La soudure au laser

Dans la méthode de soudage au laser, un faisceau lumineux concentré à haute densité d'énergie (diamètre du faisceau 0,1 ... 2 mm) est utilisé pour connecter les pièces. Selon le type de faisceau lumineux, le soudage laser peut être pulsé et continu. Les joints ponctuels sont soudés de manière pulsée, pour les coutures continues, un rayonnement pulsé-périodique ou continu est utilisé. Le soudage par impulsions est également utilisé lorsqu'il est nécessaire d'assurer des déformations minimales dues au chauffage de la température et une grande précision, en continu - pour le soudage à grande vitesse en série ou en série.

Le soudage laser est utilisé pour assembler divers matériaux : acier, titane, aluminium, métaux réfractaires, cuivre, alliages métalliques, métaux précieux, bimétalliques, d'une épaisseur de quelques dizaines à plusieurs millimètres. Cependant, le soudage au laser de métaux réfléchissants tels que l'aluminium et le cuivre est quelque peu difficile. Le soudage au laser des métaux est illustré à la fig. 2.

Le soudage des métaux actifs est réalisé à l'aide d'un gaz de protection sous la forme d'un jet dirigé dans la zone d'exposition au faisceau lumineux.

Photo 1 — Soudage au laser solide : 1 — milieu actif (rubis, grenat, néodyme), 2 — lampe à pompe, 3 — miroir opaque, 4 — miroir translucide, 5 — fibre optique, 6 — système optique, 7 — détail, 8 — faisceau laser au point focal, 9, 10 — diviseurs de faisceau laser.

Photo 2 — Soudabilité des matériaux

Selon la profondeur de pénétration, il existe trois types de soudage laser :

1) microsoudure (moins de 100 microns),

2) mini-soudage (0,1 ... 1 mm),

3) macro soudure (plus de 1 mm).

Étant donné que la profondeur de pénétration ne dépasse généralement pas 4 mm, le soudage au laser est largement utilisé principalement dans la fabrication d'outils de précision, dans la fabrication d'appareils électroniques, de montres, dans la construction aéronautique, dans l'industrie automobile, dans le soudage de tuyaux, et est également largement utilisé dans l'industrie de la bijouterie.

Avant le soudage bout à bout et le chevauchement, assurez-vous d'un espace de 0,1 ... 0,2 mm. Avec de grands écarts, un épuisement et un manque de synthèse peuvent survenir.

Les principaux paramètres du mode de soudage laser sont :

1) durée et énergie des impulsions,

2) fréquence d'impulsion,

3) le diamètre du faisceau lumineux,

4) la distance entre la plus petite partie du faisceau focalisé et la surface,

5) vitesse de soudage. Elle atteint 5 mm/s. Pour augmenter la vitesse, la fréquence d'impulsion est augmentée ou le mode continu est utilisé.

L'industrie utilise 2 types de lasers pour le soudage au laser :

1) lasers à semi-conducteurs - rubis, néodyme et YAG (à base de grenat d'yttrium et d'aluminium);

2) lasers à gaz CO2.

Récemment, des machines de soudage laser sont également apparues, dont l'élément actif est une fibre optique en quartz.De tels lasers permettent de souder des matériaux "problématiques" - cuivre et laiton à haute réflectivité, titane.

Les capacités des différentes machines de soudage laser sont présentées dans les tableaux 1 et 2.

Des exemples de modes de soudage au laser à gaz CO2 sont présentés dans le tableau 3.

Tableau 1 — Épaisseur de tôle et puissance laser de soudage

Tableau 2 — Applicabilité des lasers

Tableau 3 — Modes de soudage bout à bout au laser avec un laser à gaz

Le diamètre du faisceau laser est généralement de 0,3 mm. Les soudures bout à bout soudées avec un faisceau inférieur à 0,3 mm peuvent présenter un manque d'adhérence et un manque de pénétration. Le soudage avec des lasers jusqu'à 10 kW se fait généralement sans charge.

En raison de la petite surface affectée par la chaleur lors du soudage au laser, la soudure refroidit très rapidement. Cela peut avoir des conséquences à la fois négatives et positives sur la qualité du joint soudé. De nombreux métaux donnent les meilleures propriétés physiques et mécaniques avec un refroidissement rapide des joints. Cependant, lors du soudage de l'acier inoxydable, cela peut entraîner une rupture de la soudure. L'augmentation de la largeur d'impulsion à 10 ms et le préchauffage permettent d'éliminer ce phénomène.

Avec le bon choix de matériaux et de modes de soudage, le soudage au laser produit des cordons de la plus haute qualité.

Les systèmes laser peuvent être divisés en 3 catégories :

1) Dispositifs de boîtier. Dans de tels dispositifs, les pièces sont placées dans un espace fermé spécial contenant une atmosphère neutre protectrice et un faisceau laser. Le soudeur peut contrôler et surveiller le processus de soudage à l'aide d'un système optique spécial.

2) Appareils destinés au soudage en extérieur.Le faisceau laser a plusieurs degrés de liberté et produit des mouvements programmés. La zone de soudage est protégée par un flux de gaz.

3) Appareils destinés au soudage laser manuel. Les torches laser sont très similaires aux torches de soudage TIG. Le faisceau laser est transmis à la torche à l'aide d'une fibre optique. Pendant le soudage, le soudeur tient la torche laser d'une main et le matériau d'apport de l'autre.

Tableau 4 — Comparaison des différents types de soudage au laser

Les avantages du soudage laser incluent :

1) une petite zone d'effet thermique du faisceau laser sur le matériau et, par conséquent, des déformations thermiques insignifiantes;

2) la possibilité de souder dans des endroits difficiles d'accès, dans un environnement transparent au rayonnement laser (verre, liquides, gaz) ;

3) soudage de matériaux magnétiques ;

4) petit diamètre du faisceau lumineux, possibilité de micro soudure, cordon de soudure étroit avec de bonnes caractéristiques esthétiques ;

5) la capacité d'automatiser le processus ;

6) manipulation flexible du faisceau lumineux par transmission optique ;

7) la polyvalence des équipements laser (possibilité d'utilisation pour le soudage et le découpage au laser, le marquage et le perçage);

8) la possibilité de souder différents matériaux.

Inconvénients du soudage laser :

1. Coût élevé et complexité des équipements laser.

2. Exigences élevées pour la préparation, le nettoyage des bords de soudure.

3. Impossibilité de souder des pièces à parois épaisses, puissance insuffisante.L'augmentation de la puissance des lasers de soudage est limitée par le fait qu'avec un effet plus fort du faisceau laser sur le métal, il est activement diffusé dans la zone de soudage, ce qui endommage le système optique de l'appareil et désactive le laser en quelques heures .