Influence des paramètres du processus laser sur le soudage

1.1 Plan de mise au point

1.1.1 Définition du focus：La répartition de l'énergie de la section transversale du faisceau est celle indiquée dans la figure de gauche, et la section longitudinale de la répartition de l'énergie du faisceau est également celle indiquée dans la figure de gauche. Le faisceau est émis par le laser et après avoir traversé la lentille de focalisation collimatrice, il se concentrera dans une certaine position, formant une taille de faisceau. Ce point a la particularité que le point est le plus petit et que la densité d'énergie du faisceau est la plus élevée, ce qui constitue le point focal.

La répartition de l'énergie laser est strictement symétrique le long du plan focal. Grâce au phénomène physique de l'interaction du laser avec les matériaux, on peut déterminer la limite énergétique, déterminant ainsi la position centrale du point focal.

1.2 Base pour juger des coordonnées des limites:La limite entre les zones avec éclaboussures et sans éclaboussures ; La longueur et la luminosité de la flamme plasma limite supérieure (feu) et l'état correspondant de la flamme plasma limite inférieure (feu), avec la valeur médiane prise ; Le plan où le son est le plus fort et la réaction physique la plus intense.

1.3 Comment déterminer le plan focal:

1.3.1. La première étape consiste à établir une référence

Positionnement grossier:

Si vous n'êtes pas sûr de l'emplacement approximatif de la profondeur de mise au point, vous pouvez d'abord déplacer l'axe Z là où le point de la lumière rouge coaxiale est le plus petit, ce qui est généralement proche de la profondeur de mise au point ; Trouvez le plus petit point guide, puis recherchez les limites supérieure et inférieure de l'énergie du point focal.

Précautions : :

Avec la même configuration de chemin de lumière externe, différentes puissances entraîneront différentes profondeurs de mise au point. Par conséquent, lors de la détermination du point focal, la puissance doit être réglée aussi bas que possible pour faciliter la définition des limites.

1.3.2 Étape 2 Méthode par points d'impulsion - vérifier les joints de soudure

Recherchez les coordonnées de l'état critique de défocalisation positive et négative, le point médian des deux coordonnées est pris comme coordonnées de mise au point.

Méthode de pointage d'impulsions : observez les étincelles

Bien sûr, vous pouvez également écouter le son, quant à la fonctionnalité à choisir pour le jugement, cela dépend de la situation du laser et du matériau sur place, et celui qui convient le mieux au jugement doit être choisi.

Notez également:

1） Assurez-vous de ne pas émettre de lumière en continu à la même position (frapper la surface lisse du matériau et le point de soudure où les différences caractéristiques sont importantes entraînera une erreur d'appréciation importante) ;

2) Le matériau utilisé pour trouver le point focal doit être plat, sans changement de hauteur, et la surface doit être propre ;

3） Trouvez le point focal plusieurs fois et prenez la valeur moyenne pour réduire l'erreur.

1.3.3 Détermination du plan focal par la méthode de la ligne oblique

Notes sur la coupe :

Plaque d'acier générale :

1） Pour les semi-conducteurs, utilisez environ 500 W ou moins ; pour la fibre optique, environ 300W suffiront ;

2) La vitesse peut être réglée entre 80 et 200 mm/s ;

3) Plus l'angle de biseau de la plaque d'acier est grand, mieux c'est, de préférence autour de 45 à 60 degrés ; le point médian est situé au foyer de positionnement grossier du point de guidage le plus petit et le plus brillant.

Commencez ensuite à tracer la ligne. Quel effet le marquage doit-il produire ? Théoriquement, cette ligne se répartira symétriquement autour du point focal, et la trajectoire subira un processus augmentant de petit à grand puis diminuant à nouveau, ou diminuant de grand à petit puis augmentant à nouveau.
Pour les semi-conducteurs, recherchez le point le plus fin. La plaque d'acier deviendra blanche au point focal avec des caractéristiques de couleur évidentes, qui peuvent également servir de base pour localiser le point focal. Deuxièmement, pour la fibre optique, essayez de contrôler que l'arrière soit légèrement translucide. S'il est légèrement translucide au point focal, cela indique que le point focal est au milieu de la longueur légèrement translucide de l'arrière.

1.3.4 Pointage en spirale : galvanomètre pour trouver le foyer

Lorsque le monomode est associé à un galvanomètre, il est parfois difficile de trouver le point critique des caractéristiques physiques en raison du rapport de grossissement trop important. Par conséquent, une méthode de marquage d’une ligne en spirale, utilisant un apport d’énergie plus dense, est dérivée pour déterminer le point focal.

1）Créez une ligne en spirale dans le cadre du galvanomètre et centrez-la.
Définissez les paramètres de l'hélice :

• Rayon du point de départ 0.5 mm

• Rayon du point final : 1.5 mm

•Pas de spirale 0.5 mm ;

(*Le rayon du point final de la ligne en spirale ne doit pas être trop grand, généralement 1 mm à 2 mm est approprié.)

2）Le soudage la vitesse doit généralement être réglée à ≥100 mm/s. Si la vitesse est trop lente, l’effet de soudage au fil spiralé n’est pas évident. La vitesse recommandée est de 150 mm/s.

1.4 Soudage vitesse

Le la soudure au laser Le système est composé d'un laser, d'une fibre de transmission, d'une tête de focalisation collimatrice ou d'un galvanomètre, etc. La lumière qui sort de la fibre est divergente et doit être transformée en lumière parallèle par une lentille collimatrice, puis convertie en un état focalisé (grossissant effet verre) à travers une lentille de focalisation. Les paramètres clés lors du débogage du processus laser incluent : vitesse, power, quantité de défocalisation et gaz de protection, etc. Généralement, le rapport de processus fourni par les ingénieurs de processus lors des tests en laboratoire contient principalement les quatre paramètres ci-dessus, ainsi que la configuration du modèle laser choisi.

1.4.1 Effet de la vitesse sur la qualité du soudage : énergie de ligne

D'une manière générale, avant de décider quels paramètres choisir pour une pièce, il est nécessaire de déterminer d'abord la vitesse de traitement. Cela nécessite une communication avec le client pour répondre à ses demandes, telles que les exigences en matière de rythme de production et les demandes de rendement. À partir de ceux-ci, vous pouvez déduire approximativement la vitesse requise, puis effectuer le débogage du processus sur cette base.

Pendant la soudure au laser Dans le processus, la vitesse de soudage affecte directement la densité d'énergie linéaire du faisceau laser, ce qui affecte de manière significative la taille du cordon de soudure. Parallèlement, à différentes vitesses de soudage, le schéma d'écoulement du bain de fusion pendant le processus de soudage au laser varie également.

Augmenter la vitesse d'un laser à fibre unique: Cela entraînera une diminution de l'énergie de la ligne et le cordon de soudure passera d'épais à mince. Il passera du soudage par pénétration profonde au soudage par conduction jusqu'à ce qu'aucune marque de soudage ne soit présente en raison du manque de fusion. Généralement, la vitesse n'est pas trop ajustée. Pour les matériaux hautement réfléchissants, s’il y a beaucoup de soudures de segments ou un manque de fusion, un ralentissement peut résoudre certains problèmes. Cela inclut la réduction de la zone affectée thermiquement et de l'énergie linéaire pour certaines pièces structurelles comportant des pièces en plastique sur les bords ou dans les soudures en couches en augmentant la vitesse.

Soudage pulsé: la vitesse affecte le taux de chevauchement ;

Soudage laser continu: Le principe de base de l'impact de la vitesse sur le soudage est qu'elle affecte la distribution d'énergie de la ligne et, par conséquent, la durée de l'action du laser. Cela conduit à son tour à différents niveaux de profondeur et de largeur de fusion métallographique. La règle d’influence est illustrée dans l’image ci-dessous :

La largeur de fusion diminue à mesure que la vitesse de soudage augmente ; la profondeur de fusion diminue également à mesure que la vitesse de soudage augmente ; augmenter la vitesse peut, dans une certaine mesure, réduire les défauts tels que les contre-dépouilles et les éclaboussures.

1.5 Puissance de soudage

L'apport d'énergie du soudage laser est généralement représenté par la densité d'énergie (puissance laser divisée par la surface du point, en unités de w/cm²) et l'apport thermique (puissance laser divisée par la vitesse de soudage, en unités de w/cm²). Le premier décrit l’intensité de l’énergie laser dans la plage spatiale, tandis que le second décrit le cumul de l’énergie laser au fil du temps.

La relation simple entre la puissance, la profondeur de fusion et la largeur de fusion est celle indiquée dans l'image. D'une manière générale : plus la puissance est grande, la profondeur et la largeur de la fusion augmenteront avec la puissance. La soudure au laser a un seuil énergétique. En dessous de ce seuil, on parle de soudage par conduction thermique, au-dessus, on parle de soudage par pénétration profonde. La différence est que le soudage à pénétration profonde comporte un trou de serrure.

Les défauts courants causés par une puissance insuffisante comprennent : une fausse soudure, une faible profondeur de fusion et des marques de soudure peu claires ; Les défauts dus à une puissance excessive comprennent : la pénétration du soudage, les grosses éclaboussures, les bords ondulés et les contre-dépouilles.

La relation entre la puissance et la profondeur et la largeur de fusion: Plus la puissance est élevée, plus la profondeur et la largeur de fusion sont grandes.

1.5.1 Tache en forme d'anneau:

Le laser à anneau intérieur est principalement responsable de la profondeur de fusion, à mesure que la puissance augmente, la profondeur de fusion augmente.

Le laser à anneau extérieur a un impact moindre sur la profondeur de fusion et affecte principalement la largeur de fusion. À mesure que la puissance de la bague extérieure augmente, l’apparence du cordon de soudure devient plus lisse et la largeur de fusion augmente.

1.6 Défocalisation

La défocalisation est la distance entre le plan focal du laser et la surface de la pièce à souder. Lorsque le plan focal est au-dessus de la surface de la pièce, il s'agit d'une défocalisation positive ; lorsque le plan focal est sous la surface de la pièce, il s'agit d'une défocalisation négative. Naturellement, lorsque le plan focal est sur la surface de la pièce, la défocalisation est nulle. La défocalisation est un paramètre important en soudage laser. Étant donné que le faisceau laser est focalisé sur un point focal pour faire converger l'énergie de soudage par la lentille à l'intérieur de la tête laser à la distance focale, par conséquent, d'un point de vue optique, la modification de la défocalisation du soudage laser modifie essentiellement la zone du point d'action du faisceau laser, modifiant ainsi la densité de puissance laser.

Généralement, lorsqu'une fenêtre de processus est spécifiée, une plage de défocalisation doit être définie, principalement pour les pièces présentant des surfaces à haute réflectivité, telles que l'acier inoxydable, les alliages d'aluminium, etc. Étant donné que ces matériaux ont des surfaces de type miroir, si la défocalisation est trop grande , l'énergie unitaire sera trop faible pour faire fondre rapidement la surface du matériau, provoquant la réflexion d'une certaine quantité d'énergie laser et endommageant la lentille de la tête de soudage et la face d'extrémité de la fibre.

Dans le même temps, après avoir sélectionné le diamètre du noyau de la fibre, si l'écart entre les pièces est trop grand et qu'il peut y avoir une situation où le laser fuit au-dessus de la couture, la défocalisation peut être utilisée comme remède pour agrandir le point, ce qui augmenter la zone chauffée et garantir que la piscine fondue recouvre le joint pour éviter les fuites de lumière.

La défocalisation est généralement choisie positive, et ni le point focal ni la défocalisation négative ne sont sélectionnés car : l'énergie laser est principalement concentrée au centre du point focal. Lorsque le point focal se trouve sur la surface ou à l'intérieur de la pièce, la densité de puissance laser à l'intérieur du bain de fusion est trop élevée, ce qui peut facilement provoquer des éclaboussures de soudure, une surface de soudure rugueuse et des irrégularités.

La relation entre la défocalisation et la profondeur et la largeur de fusion :

La profondeur de fusion diminue à mesure que la défocalisation augmente, et la profondeur de fusion avec une défocalisation négative est supérieure à celle avec une défocalisation positive ; la largeur de fusion augmente d'abord puis diminue à mesure que la défocalisation augmente.

1.7 Gaz de protection

Gaz de protection : Il existe de nombreux types de gaz de protection. Dans les chaînes de production industrielle, l’azote est souvent utilisé pour contrôler les coûts. Dans les laboratoires, l'argon constitue le choix principal, mais l'hélium et d'autres gaz inertes sont également utilisés, généralement dans des circonstances particulières. Les trois plus couramment utilisés sont l’azote, l’argon et l’hélium.

Parce que la soudure au laser est un processus de réaction vigoureuse à haute température, où le métal fond et s'évapore, le métal est très actif à haute température. Une fois en contact avec l'oxygène, une réaction violente se produira, caractérisée par une grande quantité d'éclaboussures et une surface de soudure rugueuse et inégale. Par conséquent, le but du gaz de protection est de créer un environnement sans oxygène dans une petite plage (à proximité du bain de fusion) pour empêcher les réactions d'oxydation violentes de provoquer de mauvaises soudures et un aspect rugueux.

1.7.1 Effets des différents gaz de protection

La vapeur métallique absorbe les faisceaux laser et s'ionise en un nuage de plasma. S'il y a trop de plasma, le faisceau laser est dans une certaine mesure consommé par le plasma. Le gaz de protection peut disperser le panache de vapeur métallique ou le nuage de plasma, réduisant ainsi son effet de protection sur le laser et augmentant l'utilisation efficace du laser.
Dans le même temps, le gaz de protection est également ionisé par le laser à haute énergie. En raison des différentes énergies d'ionisation, différents gaz de protection auront des effets de protection différents sur le laser.

Selon des recherches expérimentales, le classement de l'énergie d'ionisation est le suivant : Hélium > Azote > Argon.

• L'hélium est celui qui est le moins susceptible de s'ioniser sous l'action d'un laser et il a le moins d'impact sur le processus de soudage.

• L'argon a une faible réactivité et est un gaz inerte. Il ne réagit pas avec le matériau et est couramment utilisé en laboratoire.

• L'azote est un gaz réactif car il peut réagir avec des matériaux métalliques. Il est généralement utilisé dans des situations où il n'y a pas d'exigences de résistance élevée, en particulier par les entreprises de lignes de production qui tiennent compte du coût.

1.7.2 Effet du soufflage de gaz de protection sous différents angles

Comment appliquer le gaz de protection à soufflage latéral ?

• L'angle et la hauteur du gaz de protection soufflé latéralement affectent directement la zone de couverture du gaz de protection et la position à laquelle il agit sur le trou de serrure du bain de fusion ;

• Généralement, différents diamètres de tuyaux et débits de gaz de protection doivent être adaptés en fonction de la taille du bain de fusion de soudage pour garantir l'effet protecteur ;

• Le meilleur angle pour le gaz de protection est de 45 à 60°, ce qui permet d'élargir efficacement l'ouverture du trou de serrure et de réduire les éclaboussures.

Gaz de protection à soufflage latéral

Avantages: Il est bénéfique pour disperser le plasma, et souffler d'avant en arrière peut supprimer efficacement les éclaboussures.

Impact positif: Cela peut entraîner une augmentation de la porosité.

Gaz de protection à soufflage direct

Avantages:

• Le soufflage direct peut assurer efficacement la zone de couverture du gaz de protection sur le bain fondu, offrant ainsi une bonne protection ;

• Le soufflage direct est simple à utiliser et ne nécessite aucun réglage, mais il faut faire attention car les scories de soudure sur la buse en cuivre peuvent interférer avec la direction du flux de gaz de protection et les turbulences peuvent affecter l'efficacité du gaz de protection.

Impact positif: Le soufflage direct peut également élargir efficacement l’ouverture du trou de serrure, mais un débit excessif de gaz de protection peut entraîner une augmentation de la porosité.