Sélection du gaz de protection en soudage laser
Avez-vous rencontré des défauts de soudage tels qu’un éclaboussement excessif, une formation disgracieuse de la soudure et de nombreux pores après le soudage ? Bien que vous puissiez vous demander si cela est dû à des paramètres incorrects du procédé de soudage laser, êtes-vous conscient que l’utilisation adéquate du gaz de protection est également un facteur crucial influençant la formation et les performances de la soudure ? Choisir le gaz de protection optimal constitue en réalité une méthode permettant d’améliorer la qualité et l’efficacité du soudage.
Puisque le gaz de protection est si important, quelle est exactement sa fonction ? Comment choisir le type de gaz de protection ? Comment doit-on le diriger pendant le soudage ?
Le rôle du gaz de protection
En soudage laser, le gaz de protection influence la formation de la soudure, la qualité de la soudure, la pénétration de la soudure et la largeur de la soudure. Dans la plupart des cas, l’apport de gaz de protection exerce un effet positif sur la soudure, mais il peut également avoir des effets néfastes.
Effets positifs
1) Un gaz de protection correctement introduit protège efficacement le bain de fusion, réduisant ou empêchant même l’oxydation.
2) Un gaz de protection correctement introduit réduit efficacement les projections lors du soudage.
3) Un gaz de protection correctement introduit favorise une répartition uniforme du bain de fusion pendant la solidification, ce qui donne une soudure uniforme et esthétiquement agréable.
4) Un gaz de protection correctement introduit réduit efficacement l’effet d’écran exercé sur le laser par les panaches de vapeur métallique ou les nuages de plasma, augmentant ainsi le taux d’utilisation efficace du laser.
5) Un gaz de protection correctement introduit réduit efficacement la porosité de la soudure.
À condition de choisir correctement le type de gaz, le débit gazeux et la méthode d’introduction, des résultats optimaux peuvent être obtenus.
Toutefois, une utilisation inadéquate du gaz de protection peut également nuire au soudage.
1) Une application incorrecte du gaz de protection peut détériorer la soudure :
① Le choix d’un type de gaz inapproprié peut provoquer des fissures dans la soudure et réduire les propriétés mécaniques de celle-ci ;
② Le choix d’un débit de gaz inadapté peut entraîner une oxydation plus sévère de la soudure (que le débit soit trop élevé ou trop faible) et peut également perturber fortement le bain de fusion, provoquant un effondrement ou une formation irrégulière de la soudure ;
③ Le choix d’une méthode d’application du gaz inappropriée peut aboutir à une protection inefficace, voire inexistante, ou nuire à la formation de la soudure ;
2) L’application du gaz de protection peut influencer la pénétration de la soudure, notamment lors du soudage de tôles minces, en réduisant cette pénétration.
Types de gaz de protection
Les gaz de protection couramment utilisés pour le soudage laser sont l’azote (N₂), l’argon (Ar) et l’hélium (He). Leurs propriétés physico-chimiques diffèrent, ce qui entraîne des effets variables sur la soudure.
Azote (N2)
Le moins coûteux, mais inadapté au soudage de certains aciers inoxydables. L’azote (N₂) possède une énergie d’ionisation modérée, supérieure à celle de l’argon (Ar) mais inférieure à celle de l’hélium (He). Sous irradiation laser, son degré d’ionisation est généralement faible, ce qui réduit efficacement la formation du nuage de plasma et augmente ainsi le taux d’utilisation efficace du laser. Toutefois, l’azote peut réagir chimiquement avec les alliages d’aluminium et les aciers au carbone à certaines températures, formant des nitrures. Cela accroît la fragilité de la soudure et diminue sa ténacité, affectant négativement de façon significative les propriétés mécaniques de la jonction soudée. Par conséquent, l’azote n’est pas recommandé comme gaz de protection pour les soudures d’alliages d’aluminium et d’aciers au carbone.
En revanche, les nitrures formés par la réaction chimique de l’azote avec les aciers inoxydables peuvent accroître la résistance de la jonction soudée, améliorant ainsi ses propriétés mécaniques. L’azote peut donc être utilisé comme gaz de protection lors du soudage des aciers inoxydables.
Argon (Ar)
est relativement peu coûteux, possède une densité élevée et assure une bonne protection. La surface de soudure est plus lisse qu’avec l’hélium. Toutefois, il s’ionise facilement sous l’effet du plasma métallique à haute température, ce qui peut bloquer une partie du faisceau laser empêchant ainsi d’atteindre la pièce à souder, réduisant ainsi la puissance effective de soudage et entravant la vitesse de soudage ainsi que la pénétration. L’argon (Ar) présente l’énergie d’ionisation la plus faible, mais son degré d’ionisation est relativement élevé sous irradiation laser, ce qui nuit au contrôle de la formation des nuages de plasma et affecte dans une certaine mesure le taux d’utilisation efficace du laser. Cependant, l’argon présente une réactivité très faible et ne réagit chimiquement que difficilement avec les métaux courants. En outre, il est peu coûteux. Par ailleurs, l’argon possède une densité élevée, ce qui favorise son dépôt au-dessus du bain de fusion, assurant ainsi une meilleure protection de ce dernier. Il peut donc être utilisé comme gaz de protection conventionnel.
Hélium (He)
Il est plus coûteux, mais offre le meilleur effet, permettant au laser de traverser directement sans obstruction jusqu'à la surface de la pièce à usiner. Il possède l'énergie d'ionisation la plus élevée, mais son degré d'ionisation est très faible sous irradiation laser, ce qui permet de contrôler efficacement la formation des nuages de plasma. Le laser agit efficacement sur les métaux, et l'hélium présente une réactivité très faible, ne réagissant pratiquement pas chimiquement avec les métaux. C'est un gaz de protection excellent pour les soudures. Toutefois, l'hélium est trop coûteux et n'est généralement pas utilisé en production de masse. Il est principalement employé dans la recherche scientifique ou pour des produits à forte valeur ajoutée.
Méthodes d'injection du gaz de protection
Il existe actuellement deux méthodes principales d'introduction des gaz de protection : l'une consiste à souffler le gaz de protection latéralement, hors axe… Gaz de protection soufflé latéralement et parallèlement
L'autre type est le gaz de protection coaxial.
Gaz de protection coaxial
Le choix entre ces deux méthodes de soufflage dépend d'une combinaison de facteurs, mais le soufflage latéral du gaz de protection est généralement recommandé.
Principes pour le choix des méthodes de soufflage de gaz de protection
Tout d’abord, il est important de préciser que l’expression « oxydation de la soudure » est un terme familier. Théoriquement, elle désigne une réaction chimique entre la soudure et des composants nocifs présents dans l’air, entraînant une dégradation de la qualité de la soudure. Des exemples courants incluent la réaction du métal de soudure avec l’oxygène, l’azote et l’hydrogène présents dans l’air à certaines températures.
La prévention de l’oxydation de la soudure consiste à réduire ou à éviter le contact entre ces composants nocifs et le métal de soudure à haute température. Cette haute température désigne non seulement le métal en fusion de la zone de soudure, mais aussi toute la période allant de la fusion du métal de soudure jusqu’à sa solidification et la chute de sa température en dessous d’un certain seuil.
Par exemple, lors du soudage des alliages de titane, l’hydrogène est absorbé rapidement au-dessus de 300 °°C, l’oxygène au-dessus de 450 °°C et l’azote au-dessus de 600 °C. Par conséquent, les soudures en alliage de titane nécessitent une protection efficace après la solidification et pendant la période où la température descend en dessous de 300 °°C ; dans le cas contraire, elles seront « oxydées ».
Comme l’explication ci-dessus le précise, le gaz de protection projeté doit non seulement protéger le bain de fusion en temps utile, mais aussi la zone nouvellement solidifiée. Par conséquent, la méthode de projection latérale décalée du gaz de protection, illustrée à la figure 1, est généralement utilisée, car elle offre une zone de protection plus étendue que la méthode de protection coaxiale présentée à la figure 2, notamment une meilleure protection de la zone de soudure nouvellement solidifiée.
Pour les applications industrielles, la projection latérale décalée du gaz de protection n’est pas adaptée à tous les produits. Pour certains produits spécifiques, seule la protection coaxiale peut être utilisée. Le choix doit être adapté à la structure du produit et au type de joint.
Sélection spécifique de la méthode de projection du gaz de protection
1) Soudures droites
Comme illustré à la figure 3, la forme de la soudure du produit est droite. Le type d’assemblage peut être un assemblage bout à bout, un assemblage par recouvrement, un assemblage d’angle ou une soudure superposée. Pour ce type de produit, la méthode de gaz de protection soufflé latéralement hors axe présentée dans est privilégiée.
2) Soudures planes fermées
La forme de la soudure du produit est une forme fermée plane, telle qu’un cercle plan, un polygone plan ou une ligne plane composée de plusieurs segments. Le type d’assemblage peut être un assemblage bout à bout, un assemblage par recouvrement ou un assemblage par soudure superposée. Pour ce type de produit, un gaz de protection coaxial est privilégié.
Soudure plane fermée
Le choix du gaz de protection influence directement la qualité, l'efficacité et le coût de la production par soudage. Toutefois, en raison de la diversité des matériaux à souder, la sélection du gaz de soudage dans la pratique est assez complexe. Il est nécessaire de prendre en compte de façon globale le matériau à souder, le procédé de soudage, la position de soudage et l’effet de soudage requis. Seuls des essais de soudage permettent de sélectionner un gaz de soudage plus adapté afin d’obtenir de meilleurs résultats.
