Le soudage laser est un aspect important de l'application des technologies de traitement laser, et représente la technologie de soudage la plus prometteuse et la plus remarquable du XXIe siècle. Comparé aux méthodes de soudage traditionnelles, le soudage laser offre de nombreux avantages : une qualité de soudage supérieure et une productivité accrue. Actuellement, cette technologie est largement utilisée dans la fabrication, la métallurgie des poudres, l'industrie automobile, l'électronique, la biomédecine et d'autres domaines.
Selon le mécanisme de formation du bain de fusion, le soudage laser comprend deux mécanismes principaux : le soudage par conduction thermique et le soudage par pénétration profonde (avec petits trous). Le soudage par conduction thermique diffuse la chaleur à la pièce par transfert thermique, ce qui provoque la fusion de la surface de la soudure, sans vaporisation. Ce procédé est souvent utilisé pour le soudage de composants à parois minces à faible vitesse de production. Le soudage par pénétration profonde vaporise le matériau et forme une grande quantité de plasma. En raison de la forte chaleur, des trous apparaissent à l'avant du bain de fusion. Ce procédé permet de souder la pièce en profondeur, avec une énergie d'apport élevée et une vitesse de soudage rapide. C'est le mode de soudage laser le plus répandu.
De nombreux paramètres de processus affectent la qualité du soudage laser, tels que la densité de puissance, la forme d'onde de l'impulsion laser, le défaut de mise au point, la vitesse de soudage et le gaz de soufflage auxiliaire.
1. Densité de puissance laser. La densité de puissance est un paramètre essentiel du traitement laser. À haute densité de puissance, la couche superficielle atteint son point d'ébullition en quelques microsecondes, générant une importante vaporisation. Une densité de puissance élevée est donc très avantageuse pour l'enlèvement de matière, notamment pour le poinçonnage, la découpe et la gravure. À faible densité de puissance, la température de surface atteint le point d'ébullition en quelques millisecondes. Avant que la couche superficielle ne se vaporise, la couche sous-jacente atteint son point de fusion, ce qui favorise une bonne soudure par fusion. C'est pourquoi, en soudage laser par conduction thermique, la densité de puissance se situe entre 10⁴ et 10⁶ W/cm².
2. Forme d'onde de l'impulsion laser
La forme d'onde de l'impulsion laser est un paramètre important pour distinguer l'enlèvement de matière de sa fusion, et un facteur clé pour déterminer le volume et le coût des équipements de traitement. Lorsqu'un faisceau laser de haute intensité frappe la surface d'un matériau, celle-ci réfléchit et perd 60 à 90 % de l'énergie laser. Ce phénomène est particulièrement marqué pour l'or, l'argent, le cuivre, l'aluminium, le titane et d'autres matériaux présentant une forte réflexion et un transfert thermique rapide. La réflectance d'un métal varie au cours du temps pendant une impulsion laser. Lorsque la température de surface atteint le point de fusion, la réflectivité diminue rapidement, puis se stabilise à une valeur donnée lorsque la surface est fondue.
3. Durée d'impulsion. La durée d'impulsion est un paramètre important du soudage laser pulsé. Elle est déterminée par la profondeur de pénétration et la zone affectée thermiquement. Plus la durée d'impulsion est longue, plus la zone affectée thermiquement est importante et plus la profondeur de pénétration augmente avec la moitié de la puissance de la durée d'impulsion. Cependant, l'augmentation de la durée d'impulsion réduit la puissance de crête. C'est pourquoi on l'utilise généralement pour le soudage par conduction thermique, ce qui permet d'obtenir une soudure large et peu profonde, particulièrement adaptée au soudage par recouvrement de tôles minces et épaisses. Toutefois, une puissance de crête plus faible entraîne un apport de chaleur excessif, et chaque matériau possède une durée d'impulsion optimale qui maximise la pénétration.
4. Le soudage laser avec défocalisation nécessite généralement un certain degré de défocalisation, car la densité de puissance au centre du point focal est trop élevée et risque de provoquer des évaporations et la formation de trous. La distribution de la densité de puissance est relativement uniforme dans tous les plans éloignés du point focal. Il existe deux méthodes de défocalisation : la défocalisation positive et la défocalisation négative. Si le plan focal est situé au-dessus de la pièce, on parle de défocalisation positive ; sinon, de défocalisation négative. Selon la théorie de l'optique géométrique, lorsque la distance entre les plans de défocalisation positive et négative et le plan de soudage est égale, la densité de puissance sur le plan correspondant est approximativement la même, mais la forme réelle du bain de fusion obtenu est différente. Dans le cas de la défocalisation négative, une plus grande pénétration peut être obtenue, ce qui est lié au processus de formation du bain de fusion.
5. Vitesse de soudage : La vitesse de soudage détermine la qualité de la surface soudée, la pénétration, la zone affectée thermiquement, etc. Elle influe sur l’apport de chaleur par unité de temps. Une vitesse trop lente entraîne un apport de chaleur excessif, pouvant provoquer la perforation de la pièce. À l’inverse, une vitesse trop rapide réduit l’apport de chaleur et rend la pièce opaque. Diminuer la vitesse de soudage permet généralement d’améliorer la pénétration.
6. Soufflage auxiliaire de gaz protecteur : Le soufflage auxiliaire de gaz protecteur est une étape essentielle du soudage laser haute puissance. Il permet d'une part d'éviter la pulvérisation du métal et l'encrassement du miroir de focalisation ; d'autre part, il empêche la focalisation excessive du plasma généré lors du soudage et le faisceau laser d'atteindre la surface du matériau. Lors du soudage laser, l'hélium, l'argon, l'azote et d'autres gaz sont fréquemment utilisés pour protéger le bain de fusion et ainsi préserver la pièce de l'oxydation. Des facteurs tels que le type de gaz protecteur, le débit d'air et l'angle de soufflage influencent fortement le résultat du soudage. Différentes méthodes de soufflage ont également un impact sur la qualité de la soudure.
L'hélium s'ionise difficilement (son énergie d'ionisation est élevée), ce qui permet au laser de passer sans encombre et à l'énergie du faisceau d'atteindre la surface de la pièce sans obstacle. C'est le gaz de protection le plus efficace en soudage laser, mais son prix est relativement élevé. L'argon est moins cher et plus dense, offrant ainsi une meilleure protection. Cependant, il s'ionise facilement au contact du plasma métallique à haute température, ce qui masque partiellement le faisceau et réduit la puissance effective du laser, ainsi que la vitesse et la pénétration du soudage. Les surfaces des soudures réalisées sous argon sont plus lisses que celles réalisées sous hélium. L'azote est le gaz de protection le moins cher, mais il ne convient pas à certains types de soudage d'acier inoxydable, principalement en raison de problèmes métallurgiques tels que l'absorption, qui peut parfois créer des porosités dans la zone de recouvrement.
Technologie de soudage émergente, le soudage laser se caractérise par une densité d'énergie élevée, une grande rapidité, une haute précision, une pénétration profonde et une forte adaptabilité. Son application se généralise, permettant d'améliorer la productivité et la qualité des soudures. Le soudage laser jouera sans aucun doute un rôle de plus en plus important dans le domaine du traitement des matériaux.
Date de publication : 28 mars 2023
