Apprenez la vérité sur le soudage laser
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Équipement de soudage au laser et paramètres techniques
Composition du matériel de soudage laser
L'équipement de soudage au laser comprend principalement un laser, une transmission de faisceau, un système de focalisation, une source de gaz (gaz de protection), une buse, une machine à souder, un établi, un panneau de commande, une alimentation électrique, un système de contrôle, etc. Le cœur de l'équipement est un laser composé d'un oscillateur optique et 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, la machine à souder produit des ondes lumineuses de la même phase et se réfléchit entre les miroirs aux deux extrémités, formant un effet de jonction de chaîne photoélectrique, amplifiant les ondes lumineuses en obtenant suffisamment d'énergie pour démarrer émettant de la lumière laser.
Selon différents matériaux de travail laser, l'équipement est divisé en équipement solide YAG et CO2 équipement à gaz; selon différentes méthodes de travail au laser, il est divisé en équipement de soudage laser continu et équipement de soudage laser pulsé. Quel que soit le type d'équipement, la composition de base est à peu près similaire. La composition de l'équipement et la chalumeau est illustré aux figures 1.1 et 1.2.
1 laser, détecteur à 2 faisceaux, système de focalisation à 3 déflexions, 4 bancs de travail, 5 systèmes de contrôle
Laser
Le laser est la partie centrale de l'équipement laser. Les caractéristiques du laser de soudage sont présentées dans le tableau 3.1. Selon la méthode de refroidissement par air, le CO2 Le laser à gaz est divisé en type à flux croisé, type à flux axial (haute vitesse et basse vitesse) et type à refroidissement par diffusion. Les caractéristiques de performance de différents CO2 lasers sont présentés dans le tableau 3.2.
Par rapport au CO2 les lasers, les lasers YAG ont des longueurs d'onde laser plus courtes et peuvent être transmis par des fibres optiques, ce qui simplifie grandement le système de guide de lumière et convient au soudage tridimensionnel; il est bénéfique pour l'absorption des surfaces métalliques et convient mieux aux matériaux à haute réflectivité (tels que les alliages d'aluminium, etc.) Soudage.
| Laser | Longueur d'onde/чm | Mode de fonctionnement | Fréquence de répétition /Hz | Puissance de sortie ou plage d'énergie | L'objectif principal |
| Laser rubis | 0.69 | Impulsion | 0-1 | 1-100J | Soudage par points, perçage |
| Laser verre néodyme | 1.06 | Impulsion | 0-0.1 | 1-100J | Soudage par points, perçage |
| Laser YAG | 1.06 | Impulsion Continue | 0-400 | 1-100J 0-2KW | Soudage par points, perçage Soudage, découpage, traitement de surface |
| CO fermé2 laser | 10.6 | Continu | – | 0-1KW | Soudage, découpe, traitement de surface |
| Laser à flux croisés | 10.6 | Continu | – | 0-25KW | Soudage, traitement de surface |
| CO à flux axial à grande vitesse2 laser | 10.6 | Impulsion continue | 0-5000 | 0-6KW | Soudage, découpe |
| Article | Type de flux croisé | Type de flux axial | Type de refroidissement par diffusion |
| Niveau de puissance de sortie | 3-45KW | 1.5-20KW | 0.2-3.5KW |
| Capacité d'impulsion | CC | DC-1kHz | DC-5kHz |
| Mode faisceau | Au-dessus de TEM02 | TEM00, TEM01 | TEM00, TEM01 |
| Coefficient de propagation du faisceau | ≥0.18 | ≥0.4 | ≥0.8 |
| Consommation de gaz | Petit | Gros | Très petit |
| Efficacité de conversion électrique-optique | ≤15% | ≤15% | ≤30% |
| Effet de soudure | Bon | Bon | Mieux |
| Effet coupant | Pauvre | Bon | Mieux |
| Trempe par transformation | Bon | Pas si mal | Pas si mal |
| Revêtement de surface | Bon | Pas si mal | Pas si mal |
| Revêtement de surface | Bon | Pas si mal | Pas si mal |
Par rapport aux lasers à gaz et à solide traditionnels, les lasers à fibre développés ces dernières années présentent les caractéristiques suivantes.
- La fibre optique en verre a un faible coût de fabrication, une technologie mature et la flexibilité de la fibre optique apporte des avantages de miniaturisation et d'intensité.
- La fibre optique a un rapport surface/volume très élevé, une dissipation thermique rapide, une faible perte, une efficacité de conversion élevée et un seuil laser bas.
- Il n'y a pas de lentille optique dans la cavité résonnante du laser à fibre, qui présente des caractéristiques sans réglage, sans entretien et à haute stabilité.
- Avec une puissance élevée et une efficacité photoélectrique élevée, l'efficacité photoélectrique complète du laser à fibre 10KW atteint plus de 20%.
- Petite taille, longue durée de vie, facile à intégrer au système, transmission laser longue distance facile à réaliser et peut fonctionner normalement dans des environnements difficiles à haute température, haute pression, haute vibration et impact élevé.
C'est précisément en raison des avantages mentionnés ci-dessus des lasers à fibre haute puissance que son application dans le domaine du traitement des matériaux est en constante expansion et a des perspectives d'application extrêmement larges.
Système de transmission et de focalisation du faisceau
Le système de transmission et de focalisation du faisceau est également appelé système optique externe. Il est composé d'un polariseur circulaire, d'un expanseur de faisceau, d'un miroir ou d'une fibre optique, d'un miroir de focalisation, etc., utilisé pour transmettre et focaliser le faisceau laser sur la pièce, et son installation en extrémité assure une protection ou une assistance au flux d'air de la torche.
Le matériau principal de la lentille de focalisation est le ZnSe, qui a de bonnes performances de transmission et de focalisation et qui est bon marché. Cependant, la lentille de focalisation est facilement contaminée par la fumée et les éclaboussures de métal pendant le processus de soudage. Lorsque la puissance du laser est faible (<2KW), la lentille de focalisation est souvent utilisée et la lentille de focalisation réfléchissante doit être utilisée pour le soudage à haute puissance (>2KW). Le miroir de focalisation réfléchissant est en métal à haute réflexion au laser. Dans le soudage au laser, des miroirs paraboliques en cuivre avec différents revêtements sont généralement utilisés. Ce type de miroir de focalisation est stable et peut être utilisé avec des composants refroidis à l'eau. Il a une petite déformation thermique et n'est pas facile à polluer. Cependant, les performances de focalisation ne sont pas aussi bonnes que celles du miroir de focalisation de la lentille et la position relative du laser incident. Il nécessite une grande précision, difficile à régler et il est facile de provoquer un astigmatisme au point de mise au point, et le prix est plus élevé.
La distance focale de la lentille de focalisation a une influence importante sur l'effet de focalisation et la qualité du soudage, généralement 127-200 mm. La réduction de la distance focale peut obtenir un petit point focal et une densité de puissance plus élevée, mais si la distance focale est trop petite, la lentille de mise au point est susceptible d'être contaminée et endommagée. Une fois la surface du miroir contaminée, l'absorption du laser augmentera considérablement, réduisant ainsi la densité de puissance de la pièce et provoquant facilement la rupture de la lentille.
Source de gaz (gaz protecteur)
Le gaz de protection est nécessaire pour cela. Dans la plupart des procédés, le gaz de protection est acheminé vers la zone de rayonnement laser par une buse spéciale. À l'heure actuelle, la plupart du CO2 les lasers utilisent He, N2, CO2, et gaz mixte comme milieu de travail et gaz protecteur. Le rapport est 60% : 33% : 7%. Il est cher, donc le flux axial à grande vitesse CO2 laser a un coût d'exploitation plus élevé. Devrait considérer son coût.
Buse
La buse est généralement conçue pour être placée coaxialement au faisceau laser. Il est couramment utilisé pour alimenter le gaz de protection du côté du faisceau laser dans la buse. L'ouverture de soufflage typique est de 4 à 8 mm et la distance entre la buse et la pièce est de 3 à 10 mm. Généralement, la pression du gaz de protection est plus faible. Le débit de gaz est de 8 ~ 30L/min, les figures 1.3 et 1.4 montrent la structure de la buse qui est largement utilisée pour le CO2 laser et laser YAG.
Afin de protéger les composants optiques du soudage laser des fumées et des éclaboussures de soudage, plusieurs conceptions de buses à jet horizontal peuvent être utilisées. L'idée de base est d'envisager de laisser passer le flux d'air à travers le faisceau laser verticalement, selon différentes exigences techniques, soit pour souffler les fumées de soudage, soit utiliser une énergie cinétique élevée pour détourner les particules métalliques.
Machine de soudage laser
Les machine de soudage laser comprend un établi et un système de contrôle. Il est principalement utilisé pour réaliser le mouvement relatif entre le faisceau laser et la pièce et terminer le soudage. Il est divisé en deux types : machine à souder spéciale et machine à souder générale. Ces derniers utilisent couramment des systèmes de commande numérique, il existe des soudeuses bidimensionnelles, tridimensionnelles à angle droit ou des robots de soudage articulés, des tables de travail à servomoteur peuvent être utilisées pour placer des pièces à souder. Le système de contrôle adopte principalement un système de contrôle numérique.
Source de courant
Afin d'assurer le fonctionnement stable du laser, des alimentations de commande électroniques à semi-conducteurs avec une réponse rapide et une stabilité élevée sont utilisées.
Les principaux paramètres techniques de la machine de soudage laser
Le tableau 3.3 répertorie les principaux paramètres techniques de certains équipements de soudage au laser domestiques. Lors de l'achat d'équipement, une attention particulière doit être accordée à la taille, à la forme, au matériau et aux caractéristiques de l'équipement, aux indicateurs techniques, au champ d'application et aux avantages économiques.
Une machine de soudage laser de faible puissance peut être utilisée pour souder des micro-pièces et des pièces de précision, et la machine avec une puissance plus élevée doit être utilisée pour une soudeuse et des pièces épaisses. Le soudage par points peut choisir une machine de soudage laser à impulsions, pour obtenir une soudure continue, vous devez choisir une machine continue ou une machine de soudage laser continu à impulsions haute fréquence. En outre, il convient de veiller à ce que la machine dispose de fonctions telles que la surveillance et la protection.
| Modèle | NJH-30 | JKG | DH-WM01 | GD-10-1 |
| Nom | Machine de soudage laser à impulsion de verre au néodyme | Machine de soudage laser à impulsion CNC en verre néodyme | Machine de soudage laser YAG de coque de batterie automatique | Machine de soudage par points au laser rubis |
| Longueur d'onde laser /чm | 1.06 | 1.06 | 1.06 | 0.69 |
| Énergie de sortie maximale /J | 130 | 97 | 40 | 13 |
| Taux de répétition | 1-5Hz | 30 fois/min (à la sortie nominale) | 1-100Hz (sept vitesses) | 16 fois/min |
| Largeur d'impulsion/ms | 0,5 (à la puissance maximale) 6 (à la puissance nominale) | 2-8 | 0.3-10 (sept vitesses) | 6（maximum） |
| Taille du matériau de travail laser | – | Φ12×350 | – | Φ10×165 |
| Les usages | Soudure électrique et perforation | Il est utilisé pour le soudage bout à bout, le soudage par recouvrement et le soudage par chevauchement de fils fins, de plaques minces et la profondeur de pénétration du soudage peut atteindre 1 mTableau 3.2 Principaux paramètres techniques de certains équipements de soudage laser domestiques. | Coquilles de batterie de soudage. Double établi, le processus de soudage est entièrement automatisé | Soudage électrique et perçage. Convient pour une épaisseur de plaque inférieure à 0,4 mm, un diamètre de fil inférieur à 0,6 mm |
La machine de soudage laser à impulsions de faible puissance convient au soudage par points entre le fil métallique et le fil, le fil et la plaque (ou le film) d'un diamètre inférieur à 0,5 mm, en particulier pour la connexion par soudage par points du filament au niveau du micron et du film d'aluminium. Les machines de soudage laser continu, en particulier à haute puissance continue, sont principalement au CO2 machines de soudage au laser, qui peuvent être utilisées pour former des soudures continues et des soudures à pénétration profonde de plaques épaisses.
Caractéristiques et paramètres du procédé de soudage laser pulsé
Caractéristiques du procédé de soudage laser pulsé
À propos du soudage au laser est une sorte de soudage par fusion, qui utilise des faisceaux laser comme source d'énergie pour empiéter sur les joints de soudure. Le faisceau laser peut être guidé par un élément optique plat (tel qu'un miroir), puis un élément de focalisation réfléchissant ou une lentille est utilisé pour projeter le faisceau sur la soudure. C'est une soudure sans contact. Aucune pression n'est requise pendant l'opération, mais un gaz inerte est nécessaire pour empêcher l'oxydation du bain en fusion, et parfois un métal d'apport est également utilisé.
Le soudage au laser pulsé est similaire au soudage par points. Ses points de chauffe sont très petits, de l'ordre du micromètre. Chaque impulsion laser forme un point de soudure sur la pièce métallique. Principalement utilisé pour le soudage de composants micro, de précision et de composants microélectroniques. Elle est réalisée par soudage par points ou à la molette par joints à recouvrement. Les lasers couramment utilisés pour le soudage au laser pulsé comprennent les lasers à rubis, les lasers à verre néodyme et les lasers YAG.
Caractéristiques du procédé de soudage laser pulsé
Le soudage laser pulsé a quatre paramètres de soudage principaux : l'énergie pulsée, la largeur d'impulsion, la densité de puissance et la défocalisation.
Énergie d'impulsion et largeur d'impulsion
Dans le soudage laser pulsé, l'énergie pulsée détermine l'énergie de chauffage et affecte principalement la quantité de fusion du métal. La largeur d'impulsion détermine le temps de chauffage du soudage et affecte la profondeur de pénétration et la taille de la zone affectée par la chaleur. La figure 3.5 montre l'effet de la largeur d'impulsion sur la pénétration. Lorsque l'impulsion est élargie, la profondeur de pénétration augmente progressivement. Lorsque la largeur d'impulsion dépasse une certaine valeur critique, la profondeur de pénétration diminue à la place. Lorsque l'énergie d'impulsion est constante, il existe une largeur d'impulsion optimale pour différents matériaux et la pénétration de soudage est la plus grande à ce moment. La meilleure largeur d'impulsion pour le soudage de l'acier est de 5 à 8 ms.
L'énergie des impulsions dépend principalement des propriétés thermophysiques du matériau, en particulier de la conductivité thermique et du point de fusion. Les métaux avec une bonne conductivité thermique et un point de fusion bas sont faciles à obtenir une plus grande profondeur de pénétration. Il existe une certaine relation entre l'énergie des impulsions et la largeur des impulsions pendant le soudage, et elle varie en fonction de l'épaisseur et des propriétés du matériau.
La puissance moyenne P du laser est déterminée par l'équation (3.1) :
P=E/τ (3.1)
Dans la formule, P est la puissance laser, W ; E est l'énergie de l'impulsion laser, J ; τ est la largeur d'impulsion, s.
Afin de maintenir une certaine puissance, à mesure que l'énergie d'impulsion augmente, la largeur d'impulsion doit être augmentée en conséquence pour obtenir une meilleure qualité de soudage.
La densité de puissance
Lorsque la densité de puissance du point laser est faible, le soudage est effectué par soudage par conduction thermique, et le diamètre et la pénétration du point de soudage sont déterminés par la conduction thermique. Lorsque la densité de puissance atteint une certaine valeur (106W/cm2), un effet de trou d'épingle est produit pendant le processus de soudage, formant un joint de soudure à pénétration profonde avec un rapport d'aspect supérieur à 1. À ce stade, bien qu'une petite quantité de métal s'évapore, cela n'affecte pas la formation du joint de soudure. Cependant, lorsque la densité de puissance est trop élevée, le métal s'évapore violemment, entraînant trop de métal vaporisé, formant un petit trou qui ne peut pas être rempli de métal liquide, et il est difficile de former un joint de soudure ferme.
Pendant le soudage au laser pulsé, la densité de puissance est déterminée par l'équation (3.2);
Pré=4E/πd2τ (3.2)
Dans la formule, Pré est la densité de puissance sur le spot laser, W/cm2; E est l'énergie de l'impulsion laser, J ; d est le diamètre du spot, cm; τ est la largeur d'impulsion, s.
La figure 3.6 montre la relation entre l'énergie d'impulsion et la largeur d'impulsion lors du soudage au laser pulsé de matériaux de différentes épaisseurs. L'énergie d'impulsion E et la largeur d'impulsion τ ont une relation linéaire. Lorsque l'épaisseur de la soudure augmente, la densité de puissance du laser augmente en conséquence.
Défocaliser
La défocalisation fait référence à la distance entre la surface de la soudure et le plus petit point du faisceau laser focalisé pendant le soudage (également appelé la mise au point). Il existe deux méthodes de défocalisation : la défocalisation positive et la défocalisation négative. Le plan focal au-dessus de la pièce est appelé défocalisation positive, sinon, il est appelé défocalisation négative. Une fois que le faisceau laser est focalisé par la lentille, il existe un diamètre de spot minimum. Si la surface de la soudure coïncide avec elle, la quantité de défocalisation F = 0 ; si la surface de la soudure est en dessous, F>0, qui est une valeur de défocalisation positive ; sinon, F<0, est la quantité de défocalisation négative.
La modification de la quantité de défocalisation peut modifier la taille du point de chauffage du laser et la condition d'incidence du faisceau. Mais trop de défocalisation augmentera le diamètre du spot, réduira la densité de puissance sur place et réduira la profondeur de pénétration.
Dans le soudage au laser pulsé, le métal à faible réflectivité, à grande conductivité thermique et à faible épaisseur est généralement sélectionné comme feuille supérieure; avant le soudage du fil fin et du film, une petite boule d'un diamètre de 2 à 3 fois le diamètre du fil peut être soudée à l'extrémité du fil. Pour augmenter la surface de contact et faciliter l'alignement du faisceau laser. Le soudage laser pulsé peut également être utilisé pour le soudage à la molette de plaques minces. À ce moment, la vitesse de soudage v=df(1-K), où d est le diamètre du point de soudage, f est la fréquence d'impulsion et K est le coefficient de chevauchement (0,3 ~ 0,9 selon l'épaisseur de la plaque) .
Les paramètres de processus de soudage au laser pulsé de divers matériaux soudés sont indiqués dans le tableau 3.4. Le tableau 3.5 montre les paramètres de processus et les performances des joints du soudage laser à impulsions fil à fil.
| Matériel | Épaisseur (diamètre)/mm | Énergie d'impulsion / J | Largeur d'impulsion/ms | Catégorie Laser |
| Bronze phosphoreux plaqué or + feuille d'aluminium | 0. 3+0.2 | 3.5 | 4.3 | Laser verre néodyme |
| Tôle d'acier inoxydable | 0.15+0.15 | 1.21 | 3.7 | Laser verre néodyme |
| Feuille de cuivre pur | 0.05+0.05 | 2.3 | 4.0 | Laser verre néodyme |
| Fil de nickel chrome + feuille de cuivre | 0.10+0.15 | 1.0 | 3.4 | – |
| Tôle d'acier inoxydable + fil Ni-Cr | 0.15+0.10 | 1.4 | 3.2 | Laser verre néodyme |
| Fil d'aluminium de silicium + feuille d'acier inoxydable | 0.10+0.15 | 1.4 | 3.2 | Laser verre néodyme |
| Matériel | Diamètre/mm | Formulaire conjoint | Paramètres de processus | Paramètres de processus | Performance conjointe | Performance conjointe |
| Puissance de sortie/J | Largeur d'impulsion/ms | Décharge maximale/N | Résistance/Ω | |||
| Acier inoxydable 301 (1Cr17Ni7) | 0.33 | Amarrage | 8 | 3.0 | 97 | 0.03 |
| Chevaucher | 8 | 3.0 | 103 | 0.03 | ||
| Traverser | 8 | 3.0 | 113 | 0.03 | ||
| en forme de T | 8 | 3.0 | 106 | 0.03 | ||
| 0.79 | Amarrage | 10 | 3.4 | 145 | 0.02 | |
| Chevaucher | 10 | 3.4 | 157 | 0.02 | ||
| Traverser | 10 | 3.4 | 181 | 0.02 | ||
| en forme de T | 11 | 3.6 | 182 | 0.02 | ||
| 0.38+0.79 | Amarrage | 10 | 3.4 | 106 | 0.02 | |
| Chevaucher | 10 | 3.4 | 113 | 0.03 | ||
| Traverser | 10 | 3.4 | 116 | 0.03 | ||
| en forme de T | 11 | 3.6 | 120 | 0.01 | ||
| 0.79+0.40 | en forme de T | 11 | 3.6 | 89 | 0.01 | |
| Le cuivre | 0.38 | Amarrage | 10 | 3.4 | 23 | 0.01 |
| Chevaucher | 10 | 3.4 | 23 | 0.01 | ||
| Traverser | 10 | 3.4 | 19 | 0.01 | ||
| en forme de T | 11 | 3.6 | 14 | 0.01 | ||
| Nickel | 0.51 | Amarrage | 10 | 3.4 | 55 | 0.01 |
| Chevaucher | 7 | 2.8 | 35 | 0.01 | ||
| Traverser | 9 | 3.2 | 30 | 0.01 | ||
| en forme de T | 11 | 3.6 | 57 | 0.01 | ||
| Tantale | 0.38 | Amarrage | 8 | 3.0 | 52 | 0.01 |
| Chevaucher | 8 | 3.0 | 40 | 0.01 | ||
| Traverser | 9 | 3.2 | 42 | 0.01 | ||
| en forme de T | 8 | 3.0 | 50 | 0.01 | ||
| 0.63 | Amarrage | 11 | 3.5 | 67 | 0.01 | |
| Chevaucher | 11 | 3.5 | 58 | 0.01 | ||
| en forme de T | 11 | 3.5 | 77 | 0.01 | ||
| 0.65+0.38 | en forme de T | 11 | 3.6 | 51 | 0.01 | |
| Cuivre et tantale | 0.38 | Amarrage | 10 | 3.4 | 17 | 0.01 |
| Chevaucher | 10 | 3.4 | 24 | 0.01 | ||
| Traverser | 10 | 3.4 | 18 | 0.01 | ||
| en forme de T | 10 | 3.4 | 18 | 0.01 |
Processus et paramètres de soudage laser continu
Différent de la réflectivité du métal, du point de fusion, de la conductivité thermique et d'autres paramètres, la puissance de sortie requise pour le soudage laser continu varie considérablement, généralement de plusieurs kilowatts à des dizaines de kilowatts. La différence de puissance de sortie requise pour le soudage laser continu de divers métaux est principalement causée par la différence d'absorptivité. Le soudage laser continu adopte principalement le CO2 laser et laser à fibre, et la forme du cordon de soudure est principalement déterminée par la puissance du laser et la vitesse de soudage. Le CO2 Le laser est largement utilisé dans le soudage laser continu en raison de sa structure simple, de sa large plage de puissance de sortie et de son taux de conversion d'énergie élevé.
Exigences relatives à la forme et à l'assemblage des joints
La forme courante de la tête de soudage au laser est illustrée à la figure 3.7. Le soudage au laser utilise principalement des joints bout à bout et des joints à recouvrement, et les exigences de tolérance dimensionnelle d'assemblage des joints bout à bout et des joints à recouvrement sont illustrées à la figure 3.8.
Le soudage au laser a des exigences élevées en matière de qualité d'assemblage des soudures. Pendant le soudage bout à bout, si le désalignement du joint est trop important, le laser incident sera réfléchi au coin de la planche et le processus de soudage sera instable. Lors du soudage de plaques minces, si l'écart est trop grand, le soudage sera effectué après le soudage. La surface de la couture n'est pas complètement formée et des perforations se forment dans les cas graves. Lors du soudage par recouvrement, l'espace entre les plaques est trop grand et il est facile de provoquer une mauvaise fusion entre les plaques supérieure et inférieure. Les exigences d'assemblage des différents types de joints soudés au laser sont présentées dans le tableau 3.5, ce qui permet d'augmenter la tolérance d'assemblage des joints et d'améliorer l'état indésirable de la préparation des joints soudés au laser. L'expérience a montré que si l'écart dépasse 3% de l'épaisseur de la plaque, la soudure auto-fondante ne sera pas complète.
Pendant le soudage au laser, la soudure doit être serrée pour éviter la déformation du soudage. L'écart du point lumineux par rapport au centre du cordon de soudure perpendiculaire à la direction du mouvement de soudage doit être inférieur au rayon du point lumineux. Pour les matériaux en fer et en acier, la surface de la soudure doit être dégustée et dégraissée avant le soudage ; lorsque les exigences sont plus strictes, il doit être décapé avant le soudage, puis nettoyé avec de l'éther, de l'acétone ou du tétrachlorure de carbone.
Le soudage à pénétration profonde au laser peut effectuer un soudage toutes positions, la transition progressive du début et de la fin du soudage, qui peut être réalisée en ajustant le processus d'augmentation et d'atténuation de la puissance laser et en modifiant la vitesse de soudage. Il peut réaliser une transition en douceur du début à la fin lors du soudage de la couture de circonférence. L'utilisation de la réflexion interne pour améliorer l'absorption laser de la soudure peut améliorer l'efficacité et la pénétration du processus de soudage.
| Formulaire conjoint | Écart maximum autorisé | Déviation maximale autorisée des côtés supérieur et inférieur |
| Joint bout à bout | 0.10δ | 0,25δ |
| Joint d'angle | 0.10δ | 0,25δ |
| Joint en T | 0,25δ | – |
| Joint de recouvrement | 0,25δ | – |
| Joint de sertissage | 0.10δ | 0,25δ |
Métal d'apport
Il convient au soudage par auto-fusion. Généralement, aucun matériau de soudure n'est ajouté et le joint est formé par la fusion du matériau soudé lui-même. Mais parfois, pour réduire la précision de l'assemblage, améliorer la formation de la soudure et améliorer l'adaptabilité de la structure soudée, il est également nécessaire d'ajouter du métal d'apport. L'ajout de métal d'apport peut modifier la composition chimique de la soudure, de manière à atteindre l'objectif de contrôler la structure de la soudure, d'améliorer la forme et d'améliorer les propriétés mécaniques du joint. Dans certains cas, cela peut également améliorer la capacité de la soudure à résister aux fissures cristallines
La figure 3.9 montre un diagramme schématique du soudage par fil d'apport au laser. Le métal d'apport est souvent ajouté sous forme de fil de soudure, qui peut être froid ou chaud. Lors du soudage à pénétration profonde, la quantité de métal d'apport ne doit pas être trop importante pour ne pas détruire l'effet sténopé.
Le fil de soudage pour le soudage au fil d'apport laser peut être introduit par l'avant du laser ou par l'arrière du laser, comme illustré à la Figure 3.10. La méthode d'alimentation pré-fil est souvent utilisée. L'avantage est que la fiabilité du glissement du fil de soudage est élevée et que la rainure bout à bout a un effet de guidage sur le fil de soudage. La méthode d'alimentation post-fil a des ondulations plus fines sur la surface de la soudure et a un meilleur aspect. L'inconvénient est qu'une fois la précision d'alimentation du fil réduite, le fil de soudage peut coller à la soudure. L'axe du fil de soudure et l'axe du cordon de soudure doivent coïncider, et l'angle avec l'axe optique du laser est généralement de 30° à 75°. Le fil de soudage doit être introduit avec précision à l'intersection de l'axe optique et du métal de base afin que le laser chauffe d'abord le fil de soudage et fonde pour former une gouttelette. Plus tard, le métal de base est également chauffé et fondu pour former un bain de fusion et de petits trous, et les gouttelettes de fil pénètrent ensuite dans le bain de fusion. Sinon, l'énergie laser pénétrera à travers l'espace du joint et ne pourra pas former de petits trous, ce qui compliquera le processus de soudage.
Le fil de soudage absorbe et réfléchit également l'énergie laser. Le degré d'absorption et de réflexion est lié à des facteurs tels que la puissance du laser, la méthode d'alimentation du fil, la vitesse d'alimentation du fil et la distance focale. Lorsque la méthode d'alimentation du pré-fil est adoptée, l'action combinée du rayonnement laser et du chauffage au plasma fera fondre le fil de soudage, ce qui nécessite une grande quantité d'énergie, de sorte que le processus de soudage est instable. Lorsque la méthode d'alimentation post-fil est adoptée, la chaleur du bain de fusion participe également au chauffage du fil de soudage, de sorte que l'énergie de chauffage par rayonnement laser est réduite, et l'énergie laser peut être utilisée pour chauffer le matériau de base pour former petits trous.
La vitesse d'alimentation du fil est un paramètre de processus important du soudage d'apport de fil au laser. L'augmentation de la largeur du joint et de la hauteur de la soudure pendant le soudage au fil d'apport au laser est principalement formée par le métal déposé par le fil de soudage. La vitesse d'alimentation du fil est déterminée par la vitesse de soudage, l'écartement du joint, le diamètre du fil de soudage et d'autres facteurs. La vitesse d'alimentation du fil est trop rapide ou trop lente, ce qui entraîne un excès de métal en fusion. Plus ou moins, tous affectent l'interaction entre le laser, le métal de base et le fil de soudage et la formation de la soudure.
Le soudage par fil d'apport au laser est bénéfique pour le soudage de matériaux fragiles et de métaux différents. Par exemple, en raison de la différence de carbone et d'éléments d'alliage lors du soudage au laser d'aciers différents ou d'acier et de fonte, des structures fragiles telles que la martensite ou la bouche blanche se forment facilement dans la soudure. La non-concordance du coefficient de dilatation linéaire conduira également à une plus grande contrainte de soudage. L'effet combiné de cela provoquera des fissures de soudure. Le fil d'apport peut ajuster la composition du métal soudé, réduire la teneur en carbone et augmenter la teneur en nickel, et inhiber la formation de structures fragiles. Le soudage au fil d'apport multicouche laser peut également utiliser des équipements de puissance plus petits pour réaliser le soudage de plaques de grande épaisseur et améliorer l'adaptabilité du soudage laser aux plaques épaisses.
Paramètres de processus
Les paramètres de processus de soudage laser continu comprennent la puissance laser, la vitesse de soudage, le diamètre du point, la quantité de défocalisation, le type et le débit de gaz de protection, etc.
Puissance laser P
La puissance laser fait référence à la puissance de sortie du laser, sans tenir compte de la perte causée par le guide de lumière et le système de focalisation, c'est l'un des paramètres les plus critiques du soudage laser continu. Les lasers de faible puissance fonctionnant en continu peuvent produire des soudures à transfert de chaleur limité sur des plaques minces à basse vitesse. Pour les lasers haute puissance, de petits trous peuvent être utilisés pour produire des soudures étroites sur des plaques minces à grande vitesse, ou de petits trous peuvent être utilisés pour produire des soudures avec une profondeur et une largeur relativement grandes à basse vitesse (mais pas moins de 0,6 m/s) sur des plaques moyennes et épaisses. Dans le soudage laser à transfert de chaleur, la plage de puissance laser est de 104-106W/cm2. La pénétration du soudage laser est étroitement liée à la puissance de sortie. Pour un certain diamètre de spot, la pénétration de soudage augmente avec l'augmentation de la puissance laser. La figure 3.11 montre la relation entre la puissance laser et la pénétration dans le soudage laser continu de différents matériaux.
Vitesse de soudage V
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, ce qui fera brûler la pièce à usiner ; si la vitesse de soudage est trop rapide, l'apport de chaleur sera trop faible, ce qui entraînera un soudage incomplet de la pièce. Sous une certaine puissance laser, augmentez la vitesse de soudage, l'apport de chaleur diminuera et la pénétration de la soudure diminuera. Une réduction appropriée de la vitesse de soudage peut augmenter la profondeur de pénétration, mais si la vitesse de soudage est trop faible, la profondeur de pénétration n'augmentera pas, mais augmentera la largeur de pénétration. L'effet de la vitesse de soudage sur la pénétration de la soudure en acier inoxydable est illustré à la Figure 3.12. On peut voir que lorsque la puissance du laser et d'autres paramètres restent inchangés, la pénétration de la soudure diminue à mesure que la vitesse de soudage augmente.
En utilisant différentes puissances de soudage au laser, la relation entre la vitesse de soudage et la pénétration est illustrée à la Figure 3.13. Au fur et à mesure que la vitesse de soudage augmente, la profondeur de pénétration diminue progressivement. L'influence de la vitesse de soudage au laser sur la pénétration de l'acier au carbone et la profondeur de pénétration obtenue à différentes vitesses de soudage sont illustrées respectivement à la Figure 3.14 et à la Figure 3.15.
La relation entre la profondeur de pénétration, la puissance du laser et la vitesse de soudage peut être exprimée par l'équation (3.3) :
h=βP1/2v-r (3.3)
Dans la formule, h est la profondeur de pénétration du soudage, mm ; P est la puissance du laser, W ; v est la vitesse de soudage, mm/s : β et r sont des constantes qui dépendent de la source laser, du système de focalisation et du matériau de soudage.
Dans le soudage laser à pénétration profonde, la principale force motrice pour maintenir l'existence du petit trou est la pression de recul de la vapeur métallique. Une fois que la vitesse de soudage est faible à un certain niveau, l'apport de chaleur augmente et de plus en plus de métal en fusion. Lorsque la pression de recul générée par la vapeur de métal n'est pas suffisante pour maintenir l'existence du petit trou, le petit trou non seulement ne s'approfondit plus, mais s'effondre même, soudant Le processus dégénère en soudage par transfert de chaleur, de sorte que la profondeur de pénétration n'augmentera pas . Avec l'augmentation de la vaporisation du métal, la température de la zone du petit trou augmente, la concentration du plasma augmente et l'absorption de la lumière laser augmente. Pour ces raisons, la profondeur de pénétration du soudage laser a une valeur maximale lors du soudage à basse vitesse.
Diamètre du spot do
Selon la théorie de la diffraction de la lumière, le diamètre de spot minimal d du laser focalisé. Il peut être calculé par la formule (3.4):
réo=2.44fλ(3m+1)/D (3. 4)
Dans la formule, do est le diamètre minimal du point, mm ; f est la distance focale de l'objectif, mm; λ est la longueur d'onde laser, mm; D est le diamètre du faisceau avant focalisation, mm; m est l'ordre du mode de vibration laser.
Pour un faisceau d'une certaine longueur d'onde, plus les valeurs f/D et m sont petites, plus le diamètre du spot est petit. Afin d'obtenir une pénétration profonde, souder pendant le soudage, une forte densité de puissance sur le spot laser est nécessaire. Pour effectuer un chauffage de petit trou, la densité de puissance au foyer laser pendant le soudage doit être supérieure à 106W/cm2.
Il existe deux manières d'augmenter la densité de puissance : l'une consiste à augmenter la puissance laser P, qui est proportionnelle à la densité de puissance ; l'autre est de réduire le diamètre du spot, et la densité de puissance est inversement proportionnelle au carré du diamètre du spot. Par conséquent, l'effet de la réduction du diamètre du spot est plus évident que l'augmentation de la puissance. Pour réduire le diamètre du spot do, vous pouvez utiliser une lentille à courte distance focale et réduire l'ordre du mode transversal du faisceau laser, et un spot plus petit peut être obtenu après la mise au point du mode à bas prix.
Défocalisation F
La quantité de défocalisation affecte non seulement la taille du point laser sur la surface de la soudure, mais affecte également la direction incidente du faisceau, qui a un impact plus important sur la pénétration de la soudure, la largeur de la soudure et la forme de la section transversale de la soudure. Lorsque la quantité de défocalisation F est grande, la profondeur de pénétration est très petite, ce qui appartient au soudage par transfert de chaleur ; lorsque la quantité de défocalisation F est réduite à une certaine valeur, la profondeur de pénétration augmente à pas de géant, ce qui marque l'apparition de trous d'épingle.
Selon la théorie de l'optique géométrique, lorsque la distance entre les plans de défocalisation positif et négatif et le plan de soudage est égale, la densité de puissance sur les plans correspondants est approximativement la même, mais en fait la forme du bain fondu obtenu est 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. Parce que lorsque la défocalisation est négative, la densité de puissance interne du matériau est supérieure à celle de la surface, ce qui permet de former facilement une fusion et une vaporisation plus fortes, de sorte que le faisceau puisse être transmis à la partie la plus profonde du matériau. Dans les applications pratiques, lors du soudage de plaques plus épaisses, lorsque la profondeur de pénétration est plus grande, la défocalisation négative appropriée peut être utilisée pour obtenir la pénétration maximale ; lors du soudage de matériaux minces, la défocalisation positive doit être utilisée.
La figure 3.16 montre l'effet de la quantité de défocalisation sur la profondeur de pénétration, la largeur de pénétration de la soudure et la section transversale de la soudure. On peut voir qu'après que la quantité de défocalisation est réduite à une certaine valeur, la profondeur de pénétration change brusquement, c'est-à-dire que le trou de pénétration est établi. Conditions nécessaires. Dans le soudage à pénétration profonde au laser, la position focale lorsque la profondeur de pénétration est la plus grande se trouve sous la surface de la soudure, et la formation de la soudure est la meilleure à ce moment.
Gaz protecteur
L'utilisation de gaz de protection dans le soudage au laser a deux fonctions : l'une consiste à protéger le métal fondu des gaz nocifs, à prévenir la contamination par l'oxygène et à améliorer les performances du joint ; l'autre est d'affecter le plasma pendant le processus de soudage et d'inhiber la formation de nuages de plasma. Lors du soudage à pénétration profonde, le faisceau laser de forte puissance provoque l'échauffement et la vaporisation du métal, formant un nuage de vapeur métallique au-dessus du bain de fusion, qui se dissocie sous l'action du champ électromagnétique pour former un plasma, qui agit comme une barrière au faisceau laser et affecte le faisceau laser à souder. absorber.
Afin d'éliminer le plasma, des buses à grande vitesse sont généralement utilisées pour pulvériser un gaz inerte sur la zone de soudage afin de forcer le plasma à dévier, et en même temps protéger le métal en fusion de l'atmosphère. Le gaz de protection est principalement Ar ou He. Il a un excellent effet de protection et de suppression de plasma, et a une grande pénétration pendant le soudage. Si une petite quantité d'Ar ou d'O2 est ajouté à He, la pénétration peut encore être augmentée. La figure 3.17 montre l'influence du gaz de protection sur la pénétration du soudage au laser
Le débit de gaz a également une certaine influence sur la profondeur de pénétration. La profondeur de pénétration augmente avec l'augmentation du débit de gaz. Cependant, un débit de gaz excessif entraînera un affaissement de la surface du bain de fusion et même une brûlure dans les cas graves. La profondeur de pénétration de la soudure obtenue sous différents débits de gaz est illustrée à la Figure 3.18. On peut voir qu'après que le débit de gaz est supérieur à 17,5 L/min, la profondeur de pénétration de la soudure n'augmente plus. La distance entre la buse de soufflage et la soudure est différente, et la profondeur de pénétration est également différente. La figure 3.19 montre la relation entre la distance entre la buse et la soudure et la pénétration de la soudure.
Remarque : Le pourcentage indiqué sur la figure est le pourcentage ajusté à la distance entre la position normale de la buse et la pièce à usiner.
La relation entre les paramètres du processus de soudage au laser (tels que la puissance du laser, la vitesse de soudage, etc.) et la pénétration, la largeur de la soudure et les propriétés du matériau de soudage contient une grande quantité de données empiriques et a établi une équation de régression pour la relation entre eux :
P/vh=q+b/r (3.5)
Dans la formule, P est la puissance laser, KW ; v est la vitesse de soudage, mm/s ; h est la pénétration de soudage, mm ; a et b sont des paramètres ; r est le coefficient de régression
Les valeurs des paramètres a, b et du coefficient de régression r dans la formule (3.5) sont données dans le tableau 3.7.
| Matériel | Type de laser | a/k]*mm-2 | b/k]*mm-1 | Coefficient de régression r |
| Acier inoxydable SUS304 (OCr18Ni9) | CO2 | 0.0194 | 0.356 | 0.82 |
| Acier doux | CO2 YAG | 0.016 0.009 | 0.219 0.309 | 0.81 0.92 |
| Alliage d'aluminium | CO2 YAG | 0.0219 0.0065 | 0.381 0.526 | 0.73 0.99 |
Les paramètres de processus du CO continu2 soudage au laser sont présentés dans le tableau 3.8.
| Matériel | Epaisseur/mm | Vitesse de soudage/cm*s-1 | Largeur de couture/mm | Ratio d'aspect | Puissance /kW |
| Acier inoxydable 321 (1Cr18Ni9Ti） | 0.13 | 3.81 | 0.45 | Pénétration complète | 5 |
| 0.25 | 1.48 | 0.71 | Pénétration complète | 5 | |
| 0.42 | 0.47 | 0.76 | Pénétration partielle | 5 | |
| Acier inoxydable 17-7 (0Cr17Ni7Al) | 0.13 | 4.65 | 0.45 | Pénétration complète | 5 |
| Acier inoxydable 302 (1Cr18Ni9) | 0.13 | 2.12 | 0.5 | Pénétration complète | 5 |
| 0.20 | 1.27 | 0.50 | Pénétration complète | 5 | |
| 0.25 | 0.42 | 1.00 | Pénétration complète | 5 | |
| 6.35 | 2.14 | 0.70 | 7 | 3.5 | |
| 8.9 | 1.27 | 1.00 | 3 | 8 | |
| 12.7 | 0.42 | 1.00 | 5 | 20 | |
| 20.3 | 21.1 | 1.00 | 5 | 20 | |
| 6.35 | 8.47 | – | 6.5 | 16 | |
| Inconel 600 | 0.10 | 6.35 | 0.25 | Pénétration complète | 5 |
| 0.25 | 1.69 | 0.45 | Pénétration complète | 5 | |
| Alliage de nickel 20 | 0.13 | 1.48 | 0.45 | 5 | |
| Monel 400 | 0.25 | 0.60 | 0.60 | 5 | |
| Titane pur industriel | 0.13 | 5.90 | 0.38 | 5 | |
| 0.25 | 2.12 | 0.55 | 5 | ||
| Acier doux | 1.19 | 0.32 | – | 0.63 | 0.65 |
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