formation soudage laser opérateur.ppt
TRANSCRIPT
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
Applications Industrielles du Laser
Le Traitement de Surface
Applications Industrielles du Laser
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
Caractéristiques d’un faisceau laser
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.
Caractéristiques d’un faisceau laser
Répartition spatiale de l’énergie
Caractéristiques d’un faisceau laser
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
Différents types de sources CO2
Le flux axial rapide
Différents types de sources CO2
Le flux transverse
Différents types de sources CO2
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 ”
Caractéristiques particulières (capillaires, plasma)
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
Caractéristiques particulières (capillaires, plasma)
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
Mise en œuvre de la protection gazeuse
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
Mise en œuvre de la protection gazeuse
CROSS JET
• Perpendiculaire au faisceau•Lame d ’air comprimé•Pour éviter les projections qui pourraient remonter sur l ’optique de focalisation
Mise en œuvre de la protection gazeuse
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
Mise en œuvre de la protection gazeuse
Standard Cylindrical lateral nozzle
Lasal lateral nozzle
Mass fraction of Helium
Mise en œuvre de la protection gazeuse
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
Préparations et tolérances
Néfaste pour deux raisons :
• diminution de la section au niveau du cordon de soudure et chute des propriétés mécaniques• risque de défocalisation du faisceau
Préparations et tolérances
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
Description du défaut Causes Remèdes
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
Description du défaut Causes Remèdes
Insuffisance de métal en surface Jeux trop important Utiliser un fils d’apport
Diminuer le jeu
Manque de pénétration
Manque d’épaisseur
Description du défaut Causes Remèdes
Absence de fusion en racine Énergie de soudage trop faible Augmenter la puissance
Réduire la vitesse de soudage
Description du défaut Causes Remèdes
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
Description du défaut Causes Remèdes
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
Description du défaut Causes Remèdes
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
EXEMPLES DE SOUDURES
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
EXEMPLES DE SOUDURES
Ensemble soudé :Boules de pétanqueMatériaux :Aciers chrome-molybdèneHLE ou inoxÉquipement :1 unitéType : laser CO2 4 KW+ machine spécialeFabricant :PRC
EXEMPLES DE SOUDURES
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
EXEMPLES DE SOUDURES
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
EXEMPLES DE SOUDURES
Ensemble soudé :Boîtier de stimulateur
cardiaqueMatériaux :Titane
Équipement : 1 unitéType YAG pulsé JK 700Machine spécialeFabricant :Lumonics
EXEMPLES DE SOUDURES
Soudure laser YAG pulsé
Aciers inoxydables d ’épaisseur 1 mm
Assemblage bout à bout non-débouchant
EXEMPLES DE SOUDURES
25 m
m
25 mm
50 m
m
25 mm
Soudage par faisceau laser CO2
EXEMPLES DE SOUDURES
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
COMPARATIFS PROCEDES
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
COMPARATIFS PROCEDES