Le soudage laser est une méthode de soudage à haute densité d'énergie caractérisée par un apport de chaleur concentré, des cordons de soudure étroits et une faible déformation, et il est largement utilisé dans les industries de transformation des métaux. Pendant le soudage, si la zone de soudure est exposée à l'oxygène ou aux gaz oxydants, une oxydation peut se produire, entraînant des surfaces de soudure noires, jaunes, bleues ou de couleur oxyde, ce qui affecte négativement les performances mécaniques et la qualité de l'apparence. Cet article analyse les principales causes de l'oxydation des soudures du point de vue des caractéristiques des matériaux, des facteurs environnementaux, du blindage gazeux et des paramètres de procédé.
1. Mécanisme de base de l'oxydation des soudures
L'oxydation des soudures se produit lorsque le métal à haute température réagit avec l'oxygène ou les gaz oxydants. La température de la zone de soudage laser peut atteindre 1000℃–3000℃, et le bain de fusion et la zone affectée thermiquement restent dans un état thermiquement activé, ce qui augmente la tendance de l'oxygène à pénétrer et à former des couches d'oxyde. Les réactions d'oxydation courantes comprennent :
Métal + O₂ → Oxyde métallique
Oxydation préférentielle des éléments d'alliage (par exemple, Cr, Mn, Ti, Al)
Par conséquent, le degré d'oxydation est étroitement lié à la température, à la composition du matériau et à la concentration d'oxygène.
2. Principales causes de l'oxydation des soudures
(1) Blindage gazeux insuffisant
C'est la cause la plus courante d'oxydation lors du soudage laser et implique généralement :
Débit de gaz insuffisant, entraînant une isolation incomplète de l'oxygène
Angle de buse incorrect entraînant une couverture incomplète
Types de gaz inappropriés (par exemple, l'azote étant moins inerte que l'argon)
Insuffisances du diffuseur de gaz ou de la structure de blindage
L'efficacité générale anti-oxydation des gaz de protection est approximativement :
Argon ＞ Hélium ＞ Azote ＞ Pas de blindage
Si le blindage est insuffisant, le bain de fusion est exposé à l'air pendant le refroidissement, ce qui augmente l'oxydation.
(2) Concentration élevée d'oxygène dans l'environnement de soudage
Si l'environnement de soudage contient trop d'oxygène en raison d'une mauvaise ventilation ou d'une faible pureté du gaz, l'efficacité du blindage diminue. Les conditions courantes comprennent :
Gaz de protection de faible pureté avec une teneur excessive en oxygène
Flux d'air ambiant introduisant de l'oxygène dans la zone de soudure
Fuite de la conduite de gaz introduisant de l'air
Par exemple, si la pureté de l'argon industriel est inférieure à 99,99 %, l'oxydation des soudures peut augmenter de manière significative.
(3) Matériaux à forte tendance à l'oxydation
Différents matériaux présentent une réactivité chimique différente. Les métaux contenant les éléments suivants sont plus sujets à l'oxydation :
Cr, Mn, Si, Al, Ti et autres éléments actifs
Acier à haute teneur en manganèse, acier inoxydable, alliages de titane et alliages de magnésium
Exemples :
L'acier inoxydable contient du chrome, qui forme de l'oxyde de chrome au-dessus de 600℃, entraînant une décoloration.
Les alliages de titane réagissent avec l'oxygène au-dessus de 400℃, provoquant une décoloration et une fragilisation de la soudure.
Les caractéristiques des matériaux jouent donc un rôle essentiel dans le comportement à l'oxydation.
(4) Apport de chaleur laser excessif
L'apport de chaleur détermine la température et la durée du bain de fusion. Un apport de chaleur excessif provoque :
Des températures de bain de fusion plus élevées et une oxydation intensifiée
Des temps de refroidissement plus longs, augmentant les fenêtres d'exposition à l'oxydation
La décoloration de la soudure qui en résulte suit souvent une séquence telle que :
Or → Bleu → Violet → Gris/Noir
Les couleurs plus foncées indiquent généralement des niveaux d'oxydation plus élevés.
(5) Faible vitesse de soudage
La vitesse de soudage est inversement proportionnelle au temps d'exposition du bain de fusion :
Vitesse lente → Exposition plus longue → Oxydation accrue
Vitesse rapide → Exposition plus courte → Oxydation réduite
La décoloration par oxydation est particulièrement courante dans le soudage de tôles fines à faibles vitesses de déplacement.
(6) Manque de protection post-soudure
Certains matériaux nécessitent une protection post-soudure pendant le refroidissement ; sinon, une oxydation peut se produire pendant que le matériau reste chaud. Les cas typiques comprennent :
Alliages de titane, nécessitant une protection au gaz de traînée
Tubes en acier inoxydable, nécessitant une protection interne (purge arrière à l'argon)
Une protection post-soudure insuffisante entraîne une décoloration thermique visible et des couches d'oxyde.
3. Effets de l'oxydation des soudures
L'oxydation des soudures affecte non seulement l'apparence, mais peut également provoquer :
Réduction de la résistance à la corrosion (l'oxydation du chrome diminue la passivation de l'acier inoxydable)
Réduction de la ductilité et de la ténacité (par exemple, fragilisation du titane)
Sensibilité accrue aux fissures
Réduction des performances en fatigue
Augmentation des exigences de post-traitement (décapage à l'acide ou élimination mécanique)
Par conséquent, les industries ayant des exigences de qualité de soudure élevées doivent contrôler les niveaux d'oxydation.
L'oxydation des soudures lors du soudage laser est principalement causée par un blindage insuffisant, une tendance à l'oxydation du matériau, des niveaux élevés d'oxygène ambiant, un apport de chaleur élevé et des vitesses de soudage inappropriées. Pour réduire l'oxydation, les stratégies de blindage gazeux, les paramètres de procédé, la conception des équipements et les conditions environnementales doivent être optimisés en combinaison.