HAL Id: jpa-00249630
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Submitted on 1 Jan 1997
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Étude expérimentale de l’interaction laser-matière dans le cas du soudage d’un acier inoxydable austénitique par
laser Nd:YAG continu de 2 kW
E. Dumord, J. Jouvard, D. Grevey, M. Druetta, P. Ottavi
To cite this version:
E. Dumord, J. Jouvard, D. Grevey, M. Druetta, P. Ottavi. Étude expérimentale de l’interaction laser-matière dans le cas du soudage d’un acier inoxydable austénitique par laser Nd:YAG continu de 2 kW. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1997, 7 (5), pp.1079-1096. �10.1051/jp3:1997177�.
�jpa-00249630�
J. Phys. III FYance 7 (1997) 1079-1096 MAY1997, PAGE 1079
#tude exp4rimentale de l'interaction laser-matibre dons le cas du soudage d'u~l acier 1~loxydable aust4~litique par laser Nd:YAG
continu de 2 kW
E. Dumord (~'*), J,M. Jouvard (~), D. Grevey (~), M. Druetta (~)
et P. Ottavi (~)
(~) LTm, IUT Le Creusot, 12 rue de la Fonderie, 71200 Le Creusot, France (~) LTSI (°°), Universit4 Jean Monnet, Facult4 des Sciences et Techniques,
23 rue du Docteur P. Michelon, 42023 Saint-(tienne Cedex 2, France
(Regu le 31 mar 1996, r6vis6 le 7 octobre 1996 et le 10 f6vrier 1997, acceptd le 21 fdvrier 1997)
PACS.42.60.-v Laser optical systems: design and operation PACS.81.90.+c Other topics in materials science
R4sum4. L'interaction laser-matiAre se produisant lors du soudage par laser Nd:YAG continu
de 2 kW d'un acier inoxydable austdnitique est 6tud16e, et notamment les eflets lids h la pr6sence
du capillaire dans le bain liquide, de fagon h d6finir les paramAtres utiles h la mod61isation du processus. Le facteur d'absorption des cibles utilis4es a 6t6 mesurd afin de mieux appr4hender l'interaction laser Nd YAG lacier inoxydable austdnitique 304. Puis une approche expdrimentale
de d6termination de l'angle d'inclinaison du capillaire est proposde Des valeurs sont prdsentdes
montrant la forte inclinaison du capillaire en fond de cordon. Finalement une 6tude relative au
panache pr6sent au-dessus du capillaire met en 6vidence qu'il est responsable de la formation de la partie en tAte de clou observde sur les zones fondues expdnmentales par diffusion du faisceau
laser
Abstract. The laser-matter interaction acting during cw 2 kW Nd YAG laser welding of an austenitic stainless steel is studied and particulary the effects linked to the presence of a keyhole
in the liquid bath. This is done in order to define parameters useful to the process modelling
The absorption factor of target has been measured in order to better understand the Nd:YAG laser/stainless steel 304 interaction Then an experimental approach of the keyhole angle value
determination is proposed. Values are presented showing the important keyhole angle at the bottom of the bead. Finaly a study relative to the plume above the keyhole shows that it is
responsible for the formation of the nail-head part, observed on the experimental melting zone, by laser beam scattering.
1. Introduction
Avec Ie dAveloppement des sources lasers de puissance, la technologie laser a pris une place importante dans [es industries manufacturiAres et de transformation des matAriaux. Aussi dans Ie but d'utiliser cette technologie de fa&on efficace et Aconomique, une bonne comprAhension
des phAnombnes se produisant Iors des traitements est n4cessaire.
(*) Auteur auquel doit Atre adress4e la correspondance (**)URA CNRS 842
Q Les #ditions de Physique 1997
Dans Ie cas du soudage laser, non seulement la connaissance de la g4omAtrie de la zone fondue est importante, mais Agalement l'histoire thermique qui permet de dAterminer les ca-
ract4ristiques de l'assemblage. Si dans la plupart des proc4d6s de soudage, l'Anergie est d4posde
en surface, puis transf6r4e par conduction dans la matibre, ce n'est g4nAralement pas le cas en
soudage laser. Lorsque la puissance spAcifique du faisceau laser est suffisante pour [vaporer une fine couche de matibre, un capillaire Atroit et profond est crAA h l'intArieur du bain de mAtal
en fusion [1, 2j (Fig. 1). Il constitue un pibge pour le faisceau ce qui augmente la pdndtration de la soudure. Ce capillaire est rempli de vapeurs mAtalliques et de plasma qui s'Achappent
en surface formant un panache (ou plume) Lors du dAplacement de la pibce, le capillaire est entretenu sous l'action du faisceau laser. Il est alors entour4 de mAtal liquide qui se solidifie ensuite pour former le cordon de soudure (Fig. 2). Les processus conduisant h la cr4ation de
ce capillaire sont trbs complexes si bien qu'aucune mod41isation complbte n'a pu Atre proposAe h ce jour [3-5].
Nous proposons dans ce texte une Atude expArimentale permettant de dAfinir des parambtres utiles h la mod41isation du processus de soudage laser Nd:YAG, qui fera l'objet d'une publi-
cation ultArieure. Dans un premier temps, les performances en soudage laser Nd:YAG contmu de 2 kW sont prAsentAes en terme de pAnAtration et de forme de cordon. Puis le facteur
d'absorption des cibles utilisAes a AtA mesurd afin de mieux apprAhender l'interaction entre le laser Nd:YAG et l'acier inoxydable austAnitique 304. De mAme une approche expdrimentale de dAtermination de l'inclinaison du front avant du capillaire est proposAe. Celle-ci permet de compldter les dtudes sur la moddlisation du capillaire. En eflet, le plus souvent, un (tat stationnaire est considdrd, dans lequel le retard de pdnAtration du capillaire par rapport au
dAplacement laser/pibce n'est pas pris en compte. Finalement, une Atude relative au panache prAsent au-dessus du capillaire a montrA son r61e et la nAcessitA de tenir compte des effets induits pour une modAlisation thermique du processus de soudage avec formation de capillaire.
2. Le soudage par laser Nd:YAG continu de 2 kW
2.I. LE LASER UTILISt. II s'agit d'une source du type HL2006D de chez HAAS 4mettant
en mode continu et de 2 kW de puissance. Le faisceau est transportd jusqu'au dispositif de focalisation gr£ce h une fibre optique h saut d'indice de 600 ~tm de diambtre.
lJ1ser
Plume : vapeurs,
plasma Ejec~ ducapil dm
,Bain
Capillaire
Sens de d£placement de lapikce
Fig 1. Capillaire gdndr6 lors d'une op6ration de soudage [Keyhole created during laser welding.]
N°5 INTERACTION LASER-MATIERE SOUDAGE LASER Nd YAG 1081
Fig. 2. Coupe transversale d'un cordon de soudure type obtenu par soudage laser Nd:YAG
[Cross section of a welded seam obtained by Nd:YAG laser.]
DiffArentes tailles de spot laser ont AtA obtenues par d6focalisation. Le grandissement du
systbme optique est de 0,5.
2.2. LE MATtRIAU. Ii s'agit de t61es de 10 mm d'4paisseur en acier inoxydable aust6nitique 304 (X5 CrNi 18-10) dont la composition chimique est prAsentAe dans le tableau1.
Tableau I. Composition chimique de l'acier moxydable 30$.
[Chemical formulation of steel AISI 304.]
%C %Ni %Cr %Mn %P %S %Si
Acier 304 < 0,07 8 h 10 17 h 19 < 2 0,04 0,015 0,75
2.3. PERFORMANCES EN SOUDAGE. Un plan d'expAriences a AtA rAalisA en faisant varier trois parambtres
la puissance incidente du laser, de 1 h 2 kW
la taille du spot laser en surface de la cible, de 3 x 10~~ m h 7 x 10~~
m
la vitesse de soudage, de 6,6 x 10~~ h 7,5 x 10~~ m s~~.
Forme type des zones fondues. L'utilisation d'un laser Nd:YAG de 2 kW offre des possibilit4s
int4ressantes pour l'4tude du capillaire, car il permet d'obtenir des formes variAes.
En modifiant la puissance moyenne (W), l'irradiance (W m~~), la fluence ii m~~) et le temps d'interaction, paramAtres fortement liAs [6], des zones fondues de topographies diffArentes peu- vent Atre obtenues (Figs. 3 et 4).
Profondeurs fandues. Les pAnAtrations atteintes avec des puissances de 1, 1,5 et 2 kW sont
prAsentAes sur la figure 5.
On peut noter que pour de faibles vitesses, mAme s'il y a toujours formation d'un capillaire,
celui-ci Atant trbs instable, de nombreuses porosit4s sont formAes. L'instabilitA du capillaire provient de la formation de bulles sur ses parois. Celles-ci se d4pIacent du fond du capillaire
~i..~
Fig. 3. Zone fondue obtenue pour une puissance de 2 kW, une taille de faisceau de 3 x 10~~
m et une vitesse de 6 x 10~~
m s~~ (x 0,57).
[Melting zone obtained with parameters. power = 2 kW; laser spot = 3 x 10~~
m; scanning speed
=
6 x 10~~
m s~~ x0.57).]
w
Fig. 4 Zone fondue obtenue pour une puissance de I kW, une taille de spot de 5 x 10~~
m et une
vitesse de 3,3 x 10~~
m s~~ (x 0,54).
[Melting zone obtained with parameters: power = I kW; laser spot = 5 x 10~~ m; scanning speed
=
3.3 x 10~~
m s~~ x0.54).]
vers la surface. D'aprAs de rdcents travaux, elles se forment sous l'action de mouvements os-
cillatoires des parois du capillaire. La modAlisation proposAe par Matsunawa [7] montre que
plus la vitesse de soudage augmente, moins le capillaire est instable et donc moins de porositAs
sont formAes. Un seuil de vitesse peut ainsi Atre d6fini au-dessous duquel les soudures ne sont plus acceptables. Expdrimentalement les cordons ont dtd radiographiAs et la vitesse minimale
permettant d'dviter la formation de ces porositAs a dtd estimde, soit environ
0,6 x 10~~
m s~~ pour
une puissance de 2 kW 0,8 x 10~~
m s~~ pour une puissance de 1,5 kW 1,5 x 10~~
m s~~
pour une puissance de I kW.
N°5 INTERACTION LASER-MATIERE SOUDAGE LASER Nd:YAG 1083
3,5
3
~/
#e 2,5 *~
, m P=1kW
g m .
Q~ o
d 2 " .
. P=1,5 kW
4i ". °°
,( 1,5 ..
m OO
. P-2kW
j m.. .. .
l "'"
.. .
0 2,5 5 7,5 10 12,5
vitesse (m/min)
Fig. 5. (volution de la profondeur atteinte
en fonction de la vitesse h difldrentes puissances pour
une taille de spot laser de 3 x 10~~
m x0,52).
[Evolution of reached penetration versus speed for 3 level of power and a laser spot size of 3 x 10~~
m
(x0.52).]
Faisceau Laser
Puissance-mktre
45°
Fig. 6. Mdthode de mesure du facteur d'absorption.
[Measurement method of absorption factor.]
3. Facteur d'absorption
Afin d'appr4hender au mieux [es (changes de chaleur entre [es di1f4rentes composantes de l'interaction, nous nous sommes int4ress4s, dons un premier temps, h dAterminer Ie facteur
d'absorption du matAriau utilisA vis-h-vis du rayonnement h 1,06 ~tm. Dans notre cas le fhis-
ceau est polaris4 a14atoirement, et c'est la valeur moyenne du facteur d'absorption que nous
recherchons. Ce facteur est le rapport entre le flux absorbA par la cible et le flux incident.
Pour cette quantification, le flux du faisceau laser Nd:YAG a At4 mesur4 h l'aide d'un
puissance-mAtre de type OPHIR. Ensuite une cible inclin4e h 45° a 4tA positionn6e sous le fhisceau et la partie r4flAchie de ce dernier a At4 recueillie sur le puissance-mAtre (Fig. 6). Nous
considArons que le flux qui n'a pas AtA rdfldchi a dtd absorbd par le mdtal.
Par comparaison entre le flux incident et le flux rAflAchi, la puissance absorb4e a At4 dvalude et le facteur d'absorption du matdriau en a Atd ddduit pour un angle d'incidence de 45° vis-
h-vis du rayonnement. La variation du facteur d'absorption dtant foible sur une grande plage d'angles d'incidence [8], nous considArerons que le facteur mesurA h 45° correspond h une valeur
moyenne du facteur d'absorption.
Cependant si nous dAsirons Atudier la loi de dAp6t d'Anergie sur la surface interne du ca-
pillaire, il serait nAcessaire de tenir compte des rAflexions multiples (rAflexions de Fresnel) du faisceau h l'intdrieur de celui-ci. En effet le capillaire correspond h une cavitA dans laquelle le faisceau est guidde en profondeur, et d4pose son Anergie au cours des rdflexions multiples. Une
modAlisation du dAp6t local d'Anergie passe par la prise en compte de la trajectoire des rayons rdflAchis (qui ddpend de la forme du capillaire) et de l'dnergie absorbde lors de chaque rdflexion
(fonction de l'angle d'incidence et de la polarisation).
Des mesures ont AtA rAalisAes sur des cibles h l'Atat solide et h l'dtat liquide (c'est-h-dire
au niveau du bain en fusion). La surface de l'Achantillon est initialement polie, de fa&on h supprimer les rugosit4s pouvant entrainer des pertes par rAflexion diffuse.
La zone d'interaction est garantie de l'oxydation, qui augmenterait l'absorption, par une protection gazeuse. Les mesures ont AtA faites en dynamique l'Achantillon est en translation
transversale par rapport au faisceau dans le but d'obtenir un rAgime permanent. De plus,
le faisceau incident est collimatd et la puissance laser est ajustAe de fa&on h ne pas avoir la
prdsence d'un panache en-dessus de la cible. Ainsi ii est possible de recueillir la totalitA du faisceau rAflAchi sur Ie puissance-mAtre. Dans Ie cas contraire Ie panache perturberait Ie trajet des rayons rAflAchis.
Les mesures out At4 rAalisAes pour des puissances variant entre 500 W et 1000 W. Le facteur
d'absorption semble constant et une mAme valeur est obtenue h I'(tat solide et h I'(tat Iiquide (Tab. II).
En comparant ces valeurs h celles de la IittArature, on constate que [es valeurs mesurdes h I'(tat solide semblent cohArentes. Par exemple Sainte-Catherine [9] (mAthode de la sphAre intAgrante) trouve des valeurs de 31 % pour une cible polie -en acier au carbone (h 0,47 %
de carbone) et un facteur d'absorption de 32 % pour une cible polie en nickel. Lemoine [10]
(mAthode indirecte) annonce des valeurs de 36 % et 27 % pour des cibies respectivement en fer et en nickel, vaieurs voisines des vaieurs thAoriques [11].
Dans ie cas des matAriaux h i'Atat iiquide, ii est gAnAralement admis qu'une augmentation du facteur d'absorption existe [12]. Mais cette augmentation est piut6t iiAe h la prAsence d'oxydes dans ie bain fondu. Stern [13] annonce une invariance du facteur d'absorption seion i'Atat du
mat4riau (soiide ou iiquide).
4. Inclinaison du capillaire
Dans cette partie nous avons cherchA h mieux connaitre la forme du capiiiaire. D'aprAs ies
enregistrements rAaiisds par Arata [ii et Megaw [2], une inclinaison du front avant du capiiiaire
a pu Atre observ#e.
Tableau II. Valeurs du facteur d'absorption du faisceau laser Nd:YAG dans le cas de l'acier
inozydable 30$.
[Values for absorptance of steel AISI 304.]
Etat soiide Etat iiquide
Facteur d'absorption de
i'acier inoxydabie 304 30 % + 7 % 30 + 7 %
N°5 INTERACTION LASER-MATItRE SOUDAGE LASER Nd:YAG 1085
Lase<
Photodiode I: p~~~~h~
ddclenche Is chronomkt<e
@E~ ~
Fibres
~ ~ ~lVapeurs6ject6es
Photodiode 2:
art@te le chronombtre
Fig. 7 Mdthode de mesure du temps de per~age
[Method for the drilling time measurements.]
L'inclinaison est due h un retard de pAnAtration du capiiiaire par rapport au dApiacement
du faisceau laser. Les modbies de dAfinition de la gAomAtrie du capiiiaire Atant ie plus souvent
dAveioppAs h i'Atat stationnaire, its ne reproduisent pas ce phAnomAne. Le but, dans cette partie,
est de quantifier cette inclinaison.
4.I. PRINCIPE. Le principe de d4termination de l'inclinaison du front avant du capillaire
est basA sur la remarque suivante ce phdnomAne est lid h l'action combinAe du dAplacement
de l'Achantillon et de la pAnAtration du capillaire dans l'Achantillon
Afin d'obtenir des valeurs d'inclinaison, nous avons utilisA deux mAthodes qui donnent des rAsultats semblables quant h l'Avolution de l'indinaison en fonction de la profondeur. La pre- mibre mAthode consiste, dans les conditions de soudage rdelle (puissance laser, translation de la cible, .), h mesurer Ie temps que met le faisceau pour atteindre une Apaisseur donnAe [14].
La deuxiAme mAthode est bas4e sur une observation du front avant de la zone fondue.
4.2. MLTHODE DE MESURE Du TEMPS DE PERqAGE EN DYNAMIQUE. Nous avons rAalisA
des essais de perqage sur une cale h gradins d'acier inoxydable 304 (Fig. 7). La cafe h gradin
est mise en translation, puis le laser est activA pendant une durAe lAgbrement supArieure h celle ndcessaire au per&age.
Deux photodiodes sont utilisAes afin de dAfinir le temps que met le faisceau pour percer la piAce. Le premier capteur, en surface de la cible, sert h initialiser le compteur dAs l'apparition
de la plume et indique Ie dAbut de formation du capillaire. Cette plume est en effet constituAe de vapeurs et de particules AjectAes du capillaire. Elle est trbs Iumineuse.
Le second capteur est coup14 h une fibre optique dont l'extrAmitA est placAe en dessous de la t61e et situ4e h la verticale du faisceau. Lorsque le plasma pr4sent dans le capillaire d4bouche, le signal lumineux gAnArA par celui-ci active la diode qui stoppe le chronomAtre.
Le temps mis par le capillaire pour atteindre une Apaisseur donnAe est obtenu. Connaissant la vitesse de translation de la pibce, la position du point d'Amergence du capillaire par rapport h son point d'incidence est alors dAfinie en calculant le dAcalage qui est (gal au produit de la
vitesse de dAplacement de la cible par le temps de pergage (Fig. 8).
Vd (vitesse de ddplacement de lapidce)
>
, ur
,
N°5 INTERACTION LASER-MATItRE SOUDAGE LASER Nd:YAG 1087 Tableau III. Valeurs de l'angle d'inclinaison du capillaire pour dijfdrentes profondeurs (puis-
sance : 2 kW, diamdtre du faisceau ; 0,3 x 10~~ m, uitesse: 7,5 x 10~~ m s~~).
[Keyhole angle values for different depths (power: 2 kW, beam diameter: 0.3 x 10~~ m, speed:
7.5 x 10~~
m s~~).]
Profondeur 0,1 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2
jio-3 m)
Angle (°) 9 16 22 30 40 50 60 68
vd
8k~
Fig. 10. Positionnement de la vitesse de propagation du capillaire suivant Fabbro [14].
[Location of the keyhole propagation speed following Fabbro [14].]
Quelques valeurs sont prdsentdes dans le tableau III pour une puissance de 2 kW et une vitesse de soudage de 7,5 x 10~~ m s~~. On constate une augmentation de l'angle d'indinaison du
front avant du capillaire avec la profondeur. Plus le capillaire pdnAtre dans la matiAre, plus le retard de p6ndtration par rapport au ddplacement s'accentue. Les angles AlevAs en fond de
capillaire sont de l'ordre de 70°.
Cette mAthode prdsente aussi l'avantage de permettre de d4finir la vitesse de propagation du capillaire dont le vecteur s'indine au fur et h mesure de la pdndtration du capillaire dans la
matiAre (Fig. 10). EIIe peut
Atre calculAe par ddrivation de l'abscisse curviligne par rapport au temps. L'4volution de la vitesse de propagation pour une puissance de 2 kW et une vitesse de 7,5 x 10~~
m s~~ est
prdsent6e figure ii.
Si l'on (met l'hypothAse que le capillaire se propage dons la cible jusqu'h ce que sa vitesse de propagation soit (gale h celle de translation de la piAce, la profondeur atteinte est de l'ordre de l'dpaisseur rdellement fondue lors de l'essai de soudage (Fig. 11). La mdthode semble donc
valide et permet d'avoir accAs h la forme avant du capillaire.
4.3. M#THODE Du POINT D'ARRtT. Les r4sultats pr4cAdents nous ant servis h valider
une autre mdthode consistant h ddterminer la g40mdtrie du front avant h partir d'une coupe
m4taIIographique.
L'id4e est que le profil avant de la zone fondue pr4sente la mAme indinaison que le front avant du capillaire. En figeant la zone fondue, en cours de soudage, le profil du front avant de la zone fondue peut Atre obtenu. Celui-ci est l'image du profil du front avant du capillaire
Pour cela, nous avons r4alisd une exp4rience qui consiste h tirer avec le faisceau laser sur
une piAce et h intercepter le faisceau en cours de d4placement (Fig. 12). Par une observation des coupes m4tallographiques longitudinales, les profils sont d6finis. Des expdriences ont Atd
03
( 0,45 E
~~
(~
l 0,35 I fi 03
~~
jj 0.25
I 0,2
Cu
~
~$ 0,15
(
~
0,1
0 ~0,5 -1 -1,5 -2 -2,5
Z(film)
Fig. ii. (volution de la vitesse de propagation du capillaire en fonction de la profondeur (puissance
de 2 kW
,
diamktre du faisceau de 0,3 x 10~~
m et vitesse de 7,5 x 10~~
m s~~).
[Keyhole propagation speed evolution versus depth (power of 2 kW, laser beam radius of 0 3 x 10~~
m,
welding speed of 7.5 x 10~~
m s~~).]
faisceau laser
masque
~
vitesse
Fig. 12. Principe d'interception du faisceau en vue de visuahser le front avant de la zone fondue.
[Beam interception principle to visualize the front part of the melting zone
rAalisAes pour une puissance de 2 kW, un diambtre de faisceau de 0,3 x 10~3 m et trois vitesses de dAplacement. Les profils des zones fondues sont pr4sentAs sur les figures 13 h 15.
Nous avons comparA les rAsultats obtenus par cette mAthode h ceux obtenus par la mAthode
de perjage en dynamique. Il apparait que les angles d'indinaison obtenus h partir des microgra- phies du point d'arrAt sont identiques. Cette mdthode permet de d4finir les angles d'indinaison
