Amélioration du procédé de soudage laser par mise en forme du faisceau

par Dominique Goebels

Thèse de doctorat en Sciences et techniques industrielles

Sous la direction de Joël Fontaine et de Rémy Fabbro.

Soutenue en 2004

à l'Université Louis Pasteur (Strasbourg) .


  • Résumé

    La présente étude concerne les applications laser dans l'industrie automobile. L'objectif est d'apporter une solution aux défauts majeurs rencontrés en soudage laser de tôles fines. Ce sont les éjections (soudage de tôles d'acier revêtues) et les porosités internes (soudage de tôles d'aluminium). Cette étude a pour but l'optimisation de la distribution d'intensité au point focal en fonction des paramètres opératoires. Les avancées majeures concernent le soudage laser Nd:YAG de tôles d'acier revêtu. Au cours du chapitre 1, nous avons décrit les mécanismes de base apparaissant au cours du procédé de soudage laser. Nous avons précisé comment des phénomènes instables génèrent des défauts dans les cordons de soudure, et avons évoqué les différentes techniques d'amélioration du procédé. Le chapitre 2 établit expérimentalement le lien entre les grandeurs physiques et les paramètres opératoires, afin d'identifier les facteurs induisant des cordons de qualité. Nous avons alors mis en avant l'importance de l'ouverture inférieure du capillaire, ainsi que la propension des vapeurs de zinc à s'échapper par le fond du capillaire. Plus tard, nous avons simulé le comportement dynamique du capillaire à l'aide d'un code bidimensionnel. Nous avons mis en évidence une forme particulière du front arrière du capillaire, caractéristique d'une faisceau Nd:YAG. Ainsi, le front arrière est dévié vers l'arrière sous l'effet des rayons réfléchis issus du front avant. Cette déviation, convenablement placée, guide les vapeurs de zinc vers le bas sans provoquer de soulèvement du bain de fusion. Au bout du compte, ce sont trois critères qualité qui ont été posés, et nous avons relié analytiquement l'ensemble des paramètres opératoires de telle manière à ce qu'ils garantissent un procédé stable. Enfin, nous avons mené de nouvelles expérimentations pour valider les différents critères qualité. L'existence d'une déviation du front arrière par les rayons issus du front avant s'est alors imposée.

  • Titre traduit

    Improvement of the laser welding process using shaped laser intensity distribution


  • Résumé

    This study presents a study of the improvement of laser welding of metal thin sheets used in the automotive industry using an adapted power distribution at the focal point. The concerned materials are galvanized steel and aluminum alloy sheets, which are welded in a lap joint configuration using a continuous wave Nd:YAG laser. The difficulties of this kind of materials are due to instabilities of the welding process characterized by pores and ejections generation. First of all, we determined and quantified the influence of parameters such as depth of penetration, depth of focalization, welding speed, keyhole elongation, keyhole opening, distribution of laser power and thickness of the sheets on process stability and bead quality. The good obtained results are explained with the help of an observation campaign which permitted a better understanding of the physical phenomena. During the experiments, we found out that in Nd:YAG laser welding of thin sheets, full penetration is essential. But for zinc-coated steel sheets, it is not enough : as zinc vapors prefer escaping downward, full penetration must guaranty a sufficiently large lower aperture of the capillary, so that vapors can escape through easily. It is primordial to prevent closures of the capillary tip, due to melt pool ebb. In Nd:YAG laser welding, it is not necessary to weld with a very long focal spot to obtain good seams without ejections. This result is impossible in CO2 laser welding. Contrariwise, if the power density decreases due to a too much elongated focal spot, quality will decrease too.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (185 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Notes bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Blaise Pascal.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2004;4515
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