L'influence du gaz protecteur dans le soudage laser
Que peut vous apporter le bon gaz protecteur ?
ILors du soudage au laser, le choix du gaz protecteur peut avoir un impact significatif sur la formation, la qualité, la profondeur et la largeur du cordon de soudure.
Dans la grande majorité des cas, l'introduction de gaz protecteur a un effet positif sur le cordon de soudure tandis qu'une mauvaise utilisation du gaz protecteur peut avoir des effets néfastes sur le soudage.
Les effets appropriés et inappropriés de l’utilisation du gaz protecteur sont les suivants :
Utilisation appropriée
Utilisation inappropriée
1. Protection efficace du bain de soudure
L'introduction appropriée du gaz protecteur peut protéger efficacement le bain de soudure contre l'oxydation ou même empêcher complètement l'oxydation.
1. Détérioration du cordon de soudure
Une introduction incorrecte du gaz protecteur peut entraîner une mauvaise qualité du cordon de soudure.
2. Réduction des éclaboussures
L'introduction correcte du gaz protecteur peut réduire efficacement les projections pendant le processus de soudage.
2. Fissuration et propriétés mécaniques réduites
Le choix d’un mauvais type de gaz peut entraîner des fissures au niveau des cordons de soudure et une diminution des performances mécaniques.
3. Formation uniforme du cordon de soudure
L'introduction correcte du gaz protecteur favorise la répartition uniforme du bain de soudure pendant la solidification, ce qui permet d'obtenir un cordon de soudure uniforme et esthétique.
3. Oxydation ou interférence accrue
Un débit de gaz inapproprié, trop élevé ou trop faible, peut entraîner une oxydation accrue du cordon de soudure. Il peut également provoquer de graves perturbations du métal en fusion, entraînant un effondrement ou une formation irrégulière du cordon de soudure.
4. Utilisation accrue du laser
L'introduction correcte du gaz protecteur peut réduire efficacement l'effet de blindage des panaches de vapeur métallique ou des nuages de plasma sur le laser, augmentant ainsi l'efficacité du laser.
4. Protection inadéquate ou impact négatif
Le choix d'une mauvaise méthode d'introduction de gaz peut entraîner une protection insuffisante du cordon de soudure ou même avoir un effet négatif sur la formation du cordon de soudure.
5. Réduction de la porosité des soudures
Une introduction correcte du gaz protecteur permet de minimiser efficacement la formation de pores dans le cordon de soudure. Le choix du type de gaz, du débit et de la méthode d'introduction appropriés permet d'obtenir des résultats optimaux.
5. Influence sur la profondeur de soudure
L'introduction de gaz protecteur peut avoir un certain impact sur la profondeur de la soudure, notamment dans le soudage de tôles minces, où elle tend à réduire la profondeur de la soudure.
Différents types de gaz protecteurs
Les gaz protecteurs couramment utilisés en soudage laser sont l'azote (N₂), l'argon (Ar) et l'hélium (He). Ces gaz possèdent des propriétés physiques et chimiques différentes, ce qui entraîne des effets variables sur le cordon de soudure.
1. Azote (N2)
Le N₂ possède une énergie d'ionisation modérée, supérieure à celle de l'Ar et inférieure à celle de l'He. Sous l'action du laser, il s'ionise modérément, réduisant ainsi efficacement la formation de nuages de plasma et augmentant l'efficacité du laser. Cependant, l'azote peut réagir chimiquement avec les alliages d'aluminium et l'acier au carbone à certaines températures, formant des nitrures. Cela peut augmenter la fragilité et réduire la ténacité du cordon de soudure, affectant ainsi ses propriétés mécaniques. Par conséquent, l'utilisation de l'azote comme gaz protecteur pour les soudures d'alliages d'aluminium et d'acier au carbone est déconseillée. En revanche, l'azote peut réagir avec l'acier inoxydable, formant des nitrures qui renforcent la résistance du joint de soudure. Par conséquent, l'azote peut être utilisé comme gaz protecteur pour le soudage de l'acier inoxydable.
2. Gaz argon (Ar)
L'argon présente une énergie d'ionisation relativement faible, ce qui se traduit par un degré d'ionisation plus élevé sous l'action du laser. Ceci nuit au contrôle de la formation de nuages de plasma et peut avoir un impact sur l'efficacité des lasers. Cependant, l'argon présente une très faible réactivité et est peu susceptible de réagir chimiquement avec les métaux courants. De plus, il est économique. De plus, grâce à sa densité élevée, l'argon descend au-dessus du bain de fusion, offrant ainsi une meilleure protection à ce dernier. Il peut donc être utilisé comme gaz de protection conventionnel.
3. Gaz hélium (He)
L'hélium gazeux possède l'énergie d'ionisation la plus élevée, ce qui entraîne un très faible degré d'ionisation sous l'action du laser. Il permet un meilleur contrôle de la formation du nuage de plasma et les lasers peuvent interagir efficacement avec les métaux. De plus, l'hélium présente une très faible réactivité et ne réagit pas facilement avec les métaux, ce qui en fait un excellent gaz pour la protection des soudures. Cependant, son coût élevé le rend généralement peu utilisé dans la production de masse. Il est couramment employé en recherche scientifique ou pour des produits à forte valeur ajoutée.
Deux méthodes d'utilisation du gaz protecteur
Actuellement, il existe deux méthodes principales pour introduire du gaz de protection : le soufflage latéral hors axe et le gaz de protection coaxial, comme illustré respectivement dans les figures 1 et 2.
Figure 1 : Gaz de protection à soufflage latéral hors axe
Figure 2 : Gaz de protection coaxial
Le choix entre les deux méthodes de soufflage dépend de diverses considérations.
En général, il est recommandé d'utiliser la méthode de soufflage latéral hors axe pour le gaz de protection.
Comment choisir le bon gaz protecteur ?
Tout d'abord, il est important de préciser que le terme « oxydation » des soudures est une expression courante. En théorie, il désigne la détérioration de la qualité de la soudure due aux réactions chimiques entre le métal d'apport et les composants nocifs de l'air, tels que l'oxygène, l'azote et l'hydrogène.
Prévenir l'oxydation des soudures consiste à réduire ou à éviter le contact entre ces composants nocifs et le métal de soudure à haute température. Cet état de température élevée comprend non seulement le bain de fusion, mais aussi toute la période allant de la fusion du métal jusqu'à la solidification du bain, qui ramène sa température sous un certain seuil.
Procédé de soudage
Par exemple, lors du soudage d'alliages de titane, lorsque la température est supérieure à 300 °C, une absorption rapide d'hydrogène se produit ; au-dessus de 450 °C, une absorption rapide d'oxygène se produit ; et au-dessus de 600 °C, une absorption rapide d'azote se produit.
Par conséquent, une protection efficace de la soudure en alliage de titane est nécessaire pendant la phase de solidification et lorsque sa température descend en dessous de 300 °C afin d'éviter l'oxydation. D'après la description ci-dessus, il est clair que le gaz de protection insufflé doit protéger non seulement le bain de fusion au moment opportun, mais aussi la zone de soudure juste solidifiée. Par conséquent, la méthode de soufflage latéral hors axe illustrée à la figure 1 est généralement préférée car elle offre une protection plus étendue que la méthode de blindage coaxial illustrée à la figure 2, notamment pour la zone de soudure juste solidifiée.
Cependant, pour certains produits spécifiques, le choix de la méthode doit être fait en fonction de la structure du produit et de la configuration des joints.
Sélection spécifique de la méthode d'introduction du gaz protecteur
1. Soudure en ligne droite
Si la forme de soudure du produit est droite, comme illustré à la figure 3, et que la configuration du joint comprend des joints bout à bout, des joints à recouvrement, des soudures d'angle ou des soudures en pile, la méthode préférée pour ce type de produit est la méthode de soufflage latéral hors axe illustrée à la figure 1.
Figure 3 : Soudure en ligne droite
2. Soudure à géométrie fermée plane
Comme illustré à la figure 4, la soudure de ce type de produit présente une forme plane fermée, telle qu'une ligne circulaire, polygonale ou à segments multiples. Les configurations de joint peuvent inclure des joints bout à bout, des joints à recouvrement ou des soudures en empilement. Pour ce type de produit, la méthode privilégiée est l'utilisation du gaz de protection coaxial illustré à la figure 2.
Figure 4 : Soudure à géométrie fermée plane
Le choix du gaz de protection pour les soudures planes à géométrie fermée influence directement la qualité, l'efficacité et le coût de la soudure. Cependant, compte tenu de la diversité des matériaux de soudage, le choix du gaz de soudage est complexe dans les procédés de soudage réels. Il nécessite une prise en compte approfondie des matériaux de soudage, des méthodes de soudage, des positions de soudage et du résultat souhaité. Le choix du gaz de soudage le plus adapté peut être déterminé par des essais de soudage afin d'obtenir des résultats optimaux.
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FAQ
- En soudage laser, le gaz de protection est un composant essentiel pour protéger la zone de soudure de la contamination atmosphérique. Le faisceau laser haute intensité utilisé dans ce type de soudage génère une quantité importante de chaleur, créant un bain de métal en fusion.
Le gaz inerte est souvent utilisé pour protéger le bain de fusion lors du soudage des machines de soudage laser. Lors du soudage de certains matériaux, l'oxydation superficielle n'est pas toujours prise en compte. Cependant, pour la plupart des applications, l'hélium, l'argon, l'azote et d'autres gaz sont souvent utilisés comme protection. Voyons maintenant pourquoi les machines de soudage laser nécessitent un gaz de protection.
En soudage laser, le gaz de protection influence la forme, la qualité, la pénétration et la largeur de la soudure. Dans la plupart des cas, le soufflage du gaz de protection a un effet positif sur la soudure.
- Mélanges argon-héliumMélanges argon-hélium : généralement recommandés pour la plupart des applications de soudage laser de l'aluminium, selon la puissance du laser. Mélanges argon-oxygène : ils offrent un rendement élevé et une qualité de soudage acceptable.
- Les gaz utilisés dans la conception et l'application des lasers à gaz sont les suivants : dioxyde de carbone (CO2), hélium-néon (H et Ne) et azote (N).
Des questions sur le soudage laser portatif ?
Date de publication : 19 mai 2023