Influence du gaz protecteur en soudage laser
Quels avantages peut vous apporter un gaz de protection adapté ?
IEn soudage laser, le choix du gaz protecteur peut avoir un impact significatif sur la formation, la qualité, la profondeur et la largeur du cordon de soudure.
Dans la grande majorité des cas, l'introduction d'un gaz protecteur a un effet positif sur le cordon de soudure, tandis qu'une utilisation inappropriée de ce gaz peut avoir des effets néfastes sur le soudage.
Les effets appropriés et inappropriés de l'utilisation du gaz protecteur sont les suivants :
Utilisation correcte
Utilisation inappropriée
1. Protection efficace du bain de fusion
L'introduction adéquate d'un gaz protecteur peut efficacement protéger le bain de fusion contre l'oxydation, voire empêcher toute oxydation.
1. Détérioration du cordon de soudure
Une introduction incorrecte du gaz protecteur peut entraîner une mauvaise qualité du cordon de soudure.
2. Réduction des projections
L'introduction correcte d'un gaz protecteur permet de réduire efficacement les projections lors du processus de soudage.
2. Fissuration et réduction des propriétés mécaniques
Choisir le mauvais type de gaz peut entraîner des fissures dans les cordons de soudure et une diminution des performances mécaniques.
3. Formation uniforme du cordon de soudure
L'introduction adéquate d'un gaz protecteur favorise la répartition uniforme du bain de fusion lors de la solidification, ce qui permet d'obtenir un cordon de soudure uniforme et esthétique.
3. Augmentation de l'oxydation ou des interférences
Un débit de gaz inadapté, trop élevé ou trop faible, peut entraîner une oxydation accrue du cordon de soudure. Il peut également provoquer de graves perturbations du métal en fusion, entraînant un affaissement ou une formation irrégulière du cordon.
4. Utilisation accrue du laser
L'introduction correcte d'un gaz protecteur peut réduire efficacement l'effet de protection des panaches de vapeur métallique ou des nuages de plasma sur le laser, augmentant ainsi l'efficacité de ce dernier.
4. Protection inadéquate ou impact négatif
Choisir une méthode d'introduction de gaz inappropriée peut entraîner une protection insuffisante du cordon de soudure, voire avoir un effet négatif sur sa formation.
5. Réduction de la porosité des soudures
L'introduction correcte d'un gaz protecteur permet de minimiser efficacement la formation de porosités gazeuses dans le cordon de soudure. En choisissant judicieusement le type de gaz, le débit et la méthode d'introduction, on obtient des résultats optimaux.
5. Influence sur la profondeur de soudure
L'introduction d'un gaz protecteur peut avoir un certain impact sur la profondeur de la soudure, notamment dans le soudage de tôles minces, où elle tend à réduire la profondeur de la soudure.
Différents types de gaz protecteurs
Les gaz de protection couramment utilisés en soudage laser sont l'azote (N2), l'argon (Ar) et l'hélium (He). Ces gaz possèdent des propriétés physiques et chimiques différentes, ce qui entraîne des effets variables sur le cordon de soudure.
1. Azote (N2)
L'azote (N₂) possède une énergie d'ionisation modérée, supérieure à celle de l'argon (Ar) et inférieure à celle de l'hélium (He). Sous l'action du laser, il s'ionise de façon modérée, réduisant ainsi la formation de nuages de plasma et optimisant l'utilisation du laser. Cependant, à certaines températures, l'azote peut réagir chimiquement avec les alliages d'aluminium et l'acier au carbone, formant des nitrures. Ceci peut accroître la fragilité et réduire la ténacité du cordon de soudure, affectant négativement ses propriétés mécaniques. Par conséquent, l'utilisation de l'azote comme gaz protecteur pour le soudage des alliages d'aluminium et de l'acier au carbone est déconseillée. En revanche, l'azote peut réagir avec l'acier inoxydable, formant des nitrures qui renforcent la résistance du joint soudé. L'azote peut donc être utilisé comme gaz protecteur pour le soudage de l'acier inoxydable.
2. Gaz argon (Ar)
L'argon possède une énergie d'ionisation relativement faible, ce qui entraîne un degré d'ionisation plus élevé sous l'action du laser. Ceci est défavorable au contrôle de la formation des nuages de plasma et peut avoir un impact sur l'efficacité des lasers. Cependant, l'argon est très peu réactif et ne réagit généralement pas chimiquement avec les métaux courants. De plus, l'argon est économique. Enfin, grâce à sa densité élevée, l'argon se dépose au-dessus du bain de fusion, assurant ainsi une meilleure protection de celui-ci. Il peut donc être utilisé comme gaz de protection conventionnel.
3. Gaz hélium (He)
L'hélium possède l'énergie d'ionisation la plus élevée, ce qui entraîne un très faible degré d'ionisation sous l'action d'un laser. Il permet un meilleur contrôle de la formation du plasma et une interaction efficace des lasers avec les métaux. De plus, sa très faible réactivité et sa faible propension aux réactions chimiques avec les métaux en font un excellent gaz de protection pour les soudures. Cependant, son coût élevé limite son utilisation à la production de masse. Il est généralement employé dans la recherche scientifique ou pour la fabrication de produits à haute valeur ajoutée.
Deux méthodes d'utilisation du gaz protecteur
Actuellement, il existe deux principales méthodes d'introduction du gaz de protection : le soufflage latéral hors axe et le gaz de protection coaxial, comme illustré respectivement sur les figures 1 et 2.
Figure 1 : Gaz de protection soufflé latéralement hors axe
Figure 2 : Gaz de protection coaxial
Le choix entre les deux méthodes de soufflage dépend de divers facteurs.
En général, il est recommandé d'utiliser la méthode de soufflage latéral hors axe pour le gaz de protection.
Comment choisir le gaz de protection approprié ?
Il convient tout d'abord de préciser que le terme « oxydation » des soudures est une expression courante. En théorie, il désigne la détérioration de la qualité de la soudure due à des réactions chimiques entre le métal d'apport et des composants nocifs présents dans l'air, tels que l'oxygène, l'azote et l'hydrogène.
La prévention de l'oxydation des soudures implique de réduire ou d'éviter le contact entre ces composants nocifs et le métal d'apport à haute température. Cet état de haute température concerne non seulement le métal en fusion dans le bain de fusion, mais aussi toute la période allant de la fusion du métal jusqu'à sa solidification et la diminution de sa température en dessous d'un certain seuil.
Procédé de soudage
Par exemple, lors du soudage des alliages de titane, lorsque la température est supérieure à 300 °C, une absorption rapide d'hydrogène se produit ; au-dessus de 450 °C, une absorption rapide d'oxygène se produit ; et au-dessus de 600 °C, une absorption rapide d'azote se produit.
Par conséquent, une protection efficace est nécessaire pour la soudure en alliage de titane lors de sa solidification, lorsque sa température descend en dessous de 300 °C, afin d'éviter l'oxydation. Il ressort de la description ci-dessus que le gaz de protection doit protéger non seulement le bain de fusion au moment opportun, mais aussi la zone de soudure juste solidifiée. C'est pourquoi la méthode de soufflage latéral hors axe illustrée à la figure 1 est généralement privilégiée, car elle offre une protection plus étendue que la méthode de protection coaxiale illustrée à la figure 2, notamment pour la zone de soudure juste solidifiée.
Toutefois, pour certains produits spécifiques, le choix de la méthode doit être fait en fonction de la structure du produit et de la configuration des joints.
Choix spécifique de la méthode d'introduction du gaz protecteur
1. Soudure en ligne droite
Si la forme de la soudure du produit est droite, comme illustré à la figure 3, et que la configuration du joint comprend des joints bout à bout, des joints à recouvrement, des soudures d'angle ou des soudures empilées, la méthode préférée pour ce type de produit est la méthode de soufflage latéral hors axe illustrée à la figure 1.
Figure 3 : Soudure en ligne droite
2. Soudure à géométrie plane fermée
Comme illustré à la figure 4, la soudure de ce type de produit présente une forme plane fermée, telle qu'une forme circulaire, polygonale ou linéaire à segments multiples. Les configurations d'assemblage peuvent inclure des assemblages bout à bout, des assemblages à recouvrement ou des soudures par empilement. Pour ce type de produit, la méthode privilégiée consiste à utiliser le gaz de protection coaxial illustré à la figure 2.
Figure 4 : Soudure à géométrie plane fermée
Le choix du gaz de protection pour le soudage de pièces planes fermées influe directement sur la qualité, l'efficacité et le coût de la production. Cependant, compte tenu de la diversité des matériaux à souder, ce choix s'avère complexe en pratique. Il nécessite une analyse approfondie des matériaux, des méthodes et des positions de soudage, ainsi que du résultat souhaité. Le choix du gaz le plus adapté peut être déterminé par des essais de soudage afin d'obtenir des résultats optimaux.
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FAQ
- En soudage laser, le gaz de protection est un élément essentiel pour protéger la zone de soudure des contaminations atmosphériques. Le faisceau laser de haute intensité utilisé dans ce type de soudage génère une chaleur importante, créant un bain de fusion.
On utilise souvent un gaz inerte pour protéger le bain de fusion lors du soudage laser. Pour certains matériaux, l'oxydation superficielle est parfois négligée. Cependant, dans la plupart des applications, l'hélium, l'argon, l'azote et d'autres gaz sont couramment utilisés comme protection. Voyons maintenant pourquoi les machines de soudage laser nécessitent un gaz de protection.
En soudage laser, le gaz de protection influe sur la forme, la qualité, la pénétration et la largeur de la zone fondue de la soudure. Dans la plupart des cas, l'injection de gaz de protection améliore la qualité de la soudure.
- Mélanges argon-héliumMélanges argon-hélium : généralement recommandés pour la plupart des applications de soudage laser de l’aluminium, en fonction de la puissance du laser. Mélanges argon-oxygène : permettent d’obtenir un rendement élevé et une qualité de soudage acceptable.
- Les gaz utilisés dans la conception et l'application des lasers à gaz sont les suivants : dioxyde de carbone (CO2), hélium-néon (H et Ne) et azote (N).
Des questions sur le soudage laser portatif ?
Date de publication : 19 mai 2023