Published December 16, 1999 | Version v1
Miscellaneous Open

Study of bulk defects creation generated during the solidification of Nd:YAG laser spot welds. Application to tantalum welding

Description

The significant problems in deep laser spot welding are formation of welding defects, and particularly porosities in the case of tantalum joining. In this study, we investigate and model porosities forming and trapping at the end of a laser pulse, during the solidification stage. According to experimental conditions, keyhole refilling and metal cooling modes may induce bulk defects (porosities). These defects have been studied experimentally by means of microscopy and flash radiography. Two types of porosities were observed: small bubbles and large voids. Small bubbles are round shape porosities which appear mostly within the solidified metal. Large voids have un-definite shapes and are generated in the bottom of the welded zone, as if the molten metal have not had enough time to fill up the keyhole completely before it solidified. We elaborated a numerical model for the comprehension of small bubbles trapping by comparing the calculated spot weld solidification time to the rising time of bubbles in the liquid phase. In this model, cooling is calculated on melt layers that refill the keyhole linearly with time. The results allow to predict the size of bubbles which may be trapped in the welded zone. We also studied the melt flow back into the keyhole (with FLUENT program) in order to explain the formation of the observed large voids. This model uses Navier-Stokes equation and takes into account surface tensions and heat transfer. It is shown that, due to surface tension effects, the upper part of the keyhole is occluded rapidly by the melt. Some vapor is trapped and generate a large void when the metal solidifies. These two models are in good agreement with experimental observations, in particular with X-ray radiographs achieved during the solidification of tantalum spot welds. (author)

Abstract (French)

Ce travail a pour but d'etudier la formation des defauts volumiques apparus au cours de la solidification de points de soudure realises par faisceau laser Nd:YAG sur tantale. La fin d'une impulsion laser se caracterise par la phase de solidification pendant laquelle le metal fondu rebouche le capillaire de soudage tout en se refroidissant et en se solidifiant. Selon les conditions operatoires, les modes de remplissage et de refroidissement sont differents et peuvent induire des defauts volumiques dans les soudures. Nous avons etudie ces defauts experimentalement par microscopie electronique et par radiographie eclair. Ces analyses ont mis en evidence deux categories de defauts: des porosites et des cavites. Les porosites prennent des formes de petites bulles qui sont piegees dans la matiere solidifiee. Les cavites sont des zones sans matiere qui sont liees au mode de remplissage du capillaire par le metal fondu qui se refroidit tres vite. Nous avons modelise l'apparition de ces defauts: le piegeage des porosites et la formation des cavites. Le principe du modele du piegeage des porosites repose sur la comparaison de la duree de solidification de la soudure et de la duree de remontee d'une bulle de dimension connue a la surface du bain fondu. La duree de solidification est calculee grace a l'equation de diffusion de la chaleur et tient compte d'une loi de remplissage lineaire au cours du temps. Les resultats permettent de prevoir les dimensions des porosites susceptibles d'etre piegees dans la zone fondue. La formation des cavites a ete modelisee grace a l'etude de l'ecoulement du metal fondu a l'interieur du capillaire avec le logiciel FLUENT. Les calculs sont bases sur l'equation de Navier-Stokes et tiennent compte des tensions superficielles et de la diffusion de la chaleur. Il apparait que sous l'effet des tensions superficielles, le metal rebouche le dessus du capillaire en emprisonnant une poche gazeuse a l'origine d'une cavite. Les resultats sont corrobores par l'observation 'in situ' de la solidification de soudures de tantale en radiographie X eclair. Cette etude a donc permis de mieux comprendre les phenomenes rapides produits pendant la solidification de soudures et leurs consequences. (auteur)

Files

47013481.pdf

Files (6.8 MB)

Name Size Download all
md5:d1376c7f9bf3afcfbfa0b55cf30fbce9
6.8 MB Preview Download

Additional details

Additional titles

Original title (French)
Etude de la creation de defauts volumiques generes pendant la solidification de soudures realisees par faisceau laser Nd:YAG impulsionnel. Application au soudage du tantale

Publishing Information

Imprint Pagination
163 p.
Report number
FRCEA-TH--6482

Optional Information

Notes
106 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/