Soudage laser : sélection des matériaux et limites

Le soudage au laser est une nouvelle technologie industrielle dans le traitement du soudage industriel. Il présente les avantages d'une vitesse de soudage rapide, d'une haute précision, d'un rendement élevé et de soudures lisses et belles. Machines à souder au laser sont largement utilisés et peuvent souder une variété de matériaux. Mais quels matériaux ne peuvent pas être utilisés avec les machines à souder au laser ? Cet article discutera de la sélection des matériaux et des limites du soudage laser, explorera les types de matériaux que le soudage laser peut souder et les matériaux qui ne conviennent pas au soudage laser, et analysera les raisons en profondeur.

Principes de base du soudage laser

Avant de se pencher sur les matériaux appropriés pour le soudage au laser, il est nécessaire de comprendre les principes de base du soudage au laser. Le soudage laser est une méthode de soudage qui utilise la haute énergie d'un faisceau laser pour chauffer localement la surface de la pièce afin de la faire fondre instantanément et de former un joint soudé après solidification.
Les étapes de base du soudage laser comprennent la génération, la modulation et la focalisation du faisceau laser. Tout d’abord, le générateur laser génère un faisceau laser extrêmement intense, puis le faisceau laser est modulé et focalisé via le système optique afin de pouvoir éclairer avec précision la zone de soudage. Dans la zone de soudage, la haute densité d'énergie du laser chauffe rapidement la surface de la pièce au-dessus de la température critique, la faisant fondre instantanément pour former un bain de fusion. Le bain fondu refroidit ensuite et se solidifie, formant une soudure solide.
Il s'agit d'une nouvelle méthode de soudage principalement utilisée pour souder des matériaux à parois minces et des pièces de précision. Il peut réaliser des effets de soudage tels que le soudage par points, le soudage par pile et le soudage par joint. Cette méthode de soudage présente les caractéristiques d'une petite largeur de soudure, d'une petite zone affectée par la chaleur, d'une vitesse de soudage rapide, d'une belle apparence et de l'absence de traitement post-soudage. Mais cela met également en avant certaines exigences quant au choix des matériaux.

Matériaux pouvant être soudés au laser

Les lasers peuvent souder ensemble de nombreux types de matériaux différents. Par rapport aux méthodes traditionnelles de soudage thermique ou de soudage électrique, il a une gamme d'applications plus large et peut souder une variété de matériaux métalliques et non métalliques. Inclut principalement les catégories suivantes :

Matériaux métalliques

Le soudage au laser est largement utilisé dans le soudage de matériaux métalliques et convient à une variété de matériaux métalliques, y compris, mais sans s'y limiter, les catégories suivantes :

Acier inoxydable

En raison de la vitesse de soudage et de la petite zone affectée par la chaleur de la machine de soudage laser, le phénomène de surchauffe et le coefficient de dilatation linéaire élevé du soudage de l'acier inoxydable sont atténués et le cordon de soudure ne présente aucun défaut tel que des pores et des inclusions. Comparé à l'acier au carbone, l'acier inoxydable est plus facile à obtenir des soudures étroites à pénétration profonde en raison de sa faible conductivité thermique, de son taux d'absorption d'énergie élevé et de son efficacité de fusion élevée. Le soudage de plaques minces avec une machine de soudage laser de faible puissance peut produire des joints bien formés avec des soudures lisses et belles.

Alliage d'aluminium

L'aluminium et les alliages d'aluminium sont des matériaux hautement réfléchissants avec une bonne conductivité thermique, et le soudage au laser peut réaliser un soudage efficace. Lors du soudage de l'aluminium et de ses alliages, à mesure que la température augmente, des vides peuvent apparaître dans la racine et le cordon de soudure peut être mal formé. Le soudage au laser peut réduire efficacement la zone affectée par la chaleur et éviter la déformation et les fissures du matériau.

Alliage de titane

Les alliages de titane sont également l’un des choix idéaux pour le soudage au laser en raison de leur haute résistance et de leur résistance à la corrosion. Le soudage laser permet des soudures de haute qualité sans détruire les propriétés des alliages de titane.

Matériaux non métalliques

Le soudage laser convient non seulement aux matériaux métalliques, mais peut également être utilisé pour souder certains matériaux non métalliques, en particulier dans les applications de haute précision et à faible impact thermique. Voici quelques matériaux non métalliques que le soudage au laser peut souder :

Plastique

Le soudage laser excelle dans le soudage des matières plastiques. Cette méthode de soudage peut être utilisée sur les polymères, les thermoplastiques et les thermodurcissables et est largement utilisée dans la fabrication de dispositifs médicaux, de pièces électroniques et automobiles.

Céramique

Le soudage au laser peut être utilisé pour souder des matériaux céramiques, notamment les céramiques d'alumine et de zircone. Cela a des applications importantes dans l'électronique, l'optique et l'aérospatiale, car le soudage au laser offre les avantages d'une haute précision et de l'absence de contact.

Caoutchouc et matériaux élastiques

Pour certains matériaux non métalliques présentant une bonne élasticité, le soudage laser peut également être envisagé. Cela peut avoir des applications dans des domaines particuliers tels que la fabrication de dispositifs médicaux et de dispositifs électroniques flexibles.

Matériaux ne pouvant pas être soudés au laser

Il convient toutefois de noter que tous les matériaux ne conviennent pas au soudage au laser. Voici quelques matériaux que le soudage laser ne peut généralement pas souder efficacement :

Matériaux hautement réfléchissants

Le soudage au laser repose sur la haute énergie du faisceau laser pour chauffer la surface du matériau. Par conséquent, pour les matériaux hautement réfléchissants, le faisceau laser peut être réfléchi et ne peut pas être chauffé efficacement, ce qui rend le soudage difficile. Les matériaux hautement réfléchissants typiques comprennent le cuivre et les alliages de cuivre. Des problèmes de manque de fusion et de pénétration peuvent survenir après le traitement. Par conséquent, une énergie concentrée, des sources de chaleur de grande puissance et des mesures de préchauffage sont nécessaires.

Matière plastique transparente

Le soudage au laser ne convient pas au soudage de matériaux transparents car le faisceau laser ne peut pas produire une absorption suffisante dans les matériaux hautement transparents. Cela inclut le verre et certains plastiques.

Matériaux sensibles à la température

Certains matériaux sensibles aux températures élevées, tels que les thermoplastiques, peuvent être affectés par une chaleur excessive dans l'environnement à haute température du soudage laser, entraînant une baisse des performances des matériaux.

Revêtement métallique hautement réfléchissant

Certains matériaux sont recouverts de revêtements métalliques hautement réfléchissants, ce qui peut provoquer la réflexion du faisceau laser et l'empêcher de chauffer efficacement le substrat.

Matériaux hautement hygroscopiques

Le soudage au laser nécessite un environnement relativement sec et pour les matériaux hautement hygroscopiques, l'humidité peut être perturbée pendant le processus de soudage.

Quels facteurs déterminent la soudabilité d’un matériau ?

La soudabilité du soudage laser est affectée par de nombreux facteurs, couvrant principalement les propriétés thermiques, optiques, chimiques et physiques du matériau. Ce qui suit est une description détaillée de ces facteurs sous ces quatre aspects :

Propriétés optiques des matériaux

Coefficient d'absorption : La capacité d'un matériau à absorber un faisceau laser dépend de son coefficient d'absorption. Un coefficient d'absorption élevé signifie que le matériau est plus facilement chauffé par le faisceau laser, ce qui facilite le soudage.
Transparence : Les matériaux à haute transparence ne conviennent généralement pas au soudage au laser car il est difficile pour le laser de produire une absorption suffisante dans les matériaux transparents. Les matériaux doivent avoir une capacité d'absorption élevée, une faible réflectivité et une faible transmission pour garantir un soudage efficace et stable.

Propriétés thermiques des matériaux

Point de fusion et point d'ébullition : Le point de fusion et le point d'ébullition du matériau affectent directement l'adéquation du soudage laser. Un point de fusion plus bas facilite le soudage au laser, ce qui facilite la fusion instantanée des matériaux.
Conductivité thermique : La conductivité thermique affecte le taux de transfert de chaleur dans la zone de soudage. Une conductivité thermique plus élevée peut entraîner un refroidissement trop rapide de la soudure, provoquant des fissures ou une déformation.

Propriétés chimiques des matériaux

Oxydation : Les matériaux hautement oxydants peuvent former des oxydes pendant le processus de soudage, affectant la qualité de la soudure. Lors de la sélection de matériaux adaptés au soudage laser, tenez compte de leurs propriétés d’oxydation.
Réaction chimique : le fait que le matériau subisse une réaction chimique à des températures élevées, en particulier en interagissant avec les gaz dans l'environnement de soudage, peut affecter la qualité de la soudure.

Propriétés physiques des matériaux

Coefficient de dilatation : Le coefficient de dilatation thermique d'un matériau affecte la déformation thermique lors du soudage. L'adaptation des matériaux et des procédés de soudage peut réduire le risque de déformation.
Dureté : La dureté du matériau affectera le processus de formation et de solidification du bain fondu lors du soudage au laser, ce qui peut affecter la qualité du soudage.

En tenant compte des facteurs ci-dessus, l’adéquation du soudage laser à un matériau spécifique peut être évaluée avec plus de précision. Dans les applications pratiques, une analyse complète de ces facteurs permet de sélectionner les paramètres et processus de soudage appropriés pour garantir l'efficacité du soudage. la soudure au laser et la qualité des soudures.

Défis et directions d’application du soudage laser

Bien que le soudage au laser ait obtenu des succès remarquables dans de nombreux domaines, il reste encore confronté à certains défis à l'avenir qui pourraient affecter son champ d'application et son efficacité. Voici les défis auxquels la technologie de soudage laser peut être confrontée :

Adaptabilité des matériaux

Matériaux réfléchissants : Pour les matériaux hautement réfléchissants, tels que l'aluminium et le cuivre, il est difficile pour le soudage laser de chauffer efficacement la surface, ce qui rend le soudage difficile.
Matériaux transparents : Il est difficile pour le faisceau laser de produire une absorption suffisante dans les matériaux transparents, ce qui rend le soudage au laser de matériaux transparents difficile.

Contrôle de processus

Gradient à haute température : Le gradient à haute température produit par le soudage laser peut provoquer une déformation thermique et des contraintes résiduelles dans la zone de soudage, affectant la qualité du soudage.
Contrôle du cordon de soudure : Pour le soudage de formes complexes, le soudage au laser est confronté à certains défis en matière de contrôle précis du cordon de soudure.

Coût et complexité de l'équipement

Coût de l’équipement : L’équipement de soudage laser est relativement coûteux à acquérir et à entretenir, ce qui peut constituer un facteur limitant dans certaines applications.
Complexité : Les systèmes de soudage au laser nécessitent souvent des équipements et un contrôle de processus très complexes, ainsi que des compétences élevées de l'opérateur.

Efficacité de production

Vitesse de production : dans certaines situations de production à grande échelle, le soudage au laser peut ne pas être aussi rapide que d'autres méthodes de soudage traditionnelles, ce qui limite son application dans des environnements à volume élevé.

Développement de sources laser à haute énergie

La qualité et l’efficacité du soudage laser dépendent de la puissance de la source laser. Des sources laser à haute énergie plus puissantes, stables et fiables seront nécessaires à l’avenir pour augmenter la vitesse et la profondeur de soudage et s’adapter à une plus large gamme de matériaux.

Écologique

La fabrication moderne est de plus en plus axée sur la durabilité environnementale. La technologie de soudage au laser doit donc réduire la production de déchets, la consommation d'énergie et l'impact environnemental négatif au cours du processus.

Résumer

Le soudage laser est un procédé permettant de souder des matériaux de différentes propriétés et épaisseurs. La soudabilité d'un matériau dépend de ses propriétés optiques, thermiques et chimiques. Il convient au soudage d'une variété de matériaux métalliques et non métalliques et présente les caractéristiques d'une efficacité et d'une précision élevées. Cependant, cela reste affecté par les propriétés des matériaux et il existe certaines limitations pour certains matériaux spécifiques. Avec le développement continu de la technologie laser, on pense que le soudage au laser aura des applications plus larges à l'avenir et surmontera davantage de défis matériels.
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