Application du nettoyage laser avant le soudage laser des alliages d'aluminium
Les alliages d'aluminium sont généralement utilisés dans l'industrie automobile et aéronautique en raison de leur légèreté, de leur résistance à la corrosion et de leur flexibilité. Outre l'aluminium, leur principal composant, d'autres éléments tels que le magnésium, le manganèse, le silicium, l'étain, le zinc et le cuivre sont également présents dans les alliages d'aluminium. Les pièces en alliage d'aluminium sont assemblées par différents procédés, tels que la fixation mécanique, le soudage à l'arc et le soudage laser. Pour le soudage laser, on utilise généralement des lasers à disque. Ces lasers se caractérisent par un milieu actif fin entouré d'un dissipateur thermique d'un côté et d'une sortie laser de l'autre. Les fils d'apport, utilisés pour les opérations de soudage classiques, sont également utilisés pour le soudage laser des alliages d'aluminium. La figure 1 illustre le procédé de soudage laser avec fil d'apport.
Figure 1 : Soudage laser avec fil d'apport. Photo : Laser Focus World, Industrial Laser Solutions.
Bien que le soudage laser soit un procédé rapide comparé à d'autres techniques similaires, il présente un problème. Une importante porosité apparaît dans la couche d'oxyde superficielle de l'alliage, ce qui entraîne une réduction de la résistance de l'assemblage d'un facteur 2 ou plus par rapport au matériau de base. Les atomes d'hydrogène, piégés à la surface comme contaminants, sont libérés sous l'effet de la chaleur et se déplacent à l'intérieur de la surface. Une fois la chaleur du soudage laser dissipée et la surface solidifiée, ils créent une porosité. La figure 2 illustre la porosité de la surface due au piégeage de bulles d'hydrogène.
Figure 2 : Apparition de porosité due à des bulles d'hydrogène dans les alliages d'aluminium. Image tirée des produits de soudage et de coupage ESAB.
Le bain d'aluminium en fusion créé par le procédé de soudage laser piège les molécules d'hydrogène et les libère sous forme de porosité lors de la solidification du matériau. D'autres contaminants organiques de surface, tels que l'huile et la graisse, peuvent également contribuer à piéger les molécules d'hydrogène. Les bulles d'hydrogène se déplacent généralement plus lentement que la vitesse de solidification du liquide et sont donc piégées. La vitesse des bulles, qui dépend de plusieurs propriétés telles que le rayon de la bulle, la densité, la viscosité du liquide, etc., peut être calculée. Le diamètre des bulles d'hydrogène piégées est généralement de l'ordre de quelques dizaines de microns.
Outre le piégeage des molécules d'hydrogène dans la couche d'oxyde superficielle de l'alliage, lorsque la fluence laser (puissance surfacique) dépasse une certaine limite (de l'ordre du mégawatt par centimètre carré), lors d'un procédé appelé soudage en trou de serrure, la porosité peut pénétrer dans la masse du matériau. Lorsque le faisceau laser à haute densité énergétique évapore l'alliage d'aluminium, il génère une forte pression de recul et pénètre profondément dans le matériau. Si la tension superficielle du matériau est supérieure à la pression de recul de la vapeur ou si le matériau se solidifie rapidement, les bulles sont piégées dans la zone de chaleur et forment de grandes porosités de l'ordre de 0,5 micron de diamètre. La figure 3 illustre le soudage en trou de serrure et la porosité en trou de serrure.
Figure 3 : Soudure en trou de serrure et porosité en trou de serrure. Image tirée de Research Gate.
Pour résoudre ce problème, un nettoyage laser de la surface de l'alliage d'aluminium peut être effectué avant le soudage laser. Ce nettoyage élimine la totalité ou la majeure partie des contaminants, empêchant ainsi la formation de porosité après exposition à la chaleur du soudage laser. Une étude sur le nettoyage laser d'un alliage d'aluminium contenant de faibles concentrations de cuivre, de fluor et de manganèse (référence 1) a montré qu'en fonction de la puissance du laser, la porosité pouvait atteindre 10 à 90 %. Cependant, un nettoyage laser préalable au soudage a permis de réduire la porosité à moins de 1 % dans tous les cas.
Figure 4 : Nettoyage par laser pulsé d'un alliage aluminium-silicone moulé. Image tirée de YouTube.
Allied Scientific Pro a proposé un système de nettoyage laser de pointe appelé LaserBlast-100 Ce système utilise un laser pulsé à longueur d'onde proche infrarouge et est très efficace pour nettoyer rapidement la contamination à la surface des métaux. Le moteur laser a une puissance de 100 W ou plus et la largeur d'impulsion variable de 10 à 130 ns peut être répétée jusqu'à 55 kHz. La figure 5 illustre ce système de nettoyage laser.
Figure 5:Système de nettoyage LaserBlast100 offert par Allied Scientific Pro.
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Référence : Nettoyage laser avant soudage laser des alliages d'aluminium. Industrial Laser Solutions for Manufacturing, 2015.