Vitesse de soudage laser, puissance du laser et épaisseur du matériau
La relation entre la vitesse de soudage laser, la puissance et l'épaisseur du matériau est cruciale pour déterminer la qualité et l'efficacité des procédés de soudage. Ces trois facteurs (vitesse de soudage, puissance laser et épaisseur du matériau) sont interdépendants et doivent être optimisés afin d'obtenir des soudures solides et sans défaut. Comprendre comment ils interagissent est essentiel pour des industries telles que l'automobile, l'aérospatiale et la fabrication, où la précision et l'intégrité des matériaux sont primordiales.
Introduction générale à la machine de soudage laser
La machine de soudage par laser utilise une impulsion laser à haute énergie pour chauffer localement le matériau sur une petite zone, puis, par conduction thermique, fait fondre le matériau afin d'effectuer la soudure. Son principe de fonctionnement implique principalement les aspects suivants :
Mise au point optique : La machine de soudage par laser utilise le faisceau laser produit par le laser, qui est focalisé au point de soudure au moyen de lentilles ou de miroirs et d'autres composants optiques.
Conduction thermique : Lorsque le faisceau laser atteint la surface de la pièce, l'énergie laser est absorbée et convertie en énergie thermique. Cette chaleur se propage progressivement le long de la partie métallique conductrice du joint de soudure par conduction thermique, provoquant une élévation de température.
Fusion et mélange : Lorsque la surface du métal est exposée à une température suffisamment élevée, le métal commence à fondre et forme un bain de fusion. Sous l'action du faisceau laser, ce bain de fusion s'étend et se mélange rapidement, permettant ainsi la liaison du joint métallique.
Refroidissement et solidification : Après l'arrêt du faisceau laser, le bain de fusion se refroidit progressivement et forme un joint soudé lors du processus de solidification. Pendant ce processus, les molécules métalliques se réorganisent et cristallisent pour former une connexion soudée solide.
Avantages de la machine de soudage laser
Haute précision : permet d'atteindre une précision de soudage au niveau du micron, particulièrement adapté aux exigences de soudage des structures miniatures et complexes.
Vitesse élevée : notamment en mode de soudage par fusion profonde, en raison de la concentration de l'énergie laser, le bain est petit mais profond, ce qui entraîne une vitesse de soudage rapide et une haute efficacité de production.
Faible déformation : par rapport aux méthodes de soudage traditionnelles, le soudage laser implique une faible pénétration thermique et a moins d'influence sur le matériau environnant, ce qui contribue à réduire la déformation après soudage.
Zone affectée thermiquement réduite : permet de diminuer les dommages thermiques sur les matériaux adjacents et d'améliorer la qualité des joints soudés.
Puissance de soudage laser, vitesse et épaisseur du matériau
1. Alimentation électrique pour soudage laser
La puissance du laser est le facteur déterminant pour définir la profondeur de pénétration du cordon de soudure et l'énergie totale fournie pendant le soudage. Elle détermine la chaleur nécessaire pour fondre les matériaux de base et former un bain de soudure. Pour des tôles plus épaisses, une puissance laser plus élevée est généralement nécessaire afin d'obtenir une profondeur de pénétration suffisante, tandis que des matériaux plus minces peuvent être protégés contre une fusion excessive ou des perforations en utilisant des réglages de puissance plus faibles.
Puissance plus élevée : permet d'obtenir une pénétration plus profonde, adaptée au soudage de matériaux plus épais. Toutefois, si la puissance sur une tôle fine est trop élevée, cela peut entraîner une instabilité du trou de pénétration, des projections et même des défauts de perforation.
Consommation de puissance réduite : plus adaptée aux tôles minces, offrant un meilleur contrôle et empêchant la surchauffe qui pourrait provoquer une déformation ou une fusion du matériau.
La puissance laser doit être soigneusement choisie en fonction de l'épaisseur du matériau afin de garantir une fusion correcte et l'absence de défauts.
2. Vitesse de soudage
La vitesse de soudage fait référence à la vitesse à laquelle un laser se déplace le long d'un joint soudé. Elle affecte l'apport de chaleur par unité de longueur et constitue un facteur clé pour déterminer la qualité du soudage. Il existe une relation directe entre la vitesse de soudage et la puissance du laser, car l'augmentation de l'un nécessite généralement un ajustement de l'autre afin de maintenir les performances de soudage souhaitées.
Vitesse de soudage élevée : réduit l'apport de chaleur par unité de longueur de soudure, ce qui est bénéfique pour les matériaux minces et évite la surchauffe et la déformation. Toutefois, si la vitesse est trop élevée par rapport à la puissance, le cordon de soudure peut manquer de pénétration, entraînant des assemblages faibles ou une fusion incomplète.
Réduire la vitesse de soudage : augmente l'apport de chaleur pour fondre davantage et pénétrer plus profondément dans le substrat. Cela présente un avantage pour les tôles épaisses, mais peut provoquer une surchauffe des matériaux minces ou un écoulement excessif du métal en fusion.
Utiliser la vitesse de soudage optimale est essentiel pour équilibrer l'apport de chaleur et éviter les défauts courants de soudage (tels que la porosité, les fissures ou la déformation).
3. Épaisseur du matériau
L'épaisseur des matériaux de soudage joue un rôle crucial dans la détermination de la puissance requise et des vitesses de soudage admissibles. Les tôles plus épaisses nécessitent plus de chaleur pour atteindre une pénétration complète, ce qui signifie que le laser doit fonctionner à des niveaux de puissance plus élevés et peut être nécessaire de réduire la vitesse de soudage afin de permettre un temps suffisant d'absorption de la chaleur. Inversement, les tôles plus minces exigent moins de puissance et des vitesses plus élevées pour éviter un apport thermique excessif pouvant entraîner la fusion ou la perforation.
Tôles plus épaisses : Une énergie plus importante est nécessaire pour obtenir une pénétration complète. Le laser doit fournir une puissance plus élevée et la vitesse de soudage doit être plus lente afin de transférer suffisamment d'énergie au matériau.
Tôles plus minces : Moins d'énergie est requise, donc la puissance du laser peut être réduite et la vitesse de soudage augmentée. Les matériaux minces sont plus sensibles aux déformations liées à la chaleur, aussi le contrôle précis de ces paramètres est-il essentiel.
L'interaction entre la force, la vitesse et l'épaisseur
La relation entre la vitesse de soudage laser, la puissance et l'épaisseur de la tôle est un équilibre délicat. Pour chaque épaisseur de matériau, il existe une combinaison optimale de puissance laser et de vitesse de soudage afin d'assurer une haute qualité de soudage, une profondeur de pénétration correcte et un minimum de défauts.
Par exemple, lors du soudage de tôles d'acier épaisses, l'augmentation de la puissance laser sans ajuster la vitesse de soudage peut entraîner un apport thermique excessif, provoquant des défauts tels que des déformations ou des cordons de soudure trop larges. Inversement, réduire la vitesse de soudage sans augmenter la puissance pourrait rendre les soudures trop profondes, risquant de surchauffer le matériau. Pour les matériaux minces, une puissance excessive combinée à une vitesse de soudage lente pourrait entraîner une fusion excessive ou la perforation du matériau.
Relation entre la vitesse de soudage laser et l'épaisseur de la tôle
Les plaques épaisses nécessitent une vitesse de soudage plus lente
Lors du soudage laser de tôles plus épaisses, le matériau nécessite plus de chaleur pour assurer une pénétration complète et garantir une résistance adéquate du joint. Il est donc essentiel de réduire la vitesse de soudage afin de permettre suffisamment de temps au faisceau laser pour transférer la chaleur à travers toute l'épaisseur du matériau. Si la vitesse de soudage est trop élevée, l'énergie laser ne pénétrera pas complètement, ce qui peut entraîner une profondeur de pénétration insuffisante, des soudures discontinues ou une résistance inadéquate du joint.
Tôles épaisses (>6 mm) : La vitesse de soudage doit être lente afin de garantir que l'énergie laser puisse entièrement pénétrer toute l'épaisseur de la tôle et former un cordon de soudure stable et de haute résistance.
Les tôles minces peuvent être soudées plus rapidement
Par rapport aux tôles épaisses, les matériaux en tôle mince (moins de 2 mm) nécessitent moins de chaleur, ce qui permet aux lasers de pénétrer plus facilement toute l'épaisseur. Cela permet des vitesses de soudage plus élevées, évitant efficacement la surchauffe ou la fusion excessive, et prévenant ainsi la déformation du soudage ou les perforations. De plus, des vitesses de soudage plus élevées peuvent améliorer considérablement l'efficacité globale.
Tôle mince (<2 mm) : la vitesse de soudage doit être élevée afin de réduire la déformation, les perforations et autres défauts de soudage causés par la surchauffe du matériau.
Effet de la puissance laser sur la vitesse de soudage et l'épaisseur de la tôle
La puissance laser détermine l'apport d'énergie pendant le soudage. Les lasers de haute puissance délivrent une chaleur plus intense, ce qui les rend idéaux pour souder des matériaux épais, tandis que les lasers de faible puissance conviennent mieux aux tôles minces. Lors du choix de la vitesse de soudage, il est essentiel d'associer la puissance laser à l'épaisseur de la tôle afin d'assurer une pénétration suffisante sans provoquer de surchauffe du matériau.
Soudage laser haute puissance sur tôle épaisse
Lors du soudage de tôles plus épaisses, une puissance laser plus élevée est nécessaire pour assurer un transfert de chaleur suffisant dans le matériau afin de former un bain liquide stable. Combinée à une vitesse de soudage plus faible, l'énergie laser peut chauffer le matériau de manière uniforme pendant une période plus longue afin d'assurer la profondeur de pénétration.
soudage avec une puissance de 6 kW sur tôle épaisse (10 mm) : la vitesse de soudage se situe généralement entre 0,5 et 1,2 m/min.
Soudage laser de tôle mince à faible puissance
Dans le soudage de tôle mince, une puissance plus faible et des vitesses plus rapides permettent d'éviter la surchauffe et la déformation du cordon de soudure. Généralement, lorsque la puissance laser se situe entre 2 et 3 kW, les tôles d'une épaisseur inférieure à 2 mm peuvent être traitées.
soudage avec une puissance de 2 kW sur tôle fine (1 mm) : la vitesse de soudage se situe généralement entre 5 et 10 m/min.
Tableau comparatif de la puissance et de la vitesse des machines de soudage laser
Le tableau suivant présente une comparaison de la puissance des machines de soudage laser et de la vitesse de soudage selon différentes épaisseurs de tôle :
| Épaisseur du matériau (mm) | Puissance du laser (kW) | Vitesse de soudage (m/min) |
| 1.0 | 2.0 | 7.0 |
| 2.0 | 3.0 | 4.5 |
| 4.0 | 4.0 | 2.5 |
| 6.0 | 6.0 | 1.2 |
| 8.0 | 8.0 | 0.8 |
| 10.0 | 10.0 | 0.6 |
Tôle mince (1-2 mm) : La combinaison d'une faible puissance (2-3 kW) et d'une vitesse de soudage élevée (5-10 m/min) est adaptée à ce type de soudage, assurant une opération rapide sans génération excessive de chaleur.
Tôle moyenne et épaisse (4-6 mm) : une puissance moyenne (4-6 kW) combinée à une vitesse de soudage moyenne (1-3 m/min) permet d'assurer la profondeur de pénétration et d'éviter une zone affectée thermiquement excessive.
Tôles épaisses (>6 mm) : pour les tôles épaisses, utilisez une puissance élevée (8-10 kW) combinée à une vitesse de soudage lente (0,5-1 m/min) afin de garantir une pénétration suffisante de la chaleur dans le matériau et de former un joint de haute résistance.
Tableau de puissance, d'épaisseur et de vitesse de soudage laser
Le soudage laser est une technologie de fixation de précision qui permet un soudage rapide et de haute qualité pour différentes épaisseurs de métaux. La relation entre la puissance laser, l'épaisseur du matériau et la vitesse de soudage est essentielle pour obtenir des résultats optimaux. Ce tableau complet détaille ces paramètres pour les matériaux courants.
Acier doux
L'acier inoxydable
Aluminium
Cuivre
Métal jaune
Feuille galvanisée
Conclusion
En résumé, les plaques plus épaisses nécessitent généralement une puissance plus élevée et des vitesses de soudage plus lentes, tandis que les matériaux plus minces exigent une puissance plus faible et des vitesses de soudage plus rapides. Cet équilibre délicat garantit une utilisation efficace de l'énergie et une qualité de soudage supérieure. La compréhension de ces interrelations permet aux fabricants d'optimiser leurs processus pour des applications, matériaux et épaisseurs spécifiques, ce qui donne des soudures plus solides, plus fiables et comportant moins de défauts.
