Soudage par conduction thermique et soudage par pénétration profonde

1. Définition et caractéristiques du soudage par conductivité thermique au laser

Le soudage par conductivité thermique au laser est une méthode de la soudure au laser. Ce mode de soudage a une faible profondeur de pénétration et un faible rapport profondeur/largeur. Lorsque la densité de puissance est inférieure à 10^4~10^5 W/cm2, il est classé comme soudage par conduction, caractérisé par sa faible profondeur de fusion. et une vitesse de soudage plus lente.

Pendant le soudage par conduction thermique, l'énergie du rayonnement laser agit sur la surface du matériau et l'énergie du rayonnement laser est convertie en chaleur sur la surface. La chaleur de surface se diffuse vers l'intérieur par conduction thermique, provoquant la fusion du matériau et formant un bassin de fusion. dans la zone de liaison entre les deux matériaux. Le bain en fusion avance avec le faisceau laser et le métal fondu dans le bain en fusion n'avance pas. À mesure que le faisceau laser avance, le métal en fusion dans le bain en fusion se solidifie, formant une soudure reliant les deux pièces de matériau.

L'énergie du rayonnement laser n'agit que sur la surface du matériau et la fusion du matériau sous-jacent s'effectue par conduction thermique. Une fois l'énergie laser absorbée par la fine couche de 10 ~ 100 nm sur la surface et fondue, la température de surface continue augmenter, provoquant la propagation de l'isotherme de la température de fusion profondément dans le matériau. La température de surface maximale ne peut atteindre que la température de vaporisation. Par conséquent, la profondeur de fusion qui peut être atteinte avec cette méthode est limitée par la température de vaporisation et la conductivité thermique. Il est principalement utilisé pour souder des pièces fines (environ 1 mm) et de petite taille.

La densité de puissance du faisceau utilisé en soudage est faible. Une fois que la pièce a absorbé le laser, la température doit seulement atteindre le point de fusion de la surface, puis la chaleur est transférée à l'intérieur de la pièce pour former un bain fondu par conduction thermique, ce qui est donc économique. De plus, le cordon de soudure est lisse et sans pores, et peut être utilisé pour le traitement de soudage de pièces d'apparence.

Les applications typiques sont le soudage d'éviers en acier inoxydable, les soufflets métalliques, le soudage de raccords de tuyauterie métalliques, etc.

2. Définition et caractéristiques du soudage à pénétration profonde au laser

Lorsque la densité de puissance est supérieure à 10 ^ 5 ~ 10 ^ 7 W/cm2, la surface métallique est concave en « trous » en raison de la chaleur, formant un soudage à pénétration profonde, qui présente les caractéristiques d'une vitesse de soudage rapide et d'un grand rapport d'aspect.

Le processus physique métallurgique du soudage par pénétration profonde au laser est très similaire à celui du soudage par faisceau d'électrons, c'est-à-dire que le mécanisme de conversion d'énergie est complété par la structure du « petit trou ». Sous irradiation avec un faisceau de densité de puissance suffisamment élevé, le matériau s'évapore pour devenir former de petits trous. Ce petit trou rempli de vapeur est comme un corps noir, absorbant presque toute l'énergie de la lumière incidente, et la température d'équilibre dans le trou atteint environ 25,000 XNUMX degrés. La chaleur est transférée de la paroi extérieure de cette haute température cavité, provoquant la fusion du métal entourant la cavité. Le petit trou est rempli de vapeur à haute température générée par l'évaporation continue du matériau de la paroi sous l'irradiation du faisceau. Les parois du petit trou sont entourées de métal en fusion et le métal liquide est entouré de matériaux solides. Le flux de liquide à l'extérieur de la paroi du trou et la tension superficielle de la couche de paroi sont en phase avec la pression de vapeur générée en continu dans la cavité du trou. et maintenir un équilibre dynamique. Le faisceau lumineux pénètre en continu dans le petit trou et le matériau à l'extérieur du petit trou circule en continu. Lorsque le faisceau lumineux se déplace, le petit trou est toujours dans un état de flux stable. C'est-à-dire que le petit trou et le métal en fusion entourant la paroi du trou avancent avec la vitesse d'avancement du faisceau pilote. Le métal en fusion remplit l'espace laissé après le retrait du petit trou et se condense en conséquence, et la soudure est formée. Tout cela se produit si rapidement que les vitesses de soudage peuvent facilement atteindre plusieurs mètres par minute.

Le soudage par pénétration profonde des matériaux nécessite une puissance laser très élevée. Contrairement au soudage par conduction thermique, le soudage par pénétration profonde non seulement fait fondre le métal, mais le vaporise également. Le métal en fusion est déchargé sous la pression de la vapeur métallique pour former de petits trous. Le faisceau laser continue d'éclairer la partie inférieure du trou, provoquant l'extension du trou jusqu'à ce que la pression de vapeur à l'intérieur du trou s'équilibre avec la tension superficielle et la gravité du métal liquide. Après un soudage par pénétration profonde, une soudure étroite et uniforme sera formée , et sa profondeur sera généralement supérieure à la largeur de la soudure. Ce processus présente les caractéristiques d'une vitesse de traitement rapide et d'une petite zone affectée par la chaleur, de sorte que la déformation du matériau est faible.

Les applications typiques sont le soudage de plaques d'acier épaisses (10-25 mm) et le soudage de coques en aluminium de batteries de puissance.

3. Caractéristiques du soudage à pénétration profonde au laser

Rapport d'aspect élevé. Étant donné que le métal en fusion se forme autour d’une chambre cylindrique de vapeur à haute température et s’étend vers la pièce, la soudure devient profonde et étroite.

Apport de chaleur minimum. Étant donné que la température à l'intérieur du petit trou est très élevée, le processus de fusion se produit extrêmement rapidement, l'apport de chaleur à la pièce est très faible et la déformation thermique et la zone affectée par la chaleur sont faibles.

Haute densité. Parce que les petits trous remplis de vapeur à haute température sont propices à l'agitation du bain de soudure et à l'échappement des gaz, ce qui permet d'obtenir une soudure de pénétration sans pores. La vitesse de refroidissement élevée après le soudage permet d'affiner facilement la structure de la soudure.

Soudures solides. En raison de la source de chaleur chaude et de l'absorption complète des composants non métalliques, la teneur en impuretés est réduite, la taille des inclusions et leur répartition dans le bain fondu sont modifiées. Le processus de soudage ne nécessite ni électrodes ni fils d'apport, et la zone de fusion est moins contaminé, ce qui rend la résistance et la ténacité de la soudure au moins égales, voire supérieures, à celles du métal de base.

Contrôle précis. Étant donné que le point lumineux focalisé est petit, le cordon de soudure peut être positionné avec une grande précision. La sortie laser n'a pas d'« inertie » et peut être arrêtée et redémarrée à des vitesses élevées. Des pièces complexes peuvent être soudées à l'aide de la technologie de mouvement de poutre CNC.

Procédé de soudage atmosphérique sans contact.Étant donné que l'énergie provient du faisceau de photons et qu'il n'y a aucun contact physique avec la pièce, aucune force externe n'est exercée sur la pièce. De plus, le magnétisme et l’air n’ont aucun effet sur la lumière laser.

Avantages du soudage laser à pénétration profonde :

1) Étant donné que le laser focalisé a une densité de puissance beaucoup plus élevée que les méthodes conventionnelles, il entraîne une vitesse de soudage rapide, une petite zone affectée par la chaleur et une faible déformation, et peut également souder des matériaux difficiles à souder tels que le titane.
2) Étant donné que le faisceau est facile à transmettre et à contrôler, il n'est pas nécessaire de remplacer fréquemment les pistolets et les buses de soudage, et aucun vide n'est requis pour le soudage par faisceau d'électrons, ce qui réduit considérablement les temps d'arrêt et le temps auxiliaire, donc le facteur de charge et l'efficacité de la production. sont élevés.
3) En raison de l'effet de purification et de la vitesse de refroidissement élevée, le cordon de soudure a une résistance, une ténacité et des performances globales élevées.
4）En raison du faible apport de chaleur moyen et de la grande précision de traitement, les coûts de retraitement peuvent être réduits ; de plus, les coûts d'exploitation du soudage laser sont également faibles, ce qui peut réduire les coûts de traitement des pièces.
5) Il peut contrôler efficacement l'intensité du faisceau et le positionnement fin, et il est facile de réaliser un fonctionnement automatique.

Inconvénients du soudage laser à pénétration profonde :

1) La profondeur de soudage est limitée.

2) L'assemblage de la pièce nécessite des exigences élevées.

3） L'investissement ponctuel dans le système laser est relativement élevé