Sujet spécial sur la technologie moderne de soudage au laser : Soudage laser à double faisceau

La méthode de soudage à double faisceau a été proposée, principalement utilisée pour améliorer l'adaptabilité des la soudure au laser à la précision de l'assemblage, à augmenter la stabilité du processus de soudage et à améliorer la qualité de la soudure, notamment pour le soudage de tôles fines et d'alliages d'aluminium.Le soudage laser à double faisceau peut séparer le même type de laser en deux faisceaux distincts pour le soudage à l'aide de méthodes optiques, ou il peut utiliser deux types de lasers différents pour les combiner. Les lasers CO2, les lasers Nd:YAG et les lasers à semi-conducteurs haute puissance peuvent tous être combinés les uns avec les autres.En modifiant l'énergie des faisceaux, la distance entre les faisceaux et même le modèle de distribution d'énergie des deux faisceaux, le champ de température de soudage peut être ajusté de manière pratique et flexible. Cela modifie le mode d'existence des trous et le mode d'écoulement du métal liquide dans le bain de soudure, offrant ainsi un plus grand choix d'espace pour le processus de soudage, inégalé par le soudage laser à faisceau unique. Non seulement il possède les avantages de la fusion profonde , vitesse rapide et haute précision du soudage laser, mais il présente également une grande adaptabilité aux matériaux et aux joints difficiles à souder avec le soudage laser classique.

1. Principe de soudage laser à double faisceau

Le soudage à double faisceau signifie utiliser deux lasers simultanément pendant le processus de soudage. La disposition des faisceaux, l'espacement des faisceaux, l'angle formé par les deux faisceaux, la position de focalisation et le rapport énergétique des deux faisceaux sont tous des paramètres de configuration pertinents dans le soudage laser à double faisceau. Normalement, pendant le processus de soudage, il existe généralement deux manières d'organiser les doubles faisceaux. Comme le montre la figure, la première consiste à les disposer en série dans la direction du soudage. Cette disposition peut réduire la vitesse de refroidissement du bain de soudure et diminuer la tendance au durcissement de la soudure et la production de porosité. L'autre consiste à disposer ou croiser les poutres côte à côte des deux côtés du cordon de soudure pour augmenter l'adaptabilité à l'espace du cordon de soudure.

Pour un système de soudage laser à double faisceau avec une disposition en série, il existe trois mécanismes de soudage différents en fonction de l'espacement entre les deux poutres.

1）Dans le premier type de mécanisme de soudage, l'espacement entre les deux poutres est relativement grand. Un faisceau a une densité d'énergie plus élevée et est concentré sur la surface de la pièce pour produire un trou de serrure lors du soudage.; tandis que l'autre faisceau a une densité énergétique plus faible et ne sert que de source de chaleur pour le traitement thermique avant ou après soudage..Ce mécanisme de soudage permet de contrôler la vitesse de refroidissement du bain de soudage dans une certaine plage, ce qui est propice au soudage de matériaux à haute sensibilité aux fissures tels que l'acier à haute teneur en carbone et l'acier allié, et il peut également améliorer la ténacité du cordon de soudure.

2）Dans le deuxième type de mécanisme de soudage, la distance entre les points focaux des deux faisceaux est relativement petite. Les deux poutres produisent deux trous de serrure séparés dans un seul bain de soudure, provoquant une modification du schéma d'écoulement du métal en fusion. Cela aide à prévenir les défauts tels que la contre-dépouille et la saillie du cordon de soudure, améliorant ainsi la formation du cordon de soudure.

3）Dans le troisième type de mécanisme de soudage, la distance entre les deux poutres est très petite, et à ce moment, les deux poutres produisent le même trou de serrure dans le bain de soudure. Par rapport au soudage laser à faisceau unique, la taille de ce trou de serrure est plus grande et moins susceptible de se fermer., rendant le processus de soudage plus stable et le gaz plus facile à évacuer. Ceci est bénéfique pour réduire la porosité, les éclaboussures et obtenir un cordon de soudure continu, uniforme et attrayant.

Pendant le processus de soudage, les deux faisceaux laser peuvent également être réglés selon un certain angle l'un par rapport à l'autre, et son mécanisme de soudage est similaire au mécanisme de soudage parallèle à double faisceau. Les résultats expérimentaux ont montré qu'en utilisant deux faisceaux laser OO haute puissance disposés à un angle de 30° l'un par rapport à l'autre et espacés de 1 à 2 mm, il est possible d'obtenir un trou de serrure en forme d'entonnoir. Le trou de serrure est plus grand et plus stable, ce qui peut améliorer efficacement la qualité du soudage. Dans les applications réelles, différentes combinaisons des deux poutres peuvent être ajustées en fonction de différentes conditions de soudage pour réaliser différents processus de soudage.

2. Méthode de mise en œuvre du soudage laser à double faisceau

L'obtention de doubles faisceaux peut être obtenue en combinant deux faisceaux laser différents ou en utilisant un système de séparation de faisceau optique pour diviser un faisceau laser en deux pour le soudage. Pour séparer un faisceau en deux puissances différentes, des lasers parallèles, un miroir de séparation de faisceau ou certains systèmes optiques spéciaux peuvent être utilisés. L'image montre deux types de principes de séparation du faisceau utilisant une lentille de focalisation comme séparateur de faisceau.

De plus, un réflecteur peut être utilisé comme miroir diviseur de faisceau, le dernier réflecteur du chemin optique servant de diviseur de faisceau. Ce type de réflecteur est également appelé réflecteur à crête, sa surface réfléchissante n'est pas un seul plan mais composée de deux plans. La ligne d'intersection des deux surfaces réfléchissantes est située au milieu du miroir, ressemblant à une crête, comme le montre la figure. Un faisceau de lumière parallèle est projeté sur le séparateur de faisceau et est réfléchi en deux faisceaux par deux plans à des positions différentes. angles. Ces faisceaux éclairent différentes positions sur la lentille de focalisation, et après focalisation, deux faisceaux espacés d'un certain espace sont obtenus sur la surface de la pièce. En modifiant l'angle entre les deux surfaces réfléchissantes et la position de la crête, des faisceaux lumineux à séparation de faisceau avec différents procédés d'espacement focal et de disposition peuvent être obtenus.

Lorsque vous utilisez deux types différents de faisceaux laser pour former un double faisceau, il existe différentes méthodes de combinaison. Pour les travaux de soudage primaires, un laser CO2 de haute qualité à répartition d'énergie gaussienne peut être utilisé, assisté d'un laser à semi-conducteur à répartition d'énergie rectangulaire pour les travaux de traitement thermique. Cette méthode combinée est d'une part économique, et d'autre part, la puissance des deux faisceaux peut être ajustée indépendamment. Pour différentes formes de joints, un champ de température réglable peut être obtenu en ajustant la position de chevauchement du laser et du laser à semi-conducteur, ce qui est très approprié pour le contrôle du processus de soudage. De plus, le laser YAG et le laser CO2 peuvent être combinés en un double faisceau pour le soudage, un laser continu et un laser pulsé peuvent être combinés pour le soudage, et un faisceau focalisé et un faisceau défocalisé peuvent également être combinés pour le soudage.

3. Principe de soudage laser à double faisceau

3.1 Soudage laser double faisceau de tôle galvanisée

La tôle d'acier galvanisée est le matériau le plus couramment utilisé dans l'industrie automobile. Le point de fusion de l’acier est d’environ 1500 906°C, tandis que le point d’ébullition du zinc n’est que de XNUMX°C. Par conséquent, lors de l'utilisation de la méthode de soudage, une grande quantité de vapeur de zinc est généralement générée, provoquant une instabilité dans le processus de soudage et formant des trous d'air dans le cordon de soudure. Pour les joints à recouvrement, la volatilisation de la couche galvanisée ne se produit pas seulement sur la partie supérieure et surfaces inférieures, mais également à l’interface articulaire. Pendant le processus de soudage, la vapeur de zinc jaillit rapidement de la surface du bain de fusion dans certaines zones, tandis que dans d'autres zones, il est difficile pour la vapeur de zinc de s'échapper de la surface du bain de fusion, ce qui entraîne une qualité de soudage très instable.

Le soudage laser à double faisceau peut résoudre les problèmes de qualité de soudage causés par la vapeur de zinc. Une méthode consiste à contrôler la durée d'existence et la vitesse de refroidissement du bain fondu en faisant raisonnablement correspondre l'énergie des deux faisceaux, ce qui est bénéfique pour l'échappement de la vapeur de zinc ; une autre méthode consiste à libérer de la vapeur de zinc par un traitement de pré-perçage ou de rainurage. Comme le montre la figure ci-dessous, les lasers CO2 sont utilisés pour le soudage, les lasers YAG sur la face avant du laser CO2 étant utilisés pour percer ou découper des rainures. Les trous ou fentes prétraités fournissent une voie d'évacuation pour la vapeur de zinc générée lors du soudage ultérieur, l'empêchant de rester dans le bain de fusion et de former des défauts.

3.2 Soudage laser à double faisceau d'alliage d'aluminium

En raison des propriétés uniques des matériaux en alliage d'aluminium, le soudage laser présente les difficultés suivantes : le taux d'absorption du laser par les alliages d'aluminium est faible, le taux de réflexion initial sur la surface du faisceau laser CO2 dépassant 90 % ; lors du soudage, les cordons de soudure laser en alliage d'aluminium sont sujets à la porosité et aux fissures ; il y a une perte d'éléments d'alliage pendant le processus de soudage. Lors de l'utilisation du soudage laser unique, il est difficile d'établir des trous de serrure et ils ne sont pas faciles à maintenir la stabilité. Lors de l'utilisation du soudage laser à double faisceau, la taille du trou de serrure peut être augmentée, ce qui rend difficile la fermeture du trou de serrure et facilite le gaz. échappement. En même temps, cela peut réduire la vitesse de refroidissement, réduisant ainsi l'apparition de pores et de fissures de soudage. Étant donné que le processus de soudage est plus stable et que la quantité de projections est réduite, la formation de surface de la soudure obtenue par soudage à double poutre d'alliages d'aluminium est également nettement meilleure que celle d'une seule poutre. La figure ci-dessous montre l'aspect de joints bout à bout d'alliages d'aluminium de 3 mm d'épaisseur soudés avec un seul faisceau laser CO2 et deux faisceaux laser.

La recherche montre que lors du soudage d'un alliage d'aluminium de la série 2 de 5000 mm d'épaisseur, le processus est relativement stable lorsque la distance entre les deux poutres est de 0.6 à 1.0 mm. L'ouverture du trou de serrure qui en résulte est plus grande, ce qui facilite l'évaporation et la fuite des éléments de magnésium pendant le processus de soudage. Si la distance entre les deux faisceaux est trop petite, le processus sera similaire au soudage à faisceau unique et ne sera pas facilement stable ; si la distance est trop grande, cela affectera la profondeur de pénétration du soudage, comme le montre la figure ci-dessous. De plus, le rapport énergétique des deux faisceaux a également un impact significatif sur la qualité du soudage. Lorsque deux faisceaux sont disposés en série pour le soudage à une distance de 0.9 mm, il est avantageux d'augmenter de manière appropriée l'énergie du faisceau précédent, ce qui rend le rapport énergétique des deux faisceaux supérieur à 1:1. Cela contribue à améliorer la qualité de la soudure, à agrandir la zone de fusion et à obtenir des soudures lisses et esthétiques, même à des vitesses de soudage plus élevées.

3.3 Soudage double faisceau de tôles d'épaisseur inégale

Dans la production industrielle, il est souvent nécessaire de souder ensemble deux ou plusieurs tôles d’épaisseurs et de formes différentes pour réaliser une tôle épissée. L'utilisation de tôles épissées est de plus en plus répandue, notamment dans la construction automobile.
En soudant ensemble des feuilles de spécifications, de revêtements de surface ou de performances différents, cela peut augmenter la résistance, réduire la consommation et réduire le poids. Lors du soudage de plaques d'épissage, le soudage au laser de plaques de différentes épaisseurs est généralement utilisé. Un problème majeur est la nécessité de préfabriquer les pièces à souder avec des bords très précis et d'assurer un assemblage de haute précision. L'utilisation du soudage à double poutre pour des plaques d'épaisseur inégale peut s'adapter à différents écarts, pièces d'amarrage, épaisseurs relatives et matériaux. différences des feuilles. Il peut souder des tôles avec des tolérances de bords et d'espacement plus grandes, améliorant ainsi la vitesse de soudage et la qualité du soudage.

Les principaux paramètres du processus de soudage à double poutre pour des plaques d'épaisseur inégale peuvent être divisés en paramètres de soudage et paramètres de plaque, comme le montre la figure. Les paramètres de soudage incluent la puissance des deux lasers, la vitesse de soudage, la position du point focal, l'angle de la tête de soudage, l'angle de rotation du faisceau des doubles faisceaux sur le joint bout à bout et l'écart de soudage. Les paramètres des plaques incluent les dimensions du matériau, les performances, le rognage des bords et l'espace entre les plaques. La puissance des deux lasers peut être ajustée séparément selon différents objectifs de soudage.
Généralement, un processus de soudage stable et efficace peut être obtenu lorsque le point focal se trouve sur la surface de la feuille mince. L'angle de la tête de soudage est généralement choisi autour de 6 degrés. Si l'épaisseur des deux plaques est assez importante, un angle de tête de soudage positif peut être adopté, c'est-à-dire que le laser est incliné vers la plaque mince comme indiqué sur la figure. Lorsque l’épaisseur de la plaque est relativement faible, un angle de tête de soudage négatif peut être utilisé. L'écart de soudage est défini comme la distance entre le foyer laser et le bord de la plaque épaisse. En ajustant l'écart de soudage, la concavité de la soudure peut être réduite pour obtenir une bonne section transversale de soudure.

Lors du soudage de plaques présentant de grands espaces, le diamètre effectif de chauffage du faisceau peut être augmenté pour obtenir une bonne capacité de remplissage des espaces en tournant l'angle du double faisceau. La largeur du sommet du cordon de soudure est déterminée par le diamètre effectif du faisceau des deux lasers, c'est-à-dire déterminé par l'angle de rotation du faisceau. Plus l'angle de rotation est grand, plus la plage de chauffage à double faisceau est large et plus la largeur supérieure du cordon de soudure est large. Les deux lasers jouent des rôles différents pendant le processus de soudage ; l'un est principalement utilisé pour pénétrer dans le joint et l'autre est principalement utilisé pour faire fondre un matériau en plaque épaisse afin de combler l'espace. Comme le montre la figure ci-dessous, sous un angle de rotation du faisceau positif (le faisceau avant agit sur la plaque épaisse, le faisceau arrière agit sur la couture), le faisceau avant heurte la plaque épaisse, chauffant et fondant le matériau, et ce qui suit Le faisceau laser produit une pénétration. Le premier faisceau laser à l'avant ne peut faire fondre que partiellement la plaque épaisse, mais il apporte une contribution significative au processus de soudage car il fait non seulement fondre le côté de la plaque épaisse pour un meilleur remplissage des espaces, mais également pré- relie le matériau du joint, facilitant la pénétration du faisceau suivant dans le joint, améliorant ainsi la vitesse de soudage. Dans le soudage à double faisceau avec un angle de rotation négatif (le faisceau avant agit sur le cordon de soudure, le faisceau arrière agit sur l'épaisseur plaque), les rôles des deux poutres sont juste opposés. La poutre avant pénètre dans le joint et la poutre arrière fait fondre la plaque épaisse pour combler le vide.

Dans ce cas, le faisceau avant doit pénétrer dans la plaque froide, la vitesse de soudage est inférieure à celle avec un angle de rotation du faisceau positif. Et, en raison de l'effet de préchauffage du faisceau avant, le faisceau suivant fera fondre un matériau de plaque plus épais avec la même puissance. Dans ce cas, la puissance du deuxième faisceau laser doit être réduite de manière appropriée. En comparaison, l'adoption d'un angle de rotation du faisceau positif peut augmenter de manière appropriée la vitesse de soudage, tandis que l'adoption d'un angle de rotation du faisceau négatif peut permettre un meilleur remplissage des espaces. L'image suivante montre les effets de différents angles de rotation du faisceau sur la section transversale du cordon de soudure.

3.4 Soudage laser double faisceau de tôles épaisses

Avec l’amélioration des niveaux de puissance laser et de la qualité du faisceau, l’utilisation du soudage laser pour les plaques épaisses est devenue une réalité. Cependant, en raison du coût élevé des lasers haute puissance et du besoin général de remplissage métallique pour le soudage de plaques épaisses, il existe certaines limites dans la production réelle. L'utilisation de la technologie de soudage laser à double faisceau améliore non seulement la puissance du laser, mais augmente également le diamètre effectif de chauffage du faisceau améliore la capacité à faire fondre le fil d'apport et stabilise le trou de serrure du laser, améliorant ainsi la stabilité du soudage et améliorant ainsi la qualité du soudage.