Bases du soudage au laser
Le soudage laser est un procédé sans contact qui nécessite l’accès à la zone de soudure depuis un côté des pièces à souder.
• La soudure se forme lorsque la lumière laser intense chauffe rapidement le matériau, généralement en millisecondes.
• Il existe généralement 3 types de soudures :
– Mode de conduction.
– Mode de conduction/pénétration.
– Mode pénétration ou trou de serrure.
• Le soudage en mode conduction est effectué à faible densité énergétique, formant un noyau de soudure peu profond et large.
• Le mode de conduction/pénétration se produit à une densité énergétique moyenne et montre plus de pénétration que le mode de 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 appelé « 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 distribution directe d’énergie dans le matériau ne repose pas sur la conduction pour parvenir à 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 la matière pour créer un joint sans vaporisation significative.
• Le soudage par conduction possède 2 modes :
– Chauffage direct
– Transmission d’énergie.
Chaleur directe
• Lors du chauffage direct,
– le flux de chaleur est régi par la conduction thermique classique à partir d’une source de chaleur superficielle et la soudure est réalisée par la fusion de parties du matériau de base.
• Les premières soudures par conduction ont été réalisées au début des années 1, en utilisant du rubis pulsé de faible puissance et CO2 lasers pour 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.
- CO2 , Lasers Nd:YAG et diodes avec des niveaux de puissance de l'ordre de plusieurs dizaines de watts.
– Chauffage direct par un CO2 Le faisceau laser peut également être utilisé pour les soudures par recouvrement et bout à bout dans les feuilles de polymère.
Soudure de transmission
• Le soudage par transmission est un moyen efficace d’assembler des polymères qui transmettent le rayonnement proche infrarouge des lasers Nd:YAG et à diode.
• L’énergie est absorbée grâce à 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 le 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 du matériau environnant pour former un film d'interface fondu qui se solidifie au fur et à mesure que le joint est soudé.
• Les joints à recouvrement à section épaisse peuvent être réalisés sans faire fondre les surfaces extérieures du joint.
• Les soudures bout à bout peuvent être réalisées en dirigeant l'énergie vers la ligne de joint à un angle à travers le matériau d'un côté du joint, ou à partir d'une extrémité si le matériau est hautement transmissif.
Soudure et brasure au laser
• Dans les processus de soudage et de brasage au laser, le faisceau est utilisé pour faire fondre un ajout de remplissage, qui mouille les bords du joint sans faire fondre le matériau de base.
• La soudure au laser a commencé à gagner en popularité au début des années 1980 pour joindre les fils des composants électroniques à travers les trous des circuits imprimés. Les paramètres du 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 se forme généralement par évaporation.
• Ce « trou » est ensuite traversé à travers le matériau, les parois fondues se refermant 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 largeur étroite.
Efficacité du soudage au laser
• Un terme pour définir ce concept d'efficacité est connu sous le nom d'« efficacité de jonction ».
• L'efficacité d'assemblage n'est pas une véritable efficacité dans la mesure où elle a pour unités (mm2 assemblés /kJ fournis).
– Rendement = Vt/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 l’énergie dépensée en chauffage inutile est importante.
– Zone affectée thermiquement (ZAT) inférieure.
– Distorsion plus faible.
• 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 présentent également de bonnes efficacités et des densités de puissance élevées.
Variations de processus
• Soudage laser à 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 instable en raison de sa vitesse de déplacement, soit de réduire la résistance d’un arc stable.
– Le blocage 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 2 faisceaux laser sont utilisés simultanément, il est possible de contrôler la géométrie du bain de soudure et la forme du cordon de soudure.
– En utilisant 2 faisceaux d’électrons, le trou de serrure pourrait être stabilisé, provoquant moins d’ondes sur le bain de soudure et donnant une meilleure pénétration et une meilleure forme de cordon.
– Un excimère et CO2 La combinaison de faisceaux laser a montré qu'un couplage amélioré pouvait être obtenu pour le soudage de matériaux à haute réflectivité, tels que l'aluminium ou le cuivre.
– Le couplage amélioré a été considéré principalement en raison de :
• modification de la réflectivité par l’ondulation de surface provoquée par l’excimère.
• un effet secondaire résultant du couplage via le plasma généré par l'excimère.
