Numerical study of laser parameters on the instability of the keyhole during laser welding

Résumé

Le soudage laser en mode « trou de serrure » permet une pénétration profonde dans des métaux comme l’aluminium en formant une cavité induite par la vaporisation du matériau. Cependant, ce procédé est particulièrement sensible aux instabilités du trou de serrure et aux fluctuations du bain fondu, ce qui peut entraîner des défauts tels que la porosité et les projections de métal, compromettant ainsi la qualité du joint soudé. L’observation directe et le contrôle de cette cavité sont difficiles en raison du rayonnement intense et de la dynamique rapide du procédé. La simulation numérique constitue donc une alternative précieuse pour étudier ces phénomènes. Cette thèse vise à examiner numériquement l’effet des paramètres du soudage laser sur la stabilité du trou de serrure dans l’aluminium. L’objectif est d’identifier les paramètres (puissance laser, diamètre du faisceau, fréquence/durée d’impulsion, forme d’onde, etc.) qui aggravent ou atténuent l’instabilité du trou de serrure, et de proposer des stratégies de modulation (notamment par le façonnage de la courbe de puissance) pour stabiliser le procédé et améliorer la qualité du soudage. Un modèle multiphysique complet a été développé sous COMSOL Multiphysics, intégrant une théorie du mélange modifiée, une méthode Level-Set pour le suivi de la surface libre du bain fondu et de l’interface vapeur/liquide, ainsi qu’une approche enthalpie-porosité pour les changements de phase. Ce modèle a permis d’analyser le soudage laser par onde continue et par impulsions modulées en puissance. Des études paramétriques ont été menées en faisant varier la puissance laser (2–6 kW), le rayon du faisceau, la fréquence et la durée des impulsions, le nombre d’impulsions et la forme d’onde (rectangulaire, triangulaire, sinusoïdale, cosinusoïdale, etc.). En complément, une méthode de plan d’expériences de Taguchi combinée à une analyse relationnelle grise (GRA) a été utilisée pour évaluer plusieurs critères de qualité du soudage et déterminer les combinaisons optimales pour la stabilité et la pénétration. Les simulations montrent que l’augmentation de l’intensité laser (puissance élevée et impulsions longues) et l’utilisation d’un faisceau plus concentré améliorent significativement la pénétration (jusqu’à environ 80 %), mais au prix d’une intensification des oscillations du trou de serrure si les impulsions sont trop longues ou trop fréquentes. En particulier, des fréquences d’impulsion élevées et un cycle marche/arrêt rapide accentuent les fluctuations du bain fondu et augmentent le risque de fermeture du trou de serrure. L’analyse des forces a révélé que les effets de tension superficielle (liés à la courbure du trou de serrure) et la résistance dans la zone pâteuse (force d’amortissement de Darcy) dominent l’instabilité en régime d’onde pulsée, affectant négativement l’équilibre avec la pression de recul et induisant des oscillations du trou de serrure. De manière cruciale, une modulation de puissance plus progressive s’est révélée efficace pour stabiliser la cavité: les impulsions rectangulaires ont permis la pénétration la plus profonde (supérieure à celle de l’onde continue à énergie équivalente), tandis que les formes triangulaires ou décroissantes ont généré un trou de serrure plus stable et cylindrique avec moins de fluctuations (au prix d’une légère perte de prrofondeur). Par ailleurs, l’optimisation des formes d’onde a montré que l’utilisation d’une faible amplitude (~1000 W) et d’une fréquence basse à moyenne (~100–400 Hz), combinées à un profil de puissance cosinusoïdal, améliore nettement la stabilité tout en conservant une bonne pénétration. Parmi tous les paramètres étudiés, l’amplitude des impulsions s’est révélée être le facteur le plus influent sur la qualité du soudage (responsable de plus de 50 % de la variation), suivie de la fréquence et de la forme de l’impulsion. Cette étude numérique apporte un éclairage nouveau sur l’instabilité du trou de serrure en soudage laser et démontre que la modulation ciblée des paramètres laser permet de renforcer significativement la stabilité du procédé. En sélectionnant des formes d’onde appropriées et des conditions opératoires modérées (en évitant les pics de puissance extrêmes et les fréquences trop élevées), il est possible d’obtenir des soudures profondes et de haute qualité en aluminium, tout en réduisant les risques de défauts. Ces résultats offrent des lignes directrices concrètes pour l’optimisation des paramètres de soudage laser et soulignent la valeur des simulations multiphysiques dans la compréhension des interactions complexes entre le laser et la matière.

Date	14 août 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Tan Pham (Directeur(-trice))