Soudage par faisceau laser ou par faisceau d'électrons :choisir le processus optimal pour vos applications

Les partisans du soudage par faisceau laser (LBW) et du soudage par faisceau d'électrons (EBW) font chacun l'éloge de leur technologie préférée, mais la meilleure solution pour un client est souvent d'utiliser les deux technologies ensemble. Les deux procédés sont bien adaptés à l'assemblage de composants aux géométries complexes et sont capables de répondre aux exigences les plus strictes en matière de caractéristiques métallurgiques de l'assemblage final.

Figure 1. Système de soudage laser à semi-conducteurs (Photo fournie par TRUMPF Inc.)

L’utilisation des technologies laser et à faisceau électronique dans une seule installation peut rationaliser le processus de fabrication lorsque la conception d’un composant intègre plusieurs joints de soudure adaptés séparément à un processus ou à l’autre. Les exemples incluent les capteurs, les dispositifs médicaux et les produits qui nécessitent un gaz inerte ou un vide pour être scellés dans la pièce finie.

Le traitement au laser est nécessaire lorsque la taille de l'assemblage final est trop grande pour une chambre de soudage EB, que certains composants d'un assemblage sont incompatibles avec le traitement sous vide (comme un liquide ou un gaz), ou lorsque la soudure est inaccessible à une source de faisceau d'électrons. Le faisceau d'électrons sera le principal choix lorsque l'assemblage terminé doit être scellé avec les composants internes sous vide, lorsque les pénétrations de soudure dépassent 1⁄2", lorsque le matériau est difficile à initier le couplage laser, ou lorsque la soudure ne doit pas être exposée aux conditions atmosphériques jusqu'à ce qu'elle ait refroidi à une température acceptable. Des exemples sont le soudage aérospatial du titane et de ses alliages, et de nombreux métaux réfractaires tels que le tungstène, le niobium, le rhénium et le tantale.

LBW – Outillage plus simple et temps de cycle plus courts

Les sources d'énergie de soudage au laser utilisent soit une onde continue (CW), soit une sortie pulsée de photons. Avec les systèmes CW, le faisceau laser est toujours allumé pendant le processus de soudage. Les systèmes pulsés sont modulés pour émettre une série d'impulsions avec un temps d'arrêt entre ces impulsions. Avec les deux méthodes, le faisceau laser est focalisé optiquement sur la surface de la pièce à souder. Ces faisceaux laser peuvent être transmis directement à la pièce via une optique dure classique ou via un câble à fibre optique très flexible capable de transmettre l'énergie laser à des postes de travail distants.

C'est la haute densité d'énergie du laser qui permet à la surface du matériau d'être amenée rapidement à sa température de liquidus, permettant un temps d'interaction du faisceau court par rapport aux méthodes de soudage traditionnelles telles que le GTAW (soudage TIG) et des processus similaires. L’énergie a ainsi moins de temps pour se dissiper à l’intérieur de la pièce. Il en résulte une zone affectée thermiquement étroite et moins de fatigue pour le composant.

La production d'énergie du faisceau peut être hautement contrôlée et modulée pour produire des profils d'impulsion arbitraires. Les cordons de soudure peuvent être produits en superposant des impulsions individuelles, ce qui réduit l'apport de chaleur en introduisant un bref cycle de refroidissement entre les impulsions, un avantage pour produire des soudures dans des matériaux sensibles à la chaleur.

Salay Stannard, ingénieur en matériaux chez Joining Technologies, un innovateur basé à East Granby, CT dans les applications de revêtement laser, de faisceau d'électrons et de soudage laser, note que les lasers CW peuvent atteindre des pénétrations allant jusqu'à 0,5 pouce et plus, tandis que les lasers pulsés n'atteignent généralement que 0,030 à 0,045 pouce. Elle déclare :« Ces résultats peuvent varier d'un système laser à l'autre et dépendent largement du choix des paramètres de traitement et de la conception des joints. » La figure 1 représente la construction d'un système de soudage laser à semi-conducteurs.

Stannard ajoute :« Étant donné que la source de chaleur dans ce type de processus de soudage est l'énergie de la lumière, la réflectivité du matériau de soudure doit être prise en compte. Par exemple, l’or, l’argent, le cuivre et l’aluminium nécessitent un apport énergétique plus intense. Une fois fondue, la réflectivité est réduite et la conductance thermique du processus progresse pour atteindre la pénétration. »

Comme indiqué, la densité de puissance élevée du laser entraîne de petites zones affectées par la chaleur et garantit que les composants critiques ne sont pas endommagés. Cela présente un avantage particulier pour les instruments chirurgicaux, les composants électroniques, les ensembles de capteurs et de nombreux autres appareils de précision. Contrairement à l’EBW, le LBW ne génère aucun rayon X et est facilement manipulable grâce à l’automatisation et à la robotique. Généralement, LBW a également des exigences d'outillage plus simples et il n'y a aucune contrainte physique d'une chambre à vide. Des temps de cycle plus courts se traduisent par des avantages en termes de coûts sans sacrifier la qualité. Le tableau 1 répertorie les avantages du LBW à ondes continues et à impulsions.

EBW – Pénétration plus profonde des soudures et sans contamination

Largement accepté dans de nombreuses industries, l'EBW permet le soudage de métaux réfractaires et différents qui ne conviennent généralement pas à d'autres méthodes. Comme le montre la figure 2, la pièce est bombardée par un flux focalisé d'électrons se déplaçant à une vitesse extrêmement élevée. L’énergie cinétique des électrons est convertie en énergie thermique, qui à son tour est la force motrice de la fusion. Habituellement, aucun matériau de remplissage ajouté n'est requis ou utilisé, et la distorsion après soudage est minime. La densité énergétique ultra-élevée permet une pénétration profonde et des rapports d'aspect élevés, tandis qu'un environnement sous vide garantit une soudure sans contamination par les gaz atmosphériques, ce qui est essentiel pour les métaux tels que le titane, le niobium, les métaux réfractaires et les superalliages à base de nickel.

Figure 2. Soudage par faisceau d'électrons

Cependant, la principale nécessité pour opérer sous vide est de contrôler avec précision le faisceau d’électrons. La diffusion se produit lorsque les électrons interagissent avec les molécules d’air ; en abaissant la pression ambiante, les électrons peuvent être contrôlés plus étroitement.

Les chambres à vide modernes sont équipées de joints de pointe, de capteurs de vide et de systèmes de pompage haute performance permettant une évacuation rapide. Ces caractéristiques permettent de focaliser le faisceau d'électrons sur des diamètres de 0,3 à 0,8 millimètres.

En intégrant les dernières technologies de commande numérique par ordinateur (CNC) à microprocesseur et de surveillance des systèmes pour une manipulation supérieure des pièces, des pièces de différentes tailles et masses peuvent être assemblées sans fusion excessive de composants plus petits. Le contrôle précis du diamètre du faisceau d'électrons et de la vitesse de déplacement permet de fusionner des matériaux de 0,001" à plusieurs pouces d'épaisseur. Ces caractéristiques font d'EBW une technologie extrêmement précieuse.

Le processus applique une quantité minimale de chaleur à la pièce, ce qui produit le moins de distorsion possible et permet d'assembler les composants usinés en finition sans traitement supplémentaire. Le tableau 2 répertorie les principaux avantages du soudage EB.

Selon John Rugh, directeur marketing et ventes générales de PTR-Precision Technologies, Inc., basé sur Enfield CT, l'EBW est un processus qui sera utilisé pendant longtemps. "Étant donné que la plupart des soudages EB sont effectués dans une chambre à vide, ils constituent un excellent choix pour assembler des matériaux avancés utilisés dans des industries telles que l'aérospatiale, la production d'électricité, le médical et le nucléaire, qui doivent être produits dans un environnement sous vide pour les protéger de l'oxygène et de l'azote présents dans un environnement en plein air. "

Il ajoute :"La propreté de l'environnement de soudage est une variable dont vous n'avez tout simplement pas à vous soucier. En plus de fournir l'environnement de soudage idéal, les nouvelles commandes de soudage EB permettent une déviation électromagnétique rapide du faisceau, ce qui permet de personnaliser l'apport de chaleur de la soudure et de la zone environnante pour optimiser les propriétés des matériaux."

La buse d'alimentation en poudre coaxiale continue permet un revêtement laser multidirectionnel là où une efficacité de poudre élevée est requise. Il offre également d’excellentes capacités de protection atmosphérique pour les matériaux très sensibles à une oxydation extrême, comme le titane.

Par exemple, cette déviation rapide permet le préchauffage, le soudage et le post-chauffage simultanément simplement en déplaçant rapidement l'emplacement du faisceau, la focalisation et les niveaux de puissance. Cela offre la possibilité de souder des alliages difficiles ou « impossibles à souder ».

Selon Geoffrey Young, directeur général de Cambridge Vacuum Engineering, basé au Massachusetts, « les pièces EBW nécessitent un minimum d'usinage et de traitement thermique après soudage et, contrairement aux autres procédés de soudage par fusion, l'EBW ne nécessite aucun gaz de protection. » Il ajoute :« La qualité des soudures est exceptionnelle, le processus est extrêmement efficace (généralement 95 %), tous les paramètres du processus sont soigneusement contrôlés et le processus est entièrement automatisé. »

Le meilleur des deux mondes

Selon John Rugh, le LBW est couramment utilisé pour souder des composants en tôle d'acier et des composants usinés de moins de 1/3 à 1⁄2 pouces d'épaisseur. Le soudage au laser est également utile pour assembler des pièces qui ne conviennent pas au traitement dans une chambre à vide.

"Certaines pièces et leurs accessoires de soudage associés peuvent être trop grands pour tenir dans les chambres de soudage EB disponibles", a déclaré Rugh. "Outre la taille, si les composants à souder contiennent des liquides susceptibles d'interférer avec le pompage sous vide, le soudage au laser serait un bon choix." Il faut quelques minutes pour évacuer une chambre de soudage EB et ce temps n'en vaut peut-être pas la peine pour une soudure moins sensible.

Si les composants sont de grande valeur, fabriqués dans un matériau qui bénéficierait de l'environnement sous vide, comme les alliages de titane et de nickel, les soudures sont plus profondes que 1/3 à 1/2 pouce ou si le faisceau laser a des difficultés à se coupler avec le matériau à souder, comme les alliages d'aluminium, le soudage EB est souvent le processus de choix par rapport au soudage laser.

Bien que chaque technologie présente ses avantages, en termes pratiques, de nombreuses conceptions de composants intègrent à la fois des soudures EB et laser. Dans ces cas, effectuer les deux types de soudage dans la même installation rationalise définitivement le processus de fabrication.

Cet article a été rédigé par John Lucas, technicien en développement de procédés, Joining Technologies (East Granby, CT). Pour plus d'informations, contactez John à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer JavaScript pour le visualiser., ou visitez http://info.hotims.com/34454-200  .