Mécanisme et technologie de contrôle Principe et caractéristiques du soudage laser

La tendance de développement et les caractéristiques des moyens de livraison modernes sont un fonctionnement à grande vitesse et une structure légère. En conséquence, des exigences plus élevées ont été mises en avant pour la fabrication de ses structures clés, telles que la fabrication verte légère, monolithique, de haute fiabilité, de longue durée de vie et à faible coût. À cette fin, un alliage de titane léger et à haute résistance, un alliage d'aluminium et d'autres matériaux structurels typiques, un courant de faisceau à haute densité d'énergie comme source de chaleur de soudage pour la fabrication de soudage par faisceau à haute énergie de la structure globale, l'un des résultats de la technologie de fabrication avancée pour répondre aux besoins de ce développement. La fabrication de soudage par faisceau à haute énergie avec de nombreux avantages, connue sous le nom de traitement des matériaux et de technologie de fabrication avancée avec des changements révolutionnaires dans la nouvelle technologie, en particulier dans les nouveaux alliages légers dans la structure clé de la fabrication de soudage, a de larges perspectives d'application, de la part d'un des grands alliages de titane complexes, des alliages d'aluminium.
Plaque murale renforcée ou structure de cavité de la fabrication de soudage laser à grande vitesse et efficace. Le laser est une lumière cohérente de haute intensité basée sur le principe du rayonnement excité des atomes, qui produit une lumière de haute intensité en excitant la substance active. En plus d'obéir à toutes les lois de l'optique comme le fait la lumière ordinaire, le laser possède un certain nombre d'autres caractéristiques que l'on ne retrouve dans aucune autre source lumineuse, telles qu'une bonne directivité, une luminosité élevée et une bonne monochromaticité. C'est la bonne direction du laser et sa luminosité élevée qui constituent une forte concentration d'énergie dans l'espace et dans le temps, peuvent être transmises sur de longues distances et ont une énergie élevée ou une intensité élevée, dans le domaine du traitement des matériaux (y compris le soudage) peuvent être considérées comme un source de chaleur idéale. L'application du laser en tant que nouvelle énergie élargit considérablement le champ d'application du traitement des matériaux. Le soudage au laser est l'un des aspects importants de l'application du laser.
Le soudage au laser est une sorte d'utilisation après focalisation avec une densité d'énergie élevée (10 ^ 6 ~ 10 ^ 12 W / cm) du faisceau laser comme source de chaleur pour chauffer la fusion de la méthode de soudage par fusion spéciale de la pièce. Il s'agit d'un soudage en fusion basé sur l'effet photothermique, qui suppose que le laser soit absorbé par le matériau et converti en énergie thermique nécessaire au soudage. Habituellement, différentes intensités de lumière laser sur la surface du matériau entraînent différents phénomènes physiques, notamment une augmentation de la température de surface, une fusion, une vaporisation, la formation de petits trous et la génération de photoplasma, etc. Ces phénomènes physiques déterminent le soudage. processus mécanisme d'action thermique, de sorte que le soudage au laser de l'existence du soudage par conduction thermique et du mode de soudage par fusion profonde des deux types de soudage. La transition entre les deux modes dépend principalement de la densité de puissance du spot laser agissant sur le matériau.
Pour un matériau donné, il existe un seuil de densité de puissance spécifique (0,5x10^6 à 10^7 W/cm pour la plupart des aciers). Lorsque la densité de puissance laser appliquée au matériau est inférieure à ce seuil, l'énergie laser est absorbée par la surface du matériau et est rapidement transférée à l'intérieur du matériau, formant une soudure thermiquement conductrice d'une largeur et d'une profondeur relativement grandes. Lorsque la densité de puissance laser appliquée au matériau est supérieure au seuil, la surface de la pièce est trop tard pour transférer la chaleur au matériau à l'intérieur, l'énergie laser fera rapidement réchauffer, fondre et vaporiser la surface du matériau. Et à mesure que l’énergie laser continue d’être alimentée, de petits trous se forment dans la direction de l’épaisseur de pénétration. Le trou est entouré d'un bassin de fusion de métal liquide et le trou est rempli de vapeur de métal et de plasma à haute température. La force d'expansion de la vapeur et du plasma métalliques à haute température agit en conjonction avec la gravité et la tension superficielle du métal liquide autour du trou pour maintenir l'existence stable du trou. Les petits trous se déplacent dans la direction du soudage, le bain de fusion arrière se refroidit et se solidifie rapidement et une soudure fondue profonde avec une profondeur et une largeur relativement grandes est formée. Par conséquent, le mode de soudage laser est lié à la densité de puissance du laser et à l’énergie de la ligne de soudage qui déterminent le mécanisme d’action thermique.
Lorsque la densité de puissance du laser est inférieure à 10 ^ 6 W/cm, le chauffage du laser est limité à la surface du métal, peut atteindre le seuil de fusion de la plupart des métaux, mais pas de vaporisation, cette fois le métal dans l'action continue du laser (assez énergie de ligne), au mode de soudage par conduction thermique pour former une soudure, au mécanisme de formation de soudure et au soudage par fusion conventionnel. Le soudage par conduction thermique au laser est généralement utilisé dans le soudage de scellement de composants électroniques et le soudage de matériaux ultra-fins. Lorsque la densité de puissance du laser est supérieure à 10 ^ 6 W/cm, le laser fait fondre et vaporiser le métal instantanément. Si l'énergie de la ligne est suffisante, la force de la vapeur métallique produit de minuscules trous dans le métal fondu et le processus de soudage forme la soudure. en mode de soudage par fusion profonde avec effet de petits trous. Le trou de soudage par fusion profonde est entouré de métal en fusion, rempli de vapeur et de plasma métalliques à haute température, le trou de processus de soudage par la force de la vapeur métallique et l'équilibre de la gravité et de la tension superficielle du métal liquide pour maintenir le petit trou dans le laser et le couplage thermique du matériau est l'action thermique du mode de soudage par fusion profonde au laser de l'action thermique du mécanisme, principalement utilisée dans le degré de structure supérieure à 1 mm du soudage.
Par rapport aux méthodes traditionnelles de soudage à l’arc, la technologie de soudage laser présente des avantages uniques et constitue une technologie de soudage avancée.
La technologie de soudage au laser s'est développée rapidement au cours des dernières décennies, évoluant progressivement du soudage par ondes pulsées au soudage multiposte à plaques épaisses à haute puissance et à ondes continues, et a été largement utilisée dans l'aviation, l'aérospatiale, l'automobile, le soudage à grande vitesse. chemins de fer et autres domaines. Dans la fabrication d'avions militaires, l'application du soudage au laser des alliages d'aluminium et des alliages de titane, qui représentent respectivement plus de 60 % et 20 % du poids structurel des avions de combat avancés, a connu une croissance significative. La technologie de soudage au laser peut remplacer la méthode de rivetage traditionnelle, réduire considérablement le poids, réduire les coûts et améliorer l'utilisation des matériaux. Par exemple, la plaque murale du fuselage de l'Airbus A380 grâce au soudage laser peut réduire le poids de 15 %, soit une réduction des coûts de 15 %.
En Chine, le soudage structurel à grande échelle de plaques murales renforcées devient de plus en plus populaire dans les applications aéronautiques et navales. Par rapport aux méthodes de traitement mécanique et de rivetage, le soudage laser permet non seulement d'économiser des matériaux, mais améliore également la légèreté et la fabricabilité des composants, raccourcit le cycle de traitement et réduit les coûts de production. Cependant, le processus de soudage au laser est complexe, impliquant un chauffage, un refroidissement rapide, des changements de phase des matériaux, en particulier pour les alliages d'aluminium et de titane, en raison d'une réflectivité élevée, d'une conductivité thermique et d'une tension superficielle élevées et d'autres caractéristiques, ce qui pose des défis techniques tels que le contrôle de la qualité des soudures. et la stabilité, la stabilité du processus de soudage, le contrôle des défauts n'est pas mature, la forme structurelle ne répond pas aux normes et d'autres problèmes sont importants. La cause fondamentale de ces problèmes réside dans le manque de recherche fondamentale sur la soudabilité et les propriétés mécaniques des alliages de titane et des alliages d'aluminium, ce qui entraîne la durée de vie des joints, le contrôle des contraintes et des déformations, etc. Il est difficile de répondre aux exigences élevées de fiabilité des matériaux légers. composants en alliage, et il existe un écart important avec le niveau international.