Technologie laser

1. Principe du soudage laser

Le soudage laser peut être réalisé à l’aide de faisceaux laser continus ou pulsés. Le principe du soudage laser se divise en soudage par conduction thermique et soudage laser à pénétration profonde. Une densité de puissance inférieure à 10 ⁴ ~10⁵ L/cm ² est un soudage par conduction thermique, caractérisé par une pénétration superficielle et une vitesse de soudage lente. Lorsque la densité de puissance est supérieure à 10 ⁵ ~10⁷ L/cm ² , la surface métallique est chauffée, créant des « cavités » et formant un soudage à forte pénétration, caractérisé par une vitesse de soudage élevée et un rapport profondeur/ largeur important.

Le principe du soudage laser par conduction thermique est le suivant : le rayonnement laser chauffe la surface à traiter, et la chaleur se diffuse vers l’intérieur par conduction thermique. En contrôlant les paramètres du laser, tels que la durée, l’énergie, la puissance crête et la fréquence de répétition de l’impulsion laser, la pièce fond et forme une flaque de fusion spécifique.

Les machines de soudage laser utilisées pour le soudage d’engrenages et le soudage de tôles minces métallurgiques impliquent principalement le soudage laser à forte pénétration. Le principe du soudage laser à forte pénétration sera exposé en détail ci-dessous.

Le soudage laser à pénétration profonde utilise généralement un faisceau laser continu pour assembler des matériaux. Sa physique métallurgique est très similaire à celle du soudage par faisceau d’électrons, le mécanisme de conversion d’énergie étant assuré par une structure en « trou de serrure ». Sous l’irradiation d’un laser présentant une densité de puissance suffisamment élevée, le matériau s’évapore et forme un trou de serrure. Ce trou de serrure rempli de vapeur agit comme un corps noir, absorbant quasiment toute l’énergie du faisceau incident. La température d’équilibre à l’intérieur du trou de serrure atteint environ 2500 °C. La chaleur est transférée depuis la paroi externe de ce trou de serrure à haute température, provoquant la fusion du métal qui l’entoure. Le trou de serrure est rempli de vapeur à haute température générée par l’évaporation continue du matériau de la paroi sous l’irradiation du faisceau. Les parois du trou de serrure entourent du métal en fusion, et le métal liquide entoure le matériau solide (dans la plupart des procédés de soudage conventionnels et dans le soudage laser par conduction, l’énergie est d’abord déposée à la surface de la pièce à souder, puis transférée vers l’intérieur). L’écoulement du liquide et la tension superficielle à l’extérieur des parois du trou de serrure maintiennent un équilibre dynamique avec la pression de vapeur continuellement générée à l’intérieur du trou de serrure. À mesure que le faisceau laser pénètre continuellement dans le trou de serrure, le matériau situé à l’extérieur de celui-ci continue de s’écouler. Lorsque le faisceau laser se déplace, le trou de serrure demeure dans un état d’écoulement stable. Autrement dit, le trou de serrure et le métal en fusion qui l’entoure avancent à la même vitesse que le faisceau directeur. Le métal en fusion remplit les espaces laissés après le déplacement du trou de serrure, puis se solidifie, formant ainsi une soudure. Tout ceci se produit si rapidement que les vitesses de soudage peuvent aisément atteindre plusieurs mètres par minute.

2. Paramètres clés du procédé de soudage laser à pénétration profonde

Puissance du laser

Le soudage laser implique un seuil de densité d'énergie laser. En dessous de ce seuil, la profondeur de pénétration est faible ; dès que ce seuil est atteint ou dépassé, la profondeur de pénétration augmente de façon significative. Le plasma n'est généré que lorsque la densité de puissance laser sur la pièce à usiner dépasse ce seuil (dépendant du matériau), ce qui marque le début d'un soudage en pénétration profonde stable. Si la puissance laser est inférieure à ce seuil, seule une fusion superficielle se produit sur la pièce à usiner, ce qui signifie que le soudage se déroule dans un mode stable de conduction thermique. Lorsque la densité de puissance laser est proche de la condition critique de formation du « keyhole », le soudage en pénétration profonde et le soudage par conduction alternent, entraînant un processus de soudage instable avec de fortes fluctuations de la profondeur de pénétration. Dans le soudage laser en pénétration profonde, la puissance laser contrôle simultanément la profondeur de pénétration et la vitesse de soudage. La profondeur de pénétration de la soudure est directement liée à la densité de puissance du faisceau et constitue une fonction de la puissance incidente du faisceau ainsi que de la taille de la tache focale du faisceau. En général, pour un faisceau laser de diamètre donné, la profondeur de pénétration augmente avec l'augmentation de la puissance du faisceau.

Point focal du faisceau

La taille du spot du faisceau est l'une des variables les plus importantes en soudage laser, car elle détermine la densité de puissance. Toutefois, sa mesure pour les lasers à haute puissance reste difficile, malgré l’existence de nombreuses techniques de mesure indirectes.

La taille du spot du faisceau limitée par la diffraction peut être calculée sur la base de la théorie optique de la diffraction. Cependant, en raison des aberrations introduites par la lentille de focalisation, la taille réelle du spot est supérieure à la valeur calculée. La méthode de mesure pratique la plus simple est la profilométrie isotherme, qui consiste à carboniser une feuille épaisse de papier et à percer une plaque de polypropylène avant de mesurer le point focal et le diamètre de la perforation. Cette méthode exige une mesure pratique afin de maîtriser la puissance laser et la durée de contact du faisceau.

Valeur d’absorption du matériau

L'absorption de la lumière laser par un matériau dépend de plusieurs propriétés importantes, telles que l'absorptivité, la réflectivité, la conductivité thermique, la température de fusion et la température d'évaporation, l'absorptivité étant la propriété la plus importante.

Les facteurs influençant l'absorptivité d'un matériau vis-à-vis d'un faisceau laser comprennent deux aspects : premièrement, la résistivité du matériau. Des mesures de l'absorptivité de surfaces polies montrent que l'absorptivité est proportionnelle à la racine carrée de la résistivité, laquelle varie elle-même en fonction de la température. Deuxièmement, l'état de surface (ou la rugosité) du matériau a une incidence significative sur l'absorptivité du faisceau, affectant ainsi fortement l'effet de soudage.

La longueur d'onde de sortie d'un laser CO2 est généralement de 10,6 μ m. Les matériaux non métalliques, tels que les céramiques, le verre, le caoutchouc et les matières plastiques, présentent de hauts taux d’absorption à température ambiante, tandis que les matériaux métalliques l’absorbent mal à température ambiante, leur absorption n’augmentant fortement qu’une fois le matériau fondu, voire vaporisé. Les revêtements de surface ou les films d’oxyde constituent des méthodes efficaces pour améliorer l’absorption du faisceau laser par le matériau.

Vitesse de soudage

La vitesse de soudage influence considérablement la pénétration de la soudure. Une augmentation de cette vitesse entraîne une pénétration plus faible, tandis qu’une vitesse excessivement faible provoque une sur-fusion et un perçage. Par conséquent, pour un matériau donné, avec une puissance laser et une épaisseur spécifiques, il existe une plage de vitesses de soudage adaptée, au sein de laquelle la pénétration maximale peut être obtenue. La figure 10-2 illustre la relation entre la vitesse de soudage et la pénétration pour l’acier 1018.

Gaz de protection

Les gaz inertes sont couramment utilisés pour protéger la flaque fondue lors du soudage au laser. Bien que l’oxydation de surface ne pose pas de problème pour certains matériaux, l’hélium, l’argon et l’azote sont couramment employés dans la plupart des applications afin d’éviter l’oxydation de la pièce à souder pendant le soudage.

L’hélium est faiblement ionisé (mais possède une énergie d’ionisation élevée), ce qui permet au faisceau laser de traverser sans entrave et d’atteindre la surface de la pièce sans être perturbé. Il s’agit du gaz de protection le plus efficace utilisé dans le soudage au laser, mais il est relativement coûteux.

L’argon est moins coûteux et présente une densité plus élevée, ce qui assure une bonne protection. Toutefois, il est facilement ionisé par le plasma métallique à haute température, ce qui bloque partiellement le faisceau empêchant ainsi d’atteindre la pièce à souder, réduisant la puissance laser effective et nuisant à la vitesse de soudage ainsi qu’à la pénétration. Les soudures protégées à l’argon présentent des surfaces plus lisses que celles protégées à l’hélium.

L'azote est le gaz de protection le moins coûteux, mais il n'est pas adapté au soudage de certains types d'acier inoxydable, principalement en raison de problèmes métallurgiques tels que l'absorption, qui peut parfois provoquer de la porosité dans la zone du joint.

Une deuxième fonction des gaz de protection consiste à protéger la lentille de focalisation contre la contamination par les vapeurs métalliques et les projections de gouttelettes en fusion. Cela est particulièrement important dans le soudage laser haute puissance, où les matériaux éjectés deviennent très énergiques.

Une troisième fonction des gaz de protection réside dans leur efficacité à disperser le plasma généré par le soudage laser haute puissance. La vapeur métallique absorbe le faisceau laser et s’ionise pour former un nuage de plasma. Le gaz protecteur entourant la vapeur métallique s’ionise également sous l’effet du chauffage. Si la quantité de plasma est trop importante, le faisceau laser est partiellement absorbé par celui-ci. Le plasma agit alors comme une source d’énergie secondaire à la surface de travail, ce qui entraîne une pénétration de la soudure plus faible et un bain de fusion plus large. Le taux de recombinaison des électrons augmente avec la fréquence des collisions entre électrons, ions et atomes neutres, ce qui réduit ainsi la densité électronique dans le plasma. Plus les atomes neutres sont légers, plus la fréquence des collisions et le taux de recombinaison sont élevés ; en revanche, seul un gaz protecteur possédant une énergie d’ionisation élevée peut empêcher une augmentation de la densité électronique due à l’ionisation du gaz lui-même.

La taille du nuage de plasma varie selon le gaz de protection utilisé : l'hélium produit le nuage le plus petit, suivi de l'azote, tandis que l'argon génère le nuage le plus volumineux. Un nuage de plasma plus important entraîne une pénétration de la soudure plus faible. Cette différence s’explique principalement par les degrés d’ionisation variables des molécules gazeuses, ainsi que par les différences de diffusion des vapeurs métalliques dues aux densités distinctes des gaz de protection.

L'hélium présente le degré d'ionisation et la densité les plus faibles, ce qui lui permet de déplacer rapidement les vapeurs métalliques ascendantes provenant du bain de fusion. Par conséquent, l'utilisation de l'hélium comme gaz de protection supprime au maximum le plasma, augmentant ainsi la pénétration de la soudure et la vitesse de soudage ; son faible poids lui permet également de s'échapper facilement, réduisant ainsi la probabilité de porosité. Toutefois, selon nos résultats réels de soudage, la protection à l'argon s'est avérée très efficace.

L'impact du nuage de plasma sur la pénétration de la soudure est le plus marqué à faible vitesse de soudage. Son effet diminue à mesure que la vitesse de soudage augmente.

Le gaz de protection est éjecté à une certaine pression par une buse et atteint la surface de la pièce à souder. La forme hydrodynamique de la buse ainsi que le diamètre de son orifice sont déterminants. Le gaz de protection doit être suffisamment abondant pour recouvrir entièrement la zone de soudage, mais la taille de la buse doit rester limitée afin de protéger efficacement l’objectif contre la contamination par les vapeurs métalliques ou les projections de métal. Le débit doit également être contrôlé ; dans le cas contraire, l’écoulement laminaire du gaz de protection deviendra turbulent, des gaz atmosphériques seront entraînés dans le bain de fusion et des porosités finiront par se former.

Pour améliorer l'effet de protection, une méthode de soufflage latéral supplémentaire peut être utilisée, dans laquelle le gaz de protection est injecté directement dans le pore de la soudure en pénétration profonde à travers une buse de plus petit diamètre, sous un certain angle. Le gaz de protection non seulement supprime le nuage de plasma à la surface de la pièce à souder, mais influence également le plasma présent à l'intérieur du pore ainsi que la formation de ce dernier, augmentant ainsi davantage la profondeur de pénétration et permettant d'obtenir une soudure présentant un rapport idéal profondeur/ largeur. Toutefois, cette méthode exige un contrôle précis du débit et de la direction du gaz ; dans le cas contraire, des turbulences peuvent facilement apparaître, endommageant le bain de fusion et rendant le procédé de soudage instable.

Longueur focale de l'objectif

Pendant le soudage, le laser est généralement focalisé, habituellement à l’aide de lentilles dont les distances focales varient entre 63 et 254 mm (2,5 ”~10”la taille du spot focalisé est directement proportionnelle à la distance focale : plus la distance focale est courte, plus le spot est petit. Toutefois, la distance focale influence également la profondeur de mise au point, c’est-à-dire que cette profondeur augmente proportionnellement à la distance focale. Par conséquent, une distance focale plus courte permet d’augmenter la densité de puissance, mais en raison de la faible profondeur de mise au point, la distance entre la lentille et la pièce à usiner doit être maintenue avec une grande précision, et la profondeur de pénétration est également limitée. En raison de l’influence des projections et du mode laser générés pendant le soudage, la distance focale la plus courte réellement utilisée en soudage est souvent de 126 mm (5 ”lorsque l’assemblage est important ou lorsqu’il est nécessaire d’augmenter la taille de la soudure en augmentant la taille du spot, on peut choisir une lentille dont la distance focale est de 254 mm (10 ”) Dans ce cas, pour obtenir l’effet de trou clé (keyhole) à forte pénétration, une puissance de sortie laser plus élevée (densité de puissance) est requise.

Lorsque la puissance laser dépasse 2 kW, notamment pour 10,6 μ les faisceaux laser CO₂ à 10,6 µm, en raison de l’utilisation de matériaux optiques spéciaux dans le système optique, font généralement appel à un dispositif de focalisation par réflexion afin d’éviter les dommages optiques au niveau de la lentille de focalisation. Des miroirs en cuivre poli sont couramment utilisés comme réflecteurs. Grâce à leurs propriétés efficaces de refroidissement, ils sont souvent recommandés pour la focalisation de faisceaux laser de forte puissance.

Position de mise au point

Pendant le soudage, la position du foyer est cruciale pour maintenir une densité de puissance suffisante. Les variations de la position relative du foyer par rapport à la surface de la pièce à souder influencent directement la largeur et la profondeur de la soudure. La figure 2-6 illustre l’effet de la position du foyer sur la profondeur de pénétration et la largeur de la soudure réalisée sur de l’acier 1018.

Dans la plupart des applications de soudage laser, le foyer est généralement positionné à environ un quart de la profondeur sous la surface de la pièce à souder afin d’obtenir la profondeur de pénétration souhaitée.

Position du faisceau laser

Lors du soudage laser de matériaux différents, la position du faisceau laser contrôle la qualité finale de la soudure, en particulier dans les joints bout à bout, où elle est plus sensible que dans les joints recouverts. Par exemple, lors du soudage d’un engrenage en acier trempé sur un tambour en acier faiblement allié, un contrôle adéquat de la position du faisceau laser permet d’obtenir une soudure composée principalement d’éléments en acier faiblement allié, ce qui confère une meilleure résistance aux fissures. Dans certaines applications, la géométrie de la pièce à souder exige que le faisceau laser soit dévié selon un angle donné. Lorsque l’angle de déviation entre l’axe du faisceau et le plan de la jointure est inférieur ou égal à 100 degrés, l’absorption de l’énergie laser par la pièce n’est pas affectée.

Contrôle de l’augmentation et de la diminution de la puissance laser aux points de début et de fin de soudage

Lors du soudage laser à pénétration profonde, quel que soit le cordon de soudure, le phénomène de formation d’un trou (« pinhole ») est toujours présent. Lorsque le procédé de soudage prend fin et que l’alimentation électrique est coupée, une dépression apparaît à l’extrémité du cordon de soudure. En outre, lorsque la couche de soudure laser recouvre la soudure initiale, une absorption excessive du faisceau laser peut se produire, entraînant une surchauffe ou de la porosité dans la pièce soudée.

Pour prévenir ces phénomènes, les points de démarrage et d’arrêt de la puissance peuvent être programmés afin de rendre les durées de démarrage et d’arrêt de la puissance ajustables. Autrement dit, la puissance initiale est augmentée électroniquement, depuis zéro jusqu’à la valeur préréglée, en un temps très court, et la durée de soudage est ajustée. Enfin, à la fin du soudage, la puissance est progressivement réduite, depuis la valeur préréglée jusqu’à zéro.

3. Caractéristiques, avantages et inconvénients du soudage laser à pénétration profonde

Caractéristiques du soudage laser à pénétration profonde

1) Grand rapport hauteur/largeur. 1) **Soudure profonde et étroite :** Comme le métal en fusion se forme autour de la cavité cylindrique à haute température remplie de vapeur et s’étend vers la pièce à usiner, la soudure devient profonde et étroite.

2) **Apport de chaleur minimal :** En raison de la température extrêmement élevée à l’intérieur de l’ouverture, le processus de fusion se produit très rapidement, ce qui entraîne un apport de chaleur très faible à la pièce à usiner, minimisant ainsi la déformation thermique et la zone affectée thermiquement.

3) **Haute densité :** L’ouverture remplie de vapeur à haute température favorise l’agitation du bain de fusion et l’évacuation des gaz, conduisant à une soudure exempte de porosité et totalement pénétrante. La vitesse de refroidissement élevée après soudage affine encore davantage la microstructure de la soudure.

4) **Soudure robuste :** La source de chaleur intense et l’absorption totale des composants non métalliques réduisent la teneur en impuretés et modifient la taille ainsi que la répartition des inclusions dans la zone fondue. Le procédé de soudage ne nécessite ni électrode ni fil d’apport, ce qui entraîne une contamination moindre de la zone en fusion, rendant la résistance et la ténacité de la soudure au moins égales, voire supérieures, à celles du métal de base.

5) **Contrôle précis :** En raison de la très petite taille du point focal, la soudure peut être positionnée avec une grande précision. La sortie laser ne présente aucune « inertie », permettant des arrêts et redémarrages rapides à haute vitesse. La technologie de déplacement du faisceau par commande numérique par ordinateur (CNC) permet la soudure de pièces complexes. 6) Procédé de soudage atmosphérique sans contact. L’énergie provenant d’un faisceau de photons n’implique aucun contact physique avec la pièce, de sorte qu’aucune force externe n’est appliquée à celle-ci. En outre, ni le champ magnétique ni l’air n’ont d’effet sur le laser.

Avantages de la soudure laser à pénétration profonde

1) En raison de la densité de puissance beaucoup plus élevée des lasers focalisés par rapport aux méthodes conventionnelles, la vitesse de soudage est élevée, la zone thermiquement affectée et la déformation sont réduites, et il est possible de souder des matériaux difficiles à souder, tels que le titane.

2) Comme le faisceau est facile à transmettre et à contrôler, et qu’il n’est pas nécessaire de changer fréquemment les torches et les buses de soudage, ni de faire le vide comme pour le soudage par faisceau d’électrons, les temps d’arrêt sont considérablement réduits, ce qui se traduit par un facteur de charge élevé et une efficacité de production accrue.

3) Grâce à l’effet de purification et au taux de refroidissement élevé, la soudure présente une résistance, une ténacité et des performances globales élevées.

4) En raison de la faible valeur moyenne de l’apport thermique, la précision de traitement est élevée, ce qui réduit les coûts de retraitement ; en outre, les coûts d’exploitation du soudage laser sont également plus faibles, ce qui permet de réduire les coûts de traitement des pièces.

5) L’intensité du faisceau et le positionnement précis peuvent être efficacement contrôlés, ce qui facilite l’automatisation des opérations.

Inconvénients du soudage laser à pénétration profonde

1) Profondeur de soudage limitée.

2) Exigences élevées en matière d’assemblage des pièces.

3) Investissement initial élevé dans les systèmes laser.