Soudage laser

Soudage laser avec robot industriel.

Le soudage laser est une technique de soudage qui permet d'assembler plusieurs pièces de métal à l'aide d'un laser. Le faisceau est une source de chaleur extrêmement concentrée qui permet des soudages étroits, profonds, à une cadence rapide. Cette technique est souvent utilisée dans le cas de gros volumes de production comme l'industrie automobile.

Fonctionnement

De la même façon que le soudage par faisceau d'électrons, le soudage laser présente une très forte densité de puissance, de l'ordre du mégawatt par centimètre carré (MW/cm²), ce qui permet de n'avoir qu'une faible zone altérée par la chaleur tout en disposant d'une grande quantité de chaleur associée à une vitesse de refroidissement importante. Le diamètre du faisceau laser varie de 0,2 mm à 133 mm en sachant que seuls les diamètres les plus faibles sont utilisés pour la soudage. La profondeur de pénétration est proportionnelle à la puissance mise en œuvre et dépend aussi de la position du point focal ; la pénétration est maximale lorsque le point focal se trouve un peu au-dessous de la surface de la pièce à souder.

Selon l'application, on utilise un laser à mode continu ou à mode pulsé. On utilise le mode pulsé avec des impulsions de l'ordre de la milliseconde pour souder des matériaux fins comme des lames de rasoir par exemple. Les lasers en mode continu sont préférés pour les matériaux épais et pour les soudures d'inox de type 316L ou 304L qui sont sensibles à la fissuration à chaud.

Le soudage laser est un procédé polyvalent permettant le soudage des aciers au carbone^[1], à haute résistance mécanique^[2], inoxydables, et aussi de l'aluminium et du titane. En raison du refroidissement extrêmement rapide, le craquage est un problème important quand on soude des aciers à haute teneur en carbone. La qualité du soudage est excellente, supérieure à celle du soudage par faisceau d'électrons. La rapidité du soudage dépend de la puissance mise en jeu, mais aussi de la qualité et de l'épaisseur des pièces à souder. Les très hautes puissances accessibles avec les lasers à gaz font qu'ils sont bien adaptés aux gros volumes de production. Le soudage laser est très courant dans l'industrie automobile^[3],[4]. La soudure laser est également utilisée dans l'assemblage des capteurs. En effet, le temps de soudure est très court, la zone affectée thermiquement très faible et donc ce mode d'assemblage permet de ne pas détériorer les composants. Dans l'industrie médicale et dans les implants en particulier (pacemakers, stimulateurs, implants du rachis, ....), c'est l'aspect esthétique de la soudure laser et l'absence d'utilisation de métal d'apport (donc sans modification de la biocompatibilité du matériau initial) qui encouragent le recours à cette technologie.

Avantages du soudage laser par rapport au soudage par faisceau d'électrons :

• le faisceau peut traverser l'air et ne nécessite pas d'être sous vide,

• le système peut être facilement robotisé,

• pas de génération de rayons X,

• meilleure qualité de soudage.

Soudage laser hybride

Il existe un dérivé du soudage laser, le « soudage laser hybride^[5] » qui combine le soudage laser avec la technique du soudage à l'arc comme le Soudage MIG-MAG. Cette combinaison permet une grande souplesse de positionnement des pièces car le soudage à l'arc apporte du métal en fusion pour remplir le joint, et l'usage du laser augmente la vitesse de travail par rapport à ce qui est possible avec le système à arc seul. La qualité du soudage est aussi améliorée^[6].

Types de lasers

• Les deux types de lasers utilisés le plus couramment sont les lasers à solides (surtout les lasers Nd-YAG) et les lasers à gaz (surtout les lasers au dioxyde de carbone).
• Le premier de ces deux types utilise de nombreux milieux amplificateurs solides, comme le rubis synthétique, le chrome dans l'oxyde d'aluminium (alumine), le néodyme-verre (Nd-verre), et le type le plus courant, un cristal composé de grenat d'yttrium aluminium dopé au néodyme (Nd-YAG).
• Les lasers à gaz utilisent comme milieux amplificateurs des mélanges de gaz comme l'hélium, l'azote ou le dioxyde de carbone (CO₂).
• Quel que soit le type, le laser émet des photons formant le faisceau laser lorsque le milieu amplificateur est excité.

Lasers à solide

Les lasers à solide émettent avec des longueurs d'onde de l'ordre du micromètre, bien plus courtes que celles des lasers à gaz, et du coup, les opérateurs sont obligés de porter des lunettes spéciales ou de faire usage d'écrans pour éviter tout problème de rétine. Les lasers Nd-YAG peuvent être opérés indifféremment en mode continu ou pulsé alors que les autres types sont limités au mode pulsé.
Le laser original — toujours aussi populaire — est constitué d'un barreau de cristal d'environ 20 mm de diamètre pour 200 mm de long. Ce barreau est entouré d'un tube flash contenant du xénon ou du krypton. Lorsque le cristal est flashé, il émet un éclair d'environ deux millisecondes. Des cristaux en forme de disques deviennent de plus en plus courants et le tube flash laisse sa place à des DEL de forte puissance. La puissance de sortie d'un laser à rubis est de 10 à 20 mW, alors que celle d'un laser Nd-YAG peut aller de 0,04 à 6 000 W. Pour « transporter » le faisceau laser jusqu'à la zone de soudage on utilise habituellement une fibre optique.

Lasers à gaz

Pour exciter le milieu amplificateur les lasers à gaz utilisent une haute tension à courant faible. Ces lasers peuvent être opérés soit en mode continu, soit en mode pulsé et leur longueur d'onde est de l'ordre de 10 μm. Cette longueur d'onde est absorbée par les fibres optiques et les détruit par échauffement, si bien qu'il faut utiliser des lentilles rigides et des miroirs pour conduire le faisceau du laser au champ de soudage. Les puissances de sortie des lasers à gaz sont très supérieures à celles des lasers à solide et peuvent atteindre 25 kW^[7].

Références

• (en) Cary, Howard B. and Scott C. Helzer (2005). Modern Welding Technology. Upper Saddle River, New Jersey : Pearson Education. ISBN 0-13-113029-3.
• (en) Weman, Klas (2003). Welding processes handbook. New York: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8.
• (en) Kalpakjian, Serope and Schmid, Steven R.(2006). Manufacturing Engineering and Technology5th ed. Upper Saddle River, New Jersey : Pearson Education. ISBN 0-13-148965-8

Notes

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Laser beam welding » (voir la liste des auteurs)

1. ↑ Un acier au carbone est un acier dans lequel le principal constituant de l'alliage est le carbone. (en) On peut consulter l'article de la Wikipedia anglophone : Carbon steel.
2. ↑ L'acier à haute résistance mécanique (High strength low alloy, HSLA) est un alliage qui confère à l'acier des propriétés de résistance mécanique et de résistance à la corrosion supérieures à celles de l'acier au carbone. (en) On peut consulter l'article de la Wikipedia anglophone : HSLA steel.
3. ↑ (en) Cary and Helzer, p 210 — voir section « Références ».
4. ↑ (en) Weman, p 97 — voir section « Références ».
5. ↑ (en) Sur le soudage laser hybride on peut consulter l'article de la Wikipedia anglophone : Laser-hybrid welding.
6. ↑ (en) Weman, p 98 — voir section « Références.
7. ↑ (en) Cary and Helzer, p 209

Voir aussi

• Soudage par faisceau d'électrons
• Liste des différents types de laser

Liens externes

• (en) Soudage avec un double faisceau laser. Un article sur la recherche dans le Welding Journal de 2002.
• (en) Weld morphology and thermal modeling in dual-beam laser welding. Un article sur la recherche dans le Welding Journal de 2002.
• (en) Articles sur le soudage laser. Dans Industrial Laser Solutions Magazine.
• (en) Le soudage laser permet de construire des avions plus légers. Fraunhofer Society Material and Beam Technology - IWS, Dresden, Allemagne (1^er janvier 2005).
• (en) Résultats de recherches sur le soudage laser à l'Institut Maupertuis, Bruz, France (24 février 2010).
• (en) Vidéo sur le laser utilisé dans l'allègement des structures par l'Institut Maupertuis, Bruz, France (24 février 2010).
• (en) Exemples de pièces soudées au laser dans les industries médicale, aéronautique, nucléaire, capteurs