7 Reliable Sources for Laser Welding Technology

Laser welding technology is an efficient and precise welding method that uses a high-energy-density laser beam as a heat source. Laser welding technology is one of the important aspects of the application of laser material processing technology. In the 1970s, it was mainly used for welding thin-walled materials and low-speed welding. The welding process is of thermal conductivity type, that is, the surface of the workpiece is heated by laser radiation, and the surface heat is diffused to the inside through thermal conduction. By controlling the width, energy, peak power, and repetition frequency of the laser pulse With other parameters, the workpiece is melted to form a specific molten pool. Because of its unique advantages, it has been successfully applied to the precision welding of micro and small parts.

Le soudage au laser de la Chine est au niveau avancé du monde. Elle possède la technologie et la capacité d'utiliser un laser pour former des composants complexes en alliage de titane de plus de 12 mètres carrés et a investi dans la fabrication de prototypes et de produits de plusieurs projets de recherche scientifique sur l'aviation nationale. En octobre 2013, les experts chinois en soudage ont remporté le prix Brooke, la plus haute distinction universitaire dans le domaine du soudage, et le niveau de soudage au laser de la Chine a été reconnu par le monde.

Principe technique

Le soudage laser peut être réalisé par un faisceau laser continu ou pulsé. Le principe du soudage laser peut être divisé en soudage par conduction thermique et soudage laser à pénétration profonde. La densité de puissance est inférieure à 10⁴~10⁵ W/cm² pour le soudage par conduction thermique. A ce moment, la profondeur de pénétration est faible et la vitesse de soudage est lente ; lorsque la densité de puissance est supérieure à 10⁵~10⁷ W/cm², la surface métallique est enfoncée dans des « trous » sous l'action de la chaleur pour former une soudure à pénétration profonde. Caractéristiques de vitesse de soudage rapide et grand rapport d'aspect.

Le principe du soudage laser par conduction thermique est le suivant : le rayonnement laser chauffe la surface à traiter et la chaleur de surface se diffuse à l'intérieur par conduction thermique. En contrôlant la largeur d'impulsion laser, l'énergie, la puissance de crête et la fréquence de répétition, ainsi que d'autres paramètres laser, la pièce est fondue pour former un bain de fusion spécifique.

La machine de soudage laser utilisée pour le soudage d'engrenages et le soudage de tôles métallurgiques implique principalement le soudage laser à pénétration profonde.

Le soudage laser à pénétration profonde utilise généralement des faisceaux laser continus pour terminer la connexion des matériaux. Le processus physique métallurgique est très similaire au soudage par faisceau d'électrons, c'est-à-dire que le mécanisme de conversion d'énergie est complété par une structure en « trou de serrure ». Sous une irradiation laser à densité de puissance suffisamment élevée, le matériau s'évapore et forme de petits trous. Ce trou rempli de vapeur est comme un corps noir, absorbant presque toute l'énergie du faisceau incident.

La température d'équilibre dans la cavité atteint environ 2500°C. La chaleur est transférée de la paroi externe de la cavité à haute température pour faire fondre le métal entourant la cavité. Le petit trou est rempli de vapeur à haute température générée par l'évaporation continue du matériau de la paroi sous l'irradiation du faisceau. Les quatre parois du petit trou sont entourées de métal en fusion et le métal liquide est entouré de matériaux solides (et dans la plupart des procédés de soudage conventionnels et de soudage par conduction laser, l'énergie est d'abord déposée sur la surface de la pièce, puis transportée vers l'intérieur par transfert).

Le flux de liquide à l'extérieur de la paroi des pores et la tension superficielle de la couche de paroi sont maintenus en équilibre dynamique avec la pression de vapeur générée en continu dans la cavité. Le faisceau lumineux pénètre en continu dans le petit trou et le matériau à l'extérieur du petit trou s'écoule en continu. Lorsque le faisceau se déplace, le petit trou est toujours dans un état d'écoulement stable. En d'autres termes, le petit trou et le métal fondu entourant la paroi du trou avancent avec la vitesse d'avance du faisceau lumineux principal, et le métal fondu remplit l'espace laissé après que le petit trou est éloigné et se condense, et la soudure est formée . Tous les processus ci-dessus se déroulent si rapidement que la vitesse de soudage peut facilement atteindre quelques mètres par minute.

Travail Eéquipement

Il est composé d'un oscillateur optique et d'un milieu placé entre les miroirs aux deux extrémités de la cavité de l'oscillateur. Lorsque le milieu est excité à un état de haute énergie, il commence à générer des ondes lumineuses dans la même phase et à se réfléchir entre les miroirs aux deux extrémités, formant un effet de jonction de chaîne photoélectrique, amplifiant les ondes lumineuses et obtenant une énergie suffisante. pour commencer à émettre de la lumière laser.

Le laser peut également être interprété comme un dispositif qui convertit l'énergie brute telle que l'énergie électrique, l'énergie chimique, l'énergie thermique, l'énergie lumineuse ou l'énergie nucléaire en un faisceau de rayonnement électromagnétique de certaines fréquences lumineuses spécifiques (lumière ultraviolette, lumière visible ou infrarouge léger). La forme de conversion est facile à réaliser dans certains milieux solides, liquides ou gazeux. Lorsque ces milieux sont excités sous forme d'atomes ou de molécules, ils produisent des faisceaux lumineux-lasers avec presque la même phase et presque une seule longueur d'onde. En raison de la même phase et de la même longueur d'onde, l'angle de différence est très faible et la distance pouvant être transmise est assez longue avant d'être très concentrée pour fournir des fonctions telles que le soudage, le découpage et le traitement thermique.

Welding Method

Les méthodes de soudage par scellage de capteurs sont le soudage par résistance, le soudage à l'arc sous argon, le soudage par faisceau d'électrons, le soudage au plasma, etc.

Soudage par résistance

Il est utilisé pour souder des pièces métalliques minces. La pièce est serrée entre deux électrodes et la surface de l'électrode en contact avec un courant important est fondue par un courant important, c'est-à-dire que le soudage est effectué par le chauffage par résistance de la pièce. La pièce est facile à déformer. Le soudage par résistance est soudé des deux côtés du joint, tandis que le soudage laser n'est effectué que d'un côté. Les électrodes utilisées dans le soudage par résistance doivent être entretenues fréquemment pour éliminer les oxydes et le métal adhérant à la pièce. Le soudage au laser de joints à recouvrement métalliques minces n'est pas en contact avec la pièce, le faisceau peut également pénétrer dans la zone difficile à souder par soudage conventionnel et la vitesse de soudage est rapide.

Soudage à l'arc sous argon: en utilisant des électrodes non consommables et un gaz de protection, il est souvent utilisé pour souder des pièces minces, mais la vitesse de soudage est plus lente et l'apport de chaleur est beaucoup plus important que le soudage au laser, qui est sujet à la déformation.

Machine de soudage à l'arc sous argon

Soudage à l'arc plasma : similaire à l'arc sous argon, mais sa torche de soudage produira un arc comprimé pour augmenter la température de l'arc et la densité d'énergie. Il est plus rapide que le soudage à l'arc sous argon et a une plus grande profondeur de pénétration, mais est inférieur au soudage au laser.

Soudage par faisceau d'électrons : il s'appuie sur un faisceau d'électrons accélérés à haute densité d'énergie pour frapper la pièce et générer une chaleur énorme dans une petite zone dense à la surface de la pièce, formant un effet de « petit trou », mettant ainsi en œuvre une pénétration profonde soudage. Le principal inconvénient du soudage par faisceau d'électrons est qu'il nécessite un environnement sous vide poussé pour empêcher la diffusion des électrons. L'équipement est compliqué. La taille et la forme de la soudure sont limitées par la chambre à vide. La qualité d'assemblage de la soudure est strictement requise.

Le soudage par faisceau d'électrons sans vide peut également être mis en œuvre. La diffusion et une mauvaise mise au point affecteront l'effet. Le soudage par faisceau d'électrons présente également des problèmes de décalage magnétique et de rayons X. Parce que les électrons sont chargés, ils seront affectés par la déviation du champ magnétique. Par conséquent, les pièces de soudage par faisceau d'électrons doivent être démagnétisées avant le soudage. Les rayons X sont particulièrement puissants sous haute pression et les opérateurs doivent être protégés. Le soudage laser ne nécessite pas de chambre à vide et de traitement de démagnétisation avant de souder la pièce. Il peut être effectué dans l'atmosphère et il n'y a aucun problème avec la protection contre les rayons X, il peut donc être utilisé en ligne dans la ligne de production et peut également souder des matériaux magnétiques.

La soudure au laser Classification

Il existe deux principaux types de lasers utilisés pour le soudage, à savoir le CO₂ lasers et Nd : lasers YAG. Les deux CO₂ laser et Nd : le laser YAG est une lumière infrarouge invisible à l'œil nu. Le faisceau produit par le laser Nd:YAG est principalement de la lumière proche infrarouge avec une longueur d'onde de 1,06 Lm. Le conducteur thermique a un taux d'absorption de lumière élevé de cette longueur d'onde. Pour la plupart des métaux, sa réflectivité est de 20% ~ 30%. Tant qu'un miroir de lumière standard est utilisé, le faisceau proche infrarouge peut être focalisé sur un diamètre de 0,25 mm. Le faisceau du CO₂ le laser est une lumière infrarouge lointaine avec une longueur d'onde de 10,6 Lm.

La réflectivité de la plupart des métaux à cette lumière atteint 80% ~ 90%, et un miroir de lumière spécial est nécessaire pour focaliser le faisceau dans un diamètre de 0,75 à 0,1 mm. La puissance du laser Nd:YAG peut généralement atteindre environ 4000 ~ 6000W, et la puissance maximale a maintenant atteint 10 000W. Le CO₂ la puissance laser peut facilement atteindre 20000W ou plus.

Le CO haute puissance₂ le laser résout le problème de la réflectivité élevée grâce à l'effet sténopé. Lorsque la surface du matériau irradié par la tache lumineuse fond, un trou d'épingle se forme. Ce trou d'épingle rempli de vapeur est comme un corps noir, qui absorbe presque complètement l'énergie de la lumière incidente. La température d'équilibre est d'environ 25 000 e, et la réflectivité chute rapidement en quelques microsecondes.

Bien que l'axe de développement de CO₂ lasers se concentre toujours sur le développement d'équipements, il ne s'agit pas d'augmenter la puissance de sortie maximale, mais comment améliorer la qualité du faisceau et les performances de focalisation. De plus, lors de l'utilisation de soudage à haute puissance avec du CO₂ laser au-dessus de 10 kW, si un gaz de protection argon est utilisé, un plasma puissant est souvent induit et la profondeur de pénétration devient moins profonde. Par conséquent, lorsque le CO₂ soudage laser haute puissance, l'hélium gazeux qui ne génère pas de plasma est souvent utilisé comme gaz de protection.

L'application de la combinaison diode laser pour exciter les cristaux Nd:YAG haute puissance est un sujet de développement important, qui améliorera considérablement la qualité des faisceaux laser et formera un traitement laser plus efficace. En utilisant un réseau de diodes directes pour exciter le laser dont la longueur d'onde de sortie se situe dans le proche infrarouge, sa puissance moyenne a atteint 1 kW et le rendement de conversion photoélectrique est proche de 50%. La diode a également une durée de vie plus longue (10 000 h), ce qui permet de réduire le coût de maintenance des équipements laser. Développement d'équipements laser à solide pompé par diode.

Traiter Paramètres

Puissance réentité

La densité de puissance est l'un des paramètres les plus critiques dans le traitement laser. Avec une densité de puissance plus élevée, la couche de surface peut être chauffée jusqu'au point d'ébullition dans une plage de temps de la microseconde, ce qui entraîne une grande quantité de vaporisation. Par conséquent, une densité de puissance élevée est bénéfique pour le traitement d'enlèvement de matière, tel que le poinçonnage, la découpe et la gravure. Pour des densités de puissance inférieures, il faut plusieurs millisecondes pour que la température de surface atteigne le point d'ébullition. Avant que la couche de surface ne se vaporise, la couche inférieure atteint le point de fusion, ce qui facilite la formation d'une bonne soudure par fusion.

Laser Pulse Waveform

La forme d'onde d'impulsion laser est un problème important dans le soudage laser, en particulier pour le soudage de tôles. Lorsqu'un faisceau laser de haute intensité frappe la surface du matériau, 60 à 98% de l'énergie laser seront réfléchis et perdus sur la surface métallique, et la réflectivité change avec la température de surface. Au cours d'une impulsion laser, la réflectivité du métal change considérablement.

Laser Pulse Widentifiant

La largeur d'impulsion est l'un des paramètres importants du soudage laser pulsé. Ce n'est pas seulement un paramètre important différent de l'enlèvement de matière et de la fusion de matière, mais aussi un paramètre clé qui détermine le coût et le volume de l'équipement de traitement.

L'effet de la quantité de défocalisation sur la qualité de la machine à souder

Le soudage au laser nécessite généralement une certaine défocalisation, car la densité de puissance au centre du spot au point focal laser est trop élevée et il est facile de s'évaporer dans un trou. Sur chaque plan éloigné du foyer laser, la distribution de densité de puissance est relativement uniforme. Il existe deux méthodes de défocalisation : la défocalisation positive et la défocalisation négative. Si le plan focal est au-dessus de la pièce, c'est une défocalisation positive, sinon, c'est une défocalisation négative. Selon la théorie de l'optique géométrique, lorsque la distance entre le plan de défocalisation positif et négatif et le plan de soudage est égale, la densité de puissance sur le plan correspondant est approximativement la même, mais la forme du bain fondu obtenu est en réalité différente. Lorsque la défocalisation est négative, une plus grande profondeur de pénétration peut être obtenue, ce qui est lié au processus de formation du bain de fusion.

Des expériences ont montré que le laser chauffant 50 à 200 µs du matériau commence à fondre, formant du métal liquide et se vaporisant partiellement, formant de la vapeur à haute pression et pulvérisant à très grande vitesse, émettant une lumière blanche éblouissante. Dans le même temps, la forte concentration de vapeur amène le métal liquide à se déplacer vers le bord de la piscine en fusion, formant une dépression au centre de la piscine en fusion. Lorsque la défocalisation est négative, la densité de puissance interne du matériau est supérieure à celle de la surface et il est facile de former une fusion et une vaporisation plus fortes afin que l'énergie lumineuse puisse être transmise à la partie la plus profonde du matériau. Par conséquent, dans les applications pratiques, lorsque la profondeur de pénétration doit être importante, la défocalisation négative est utilisée ; lorsque le matériau mince est soudé, la défocalisation positive doit être utilisée.

Soudage Sfaire pipi

La vitesse de la vitesse de soudage affectera l'apport de chaleur par unité de temps. Si la vitesse de soudage est trop lente, l'apport de chaleur sera trop important, provoquant la brûlure de la pièce. Si la vitesse de soudage est trop rapide, l'apport de chaleur sera trop faible et la pièce ne sera pas soudée.

Caractéristiques de soudage laser

Il appartient au soudage par fusion, qui utilise un faisceau laser comme source d'énergie pour frapper le joint de soudure.

Le faisceau laser peut être guidé par un élément optique plat (comme un miroir), puis un élément de focalisation réfléchissant ou une lentille est utilisé pour projeter le faisceau sur la soudure.

Le soudage laser est un soudage sans contact. Aucune pression n'est requise pendant l'opération, mais un gaz inerte est requis pour empêcher l'oxydation du bain en fusion. Le métal d'apport est parfois utilisé.

Le soudage laser peut être combiné au soudage MIG pour former un soudage hybride MIG laser afin d'obtenir un soudage à grande pénétration, et en même temps, l'apport de chaleur est considérablement réduit par rapport au soudage MIG.

Avantage et défaut

UNEavantage

• La quantité d'apport de chaleur peut être réduite au minimum requis, la plage de changement métallographique de la zone affectée par la chaleur est petite et la déformation causée par la conduction thermique est également la plus faible;
• Les paramètres du processus de soudage du soudage en une seule passe d'une épaisseur de plaque de 32 mm ont été vérifiés et qualifiés, ce qui peut réduire le temps requis pour le soudage de plaques épaisses et même économiser l'utilisation de métal d'apport ;
• Il n'est pas nécessaire d'utiliser des électrodes et il n'y a aucun souci de contamination ou d'endommagement des électrodes. Et parce qu'il ne s'agit pas d'un procédé de soudage par contact, l'usure et la déformation de l'équipement peuvent être minimisées ;
• Le faisceau laser est facile à focaliser, à aligner et à être guidé par des instruments optiques. Il peut être placé à une distance appropriée de la pièce et peut être re-guidé entre des outils ou des obstacles autour de la pièce. Les autres règles de soudage sont soumises aux limitations d'espace mentionnées ci-dessus. Impossible de jouer
• La pièce peut être placée dans un espace clos (après avoir passé l'aspirateur ou l'environnement gazeux interne est sous contrôle) ;
• Le faisceau laser peut être focalisé sur une petite zone et peut souder des pièces petites et rapprochées ;
• Une large gamme de matériaux pouvant être soudés, et divers matériaux hétérogènes peuvent également être assemblés les uns aux autres ;
• Il est facile d'automatiser le soudage à grande vitesse et peut également être contrôlé par numérique ou par ordinateur ;
• Lors du soudage de matériaux minces ou de fils de faible diamètre, il ne sera pas aussi facile d'être gênant que le soudage à l'arc ;
• Il n'est pas affecté par le champ magnétique (le soudage à l'arc et le soudage par faisceau d'électrons sont faciles) et peut aligner avec précision la soudure ;
• Deux métaux avec des propriétés physiques différentes (telles que des résistances différentes) peuvent être soudés ;
• Aucune protection contre le vide ou les rayons X n'est requise;
• Si le soudage par trou traversant est adopté, le rapport profondeur/largeur du cordon de soudure peut atteindre 10:1;
• L'appareil peut être commuté pour transmettre le faisceau laser à plusieurs postes de travail.

Saffreux

• La position de la soudure doit être très précise et doit se situer dans la plage de focalisation du faisceau laser ;
• Lorsque la soudure nécessite l'utilisation d'un gabarit, il faut s'assurer que la position finale de la soudure est alignée avec le point de soudure impacté par le faisceau laser ;
• L'épaisseur maximale soudable est limitée et l'épaisseur de pénétration de la pièce est bien supérieure à 19 mm, et le soudage au laser ne convient pas à la ligne de production ;
• Pour les matériaux à haute réflectivité et conductivité thermique élevée, tels que l'aluminium, le cuivre et leurs alliages, la soudabilité sera modifiée par laser ;
• Lors d'un soudage par faisceau laser de moyenne à haute énergie, un contrôleur plasma doit être utilisé pour chasser le gaz ionisé autour du bain de fusion afin d'assurer la réapparition du cordon de soudure ;
• L'efficacité de conversion d'énergie est trop faible, généralement inférieure à 10% ;
• Le cordon de soudure se solidifie rapidement, et il peut y avoir des problèmes de porosité et de fragilisation ;
• L'équipement est cher.

Pour éliminer ou réduire les défauts du soudage laser et mieux utiliser cette excellente méthode de soudage, d'autres procédés de soudage hybride par source de chaleur et laser ont été proposés, principalement le soudage laser et arc, laser et arc plasma, laser et source de chaleur par induction. soudage par faisceau laser double et soudage laser multifaisceaux, etc. En outre, diverses mesures de processus auxiliaires ont été proposées, telles que le soudage au fil d'apport laser (qui peut être subdivisé en soudage à fil froid et soudage à fil chaud), assisté par champ magnétique externe soudage au laser amélioré, soudage au laser à profondeur de bain de fusion contrôlé par gaz de protection et soudage par friction-malaxage assisté par laser.

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