Procédé de soudage laser

Mathieu Foster,
René Beaulieu, Lorraine Blais, Guillaume Caron & Martin Langlois
ACFAS, 7 mai 2012
www.cstpq.com
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Procédé de soudage laser
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Problématique industrielle
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Instrumentation
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Expérimentations et résultats
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Conclusion
Soudage par vaporisation
Source utilisée :
Laser fibre 1070 nm
15,0 kW en continu
Ø de 400 µm
120 kW/mm2
Substrat :
Acier inoxydable 304 L
Instabilité de la pénétration
Réel :
Objectif :
± 1,0 mm pour 15,0 mm  > 5,0%
± 0,3 mm pour 15,0 mm  < 2,0%
Objectif de l’étude:
Identifier la ou les causes de l’instabilité
Causes envisagées:
1.
2.
3.
Le panache formé dévie le faisceau du laser
Le panache formé atténue le faisceau du laser
La formation d’un plasma absorbe le faisceau du laser
Solution envisagée:
Balayage du panache (jet d’air)
1.
Puissances : 4,5 / 10,0 / 15,0 kW
2.
Vitesse de soudage fixée à 3,0 m/min
3.
Avec et sans balayage du panache
4.
Répétition 3x  108 essais
P (kW)
Sans balayage
Avec balayage
4,5
0,07
0,16
10
0,10
0,13
15
0,36
0,15
P (kW)
Sans balayage
Avec balayage
4,5
0,32
0,15
10
0,42
0,23
15
0,56
0,20
1.
Mesure de la température électronique
o
2.
Mesure du degré d’ionisation
o
3.
Diagramme de Saha-Boltzmann
Mesure de la densité électronique
o
4.
Diagramme de Boltzmann
Diagramme de Saha-Eggert
Calcul de l’absorption par le plasma
o
Coefficient de l’inverse Bremmstrahlung
𝑰𝝀
𝐄
𝒉𝒄 𝑵
𝒍𝒏
=−
+ 𝒍𝒏
𝒈𝑨
𝐤𝐓
𝟒𝝅 𝑸
y
=
mx +
b
5682 K
T : Température électronique
𝐼 : Intensité raie Fe I
𝜆 : Longueur d’onde
𝑔 : Dégénérescence des niveaux *
A : Probabilité de transition*
E : Énergie du niveau*
k : Constante de Boltzmann
𝑙𝑛
ℎ𝑐 𝑁
4𝜋 𝑄
:
Constante
* NIST /National Institute of Standards and Technology
𝜶𝟐
𝟏−𝜶𝟐
=
𝟐𝝅𝒎𝒆 𝟑/𝟐 𝐤𝐓 𝟓/𝟐
𝒉𝟐
𝒑
exp
−
𝒆𝐕𝐢
𝐤𝐓
𝛼 : Densité électronique
T : Température électronique
𝑚𝑒: Masse de l’électron
ℎ : Constante de Planck
k : Constante de Boltzmann
𝑝 : Pression atmosphérique
e : Charge de l’électron
Vi : Premier potentiel d’ionisation du Fe
Ne = 4,83
𝒈 A λ l
x1015 + + 0 0
𝒈0 A0 λ+ l+
𝐓𝟑 𝟐
(E+ − E0)−Ei0 +1,68x10−4 (Ne/T)½
exp
kT
Ne : Densité électronique
T : Température
I+ : Intensité raie Fe II
I0 : Intensité raie Fe I
λ+ : Longueur d’onde raie Fe II
λ0 : Longueur d’onde raie Fe I
𝑔 : Dégénérescence des niveaux *
A : Probabilité de transition*
E+ : Énergie raie Fe II *
E0 : Énergie raie Fe I *
Ei0 : Énergie d’ionisation Fe I *
k : Constante de Boltzmann
* NIST /National Institute of Standards and Technology
αIB = 3,69
x10𝟖
𝐙𝟑 ·𝐍𝐢𝟐
(𝟏
𝐓 · (𝒄 𝝀)𝟑
− 𝒆−𝒉𝒄/𝝀𝐤𝐓 )
αIB : Coefficient d’absorption IB
T : Température
Ni : Densité ionique
 Ni = Ne à l’équilibre thermodynamique
Ne : Densité électronique
Z : Charge de l’ion
𝑐 : Vitesse de la lumière
𝜆 : Longueur d’onde du laser
ℎ : Constante de Planck
k : Constante de Boltzmann
1.
2.
3.
4.
L’observation du panache et du bain de fusion a permis de
confirmer une grande activité chaotique à l’embouchure du
capillaire de vaporisation.
La déviation du faisceau laser n’est pas identifiée comme
une cause d’instabilité de la pénétration.
Le balayage du panache permet de diminuer de façon
significative l’atténuation du laser.
À 4,5 kW sans balayage et 15,0 kW avec balayage,
o
L’atténuation est due à la diffusion de Rayleigh causée
par la présence de fines particules d’un diamètre
inférieur à 50 nm.
5.
À 10,0 et 15,0 kW, sans balayage,
o
Le diamètre moyen des particules augmente à environ 50 nm.
o
Ce diamètre moyen augmente en fonction de la puissance.
o
o
L’atténuation est due à la somme de la diffusion de Rayleigh
et un phénomène d’atténuation pour l’instant non confirmé.
Les mesures du degré d’ionisation confirment la présence
d’un plasma faiblement ionisé. L’hypothèse d’une absorption
par le plasma reste à confirmer.
Le CSTPQ remercie les partenaires de ses activités dans le domaine des procédés laser.
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