Le soudage laser peut être réalisé par un générateur laser continu ou pulsé. Le principe du soudage laser se divise en soudage par conduction thermique et soudage par fusion profonde. Une densité de puissance inférieure à 104-105 W/cm² correspond au soudage par conduction thermique, ce qui entraîne une fusion profonde et une vitesse de soudage lente. Une densité de puissance supérieure à 105-107 W/cm² provoque une concavité de la surface métallique sous l'effet de la chaleur, formant ainsi un soudage par fusion profonde, caractérisé par une vitesse de soudage rapide et un rapport profondeur/largeur important.
Aujourd'hui, nous aborderons principalement la connaissance des principaux facteurs qui affectent la qualité du soudage par fusion profonde au laser.
1. Puissance du laser
En soudage laser par fusion profonde, la puissance laser contrôle 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 incidente et du foyer du faisceau. En général, pour un diamètre de faisceau laser donné, la profondeur de pénétration augmente avec la puissance du faisceau.
2. Point focal
La taille du spot 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 indirecte.
La taille limite de diffraction du point focal du faisceau peut être calculée selon la théorie de la diffraction, mais la taille réelle du point focal est supérieure à la valeur calculée en raison d'une faible réflexion focale. La méthode de mesure la plus simple est la méthode du profil d'iso-température, qui mesure le diamètre du point focal et la perforation après la brûlure du papier épais et la pénétration de la plaque de polypropylène. Cette méthode, grâce à la pratique des mesures, permet de maîtriser la puissance laser et le temps d'action 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. Le deuxième avantage du gaz protecteur est de protéger la lentille de focalisation de la contamination par les vapeurs métalliques et de la pulvérisation de gouttelettes de liquide. En soudage laser haute puissance, les éjectas deviennent très puissants ; il est donc nécessaire de protéger la lentille. Le troisième effet du gaz protecteur est sa capacité à disperser efficacement le film plasma produit par le soudage laser haute puissance. La vapeur métallique absorbe le faisceau laser et s'ionise pour former un nuage de plasma. Le gaz protecteur qui l'entoure s'ionise également sous l'effet de la chaleur. En cas de surabondance de plasma, le faisceau laser est absorbé par le plasma. En tant que deuxième énergie, le plasma est présent sur la surface de travail, ce qui réduit la profondeur de soudure et élargit la surface du bain de fusion.
Comment choisir le bon gaz de protection ?
4. Taux d'absorption
L'absorption laser d'un matériau dépend de certaines propriétés importantes de celui-ci, telles que son taux d'absorption, sa réflectivité, sa conductivité thermique, sa température de fusion et sa température d'évaporation. Parmi tous ces facteurs, le plus important est le taux d'absorption.
Deux facteurs influencent le taux d'absorption du matériau par le faisceau laser. Le premier est son coefficient de résistance. Il est observé que ce taux est proportionnel à la racine carrée de ce coefficient, et que ce dernier varie avec la température. Le second facteur est l'état de surface (ou finition) du matériau, qui a une influence significative sur le taux d'absorption du faisceau, et donc sur l'efficacité du soudage.
5. Vitesse de soudage
La vitesse de soudage a une grande influence sur la profondeur de pénétration. Augmenter la vitesse réduira la profondeur de pénétration, mais une vitesse trop faible entraînera une fusion excessive du matériau et un soudage à cœur de la pièce. Par conséquent, il existe une plage de vitesses de soudage adaptée à un matériau particulier, avec une puissance laser et une épaisseur données, et la profondeur de pénétration maximale peut être obtenue à cette vitesse.
6. Distance focale de la lentille 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 2,5 à 10 pouces). La taille du spot de focalisation est proportionnelle à la distance focale : plus la distance focale est courte, plus le spot est petit. Cependant, la distance focale influence également la profondeur de champ, c'est-à-dire que celle-ci augmente en même temps que la distance focale. Une focale courte peut donc améliorer la densité de puissance. Cependant, cette faible profondeur de champ exige un maintien précis de la distance entre la lentille et la pièce à souder, et une faible profondeur de pénétration. En raison de l'influence des projections et du mode laser pendant le soudage, la profondeur focale minimale utilisée est généralement de 126 mm (diamètre 5 pouces). Une lentille de 254 mm (diamètre 10 pouces) peut être choisie lorsque le cordon est large ou que la soudure doit être agrandie en augmentant la taille du spot. Dans ce cas, une puissance laser (densité de puissance) plus élevée est nécessaire pour obtenir l'effet de pénétration profonde.
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Date de publication : 27 septembre 2022