Introduction:
Avant de commencer cette note technique décrivant le rôle des lasers en soudage, il est nécessaire d'expliquer les différents types de soudage qui seront abordés plus loin dans l'article. Il existe deux principaux types de soudage : le soudage par points et le soudage à la molette. Le soudage par points utilise une électrode à un seul point, tandis que le soudage à la molette utilise une électrode à roue rotative pour réaliser une soudure par résistance roulante. Le soudage à la molette est continu le long du joint, tandis que le soudage par points est réalisé en un seul point.
Plusieurs types de lasers sont utilisés pour le soudage laser. Selon l'application, il est nécessaire de choisir le type de laser à utiliser. Les lasers Nd:YAG sont les plus populaires et possèdent le plus grand parc installé. Ils sont couramment utilisés pour le soudage à la molette. Leur puissance est modérée (de l'ordre de 20 W). Les lasers à fibre, plus puissants (de l'ordre de quelques centaines de watts), sont également utilisés pour le soudage à la molette. Leur puissance pouvant atteindre plusieurs kilowatts, ils peuvent être utilisés pour des applications avec une profondeur de pénétration allant jusqu'à 0,25 pouce. Les lasers à diode font également partie d'une technologie établie et sont utilisés pour le soudage laser du plastique destiné aux feux arrière des voitures dans l'industrie automobile [Réf. 1]. La figure 1 illustre ces trois types de lasers pour le soudage.
Figure 1 : De gauche à droite, laser Nd:YAG, laser à fibre et laser à diode pour les applications de soudage [Réf. 2, Réf. 3, Réf. 4]
Effet chauffant du laser :
Le laser doit chauffer le matériau pour le faire fondre et permettre le soudage. La figure 2 illustre les différents effets du laser sur le réseau.
Figure 2 : effet de chauffage du laser sur le réseau [Réf 1]
Modes de soudage laser :
Il existe trois modes de soudage laser : le soudage par conduction, le soudage par trou de serrure de transition et le soudage par trou de serrure de pénétration. La figure 3 ci-dessous illustre ces trois modes.
Un titre percutant
Figure 3 : Différents modes de soudage laser [Réf. 1]
La différence entre ces trois modes réside principalement dans la puissance du laser utilisé. Les seuils d'irradiance sont de 0,5 MW/cm², 1 MW/cm² et 1,5 MW/cm² pour chacun de ces modes.
Différents paramètres affectant l'opération de soudage :
a) Fonctionnement en onde pulsée et continue
Le soudage par points utilise généralement un fonctionnement pulsé. Cependant, pour le soudage à la molette, le choix dépend de l'apport de chaleur et de la durée du cycle. Le laser pulsé est utilisé pour minimiser la chaleur, mais pour les applications plus rapides, comme les initiateurs d'airbags, le mode continu est privilégié.
b) Stabilité de la puissance laser
Afin d'avoir une soudure correcte, la stabilité de puissance du laser doit être de +/- 3% sinon la soudure ne sera pas uniforme.
c) Longueur d'onde
Certaines longueurs d'onde sont fortement réfléchies par certains matériaux, comme par exemple la longueur d'onde de 1 μm par le cuivre. Le choix de la longueur d'onde est crucial dans le choix du laser. La figure 4 montre que la longueur d'onde de 1 064 nm n'est pas un bon choix pour le soudage du cuivre, car la qualité de la soudure est assez médiocre, comme le montre la figure. En revanche, la longueur d'onde de 532 nm est un meilleur choix pour le soudage du cuivre.
Figure 4 : Soudage du cuivre à l'aide d'un laser à 1 064 nm (à gauche) et à 532 nm (à droite) [Réf. 1]
d) Augmentation de la puissance
Pour obtenir une soudure de qualité, la puissance doit être augmentée et diminuée progressivement au début et à la fin du soudage laser. Sinon, la qualité de la soudure sera compromise. La figure 5 illustre un soudage laser correct, où la puissance a été diminuée progressivement à la fin, ce qui garantit une soudure de bonne qualité.
Figure 5 : Diminution de la puissance du laser à la fin de la soudure [Réf. 1]
Partage du temps et partage de l'énergie :
Le laser peut partager son faisceau avec plusieurs sorties différentes grâce à des séparateurs de faisceaux : on parle alors de partage d'énergie. Il peut également partager le temps lorsque les sorties s'allument et s'éteignent à des moments différents. Ces deux schémas sont illustrés à la figure 6.
Figure 6 : Schémas de partage du temps et de l'énergie [Réf. 1]
Paramètres optimaux du laser pulsé :
Dans cet article, nous parlons de lasers pulsés, tant pour les lasers pulsés de largeur d'impulsion nanoseconde que pour les lasers continus modulés de largeur d'impulsion μs. La puissance de crête du laser, la largeur d'impulsion et la fréquence de répétition des impulsions sont des paramètres importants pour le soudage laser. L'importance de chacun de ces paramètres est décrite ci-dessous :
● Dans les deux cas, que ce soit avec un laser pulsé ou un laser continu modulé, la puissance de crête est un paramètre important à optimiser. Elle est essentielle pour le soudage laser et détermine la profondeur de pénétration.
● La largeur d'impulsion est un paramètre de réglage fin. Elle permet de contrôler la largeur et la stabilité de la soudure. Elle permet également d'ajuster précisément la profondeur de pénétration de la soudure. L'augmentation de la largeur d'impulsion augmente le volume de la zone de conduction, produisant ainsi une soudure plus profonde.
● Le chauffage transmis par le laser au matériau est contrôlé par la fréquence de répétition des impulsions.
Paramètres laser CW optimaux :
Les lasers CW sont principalement utilisés pour le soudage pour des applications de vitesse et de pénétration plus profonde, contrairement aux lasers pulsés, davantage réservés aux applications de précision. Les lasers CW peuvent être utilisés pour tous les modes de soudage, de la conduction à la pénétration de trous de serrure.
Avantages du soudage laser par rapport aux méthodes de soudage traditionnelles :
Les méthodes traditionnelles de soudage à l'arc, telles que le TIG (gaz inerte tungstène) et le MIG (gaz inerte métal), utilisent un gaz de protection pour créer une atmosphère inerte autour de la tête de soudage, produisent une excellente finition et sont idéales pour le soudage de petites pièces métalliques. Cependant, ces techniques requièrent une certaine habileté manuelle et présentent plusieurs inconvénients, tels que le transfert de chaleur vers les zones environnantes, susceptible d'entraîner des déformations, et l'utilisation de consommables. Le soudage laser, grâce à un faisceau très focalisé, présente les avantages suivants [Réf. 5] par rapport aux méthodes à l'arc :
● Il n'y a aucun contact entre la tête laser et le métal
● La production de ferraille est minimisée
● Le transfert de chaleur vers les pièces environnantes est minimal en raison des impulsions courtes
● Les composants miniatures peuvent être soudés avec précision à l'aide du faisceau laser étroitement focalisé (aussi petit que quelques millièmes de pouce)
● En raison de l'étroitesse du faisceau, le rapport profondeur/largeur de la soudure est élevé et, par conséquent, la résistance de la soudure est excellente.
● La déformation est minimisée grâce à la chaleur générée par de courtes impulsions.
Allied Scientific Pro a développé un système de soudage laser à fibre. Le lien suivant fournit plus d'informations sur ce système.
https://aspadmin-asensetek. odoo.com/ shop / category /lasers- laser-welding-64
Références :
1- Livre blanc sur le soudage laser par AMADA.
2- https://www.assemblymag. com/ articles /90909-diode-lasers-for-
3- https://www.slideshare. net / vardaan2009/pulsed-nd-yag- laser-welding
4- https://www.youtube.com/ watch?v= xbiXeAORkeQ
5- Les avantages des méthodes de soudage laser par rapport aux méthodes de soudage traditionnelles, article en ligne, Laser Star Education, 6 avril 2015.