Soudage laser expliqué : techniques, types et applications industrielles

Qu'est-ce que le soudage laser ?

Le soudage par faisceau laser (LBW) est une technique de soudage pour joindre pièces métalliques ou thermoplastiques à l'aide d'un laser. Le faisceau fournit une source de chaleur concentrée, permettant des soudures étroites, profondes et des taux de soudage élevés. Basé sur le soudage en mode trou de serrure (keyhole) ou pénétration.

Le soudage laser fonctionne en deux modes fondamentalement différents : soudage à conduction limitée et soudage par trou de serrure. Le mode d'interaction du faisceau laser avec le matériau dépend de la densité de puissance sur la pièce.

Les processus sont fréquemment utilisés en applications à haut volume avec automatisation, comme dans l'industrie automobile. L'avantage principal, grâce à sa haute densité d'énergie, est sa capacité à fondre la zone aux bords du joint sans affecter une grande zone de la pièce.

Le soudage laser est un procédé de soudage par fusion à haute densité de puissance produisant des soudures à haut rapport d'aspect avec apport de chaleur relativement faible comparé aux procédés à l'arc. De plus, le soudage laser peut être effectué « hors vide » et la livraison par fibre optique de faisceaux laser proche infrarouge à état solide offre une flexibilité accrue vs autres technologies d'assemblage.

Équipement de machine à faisceau laser

Les principales parties/équipement du soudage par faisceau laser sont :

• Machine laser : Produit le laser pour le soudage. Composants principaux montrés ci-dessous.
• Source d'alimentation : Haute tension appliquée sur la machine laser pour produire le faisceau.
• FAO (CAM) : Fabrication assistée par ordinateur où la machine laser est intégrée aux ordinateurs pour effectuer le soudage. Toutes les actions de contrôle pendant le soudage laser sont faites par FAO. Accélère considérablement le processus.
• CAO (CAD) : Conception assistée par ordinateur. Conçoit la pièce pour le soudage. Ordinateurs utilisés pour concevoir la pièce et comment le soudage est effectué.
• Gaz de protection : Peut être utilisé pendant le soudage pour prévenir l'oxydation de la pièce.

Comment fonctionne le soudage par faisceau laser ?

Le soudage laser joint métaux ou thermoplastiques avec un faisceau laser pour former une soudure. Source de chaleur si concentrée que sur matériaux minces, soudage à vitesses élevées (mètres/minute), et sur matériaux épais, soudures étroites et profondes entre pièces à bords carrés.

Le soudage laser fonctionne sur le principe que quand les électrons d'un atome sont excités en recevant de l'énergie. Puis, quand ils retournent à l'état fondamental, ils émettent un photon de lumière.

La concentration de ce photon émis est augmentée par émission stimulée de radiation et on obtient un faisceau laser focalisé à haute énergie. L'amplification de lumière par émission stimulée de radiation = laser.

Initialement, la machine est positionnée (entre les deux pièces à joindre) à l'emplacement désiré. Puis, une alimentation haute tension est appliquée à la machine laser.

Une lentille focalise le laser dans la zone où le soudage est requis. La FAO contrôle la vitesse du laser et de la table de pièce pendant le soudage.

Ça démarre la lampe flash de la machine et émet des photons de lumière. L'énergie des photons est absorbée par atomes de cristaux de rubis et électrons excités à niveaux d'énergie supérieurs. Quand ils retournent à l'état fondamental bas, ils émettent un photon.

Ce photon stimule à nouveau les électrons et produit deux photons. Ce processus continue et on obtient un faisceau laser focalisé utilisé sur l'emplacement désiré pour souder plusieurs pièces ensemble.

Types de lasers utilisés

1. Lasers à gaz : Utilisent mélanges de gaz comme milieu laser. Mélanges azote, hélium, CO₂ comme milieu lasing.
2. Lasers à état solide : Utilisent plusieurs milieux solides : cristal de rubis synthétique (chrome dans oxyde d'aluminium), néodyme dans verre (Nd:verre), néodyme dans grenat d'yttrium-aluminium (Nd:YAG, le plus courant).
3. Lasers à fibre : Le milieu lasing est la fibre optique elle-même.

Avantages de la machine à faisceau laser

Le contrôle précis du faisceau laser offre plusieurs avantages sur TIG, MIG, soudage par points :

• Résistance de soudure : Soudure laser étroite avec excellent rapport profondeur/largeur et résistance supérieure.
• Zone affectée thermiquement : Limitée, et par refroidissement rapide, le matériau environnant n'est pas recuit.
• Métaux : Lasers soudent acier carbone, acier haute résistance, inox, titane, aluminium, métaux précieux et matériaux dissemblables.
• Travail de précision : Faisceau petit et finement contrôlé permet micro-soudage précis de composants miniatures.
• Déformation : Pièces avec déformation ou retrait minimal.
• Sans contact : Pas de contact physique entre matériau et tête laser.
• Soudage unilatéral : Peut remplacer soudage par points nécessitant accès d'un seul côté.
• Rebuts : Contrôlable, génère faibles volumes de rebuts.

Inconvénients de la machine à faisceau laser

• Équipement coûteux = coût processus élevé.
• Si métal d'apport nécessaire, quantité limitée produite avec métal d'apport = relativement cher.
• Quelques opérations post-soudage.
• Joints doivent être positionnés avec précision latéralement sous le faisceau.
• Position finale du joint alignée précisément avec point d'impact du faisceau.
• Épaisseur max de joint soudable par laser quelque peu limitée.
• Matériaux à haute conductivité thermique et réflectivité (Al, alliages Cu) affectent soudabilité au laser.
• Dispositif contrôle plasma approprié requis pour reproductibilité soudage à puissance modérée/élevée.
• Lasers ont faible rendement conversion énergie < 10 %.
• Porosité et fragilité de soudure attendues, conséquence de solidification rapide du LBM.

Applications de la machine à faisceau laser

• Proéminent dans industrie automobile. Utilisé où production gros volumes requise.
• Employé pour soudures haute précision. Sans électrode, soudure finale légère mais solide.
• Fréquemment utilisé en joaillerie.
• Industries médicales pour souder métaux à petite échelle.