Le soudage laser peut être réalisé à l'aide d'un générateur laser continu ou pulsé. Son principe se divise en deux catégories : le soudage par conduction thermique et le soudage par fusion profonde. À une densité de puissance inférieure à 10⁴-10⁵ W/cm², on parle de soudage par conduction thermique ; la profondeur de fusion et la vitesse de soudage sont alors faibles. En revanche, lorsque la densité de puissance est supérieure à 10⁵-10⁷ W/cm², la surface du métal se creuse sous l'effet de la chaleur, formant des cavités qui constituent des « trous de serrure », et qui se caractérisent par une vitesse de soudage élevée et un rapport profondeur/largeur important.
Aujourd'hui, nous aborderons principalement les principaux facteurs influençant la qualité du soudage par fusion laser profonde.
1. Puissance du laser
En soudage laser par fusion profonde, la puissance du laser détermine à la fois la profondeur de pénétration et la vitesse de soudage. La profondeur de soudure est directement liée à la densité de puissance du faisceau et dépend de la puissance du faisceau incident et de la taille du point focal. De manière générale, pour un faisceau laser de diamètre donné, la profondeur de pénétration augmente avec la puissance du faisceau.
2. Point focal
La taille du faisceau est l'une des variables les plus importantes en soudage laser car elle détermine la densité de puissance. Cependant, sa mesure représente un défi pour les lasers de forte puissance, malgré l'existence de nombreuses techniques de mesure indirectes.
La taille limite de diffraction du point focal du faisceau peut être calculée selon la théorie de la diffraction, mais la taille réelle est supérieure à la valeur calculée en raison d'une faible réflexion focale. La méthode de mesure la plus simple est celle du profil isotherme, qui consiste à mesurer le diamètre du point focal et la perforation après la combustion d'une feuille de papier épaisse traversant une plaque de polypropylène. Cette méthode, par la pratique, permet de maîtriser la puissance du laser et la durée d'impulsion du faisceau.
3. Gaz protecteur
Le procédé de soudage laser utilise souvent des gaz protecteurs (hélium, argon, azote) pour protéger le bain de fusion et empêcher l'oxydation de la pièce à souder. L'utilisation de ces gaz permet également de protéger la lentille de focalisation contre la contamination par les vapeurs métalliques et les projections de gouttelettes liquides. En soudage laser haute puissance, les projections sont particulièrement puissantes, d'où la nécessité de protéger la lentille. Enfin, les gaz protecteurs contribuent efficacement à disperser le plasma généré par le soudage laser haute puissance. Les vapeurs métalliques absorbent le faisceau laser et s'ionisent en un nuage de plasma. Le gaz protecteur environnant s'ionise également sous l'effet de la chaleur. En cas de plasma trop dense, le faisceau laser est partiellement absorbé. Ce plasma, source d'énergie secondaire, se forme à la surface de la pièce, réduisant ainsi la profondeur de soudure et élargissant la zone du bain de fusion.
Comment choisir le gaz de protection approprié ?
4. Taux d'absorption
L'absorption laser du matériau dépend de plusieurs propriétés importantes, telles que le taux d'absorption, la réflectivité, la conductivité thermique, la température de fusion et la température d'évaporation. Parmi ces facteurs, le taux d'absorption est le plus important.
Deux facteurs influencent le taux d'absorption du faisceau laser par le matériau. Le premier est le coefficient de résistivité du matériau. On constate que le taux d'absorption est proportionnel à la racine carrée de ce coefficient, lequel varie avec la température. Le second facteur est l'état de surface (ou finition) du matériau, qui influe considérablement sur le taux d'absorption et, par conséquent, sur la qualité du soudage.
5. Vitesse de soudage
La vitesse de soudage influe grandement sur la profondeur de pénétration. Une vitesse trop élevée réduit la profondeur de pénétration, tandis qu'une vitesse trop faible entraîne une fusion excessive du matériau et une soudure traversante. Il existe donc une plage de vitesses de soudage optimale pour un matériau donné, une puissance laser et une épaisseur spécifiques, la profondeur de pénétration maximale étant obtenue à la vitesse correspondante.
6. Distance focale de l'objectif de mise au point
Une lentille de focalisation est généralement installée dans la tête du pistolet de soudage. On choisit généralement une distance focale de 63 à 254 mm (diamètre de 2,5 à 10 pouces). La taille du point focal est proportionnelle à la distance focale : plus la distance focale est courte, plus le point est petit. Cependant, la distance focale influe également sur la profondeur de champ : celle-ci augmente avec la distance focale. Ainsi, une courte distance focale permet d'accroître la densité de puissance, mais du fait de cette faible profondeur de champ, la distance entre la lentille et la pièce à souder doit être maintenue avec précision, ce qui limite la profondeur de pénétration. En raison des projections et du mode laser pendant le soudage, la plus courte distance focale utilisée en pratique est généralement de 126 mm (diamètre de 5 pouces). Une lentille de 254 mm (diamètre de 10 pouces) peut être choisie pour les cordons de soudure importants ou lorsque l'on souhaite augmenter la taille du point focal. Dans ce cas, une puissance laser plus élevée (densité de puissance) est nécessaire pour obtenir une pénétration plus profonde.
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Date de publication : 27 septembre 2022