formation soudage laser opérateur.ppt

Formation LASER

HISTORIQUE

APPLICATIONS INDUSTRIELLES DU LASER

– Coupage– Soudage– Traitement de surface

DÉFINITION

HISTORIQUE DU LASER

1917 EINSTEIN Théorie de l’Emission Stimulée

1954 Premier Amplificateur à Micro-Onde (MASER) créé dans les laboratoires de Charles Hard TOWNES

1960 Premier LASER à Rubis créé par Theodore MAIMAN

1961 Premier LASER à Gaz pur (CO2) de 1mW créé par Ali JAVAN

1964 Premier LASER à mélange Gazeux (CO2 + N2) de 10W

1966 Premier LASER à Liquide créé par Peter SOROKIN

1968 Laser CO2 créé par C.K.N. Patel (Laboratoires Bell) de 8.8kW

Début des Années 60 premier laser YAG

• Début des Années 70 industrialisation des lasers CO2 pour découper du carton

• Milieu des années 70 utilisation de l’oxygène pour découper des métaux

• Début des années 80 utilisation de l’azote H.P. pour découper des métaux, développement des commandes numériques

Large scale 135 Kilowatt gasdynamic laser at

Avco Everett Research Lab, Inc. (Gerry, 1970)

Fin du 20ème siècle développement des lasers comme outil de production

Applications Industrielles du Laser

La Découpe

Le Soudage


Le Traitement de Surface


L ight

A mplification

S timulated

E mission

R adiationLASER is light

Formation Soudage LASER

PRINCIPE ET GENERALITE

Principe de l’émission laserCaractéristiques d’un faisceau laserDifférents types de sources CO2 Autres types de sources

Dés que la lumière est produite,elle est réfléchie entre les miroirs de la cavité à plusieurs reprisespour être amplifier par l’émission stimulée

Principe de l’émission laser

Milieu actifMilieu actif

CAVITEE

R=100%

R=95%

EXCITATION

Milieu ExcitationTypes de Laser

solide

liquide

gazeux

lampes flash / DL

Laser auxiliaire

décharges électrique ou radios fréquences

YAG

DYE

CO2

La lumière est produite par l ’excitation d ’un milieu émetteur

2

1

ABSORPTIONABSORPTION

1

EMISSION SPONTANEEEMISSION SPONTANEE

2

EMISSION STIMULEEEMISSION STIMULEE

1

2

Principe de l’émission laser

Monochromaticité

Caractéristiques d’un faisceau laser

Bleue

Jaune

Rouge

Plusieurs longueurs d ’ondesde 0.4 to 0,7 µm


Divergence

Angle de divergence très faible

Plusieurs directions dans l’espace

1 m

100 W 0,0008 W/cm2

1 m100 W

800 000 W/cm2

La densité de puissance est un paramètre clé pour le procédé.


Répartition spatiale de l’énergie


MODE = DISTRIBUTION ENERGIE MODE = DISTRIBUTION ENERGIE

Différents types de sources CO2

Longueur d’onde : 10.6 microns, infrarouge moyen

Puissance : de 1 à 45000 Watt

Réflectivité face aux matériaux métalliques : très haute ...

Emission : principalement en continu ( CW )

Fiabilité : très bonne

3 composants principaux :

CO (4 à 10%) N (10 à 30%) He (le reste)22

Milieu actif : Mélange gazeuxMilieu actif : Mélange gazeux

Doc TRUMPFSource TLF 20 kW


Le flux axial rapide


Le flux transverse


Le Slab

Le laser Yag

PUISSANCES DISPONIBLES

continue

4 KW laser pompé flash

4,4 KW laser pompé diode

pulsée

2 KWDoc HAASSource continue 4 kW

Autres types de sources

Milieu actif : Milieu solideMilieu actif : Milieu solide

Barreau de grenat d ’ytrium et d ’aluminiumdopé par des ions néodyme Nd3+

Longueur d’onde : 1.06 microns, non visible

Réflectivité face aux matériaux métalliques : très haute ...

Emission : en continu ( CW ) ou en pulsée ( PW )

Autres types de sources

Le laser à Diode

Doc ROFIN SINARSource TLF 2,2-2,5 kW

Barrettes de diodes laser empilement = stack de diode

Combinaison de stacks

PUISSANCES JUSQU’À 6 KW

Longueur d’onde : = 808 et 940 nm

Tache focale rectangulaire : 0.8x2/2x4Pas de capillaire, soudage par conductionbrasage / soudo-brasage

TRANSPORT DU FAISCEAU LASER

Composants optiques

Têtes de focalisation

Composants optiques

LASER

Source Laser

Tête de focalisation

Chemin optique

Têtes de focalisation

Par lentille (optique transmissive) Par Miroir (optique réflective)

F

D

F

D

SOUDAGE PAR FAISCEAU LASER

Principe

LE SOUDAGE

Le soudage consiste à assembler deux pièces constitutives d’un assemblage de manière à assurer leur continuité d’un point de vue métallurgique, en d’autre terme faire deux pièces en une. Les métaux, rigides à l’état solide, présentent par leur organisation en réseau une aptitude à se diffuser. Cette diffusion est d’autant plus importante que l’on se rapproche de la température de fusion des matériaux à assembler.

Le soudage peut se réaliser avec ou sans métal d’apport (MA) selon la configuration du joint, le procédé utilisé, les spécifications souhaitées, les caractéristiques mécaniques demandées ….

LE SOUDAGE PAR FAISCEAU LASER

Procédé à haute densité d’énergie engendré par un laser et permettant la formation d’un capillaire dans la zone à assembler.

Puissance spécifique élevée : 105 à 106 W/cm2

VUE SCHEMATIQUE DE L’INTERACTION FAISCEAU / MATIERE PENDANT LE SOUDAGE

Zone affectée thermiquement

Faisceau laser

Sens du soudage

Métal fondu resollidifié

Pièces à assembler

Bain de fusion en amont

Bain de fusion en aval

Capillaire

MISE EN SERVICE DU PROCEDE

Paramètres liés au faisceau laser :

. Mode du faisceau

. Distance focale

. Position du point de focalisation

. Relation Puissance – Vitesse – Pénétration

Caractéristiques particulières (capillaires, plasma)

D : Diamètre du faisceau incident

d : Diamètre de la tache focale

F : Distance focale de la lentille

z : Profondeur de champ

Mode du faisceau

d = M² x 4 F D

d : diamètre du point de focalisation en mmM2 : facteur de qualité de faisceau ( = 1 / K ). : longueur d'onde en mm F : distance focale en mm D : diamètre du faisceau sur l'optique de focalisation.

Un paramètre essentiel du procédé laser est le diamètre du point de focalisation du faisceau, qui est en rapport direct avec la densité de puissance. La densité de puissance s'exprime par le rapport P/S, avec : P : puissance incidenteS : surface de l'interaction faisceau/pièce

D

F

fd

d

Distance focale

Focale courte :

- Petit diamètre de focalisation= grande densité de puissance

- Faible profondeur de champ= souplesse opératoire réduite

Focale longue :

- Gros diamètre de focalisation= faible densité de puissance

- Profondeur de champ élevée= bonne souplesse opératoire

.

Distance focale

Position du point de focalisationPrécision de positionnement

= 0,7 % de la distance focale

Ex : 0,5 mm pour une focale de 150 mm

Pf = d² 2 M2

d : diamètre du point de focalisation en mmM2 : facteur de qualité de faisceau ( = 1 / K ). : longueur d'onde en mm

Distance focale Diamètre de foc Densité de puissance

Performances Profondeur de champ

Tolérance de positionnement

Durée de vie de l’optique

Relation Puissance – Vitesse - Pénétration

La puissance et la vitesse caractérisent l’énergieDéposée suivant la formule :

E = P V

E : énergie linéique en j / mP : puissance en WV : Vitesse en m / s

A puissance constante, la diminution de vitesse entraîne une augmentation dela pénétration, largeur de cordon et ZAT, mais il est en général inutile de réduire en dessous de 0,5 m / min.

- Absorption du Laser en

surface

- Formation d’un bain

superficiel

pr

- Vaporisation du Métal

- Expansion de la Vapeur

- Création d’une pression de

recul pr

- Déformation de la surface

- L’irradiation continue entretien la vaporisation du métal

- Formation d’un “Capillaire” ou “Keyhole”

Formation d’un capillaire étroit étroit et profondprofond de vapeur : “keyholekeyhole ”


ECHAUFFEMENT - FUSION VAPORISATION

Le capillaire est une cavité remplie de vapeurs métalliques ionisées à très haute

Température.

Le faisceau Laser est piégé dans le capillaire par de multiple réflections

sur les parois

Il permet un transfert direct de l ’énergie au cœur du matériau

Nous distinguons :

Le bain de fusion

La zone affectée thermiquement

Deux differents plasmas :

Plasma de Surface

Plasma du Keyhole

Ces deux plasmas absorbent l’énergie du Laser

Faible absorption par la plume de Plasma en Surface (5 à 10%)

Absorption importante du laser dans le keyhole par le Plasma Métallique dense et chaud

I

Plasma du capillaire

Plasma de surface

Bain de fusion

ZAT


MISE EN SERVICE DU PROCEDE

Rôle du gaz de protection : • Mise en œuvre de la protection gazeuse• Nature du gaz de protection en laser CO2

Rôle du gaz de protection

• Protéger le bain de fusion de l’oxydation• Permettre un bon couplage du laser avec la matière à souder

Ionisation du gaz de protection

• L’ionisation du gaz de protection ou « claquage » résulte d’un transfert énergétique du plasma métallique de surface vers le gaz de protection

• Le faisceau laser incident entretient cette ionisation : Il y a alors formation

d’un Nouveau PLASMA dans le Gaz de protection qui peut conduire à la

perte totale du transfert d’énergie à la pièce

Plasma dans le gaz de protection

Plasma Métallique de Surface

Laser

Gaz Metaux

He Ar N2 CO2 O2 Fe Ni Ti Cr Al

24.5 15.7 15.5 14.4 12.5 7.9 7.6 6.8 6.74 5.85

Le « claquage » dépend de :

•La longueur d’onde du Laser

»Ce phénomène ne se produit que pour les grandes longueurs d’onde :

»principalement dans le cas du soudage avec des lasers CO2

•La distance focale et de l’angle de convergence du faisceau

»Ces paramètres affectent la densité de puissance laser disponible dans la région

» au dessus du Plasma métallique de surface

•La nature du gaz de protection

potentiel d’ionisation (eV) des principaux gaz composant l’atmosphère de soudage

LE PLASMA DU GAZ DE PROTECTION DIMINUE LES PERFORMANCES DU PROCEDE

COMMENT LIMITER LE PLASMA ???

NATURE ET PARAMETRES DU GAZ DE PROTECTION

MISE EN OEUVRE DU GAZ DE PROTECTION

BUSE COAXIALE• Faible protection de l ’optique de focalisation , pas de cross jet possible

• Bon centrage buse / faisceau

• Impossible de travailler à forte puissance sauf sous hélium ou avec un contrôle du plasma

• Mise en place d ’un hublot

• Le plus utilisé pour un aspect de cordon optimisé

Mise en œuvre de la protection gazeuse

10 à 30 l/min

5 à 10 mm

1 bar

3 à 10 mm

BUSE LATERALE

• Pas de protection de l ’optique de focalisation , cross jet obligatoire• Sous argon à forte énergie , utilisation d ’un contrôle plasma• Pour application uni-directionnelle

• Peut être utilisé avec tous les gaz• Faible encombrement• Place pour un cross jet10 à 30 l/min

1 bar

30 à 60 °

6 à 10 mm


CONTRÔLE DU PLASMA

• Optimisation délicate• Pour application uni-directionnelle

• Méthode largement utilisée

30 à 45 °

1 à 2 mm

5 à 15 l/min

2,5 mm

1 bar


CROSS JET

• Perpendiculaire au faisceau•Lame d ’air comprimé•Pour éviter les projections qui pourraient remonter sur l ’optique de focalisation


La distribution du Gaz de protectionLa distribution du Gaz de protection est un facteur important qui est un facteur important qui

est souvent négligé …est souvent négligé …

La buse doit être dimensionnée et ajustée de manière à assurerLa buse doit être dimensionnée et ajustée de manière à assurer

une bonne protection de la zone d’interaction et du bain deune bonne protection de la zone d’interaction et du bain de

fusionfusion

La distribution du Gaz de protectionLa distribution du Gaz de protection est un facteur important qui est un facteur important qui

est souvent négligé …est souvent négligé …

La buse doit être dimensionnée et ajustée de manière à assurerLa buse doit être dimensionnée et ajustée de manière à assurer

une bonne protection de la zone d’interaction et du bain deune bonne protection de la zone d’interaction et du bain de

fusionfusion


Standard Cylindrical lateral nozzle

Lasal lateral nozzle

Mass fraction of Helium


Helium ( He ) :L’Hélium est considéré comme le gaz de référence en soudage laser CO2 Il a le plus haut potentiel d’ionisation i 24.5 eVC’est un gaz inerte qui ne peut réagir avec aucun métaux

Argon ( Ar ) :L’Argon est un gaz inerte qui peut être facilement ionisé : i 15.7 eVIl peut être utilisé pour les faibles densités de puissance laser

Azote (N2)L’azote a un potentiel d’ionisation similaire à l’argon : i 15.5 eV

Il peut affecter les propriétés mécaniques des matériaux soudés

Dioxyde de carbone (Co2)Absorbe une partie non négligeable de l’énergie incidente

Nature du gaz de protection en laser CO2

P = 6 KW F = 200 mm Q = 10 l/min D = 4 mmHélium Argon Azote

Nature du gaz de protection en laser CO2

PREPARATION ET TOLERANCE

Les jeux

Dénivellations des bords

Soudures circulaires et retrait

Préparations et tolérances

Les jeux

– 0,2 < e < 0,5 mm 0,02 < j < 0,05 mm

– 1 < e < 2 mm j = 0,1 mm

– 3 < e < 10 mm 0,1 < j < 0,3 mm

– 10 < e < 20 mm j = 0,5 mm

Dénivellations des bords


Néfaste pour deux raisons :

• diminution de la section au niveau du cordon de soudure et chute des propriétés mécaniques• risque de défocalisation du faisceau


Soudures circulaires et retrait

Jeu

Solutions :

• Réduire le jeu d’accostage• Faire plusieurs point d’ancrage• Modifier la conception

DEFAUTS OPERATOIRES

CaniveauEffondrement du bainManque d’épaisseurManque de pénétrationOxydation superficielleProjectionsCratère de fin de cordon

Caniveau

DEFAUTS OPERATOIRES

Description du défaut Causes Remèdes

Manque de métal en bord de soudure, ayant la forme d’un sillon et s’étendant sur une longueur importante.

Vitesse excessive

Paramètres non adaptés

Débit de gaz trop important

Réduire la vitesse de soudage

Diminuer l’énergie de soudage

Diminuer le débit de gaz


Affaissement, par gravité du bain de fusion Volume de métal fondu trop important

Diminuer l’énergie de soudage

Diminuer le jeu

Effondrement du bain

DEFAUTS OPERATOIRES


Insuffisance de métal en surface Jeux trop important Utiliser un fils d’apport

Diminuer le jeu

Manque de pénétration

Manque d’épaisseur


Absence de fusion en racine Énergie de soudage trop faible Augmenter la puissance

Réduire la vitesse de soudage


Oxydation en surface, ± prononcée.

Le recherche des aciers inoxydables en est un cas extrême

Protection gazeuse défectueuse Soigner la protection gazeuse

(nature de gaz, débit.)

Utilisez un traînard sur les matériaux sensibles des gaz de pureté adaptées.

Éviter tout élément pouvant perturber l’écoulement gazeux.

DEFAUTS OPERATOIRES

Oxydation superficielle

Projections

DEFAUTS OPERATOIRES


Projections venant se coller sur le métal de base à proximité de la soudure

Mauvaise protection gazeuse

Puissance non adaptée

Lié aux matériaux

(ex : base Ni)

Soigner la protection gazeuse ou changer sa nature

Diminuer la puissance

Chargé de matériaux si possibilité

Cratère de fin de cordon


Cratères dans la zone terminale de la soudure Dernière position du capillaire avant extinction brutale du faisceau

Prévoir un évanouissement de la puissance

EXEMPLES DE SOUDURES

COMPARATIF DIFFERENTS PROCEDE DE SOUDAGE

Ensemble soudé :

Pavillon coté habitacle

Matériaux :

XGS épaisseur 0.8 mm

Équipement :

1 unité

Type : laser CO2

Portique Hippolyte 2

Fabricant :

Source Rofin Sinar 5 KW

Portique PCI


Ensemble soudé :

Panneaux d’échange

thermique

Matériaux :

Inox austénitique

Équipement :

2 unités de soudure

Unit.1 1 tête, unit.2 2 têtes

Type : 3 Lasers CO2 2 KW

Fabricant :

Source Rofin Sinar

Intégrateur Oméga Laser Systems


Ensemble soudé :Boules de pétanqueMatériaux :Aciers chrome-molybdèneHLE ou inoxÉquipement :1 unitéType : laser CO2 4 KW+ machine spécialeFabricant :PRC


Ensemble soudé :Tulipe arbre relais Matériaux :XC 42/16 MC5/XC 48

Équipement :1 unitéType : laser CO2 RS 850+ machine spécialeFabricant : Source Rofin SinarMachine Sciaky


Ensemble soudé :1 membrane entre deuxDemi-corpsCellule pour mesure de pressiondifférentielleMatériaux :Demi-corps : 17-4 PHMembrane : phynoxÉquipement :1 unitéType : laser CO2 Triagon 2 KWMachine spécialeFabricant :Wegmann-Baasel

Soudures


Ensemble soudé :Boîtier de stimulateur

cardiaqueMatériaux :Titane

Équipement : 1 unitéType YAG pulsé JK 700Machine spécialeFabricant :Lumonics


Soudure laser YAG pulsé

Aciers inoxydables d ’épaisseur 1 mm

Assemblage bout à bout non-débouchant


25 m

m

25 mm

50 m

m

25 mm

Soudage par faisceau laser CO2


CONCLUSION

Le soudage par faisceau laser présente de belles perspectivesNombreux sont les avantages : Vitesse de soudage élevéeFaible ZATGrande qualité de soudageSoudage par transparenceFibre optique ( YAG)Bonne reproductibilitéPas de contactFaibles déformationsSoudage à distanceSoudage en une seule passePas de métal d’apport Nouvelles conceptions de piècesSuppression des contrôles non destructifs entre passes

PROCEDE DE SOUDAGEPOUR MECANICIENS

CHAUDRONNIERSTOLIER

…

COMPARATIFS PROCEDES

Répartition de la densité de puissance en fonction des différents procédés

PlasmaArc électrique F. E Laser

2 à

5

mm

ZONES DE DEFORMATION SUR Z 15 CNS 25 20 EPAISSEUR 15 mm

mm

retrait transversal

retrait longitudinal

0,5

0,15 0,30,06

0,30

1,2

0,31

2,5

TIG9 passes

MIG3 passes

PLASMA2 passes

LASER1 passe


Plage des profondeurs de pénétration et vitesse approximative

Acier ordinaire – Assemblage bout à bout

Minimum Maximum Vitesse de soudage(mm) (mm) M/min

TIG 0,5 à 1 2 à 3 0,2MIG / MAG 0,5 à 1 3 à 4 0,6

0,5 10 à 15Faible énergie Forte énergie

LASER YAG (4KW) 0,2 5 à 6 LASER CO2 (10 KW) 1 15

FE (10KW) 1 252

1PLASMA


formation soudage laser opérateur.ppt

Documents

Transcript of formation soudage laser opérateur.ppt