais constituée de deux plans. La ligne d'intersection de ces deux plans se situe au milieu de la surface du miroir, à la manière d'une arête de toit, comme illustré sur la figure. Un faisceau de lumière parallèle, incident sur le spectroscope, est réfléchi par les deux plans sous des angles différents pour former deux faisceaux lumineux, lesquels convergent vers des points distincts du miroir de focalisation. Après focalisation, deux faisceaux lumineux sont obtenus à une certaine distance sur la surface de la pièce à usiner. En modifiant l'angle entre les deux surfaces réfléchissantes et la position du toit, il est possible d'obtenir des faisceaux lumineux séparés avec différentes distances focales et configurations.
Lors de l'utilisation de deux types différents defaisceaux laser tPour former un double faisceau, de nombreuses combinaisons sont possibles. Un laser CO2 de haute qualité à distribution d'énergie gaussienne peut être utilisé pour le soudage principal, tandis qu'un laser semi-conducteur à distribution d'énergie rectangulaire peut être utilisé pour le traitement thermique. Cette combinaison est d'une part plus économique. D'autre part, la puissance des deux faisceaux lumineux peut être ajustée indépendamment. Pour différentes configurations d'assemblage, un champ de température ajustable peut être obtenu en modifiant la position de superposition du laser CO2 et du laser semi-conducteur, ce qui est particulièrement adapté au contrôle du processus de soudage. De plus, il est possible de combiner un laser YAG et un laser CO2 en un double faisceau pour le soudage, de combiner un laser continu et un laser pulsé, ou encore un faisceau focalisé et un faisceau défocalisé.
7. Principe du soudage laser à double faisceau
3.1 Soudage laser à double faisceau de tôles galvanisées
La tôle d'acier galvanisée est le matériau le plus couramment utilisé dans l'industrie automobile. Le point de fusion de l'acier est d'environ 1500 °C, tandis que le point d'ébullition du zinc n'est que de 906 °C. Par conséquent, lors du soudage par fusion, une grande quantité de vapeur de zinc est généralement générée, ce qui rend le processus de soudage instable et provoque la formation de porosités dans la soudure. Pour les joints à recouvrement, la volatilisation de la couche galvanisée se produit non seulement sur les faces supérieure et inférieure, mais aussi à la surface du joint. Pendant le soudage, la vapeur de zinc s'échappe rapidement de la surface du bain de fusion dans certaines zones, tandis que dans d'autres, elle peine à s'en échapper. La qualité de la soudure est alors très irrégulière à la surface du bain.
Le soudage laser à double faisceau permet de résoudre les problèmes de qualité de soudage liés aux vapeurs de zinc. Une méthode consiste à contrôler la durée de vie et la vitesse de refroidissement du bain de fusion en ajustant l'énergie des deux faisceaux afin de faciliter l'évacuation des vapeurs de zinc. Une autre méthode consiste à libérer ces vapeurs par un pré-perçage ou un rainurage. Comme illustré sur la figure 6-31, un laser CO₂ est utilisé pour le soudage. Un laser YAG, placé en amont du laser CO₂, sert à percer des trous ou à réaliser des rainures. Ces pré-perçages ou rainures offrent une voie d'évacuation aux vapeurs de zinc générées lors du soudage, les empêchant ainsi de rester dans le bain de fusion et de former des défauts.
3.2 Soudage laser à double faisceau d'alliage d'aluminium
En raison des propriétés particulières des alliages d'aluminium, le soudage laser présente les difficultés suivantes [39] : l'alliage d'aluminium absorbe peu le laser et la réflectivité initiale de la surface du faisceau laser CO2 dépasse 90 % ; les cordons de soudure laser en alliage d'aluminium sont sujets à la porosité, aux fissures et à la combustion des éléments d'alliage pendant le soudage. Le soudage laser à faisceau unique rend difficile l'établissement du trou de serrure et le maintien de sa stabilité. Le soudage laser à double faisceau permet d'augmenter la taille du trou de serrure, ce qui rend sa fermeture plus difficile et favorise l'évacuation des gaz. Il permet également de réduire la vitesse de refroidissement et l'apparition de porosités et de fissures. Grâce à une plus grande stabilité du processus de soudage et à une réduction des projections, la qualité de la surface de soudure obtenue par soudage à double faisceau des alliages d'aluminium est nettement supérieure à celle obtenue par soudage à faisceau unique. La figure 6-32 illustre l'aspect du cordon de soudure d'un alliage d'aluminium de 3 mm d'épaisseur, soudé bout à bout avec un laser CO2 à faisceau unique et à faisceau double.
Les recherches montrent que lors du soudage d'un alliage d'aluminium de la série 5000 de 2 mm d'épaisseur, lorsque la distance entre les deux faisceaux est de 0,6 à 1,0 mm, le processus de soudage est relativement stable et l'ouverture du trou de serrure est plus importante, ce qui favorise l'évaporation et l'évacuation du magnésium pendant le soudage. Si la distance entre les deux faisceaux est trop faible, le soudage d'un seul faisceau est instable. Si elle est trop importante, la pénétration de la soudure est affectée, comme illustré sur la figure 6-33. De plus, le rapport d'énergie des deux faisceaux a également un impact important sur la qualité du soudage. Lorsque deux faisceaux espacés de 0,9 mm sont disposés en série pour le soudage, l'énergie du faisceau précédent doit être augmentée de manière appropriée afin que le rapport d'énergie entre les deux faisceaux soit supérieur à 1:1. Ceci permet d'améliorer la qualité du cordon de soudure, d'augmenter la zone de fusion et d'obtenir un cordon lisse et esthétique, même à vitesse de soudage élevée.
3.3 Soudage à double faisceau de tôles d'épaisseur inégale
En production industrielle, il est souvent nécessaire de souder deux ou plusieurs plaques métalliques d'épaisseurs et de formes différentes pour former une plaque assemblée. Dans le secteur automobile notamment, l'utilisation de flans soudés sur mesure se généralise. Le soudage de plaques aux spécifications, revêtements de surface ou propriétés différents permet d'accroître la résistance, de réduire les consommables et d'optimiser la qualité. Le soudage laser de plaques d'épaisseurs différentes est couramment utilisé pour le soudage de panneaux. Une difficulté majeure réside dans la nécessité de préformer les plaques à souder avec des bords de haute précision et de garantir un assemblage précis. Le soudage à double faisceau de plaques d'épaisseurs inégales permet de s'adapter aux variations d'écartement, de joints bout à bout, d'épaisseurs relatives et de matériaux. Il permet de souder des plaques avec des tolérances d'écartement et de bord plus importantes, et d'améliorer la vitesse et la qualité du soudage.
Les principaux paramètres du procédé de soudage de plaques d'épaisseurs inégales de Shuangguangdong se divisent en paramètres de soudage et paramètres des plaques, comme illustré sur la figure. Les paramètres de soudage comprennent la puissance des deux faisceaux laser, la vitesse de soudage, la position du foyer, l'angle de la tête de soudage, l'angle de rotation du faisceau pour l'assemblage bout à bout à double faisceau et le décalage de soudage. Les paramètres des plaques incluent les dimensions du matériau, ses caractéristiques, les conditions de découpe et les jeux entre les plaques. La puissance des deux faisceaux laser peut être ajustée séparément en fonction des besoins de soudage. Le foyer est généralement situé sur la surface de la plaque la plus fine afin d'obtenir un processus de soudage stable et efficace. L'angle de la tête de soudage est généralement d'environ 6°. Si l'épaisseur des deux plaques est relativement importante, un angle de tête de soudage positif peut être utilisé (le laser est alors incliné vers la plaque la plus fine), comme illustré sur la figure ; si l'épaisseur de la plaque est relativement faible, un angle de tête de soudage négatif peut être utilisé. Le décalage de soudage correspond à la distance entre le foyer du laser et le bord de la plaque la plus épaisse. En ajustant le décalage de soudage, on peut réduire la quantité de déformation de la soudure et obtenir une bonne section transversale de soudure.
Lors du soudage de plaques présentant de grands interstices, il est possible d'augmenter le diamètre effectif de chauffage du faisceau en faisant pivoter l'angle du double faisceau afin d'obtenir un bon remplissage des interstices. La largeur de la partie supérieure de la soudure est déterminée par le diamètre effectif des deux faisceaux laser, c'est-à-dire par leur angle de rotation. Plus cet angle est grand, plus la zone de chauffage du double faisceau est étendue et plus la partie supérieure de la soudure est large. Les deux faisceaux laser jouent des rôles distincts dans le processus de soudage. L'un sert principalement à pénétrer le joint, tandis que l'autre sert principalement à faire fondre le matériau de la plaque épaisse pour combler l'interstice. Comme illustré sur la figure 6-35, avec un angle de rotation positif (le faisceau avant agit sur la plaque épaisse, le faisceau arrière sur la soudure), le faisceau avant chauffe et fait fondre le matériau de la plaque épaisse, tandis que le faisceau arrière assure la pénétration. Le premier faisceau laser, situé à l'avant, ne fait fondre que partiellement la tôle épaisse, mais il contribue grandement au processus de soudage. En effet, il fond non seulement le côté de la tôle pour un meilleur remplissage des interstices, mais il pré-assemble également le matériau du joint, facilitant ainsi le soudage par les faisceaux suivants et permettant une soudure plus rapide. En soudage à double faisceau avec un angle de rotation négatif (le faisceau avant agit sur la soudure et le faisceau arrière sur la tôle épaisse), les deux faisceaux ont un effet exactement inverse. Le premier faisceau fond le joint, tandis que le second fond la tôle épaisse pour combler l'interstice. Dans ce cas, le faisceau avant doit souder à travers la tôle froide, et la vitesse de soudage est plus lente qu'avec un angle de rotation positif. De plus, grâce à l'effet de préchauffage du premier faisceau, le second faisceau fera fondre une plus grande quantité de matériau de la tôle épaisse à puissance égale. Il convient donc de réduire la puissance du second faisceau laser. En revanche, un angle de rotation positif permet d'augmenter la vitesse de soudage, et un angle de rotation négatif permet un meilleur remplissage des interstices. La figure 6-36 montre l'influence de différents angles de rotation du faisceau sur la section transversale de la soudure.
3.4 Soudage laser à double faisceau de tôles épaisses de grande taille. Grâce à l'amélioration de la puissance et de la qualité du faisceau laser, le soudage laser de tôles épaisses de grande taille est désormais possible. Cependant, le coût élevé des lasers de forte puissance et le recours fréquent à un métal d'apport pour ce type de soudage imposent certaines limitations à la production. L'utilisation de la technologie de soudage laser à double faisceau permet non seulement d'accroître la puissance du laser, mais aussi d'augmenter le diamètre effectif du faisceau de chauffage, d'améliorer la fusion du fil d'apport, de stabiliser le point d'impact du laser, d'améliorer la stabilité et la qualité du soudage.
Date de publication : 29 avril 2024
