Bases du soudage laser : Maîtriser les techniques de fusion sans contact

Bases du soudage laser

Le soudage laser est un processus sans contact qui nécessite un accès à la zone de soudure depuis un seul côté des pièces à souder.

• Le cordon de 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 (keyhole).
• Le soudage en mode conduction est effectué à faible densité d'énergie, formant un cordon de soudure peu profond et large.
• Le mode conduction/pénétration se produit à densité d'énergie moyenne et montre plus de pénétration que le mode conduction.
• Le mode pénétration ou trou de serrure est caractérisé par des soudures profondes et étroites.
  • 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 délivrance directe d'énergie dans le matériau ne repose pas sur la conduction pour atteindre la pénétration, ce qui minimise la chaleur dans le matériau et réduit la zone affectée par la chaleur.

Soudage par conduction

• Le soudage par conduction décrit une famille de procédés dans lesquels le faisceau laser est focalisé :
  • Pour donner une densité de puissance de l'ordre de 10³ W/mm²
  • Il fusionne le matériau pour créer un joint sans vaporisation significative.
• 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 surfacique et le cordon est réalisé en fondant des parties du matériau de base.
• Les premiers soudages par conduction ont été réalisés au début des années 1960, utilisant des lasers rubis pulsés de faible puissance et des lasers CO2 pour connecteurs de fils.
• Les soudures par conduction peuvent être réalisées dans une large gamme de métaux et alliages sous forme de fils et de feuilles minces dans diverses configurations en utilisant :
  • Lasers CO2, Nd:YAG et diodes avec des niveaux de puissance de l'ordre de dizaines de watts.
  • Le chauffage direct par un faisceau laser CO2 peut également être utilisé pour les soudures à chevauchement et bout à bout dans les feuilles de polymères.

Soudage par transmission

• Le soudage par transmission est un moyen efficace d'assembler des polymères qui transmettent le rayonnement proche infrarouge des lasers Nd:YAG et diodes.
• L'énergie est absorbée par des méthodes d'absorption interfaciales novatrices.
• 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 le rayonnement proche infrarouge, notamment les polymères.
• Une encre absorbante est placée à l'interface d'un joint à chevauchement. L'encre absorbe l'énergie du faisceau laser, qui est conduite dans une épaisseur limitée du matériau environnant pour former un film interfacial fondu qui se solidifie en tant que joint soudé.
• Des joints à chevauchement à sections épaisses peuvent être réalisés sans fondre les surfaces extérieures du joint.
• Les soudures bout à bout peuvent être réalisées en dirigeant l'énergie vers la ligne de joint sous un angle à travers le matériau d'un côté du joint, ou par une extrémité si le matériau est hautement transmissif.

Brasage et soudure au laser

• Dans les procédés de brasage et soudure au laser, le faisceau est utilisé pour fondre un métal d'apport, qui mouille les bords du joint sans fondre le matériau de base.
• Le brasage laser a commencé à gagner en popularité au début des années 1980 pour assembler les broches de composants électroniques à travers des trous dans les circuits imprimés. Les paramètres du processus sont déterminés par les propriétés des matériaux.

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 avec les parois fondues qui se referment derrière lui.
• Le résultat est ce qu'on appelle une « soudure trou de serrure ». Elle est caractérisée par sa zone de fusion à parois parallèles et sa largeur étroite.

Efficacité du soudage laser

• Un terme pour définir ce concept d'efficacité est connu sous le nom d'« efficacité d'assemblage ».
• L'efficacité d'assemblage n'est pas une vraie efficacité car elle a des unités de (mm² assemblés / kJ fournis).
  • Efficacité = V·t / P (l'inverse de l'énergie spécifique en découpe) où V = vitesse de parcours, mm/s ; t = épaisseur soudée, mm ; P = puissance incidente, kW.

Efficacité d'assemblage

• Plus la valeur de l'efficacité d'assemblage est élevée, moins d'énergie est dépensée en chauffage inutile.
  • Zone affectée par la chaleur (ZAC) plus faible.
  • Distorsion plus faible.
• Le soudage par résistance est le plus efficace à cet égard car l'énergie de fusion et de ZAC 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.

Variantes du procédé

• Soudage laser augmenté par arc.
  • L'arc d'une torche TIG montée près du point d'interaction du faisceau laser se verrouille 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 instable en raison de sa vitesse de parcours, soit de réduire la résistance d'un arc 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 80 A.
  • 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 capital.
• Soudage laser à double faisceau.
  • Si deux faisceaux laser sont utilisés simultanément, il y a la possibilité de contrôler la géométrie du bain de fusion et la forme du cordon de soudure.
  • En utilisant deux faisceaux d'électrons, le trou de serrure pourrait être stabilisé, causant moins d'ondes sur le bain de fusion 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 était considéré comme principalement dû à :
    • la modification de la réflectivité par le gaufrissement de surface causé par l'excimer.
    • un effet secondaire provenant du couplage à travers le plasma généré par l'excimer.