Guide des bases du soudage laser

Les bases du soudage laser

Le soudage au laser est un procédé sans contact qui nécessite un accès à la zone de soudure d'un côté des pièces à souder.

• La soudure se forme lorsque la lumière laser intense chauffe rapidement le matériau, généralement calculé en millisecondes.

• Il existe généralement trois types de soudures :

– Mode conduction.

– Mode conduction/pénétration.

– Mode pénétration ou trou de serrure.

• Le soudage en mode conduction est effectué à faible densité d'énergie, formant un noyau de soudure peu profond et large.

• Le mode conduction/pénétration se produit à une densité d'énergie moyenne et montre plus de pénétration que le mode conduction.

• Le soudage en mode pénétration ou trou de serrure est caractérisé par des soudures étroites et profondes.

- Dans ce mode, la lumière laser forme un filament de matériau vaporisé connu sous le nom de "trou de serrure" qui s'étend dans le matériau et fournit un conduit pour que la lumière laser soit efficacement délivrée dans le matériau.

– Cette livraison directe d'énergie dans le matériau ne repose pas sur la conduction pour réaliser la pénétration, et minimise ainsi la chaleur dans le matériau et réduit la zone affectée par la chaleur.

Soudage par conduction

• L'assemblage par conduction décrit une famille de processus dans lesquels le faisceau laser est focalisé :

– Donner une densité de puissance de l'ordre de 10³ Wmm⁻²

– Il fusionne le matériau pour créer un joint sans vaporisation importante.

• Le soudage par conduction a deux modes :

– Chauffage direct

– Transmission d'énergie.

Chauffage direct

• Pendant le chauffage direct,

– le flux de chaleur est régi par la conduction thermique classique à partir d'une source de chaleur de surface et la soudure est réalisée en faisant fondre des parties du matériau de base.

• Les premières soudures par conduction ont été réalisées au début des années 1960, utilisant des lasers rubis et CO2 pulsés de faible puissance pour les connecteurs de fils.

• Les soudures par conduction peuvent être réalisées dans une large gamme de métaux et d'alliages sous forme de fils et de feuilles minces dans diverses configurations à l'aide.

– Lasers CO2, Nd:YAG et diodes avec des niveaux de puissance de l'ordre de quelques dizaines de watts.

– Le chauffage direct par un faisceau laser CO2 peut également être utilisé pour les soudures par recouvrement et bout à bout dans les feuilles de polymère.

Soudage de transmission

• Le soudage par transmission est un moyen efficace d'assembler des polymères qui transmettent le rayonnement infrarouge proche des lasers Nd:YAG et diodes.

• L'énergie est absorbée par de nouvelles méthodes d'absorption interfaciale.

• Les composites peuvent être assemblés à condition que les propriétés thermiques de la matrice et du renfort soient similaires.

• Le mode de transmission d'énergie du soudage par conduction est utilisé avec des matériaux qui transmettent un rayonnement proche infrarouge, notamment les polymères.

• Une encre absorbante est placée à l'interface d'un joint à recouvrement. L'encre absorbe l'énergie du faisceau laser, qui est conduite dans une épaisseur limitée de matériau environnant pour former un film interfacial fondu qui se solidifie en tant que joint soudé.

• Des joints à recouvrement de section épaisse peuvent être réalisés sans faire fondre les surfaces externes du joint.

• Les soudures bout à bout peuvent être réalisées en dirigeant l'énergie vers la ligne de joint selon un angle à travers le matériau d'un côté du joint, ou à partir d'une extrémité si le matériau est hautement transmissif.

Soudage et brasage laser

• Dans les procédés de brasage et de brasage laser, le faisceau est utilisé pour faire fondre un ajout de charge, qui mouille les bords du joint sans faire fondre le matériau de base.

• Le soudage au laser a commencé à gagner en popularité au début des années 1980 pour joindre les fils des composants électroniques à travers des trous dans les cartes de circuits imprimés. Les paramètres de processus sont déterminés par les propriétés du matériau.

Soudage laser par pénétration

• À des densités de puissance élevées, tous les matériaux s'évaporent si l'énergie peut être absorbée. Ainsi, lors du soudage de cette manière, un trou est généralement formé par évaporation.

• Ce « trou » est ensuite traversé à travers le matériau, les parois en fusion scellant derrière lui.

• Le résultat est ce que l'on appelle une "soudure en trou de serrure". Elle se caractérise par sa zone de fusion à côtés parallèles et sa faible largeur.

Efficacité du soudage laser

• Un terme pour définir ce concept d'efficacité est connu comme « l'efficacité de jointure ».

• L'efficacité d'assemblage n'est pas une véritable efficacité dans la mesure où elle a des unités de (mm2 joint /kJ fourni).

– Efficacité=V.t/P (l'inverse de l'énergie spécifique de coupe) où V =vitesse de déplacement, mm/s ; t =épaisseur soudée, mm; P =puissance incidente, KW.

Rejoindre l'efficacité

• Plus la valeur de l'efficacité d'assemblage est élevée, moins d'énergie est dépensée en chauffage inutile.

– Zone affectée thermiquement inférieure (ZAT).

– Moins de distorsion.

• Le soudage par résistance est le plus efficace à cet égard car l'énergie de fusion et de ZAT n'est générée qu'à l'interface à haute résistance à souder.

• Le laser et le faisceau d'électrons ont également de bonnes efficacités et des densités de puissance élevées.

Variations de processus

• Soudage laser à l'arc augmenté.

– L'arc d'une torche TIG montée à proximité du point d'interaction du faisceau laser se verrouillera automatiquement sur le point chaud généré par le laser.

– La température requise pour ce phénomène est d'environ 300°C au-dessus de la température ambiante.

– L'effet est soit de stabiliser un arc qui est instable en raison de sa vitesse de déplacement, soit de réduire la résistance d'un arc qui est stable.

– Le verrouillage ne se produit que pour les arcs à faible courant et donc à jet cathodique lent; c'est-à-dire pour des courants inférieurs à 80A.

– L'arc est du même côté de la pièce que le laser ce qui permet de doubler la vitesse de soudage pour une augmentation modeste du coût d'investissement.

• Soudage laser à double faisceau

– Si deux faisceaux laser sont utilisés simultanément, il est alors possible de contrôler la géométrie du bain de soudure et la forme du cordon de soudure.

– En utilisant deux faisceaux d'électrons, le trou de serrure pourrait être stabilisé provoquant moins de vagues sur le bain de soudure et donnant une meilleure pénétration et forme de cordon.

– Une combinaison de faisceaux laser excimer et CO2 a montré un couplage amélioré pour le soudage de matériaux à haute réflectivité, tels que l'aluminium ou le cuivre.

– Le couplage amélioré a été envisagé principalement en raison de :

• modifier la réflectivité par ondulation de surface causée par l'excimère.

• un effet secondaire provenant du couplage à travers le plasma généré par excimère.