1. Principe du soudage laser : interaction entre matériaux
Le traitement laser des matériaux métalliques repose principalement sur le traitement thermique de l'effet photothermique. Lorsque le laser irradie la surface du matériau, divers changements se produisent dans la surface du matériau sous différentes densités de puissance. Ces changements incluent l'augmentation de la température de surface, la fusion, la vaporisation, la formation de trous de serrure et la génération de plasma photo-induit. De plus, les changements dans l’état physique de la surface du matériau affectent grandement l’absorption du laser par le matériau. En général, plus la température est élevée, plus le taux d’absorption du matériau par le laser est élevé. Avec l’augmentation de la densité de puissance et du temps d’action, les matériaux métalliques subiront les changements d’état physique suivants.
Le cœur du soudage laser est composé de deux éléments : le transfert de chaleur et la conduction thermique. Le transfert de chaleur est lié à la source de chaleur, à la densité de puissance et à l'énergie de la ligne. La conduction thermique est principalement liée à la dissipation thermique et à la vitesse de transfert de chaleur du matériau, qui appartiennent aux propriétés inhérentes du matériau, et peuvent généralement être affinées par des appareils de refroidissement par eau et un flux de gaz de protection. Dans le processus de soudage, la source de chaleur, la densité de puissance et l'énergie de ligne sont principalement ajustées. Les paramètres du processus impliqués sont : le diamètre du noyau laser, la puissance, la vitesse, la défocalisation, etc.
Il existe deux principaux types de soudage laser selon le taux d’absorption du procédé de soudage. L'un est le soudage thermoconducteur (rapport profondeur/largeur < 1, taux d'absorption laser de la lumière rouge inférieur à 20 %, différentes longueurs d'onde présentent des différences). L'autre est le soudage par pénétration profonde (rapport profondeur/largeur > 1, le taux d'absorption est supérieur au taux d'absorption du bain de fusion du matériau, supérieur à 60 %, principalement l'absorption par réflexion multiple du laser dans le trou de serrure).
Soudage par conduction thermique laser :
Un rayonnement laser différent entraînera différents changements dans l'état du matériau, ce qui se reflète dans le processus de soudage par deux modes de soudage typiques : le soudage par conductivité thermique au laser et le soudage par pénétration profonde au laser. Le processus de transfert de chaleur, le mécanisme de formation des soudures, les caractéristiques technologiques et le domaine d'application des deux sont très différents.
Mode de soudage par conduction thermique laser :
Lors du soudage par conduction thermique, l'irradiance laser sur la surface de la pièce est comprise entre 10E4 et 10E6W/cm. L'énergie laser est absorbée par la fine couche de la couche superficielle de 10 à 100 m, et l'énergie laser de la couche superficielle est transmise à l'intérieur du matériau par conduction thermique, et le laser ne peut pas être directement touché. Après une certaine période d'irradiation laser, la surface atteint la fusion, et cet isotherme de fusion se propage profondément dans le matériau, et la température de surface continue d'augmenter. Cependant, la température la plus élevée ne peut atteindre que le point d'ébullition du matériau, et plus la température est élevée, le matériau se vaporisera pour former une fosse. Le processus de soudage par conduction thermique stable sera endommagé, le bain de fusion oscillera et le matériau sera brûlé. Généralement, le soudage par conduction thermique est principalement utilisé dans des tôles minces, et cette situation doit être éliminée. Avec le mouvement relatif du faisceau laser et de la pièce, une soudure peu profonde et large est formée, comme le montre la figure ci-dessous. Le rapport profondeur/largeur de la soudure est faible et la largeur de la soudure est généralement plus de 2 fois la profondeur de pénétration. La figure suivante montre le profil d'une soudure par conductivité thermique laser typique, et la forme de la soudure est approximativement hémisphérique.
Soudage à pénétration profonde au laser :
Lorsque l'irradiance est supérieure à 10E7W/cm, la surface du matériau fond et se vaporise sous l'action du laser, et la pression de recul de vapeur générée impacte le bassin fondu vers le bas pour former le trou de serrure. Le faisceau lumineux agit directement sur le fond du trou de serrure, faisant fondre et vaporiser davantage le métal. Du gaz à haute pression est continuellement généré depuis l’intérieur du trou de serrure et éclate continuellement vers l’extérieur, approfondissant ainsi davantage le trou. Le faisceau va également de plus en plus profondément et la source de chaleur laser agit également à l’intérieur du matériau, transférant la chaleur de l’intérieur du trou de serrure au matériau pour former une zone affectée thermiquement plus profonde. Dans le même temps, le trou de serrure est rempli de plasma partiellement ionisé par de la vapeur à haute température et une certaine plage de nuages de plasma se forme au-dessus de la sortie du trou de serrure.
L'effet trou de serrure joue un rôle important dans l'absorption du laser dans le processus de soudage au laser. Le faisceau laser entrant dans le trou de serrure est presque entièrement absorbé par les multiples réflexions de la paroi du trou. Comme le montre la figure, si le trou de serrure est une surface conique (avec un angle de ∅), un faisceau lumineux incident le long de l'axe de la conique est réfléchi directement à travers le cône vers le bas du trou de serrure et est réfléchi, réfléchissant un total de 180 degrés /∅. L'absorption de l'acier est d'environ 13 % par réflexion. Lorsque le degré P=10 est réglé, l'absorptivité totale atteint 92 % en 18 réflexions, ce qui est grandement amélioré par rapport à la conductivité thermique de 13 %. La distinction entre conductivité thermique et fusion profonde se fait généralement selon la profondeur de fusion métallurgique : la largeur de fusion est supérieure à 1, ce qui peut être considéré comme une fusion profonde, car l'apparition de trous de serrure améliore le taux d'absorption. Cette méthode simple convient au soudage au laser unique. Le composite ne convient pas à ce jugement, qui est généralement un soudage à pénétration profonde, et la poutre centrale a un effet de trou de serrure.
2. Comparaison métallographique du soudage du laser avec différents diamètres de noyau
Après avoir compris la densité de puissance de base, le soudage par conductivité thermique, les concepts de soudage à pénétration profonde, puis la densité de puissance de différents diamètres de noyau et l'analyse de comparaison métallographique. Cette expérience de soudage est réalisée pour le diamètre de noyau laser courant sur le marché.
Du point de vue de la densité de puissance, à puissance égale, plus le diamètre du noyau est fin, plus la luminosité du laser est élevée, plus l'énergie est concentrée. Si l’on compare le laser à un couteau bien aiguisé, plus le diamètre du noyau du laser est petit, plus il est tranchant. La densité de puissance d'un diamètre de noyau de 14 um est plus de 50 fois supérieure à celle d'un laser de diamètre de noyau de 100 um, et la capacité de traitement est plus forte. Dans le même temps, la densité de puissance calculée ici est simplement la densité moyenne. La distribution d'énergie réelle est approximativement gaussienne et l'énergie centrale sera plusieurs fois supérieure à la densité de puissance moyenne.
Comparaison laser de différents diamètres de noyau :
(1) La vitesse de l'expérience est de 150 mm/s, la position de mise au point est soudée, le matériau est de l'aluminium série 1, de 2 mm d'épaisseur.
(2) Plus le diamètre du noyau est grand, plus la largeur de fusion est grande, plus la zone affectée thermiquement est grande et plus la densité de puissance unitaire est petite. Lorsque le diamètre du noyau dépasse 200 um, il n'est pas facile de réaliser une pénétration profonde sur des alliages à fort taux d'inversion tels que l'aluminium et le cuivre, et une puissance plus élevée est nécessaire pour réaliser un soudage à pénétration profonde.
(3) Le laser à petit noyau a une densité de puissance élevée, peut rapidement percer des trous de serrure sur la surface du matériau à haute énergie et la zone affectée par la chaleur est petite, mais en même temps, la surface de soudure est rugueuse et la probabilité de L'effondrement du trou de serrure est élevé lors du soudage à basse vitesse. Le cycle de fermeture du trou de serrure du cycle de soudage est long et permet de produire facilement des défauts, de la porosité et d'autres défauts, ce qui convient à l'usinage à grande vitesse ou au traitement avec une trajectoire d'oscillation.
(4) Laser à grand noyau en raison du grand point, et l'énergie est plus dispersée, ce qui est plus approprié pour la refusion de surface laser, le revêtement, le recuit et d'autres processus.
3. Analyse simple des applications
Avantages et applications du laser à petit noyau (< 100um)
(1) Matériaux hautement inverses : aluminium, cuivre, acier inoxydable, nickel, molybdène, etc.
Les matériaux hautement inverses doivent choisir un laser de petit diamètre de noyau. Le faisceau laser à haute densité de puissance est utilisé pour chauffer rapidement le matériau à l'état liquéfié ou vaporisé, améliorer le taux d'absorption laser du matériau et réaliser un traitement efficace et rapide. Choisissez un laser avec un noyau de grand diamètre, qui peut facilement conduire à une réaction élevée, entraînant une soudure virtuelle et même une combustion du laser.
(2) Matériaux sensibles aux fissures : nickel, cuivre nickelé, aluminium, acier inoxydable, alliage de titane, etc.
Ce matériau nécessite généralement un contrôle strict de la zone affectée thermiquement, la nécessité d'un petit bain de fusion et le choix d'un laser de petit diamètre de noyau est plus approprié.
(3) Traitement laser à grande vitesse :
Le soudage par pénétration profonde nécessite un traitement laser à grande vitesse. Il est nécessaire de choisir un laser à haute densité d'énergie pour garantir que l'énergie de ligne est suffisante pour faire fondre le matériau à grande vitesse, en particulier pour le soudage par chevauchement, le soudage par pénétration et d'autres lasers à petit noyau avec des exigences de pénétration plus élevées.
Advantages and Applications of Large Core Laser (>100um)
Grand diamètre de noyau, grand point lumineux, grande zone de couverture thermique, large surface d'application et uniquement pour obtenir la micro-fusion de la surface du matériau. Il est très approprié pour les applications dans le revêtement laser, la refusion laser, le recuit laser, le durcissement laser, etc. Dans ces zones, de grands points signifient une efficacité de production plus élevée et moins de défauts (le soudage thermoconducteur ne présente presque aucun défaut).
En soudage, le grand point est principalement utilisé pour le soudage composite, qui est utilisé pour le laser composite avec de petits diamètres de noyau. De grands points lumineux font fondre légèrement la surface du matériau, du solide au liquide, de sorte que le taux d'absorption du matériau par le laser est grandement amélioré. Utilisez ensuite un petit diamètre de noyau pour percer le trou de la serrure et déterminer la profondeur de pénétration. Dans ce processus, en raison du préchauffage et du post-traitement de grands points lumineux et du grand gradient de température du bain fondu, le matériau n'est pas facile à présenter des fissures causées par un chauffage et un refroidissement rapides, et l'apparence de la soudure est plus lisse. . Les éclaboussures sont inférieures à celles de la solution laser unique.
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