Comparaison des effets de soudage de lasers avec différents diamètres de noyau
Le traitement laser des matériaux métalliques est principalement un traitement thermique basé sur l'effet photothermique. Lorsque le laser irradie la surface du matériau, la surface du matériau subira divers changements sous différentes densités de puissance. Ces changements incluent l'augmentation de la température de surface, la fusion, la vaporisation, la formation de trous de serrure et la génération de photoplasma. De plus, le changement de l’état physique de la région de surface du matériau affecte grandement l’absorption de la lumière laser par le matériau. D’une manière générale, plus la température est élevée, plus le taux d’absorption de la lumière laser par le matériau est élevé. Avec l'augmentation de la densité de puissance et du temps d'action, le matériau métallique subira les changements d'état physique suivants, comme le montre la figure 1 [1].
Il existe deux cœurs de soudage laser : le transfert thermique et la conduction thermique. Le transfert de chaleur est lié à la source de chaleur, à la densité de puissance et à l'énergie de la ligne ; Débit d'air à affiner. Dans le processus de soudage, la source de chaleur, la densité de puissance et l'énergie de ligne sont principalement ajustées. Les paramètres de processus impliqués comprennent : la sélection du diamètre du noyau laser, de la puissance, de la vitesse et du degré de défocalisation. Considérant que cet article se concentre principalement sur des lasers avec différents diamètres de noyau et implique principalement différentes densités de puissance, la figure 2 montre la formule simple de calcul de la densité de puissance :
Il existe deux principaux types de soudage laser en fonction du taux d'absorption du processus de soudage, l'un est le soudage par conduction thermique (rapport profondeur-largeur<1, laser absorption rate of red light is within 20%, and different wavelengths are different), and the other is deep penetration welding (Aspect ratio > 1, the absorption rate is greater than the absorption rate of the molten pool of the material, more than 60%, mainly due to the multiple reflection and absorption of the laser in the keyhole).
Soudage par conduction thermique au laser :
Un rayonnement laser différent entraînera différents changements dans l'état du matériau, ce qui se reflète dans le processus de soudage par deux modes de soudage typiques : le soudage par conduction thermique au laser et le soudage par pénétration profonde au laser. Le processus de transfert de chaleur, le mécanisme de formation de la soudure, les caractéristiques du processus et le domaine d'application des deux sont très différents.
Mode de soudage par conduction thermique laser :
Pendant le soudage par conduction thermique, l'irradiance laser irradiée sur la surface de la pièce est comprise entre 10E4 et 10E6W/cm et l'énergie laser est absorbée par la fine couche de 10 à 100 m sur la surface. L'énergie laser sur la surface est transmise à l'intérieur du matériau par conduction thermique et le laser ne peut pas être directement touché. Après une certaine période d'irradiation laser, la surface atteint la fusion, et cet isotherme de fusion se propage profondément dans le matériau, et la température de surface continue d'augmenter. Mais le plus élevé ne peut atteindre que le point d'ébullition du matériau, quelle que soit la température, le matériau se vaporisera et formera des fosses, le processus de soudage par conduction thermique stable sera détruit, le bain de fusion oscillera et le matériau sera brûlé. Généralement, le soudage par conduction thermique est principalement utilisé dans les plaques minces. Dans ce cas, il faudra y mettre un terme. Avec le mouvement relatif du faisceau laser et de la pièce à usiner, un cordon de soudure peu profond et large est formé, comme le montre la figure 3. Le rapport profondeur/largeur du cordon de soudure est faible et la largeur du cordon de soudure est généralement plus de deux fois la profondeur de pénétration. La figure ci-dessous montre l'apparence en coupe transversale d'un cordon de soudure par conduction thermique laser typique, et la forme du cordon de soudure est approximativement hémisphérique.
Comparaison de lasers de différents diamètres de noyau :
(1) La vitesse de l'expérience est de 150 mm/s, la position de mise au point est soudée, le matériau est de l'aluminium de la série 1 et l'épaisseur est de 2 mm ;
(2) Plus le diamètre du noyau est grand, plus la largeur de fusion est grande, plus la zone affectée thermiquement est grande et plus la densité de puissance unitaire est petite. Lorsque le diamètre du noyau dépasse 200 um, il n'est pas facile d'atteindre la profondeur de pénétration sur les alliages à haute réaction tels que l'aluminium et le cuivre, et nécessite une puissance plus élevée pour réaliser un soudage à pénétration profonde ;
(3) Le laser de petit diamètre de noyau a une densité de puissance élevée, peut rapidement percer des trous de serrure sur la surface du matériau avec une énergie élevée et possède une petite zone affectée par la chaleur, mais en même temps la surface de la soudure est rugueuse, le la probabilité d'effondrement du trou de serrure est élevée lors du soudage à basse vitesse et le trou de serrure est fermé pendant le cycle de soudage Cycle long, facile à produire des défauts, des pores et d'autres défauts, adapté au traitement à grande vitesse ou au traitement avec piste pivotante ;
(4) Les lasers de grand diamètre sont plus adaptés à la refusion de surfaces laser, au revêtement, au recuit et à d'autres processus en raison de leur grand point et de leur énergie plus dispersée.
Matériaux hautement réfléchissants : aluminium, cuivre, acier inoxydable, nickel, molybdène, etc. ;
(1) Les matériaux hautement réfléchissants doivent choisir un laser de petit diamètre. Utiliser un faisceau laser à haute densité de puissance pour chauffer rapidement le matériau jusqu'à un état liquéfié ou vaporisé, améliorer le taux d'absorption laser du matériau et obtenir un traitement efficace et rapide. Il est facile de choisir un laser avec un noyau de grand diamètre. Conduire à une réflexion élevée, conduire à un soudage virtuel et même brûler le laser ;
Matériaux sensibles aux fissures : nickel, cuivre nickelé, aluminium, acier inoxydable, alliage de titane, etc.
(2) Ce type de matériau nécessite généralement un contrôle strict de la zone affectée thermiquement et nécessite un petit bassin de fusion. Il est plus approprié de choisir un laser de petit diamètre ;
Traitement laser à grande vitesse :
(3) Le soudage par pénétration profonde nécessite un traitement laser à grande vitesse, et il est nécessaire de sélectionner un laser à haute densité d'énergie pour garantir que l'énergie de la ligne est suffisante pour faire fondre le matériau à grande vitesse, en particulier pour le soudage par recouvrement, le soudage par pénétration et d'autres petits noyaux qui nécessitent une profondeur de pénétration élevée. Les lasers radiaux sont plus adaptés.
Advantages and applications of large core lasers (>100 um) :
Grand diamètre de noyau et grand point, grande zone de couverture thermique, large surface d'action et réalisation uniquement d'une micro-fusion sur la surface du matériau, très approprié pour les applications de revêtement laser, de refusion laser, de recuit laser, de durcissement laser, etc. Dans certaines zones, un grand point signifie une productivité plus élevée et moins de défauts (la soudure par conduction thermique est presque sans défaut).
En termes de soudage, le grand point est principalement utilisé pour le soudage composite, qui est utilisé pour le mélange avec un laser de petit diamètre de noyau : le grand point fait fondre légèrement la surface du matériau, le transformant de solide en liquide, ce qui améliore considérablement le taux d'absorption. du matériau au laser, puis utilise un petit noyau. Dans ce processus, en raison du préchauffage de la grande tache, du post-traitement et du grand gradient de température donné au bain fondu, le matériau n'est pas sujet aux défauts de fissure causés par chauffage et refroidissement rapides. Il peut rendre l'apparence de la soudure plus lisse tout en réduisant les projections par rapport à la solution laser unique.
