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Faits saillants du papier
Les lasers à ultra-haute-puissance permettent le soudage en un seul-passage de composants à section épaisse-, offrant des avantages tels qu'un rendement élevé et un faible coût ; cependant, l'apparition de défauts de bossage entrave leur application pratique. Cette étude propose une méthode de suppression des défauts de bosse basée sur la texturation de la surface des interfaces de joints bout à bout, permettant d'obtenir avec succès un soudage en un seul passage de haute -qualité-d'acier inoxydable de 20 mm d'épaisseur. Un modèle numérique de dynamique des fluides (CFD) intégrant des caractéristiques de microstructure de surface a été établi et ses résultats de simulation ont démontré un bon accord avec les données expérimentales. La texturation de la surface exerce deux effets directs principaux : elle favorise l'expansion du bain de fusion et améliore l'absorption de l'énergie laser, facilitant ainsi la transition du trou de serrure d'un état non -pénétrant à un état pénétrant. Le métal en fusion près des parois en trou de serrure présente des vitesses tangentielles plus élevées tout en inhibant simultanément l'écoulement vers le bas de la masse fondue ; de plus, l'absence d'une zone de faible -vitesse au fond du bain de fusion permet une contraction de fusion du côté arrière de la tension superficielle-tension-entraînée-, supprimant ainsi la formation de défauts de bosse. Les cordons de soudure résultants présentent des grains plus fins et une proportion plus élevée de joints de grains à faible angle, présentant une excellente résistance à la traction et un excellent allongement. Les changements dans la microstructure de la soudure proviennent des cycles thermiques plus intenses subis par le bain de fusion, tandis que les améliorations des propriétés mécaniques sont principalement attribuées à la qualité améliorée de la formation de la soudure. Cette méthode ne nécessite aucun équipement auxiliaire supplémentaire pendant le processus de soudage, offrant une solution très prometteuse pour l'application industrielle du soudage laser à ultra-haute-passe unique-dans la fabrication de composants à section épaisse-.
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**Aperçu du texte intégral**
Relevant les défis associés au soudage laser à ultra-haute-passe unique-de plaques épaisses-en particulier sa susceptibilité aux défauts de "bosse" malgré sa haute efficacité et son faible coût, et le recours aux méthodes de suppression existantes sur des équipements auxiliaires supplémentaires-cette étude propose une méthode de micro-structuration de surface pour les sections transversales-de joint bout à bout, utilisant 20 mm d'épaisseur. Acier inoxydable austénitique 316L comme matériau expérimental. Des micro-structures de surface avec des paramètres variables ont été fabriquées via un balayage de grille laser pulsé (désigné comme P-0 pour le groupe témoin non-structuré, où tous les paramètres ont été mis à zéro ; et P-1 à P-4 pour les groupes micro-structurés, chacun présentant un écart de balayage de 0,1 mm mais différant par la puissance laser et la fréquence d'impulsion). De plus, un modèle CFD intégrant des caractéristiques de micro-structure de surface a été établi et l'enquête a été menée à l'aide d'une suite complète de techniques, notamment la microscopie confocale laser, la diffraction par rétrodiffusion électronique (EBSD), les tests de traction et l'imagerie à haute vitesse-. Les résultats expérimentaux démontrent que le groupe de paramètres P-2 (puissance laser : 90 W ; fréquence d'impulsion : 100 Hz) supprime efficacement les défauts de bosse, permettant ainsi d'obtenir un soudage en un seul passage-de haute qualité-. Le mécanisme sous-jacent implique une micro-structuration de surface favorisant l'expansion du bain de fusion et l'absorption de l'énergie laser, facilitant ainsi la transition du trou de serrure d'un état non-pénétrant à un état pénétrant. Cette transition entraîne une augmentation de la vitesse tangentielle du métal en fusion près des parois en trou de serrure, un écoulement descendant inhibé de la masse fondue et l'élimination des zones à faible vitesse - au fond du bassin de fusion. Parallèlement, la microstructure de la soudure présente un raffinement des grains et une proportion réduite de joints de grains à faible angle ; par conséquent, la résistance à la traction et l'allongement atteignent respectivement 96 % et 65 % des valeurs du métal de base. Cette méthode ne nécessite aucun équipement auxiliaire supplémentaire, offre une flexibilité et une polyvalence élevées, et constitue une solution viable pour l’application industrielle du soudage laser à ultra-haute puissance de plaques épaisses. Cependant, l'étude reconnaît également certaines limites, telles que la nécessité d'une étape de traitement supplémentaire et l'absence de corrélation clairement définie entre des matériaux spécifiques et la rugosité de surface optimale, ce qui indique la nécessité de recherches et de perfectionnements supplémentaires à l'avenir.
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Analyse visuelle
La figure 1 montre que la surface de l'échantillon P-0 (a, f) ne présente aucune microstructure, apparaissant complètement lisse et plate. L'échantillon P-1 (b, g)-traité avec une faible puissance et une vitesse de balayage élevée (45 W, 150 Hz)-présente des bassins de fusion décalés,-écailles de poisson-comme des bassins de fusion (Ra=6.23 μm). L'échantillon P-2 (c, h)-traité à 90 W et 100 Hz-affiche des rainures continues et ondulées- (Ra=10.43 μm) sans éclaboussures associées. Les échantillons P-3 (d, i) et P-4 (e, j) - traités à un niveau de puissance plus élevé (120 W) - présentent des valeurs Ra atteignant respectivement 20,48 μm et 26,43 μm, caractérisées par la présence de rainures profondes et de particules de projection. Ces résultats démontrent que les microstructures du groupe P-2 possèdent une rugosité modérée ; cette configuration garantit efficacement l'absorption de l'énergie laser tout en évitant simultanément les espaces excessifs, établissant ainsi une base solide pour la suppression des défauts de bosse. En revanche, l'échantillon P-0, n'ayant subi aucun traitement de structuration de surface, ne parvient pas à obtenir cet effet bénéfique.
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Résumé
Cette étude propose une méthode de micro-structuration de surface pour les joints bout à bout, permettant de supprimer avec succès les défauts de "bosse" lors du soudage laser à une seule-passe et à ultra-haute-puissance de l'acier inoxydable 316L de 20 mm d'épaisseur. Cette approche permet la production de joints de haute-qualité sans avoir besoin d'équipement auxiliaire supplémentaire. La méthode utilise un laser pulsé pour fabriquer des micro-structures de rugosité modérée sur la surface du joint (avec un espace bout à bout allant de 1/15 à 2/15 du diamètre du point laser). D'une part, cela favorise l'expansion du bain de soudure et améliore l'absorption de l'énergie laser, facilitant ainsi la transition du trou de serrure d'un état fermé à un état stable et entièrement pénétrant. D'autre part, en tirant parti de l'effet Marangoni, il augmente la vitesse tangentielle du métal en fusion près des parois en trou de serrure, inhibant ainsi l'écoulement vers le bas de la matière fondue et éliminant les zones à faible vitesse au fond du bain de fusion, réduisant fondamentalement l'accumulation de matière fondue à la base. De plus, la micro-structuration de la surface soumet le cordon de soudure à des températures maximales plus élevées et à des temps de séjour prolongés à des températures élevées, ce qui entraîne un raffinement du grain. Au final, cela conduit à des propriétés mécaniques améliorées, la résistance à la traction et l'allongement du joint atteignant respectivement 96 % et 65 % des valeurs du métal de base. Par rapport aux techniques traditionnelles-telles que les méthodes assistées par le vide ou assistées électromagnétiquement-cette approche offre une flexibilité supérieure et une large applicabilité ; en théorie, il convient à l'assemblage de joints longs et de surfaces courbes sur différentes épaisseurs de matériau. Cependant, certaines limites subsistent, notamment la nécessité d'étapes de traitement supplémentaires et le manque de corrélations clairement définies entre des matériaux spécifiques et leurs paramètres optimaux de rugosité de surface ; par conséquent, les recherches futures devraient se concentrer sur l'optimisation supplémentaire de l'efficacité du processus de micro-structuration.
