Avec le développement de la technologie laser et de la technologie de développement des alliages d'aluminium, il est particulièrement important de poursuivre la recherche fondamentale sur la technologie d'application du soudage laser des alliages d'aluminium, de développer une nouvelle technologie de soudage laser des alliages d'aluminium et d'élargir plus efficacement le potentiel d'application de la structure de soudage laser des alliages d'aluminium, afin de comprendre l'état d'application et la tendance de développement de la technologie de soudage laser des alliages d'aluminium.
L'alliage d'aluminium à haute résistance présente une résistance spécifique élevée, une rigidité spécifique, une bonne résistance à la corrosion, des performances de traitement et des propriétés mécaniques. Il est devenu un matériau métallique indispensable pour la fabrication légère de structures dans l'aérospatiale, les navires et d'autres domaines du transport, parmi lesquels les avions sont les plus utilisés. La technologie de soudage présente des avantages uniques pour améliorer le taux d'utilisation des matériaux de structure, réduire le poids des structures et réaliser la fabrication à faible coût de matériaux complexes et dissemblables, parmi lesquels la technologie de soudage laser des alliages d'aluminium est un point chaud.
Par rapport aux autres méthodes de soudage, le soudage au laser présente les avantages d'un chauffage centralisé, de faibles dommages thermiques, d'un grand rapport profondeur/largeur de soudure et d'une faible déformation de soudure. Le processus de soudage est facile à intégrer, automatisé et flexible, et un soudage à grande vitesse et à haute précision peut être réalisé, particulièrement adapté au soudage de haute précision de structures complexes.
Avec le développement de la technologie des matériaux, une variété d'alliages d'aluminium à haute résistance et à haute ténacité continuent d'être introduits, en particulier la troisième génération d'alliage d'aluminium-lithium, l'émergence de nouveaux alliages d'aluminium à haute résistance, la technologie de soudage au laser de l'aluminium met en avant des exigences de plus en plus élevées, tandis que la diversité des alliages d'aluminium a également apporté une variété de nouveaux problèmes de soudage au laser, nous devons donc étudier en profondeur ces problèmes, afin d'élargir plus efficacement le potentiel d'application de la structure de soudage au laser en alliage d'aluminium.
Laser haute puissance
Le soudage au laser est une technologie qui consiste à projeter un laser de haute intensité sur la surface métallique et à faire fondre le métal, puis à le refroidir et à le cristalliser pour former une soudure grâce au couplage thermique entre le laser et le métal. Selon le mécanisme d'action thermique, le soudage au laser peut être divisé en deux types de soudage par conduction thermique et de soudage à pénétration profonde. Le premier est principalement utilisé dans le soudage de pièces de précision ou le soudage micro et nano. Le second produit souvent un effet de petit trou similaire au soudage par faisceau d'électrons dans le processus de soudage, formant une soudure profonde et large. La réalisation du soudage laser à pénétration profonde nécessite une puissance laser élevée. Il existe quatre types de laser haute puissance actuellement utilisés dans le soudage laser à pénétration profonde.
1, laser à gaz CO2
Le fluide de travail est du gaz CO2, la longueur d'onde de sortie du laser est de 10,6 μm, selon la structure d'excitation du laser, il est divisé en deux types de flux transversal et de flux axial. Bien que la puissance de sortie du laser CO2 à flux transversal ait atteint 150 kW, la qualité du faisceau est médiocre et il n'est pas adapté au soudage. Le laser CO2 à flux axial a une meilleure qualité de faisceau et peut être utilisé pour le soudage d'alliages d'aluminium avec une réflectivité laser élevée.
2, laser solide YAG
Le milieu de travail est le rubis, le verre néodyme et le grenat d'aluminium yttrium dopé au néodyme, etc. La longueur d'onde de sortie est de 1,06 μm. Le laser YAG est plus facilement absorbé par le métal que le laser CO2 et est moins affecté par le plasma, pour la transmission par fibre, une opération de soudage flexible, une bonne accessibilité de la position de soudage, est le laser principal pour le soudage de structures en alliage d'aluminium.
3, laser à fibre YLR
Il s'agit d'un nouveau type de laser développé après 2002, utilisant la fibre comme matériau de matrice, dopant différents ions de terres rares, et la plage de longueur d'onde de sortie est d'environ 1,08 μm, ce qui correspond également à une transmission par fibre. Le laser à fibre utilise de manière révolutionnaire une structure de fibre à double gaine, augmente la longueur de pompage, améliore l'efficacité de pompage, de sorte que la puissance de sortie du laser à fibre est considérablement augmentée. Comparé au laser YAG, le laser à fibre YLR apparaît plus tard, mais il présente les avantages d'une petite taille, d'un faible coût de fonctionnement, d'une qualité de faisceau élevée et d'une puissance laser élevée.
Recherche d'application sur la structure de soudage laser d'alliage d'aluminium
Depuis les années 1990, avec le développement de la science et de la technologie, l'émergence de lasers haute puissance et haute luminosité, l'intégration de la technologie de soudage laser, le développement intelligent, flexible et diversifié deviennent plus matures, une plus grande attention est accordée au soudage laser dans divers domaines d'application de la structure en alliage d'aluminium au pays et à l'étranger. À l'heure actuelle, certains constructeurs automobiles en Chine ont adopté la technologie de soudage laser dans certains nouveaux modèles, avec le développement de la technologie de soudage laser pour les plaques épaisses en alliage d'aluminium, le soudage laser sera appliqué à la structure des véhicules blindés à l'avenir.
Afin de réaliser une fabrication légère, l'application et la recherche sur le soudage laser de structures sandwich en alliage d'aluminium dans la fabrication de structures de navires et de trains à grande vitesse constituent actuellement le point chaud de la recherche. L'alliage d'aluminium est un matériau de structure métallique important pour les structures aérospatiales, c'est pourquoi le Japon, les États-Unis, le Royaume-Uni, l'Allemagne et d'autres pays développés accordent une grande importance à la recherche sur la technologie de soudage laser des alliages d'aluminium.
Avec le développement de la technologie de soudage laser à fibre, le secteur de la fabrication aéronautique des pays avancés a placé le soudage laser à fibre et le soudage composite à l'arc laser au centre de la technologie de soudage des alliages d'aluminium, en particulier le soudage des plaques épaisses et le soudage des métaux différents. Par exemple, le projet NALI aux États-Unis mène des recherches sur le soudage laser à fibre et le soudage composite à l'arc laser pour la structure de la chambre de combustion des avions civils et des moteurs d'avions JSF.
Caractéristiques du soudage laser des alliages d'aluminium
Par rapport au soudage par fusion conventionnel, la concentration de chauffage du soudage laser des alliages d'aluminium, le rapport profondeur/largeur de la soudure est important, la déformation de la structure de soudage est faible, mais il existe quelques défauts, résumés comme suit :
(1) Le petit diamètre du spot de focalisation laser entraîne des exigences élevées en matière de précision de soudage et d'assemblage des pièces. En général, l'écart d'assemblage et la quantité de bords erronés doivent être inférieurs à 0,1 mm ou 10 % de l'épaisseur de la plaque, ce qui augmente la difficulté de la mise en œuvre de la structure de soudage tridimensionnelle complexe
(2) Étant donné que la réflectivité de l'alliage d'aluminium au laser à température ambiante est aussi élevée que 90 %, le soudage laser à pénétration profonde de l'alliage d'aluminium nécessite que le laser ait une puissance élevée. Les recherches sur le soudage laser de tôles en alliage d'aluminium montrent que le soudage laser à pénétration profonde de l'alliage d'aluminium dépend du double seuil de la densité de puissance laser et de l'énergie linéaire, qui limitent conjointement le comportement du bain de soudure dans le processus de soudage et se reflètent finalement sur les caractéristiques de formage de la soudure. L'optimisation du processus de soudure à pénétration complète peut être évaluée par le rapport de la largeur arrière des caractéristiques de formage du cordon de soudure.
(3) Le point de fusion de l'alliage d'aluminium est bas, le flux de métal liquide est bon, la forte vaporisation du métal sous l'action d'un laser haute puissance, le nuage de vapeur métallique/plasma photoinduit formé avec un effet de petit trou dans le processus de soudage affecte l'absorption de l'énergie laser par l'alliage d'aluminium, entraînant une instabilité du processus de soudage à pénétration profonde, une soudure sujette à la porosité, à l'effondrement de la surface, aux bords et autres défauts ;
(4) La vitesse de chauffage et de refroidissement du soudage au laser est rapide et la dureté de la soudure est supérieure à celle de l'arc, mais en raison de la combustion des éléments d'alliage dans le soudage au laser de l'alliage d'aluminium, ce qui affecte le renforcement de l'alliage, la soudure en alliage d'aluminium présente toujours le problème du ramollissement, réduisant ainsi la résistance du joint soudé en alliage d'aluminium. Par conséquent, le principal problème du soudage au laser de l'alliage d'aluminium est de contrôler les défauts de soudure et d'améliorer les performances des joints soudés.
Technologie de contrôle des défauts de soudage laser des alliages d'aluminium
Sous l'action d'un laser de haute puissance, les principaux défauts des joints soudés par pénétration profonde au laser en alliage d'aluminium sont la porosité, l'affaissement de la surface et le mordillement des bords, qui peuvent être améliorés par soudage par fil laser ou soudage composite à l'arc laser. Il est difficile de contrôler le défaut de porosité de la soudure.
Les résultats de recherche existants montrent qu'il existe deux types de pores caractéristiques dans le soudage laser à pénétration profonde des alliages d'aluminium. Le premier est la porosité métallurgique, qui est causée par la pollution du matériau ou l'intrusion d'air dans le processus de soudage comme le soudage par fusion à l'arc. L'autre type est la porosité du processus, qui est causée par la fluctuation instable du petit trou inhérent au processus de soudage laser à pénétration profonde.
Dans le processus de soudage laser à pénétration profonde, le trou est souvent en retard par rapport au mouvement du faisceau en raison de l'effet visqueux du métal liquide, et son diamètre et sa profondeur fluctuent sous l'influence du plasma/de la vapeur de métal. Avec le mouvement du faisceau et le flux de métal en fusion, des bulles apparaissent à la pointe du trou dans le soudage à pénétration profonde non perméable en raison du flux de métal en fusion, et des bulles apparaissent à la taille étroite au milieu du trou dans le soudage à pénétration profonde à pénétration complète. Les bulles migrent et roulent avec le flux de métal liquide, ou s'échappent de la surface du bain de fusion, ou sont repoussées vers le petit trou, lorsque les bulles sont solidifiées par le bain de fusion et capturées par le front métallique, c'est-à-dire deviennent la porosité de la soudure.
De toute évidence, la porosité du métal est principalement contrôlée par le contrôle du traitement de surface avant le soudage et la protection raisonnable du gaz pendant le soudage, et la clé de la porosité du processus est d'assurer la stabilité du petit trou pendant le soudage par pénétration profonde au laser. Selon la recherche nationale sur la technologie de soudage au laser, le contrôle de la porosité du soudage par pénétration profonde au laser des alliages d'aluminium doit être pris en compte avant le soudage, le processus de soudage, le post-traitement de soudage de diverses liaisons, résumés comme les nouveaux processus et nouvelles technologies suivants.
1, méthode de traitement de pré-soudage
Le traitement de surface avant le soudage est un moyen efficace de contrôler les pores métallurgiques du soudage laser de l'alliage d'aluminium. Les méthodes de traitement de surface ont généralement un nettoyage physique et mécanique, un nettoyage chimique. Ces dernières années, il y a eu un nettoyage par choc laser, qui améliorera encore le degré d'automatisation du soudage laser.
2, contrôle d'optimisation de la stabilité des paramètres
Les paramètres du procédé de soudage laser des alliages d'aluminium sont généralement principalement la puissance laser, la défocalisation, la vitesse de soudage et la composition et le débit de protection du gaz. Ces paramètres affectent non seulement l'effet de protection de la zone de soudage, mais également la stabilité du procédé de soudage laser à pénétration profonde, affectant ainsi la porosité de la soudure. Grâce au soudage laser à pénétration profonde de tôles en alliage d'aluminium, on constate que la stabilité de la pénétration des petits trous affecte la stabilité du bain de soudure, puis affecte la formation de la soudure, ce qui entraîne des défauts de porosité de la soudure. De plus, la stabilité du soudage laser à pénétration profonde est liée à la densité de puissance laser et à la correspondance de la quantité linéaire, de sorte que la détermination de paramètres de processus raisonnables pour une formation de soudure stable est une mesure efficace pour contrôler efficacement la porosité de la soudure laser des alliages d'aluminium.
Les résultats montrent que le rapport entre la largeur de l'arrière de la soudure et la largeur de la surface de la soudure (le rapport de la largeur de l'arrière de la soudure) est utilisé pour évaluer la formation de la soudure et la stabilité de la tôle en alliage d'aluminium. Lorsque la densité de puissance laser et l'énergie de la ligne correspondent raisonnablement, le rapport entre la largeur de l'arrière de la soudure et la largeur de la surface de la soudure peut être garanti et la porosité de la soudure peut être contrôlée efficacement.
3, soudage laser à double point
Le soudage laser à double point fait référence au processus de soudage dans lequel deux faisceaux laser focalisés agissent sur le même bain de soudure en même temps. Dans le processus de soudage laser à pénétration profonde, l'une des principales raisons de la formation de porosité est que le gaz dans le petit trou est enfermé dans le bain de soudure par la fermeture instantanée. Lorsque le soudage laser à double point est utilisé, en raison de l'action de deux sources lumineuses, la grande ouverture du petit trou est propice à l'échappement de la vapeur métallique interne, et est également propice à la stabilité du petit trou, de manière à réduire la porosité de la soudure. Les études sur le soudage laser des alliages d'aluminium A356, AA5083, 2024 et 5A90 montrent toutes que le soudage laser à double point peut réduire considérablement la porosité de la soudure.
4, soudage composite à l'arc laser
Le soudage composite à l'arc laser est une méthode de soudage dans laquelle le laser et l'arc sont appliqués au même bain de soudure. En utilisant généralement le laser comme source de chaleur principale, l'interaction entre le laser et l'arc peut améliorer la profondeur et la vitesse de soudage au laser et réduire la précision de l'assemblage de soudage. La stabilité des trous de soudage au laser peut être améliorée en utilisant un fil d'apport pour contrôler les propriétés de microstructure des joints soudés, et l'effet auxiliaire de l'arc peut aider à réduire la porosité de la soudure.
Dans le procédé de soudage composite à l'arc laser, l'arc affecte le nuage de vapeur/plasma métallique induit par le procédé laser, ce qui favorise l'absorption de l'énergie laser et la stabilité des petits trous. Les résultats du soudage composite à l'arc laser d'alliages d'aluminium ont également prouvé son efficacité.
5, soudage laser à fibre
L'effet de petit trou du procédé de soudage laser à pénétration profonde est dû à la forte vaporisation du métal sous l'action du laser. La force de vapeur de la vaporisation du métal est étroitement liée à la densité de puissance du laser et à la qualité du faisceau, ce qui affecte non seulement la profondeur de pénétration du soudage laser, mais affecte également la stabilité des petits trous. Les recherches de Seiji. et al. sur le laser à fibre haute puissance en acier inoxydable SUS304 montrent que le bain de soudure est allongé pendant le soudage à grande vitesse, ce qui inhibe les projections, la fluctuation des petits trous est stable et la pointe du petit trou n'a pas de bulles. Lorsque le laser à fibre est utilisé pour le soudage à grande vitesse d'alliages de titane et d'alliages d'aluminium, une soudure sans porosité peut également être obtenue. Les recherches d'Allen et al. sur la technologie de contrôle du gaz de protection dans le soudage laser à fibre d'alliages de titane montrent qu'en contrôlant la position du gaz de protection de soudage, l'implication du gaz peut être évitée, le temps de fermeture des petits trous peut être réduit, le soudage des petits trous peut être stabilisé et le comportement de solidification du bain de soudure peut être modifié, réduisant ainsi la porosité de la soudure.
6, soudage laser pulsé
Français Par rapport au soudage laser continu, la sortie laser adopte un mode pulsé, qui peut favoriser l'écoulement périodique et stable du bain de fusion, ce qui est propice à l'échappement de la bulle dans le bain de fusion et réduit la porosité de la soudure. TY Kuo et SL Jeng ont étudié l'influence du mode de sortie de puissance laser du soudage laser YAG sur la porosité et les propriétés des soudures en acier inoxydable SUS 304L et en superalliage Inconel 690. Les résultats montrent que : Pour le soudage laser pulsé à onde carrée, lorsque la puissance de base est de 1700 W, la porosité de la soudure diminue avec l'augmentation de l'amplitude d'impulsion ΔP, et la porosité de l'acier inoxydable diminue de 2,1 % à 0,5 %, et celle du superalliage diminue de 7,1 % à 0,5 %.
7, technologie de traitement composite après soudage
Dans les applications d'ingénierie pratiques, même si le traitement de surface est strict avant le soudage et que le processus de soudage est stable, le soudage au laser d'alliages d'aluminium produira inévitablement une porosité de soudure, de sorte que l'utilisation d'un traitement post-soudage pour éliminer la porosité est très importante. À l'heure actuelle, la méthode est principalement le soudage modifié. La technologie de pressage isostatique à chaud est l'une des méthodes permettant d'éliminer la porosité et le retrait des pièces moulées en alliage d'aluminium, et elle est combinée au traitement thermique sous contrainte de l'alliage d'aluminium après le soudage au laser pour former un processus composite de pressage isostatique à chaud et de traitement thermique des composants de soudage au laser en alliage d'aluminium, qui non seulement élimine la porosité de la soudure, mais améliore également les performances du joint.
En raison des caractéristiques de l'alliage d'aluminium, de nombreux problèmes subsistent dans l'application du soudage laser haute puissance, le principal problème étant de contrôler le défaut de porosité de la soudure et d'améliorer la qualité du soudage. Afin d'améliorer la stabilité du processus de soudage, le contrôle technique de la porosité de la soudure laser de l'alliage d'aluminium doit prendre en compte tous les aspects avant, pendant et après le soudage. Ainsi, de nombreuses nouvelles technologies et procédés ont été dérivés, tels que le nettoyage laser avant soudage, l'optimisation du contrôle du rapport de largeur arrière des paramètres du processus de soudage, le soudage laser à double faisceau, le soudage composite à l'arc laser, le soudage laser pulsé et le soudage laser à fibre.
