La technique du soudage au laser

Le soudage au laser est une technologie de pointe qui a révolutionné l'industrie de la soudure. Dans cet article, nous allons explorer en détails cette méthode de soudage de haute précision. Découvrez comment le soudage au laser offre des avantages uniques par rapport aux méthodes de soudage conventionnelles. 

Le choix de machines pour le soudage au laser

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Un système de soudage laser se compose : 

• D’une alimentation, 

• D’un refroidisseur (laser de grande puissance uniquement), 

• D’un système optique d’acheminement du faisceau (miroirs, fibres ou lentilles),

• D’un optique de focalisation (mise en forme du faisceau), 

• D’optiques de manipulation du faisceau (miroirs), 

• D’un système de serrage et d’un support, 

• D’un système de manipulation de la pièce, 

• D’un système de surveillance et de contrôle. 

Il convient maintenant de distinguer 3 types de laser : 

1. Le laser CO2

Pour fonctionner, un laser doit passer par un milieu amplificateur. Dans le cas du laser CO2, il s’agit d’un mélange de 3 gaz : 

• L’hélium, 

• Le nitrogen, 

• Le dioxyde de carbone.

L’énergie provient de la décharge électrique produite à travers le mélange gazeux. 

La longueur d’onde du faisceau laser produite par le laser CO2 est de 10.6 µm.

2. Le laser YAG

Ce type de laser tire son nom de son milieu amplificateur. En effet, il est constitué d’une électrode YAG, pour Yttrium Aluminium Garnate. Cette électrode est généralement renforcée par environ 1% de néodyme, c’est-à-dire par des cristaux dopés avec des ions.

L’excitation énergétique nécessaire à son fonctionnement est assurée par une lumière à haut débit produite par une lampe flash pulsée.

La longueur d’onde du faisceau est ici de 1.064 µm.

Les avantages du soudage laser YAG sont les suivants : 

• Efficacité, 

• Puissance, 

• Fiabilité, 

• Taille (plus petit qu’un laser CO2). 

3. Le laser fibré

Il s’agit d’un type de laser dont le milieu amplificateur repose cette fois sur des cristaux dopés avec des ions d’ytterbium. L’excitation énergétique est produite par des diodes lasers couplées dans le cœur de la fibre. 

La longueur d’onde du faisceau se situe entre 1.07 µm et 1.09 µm.

Nous allons évoquer son fonctionnement plus précisément dans la prochaine partie. 

Comment fonctionne la soudure par faisceau ? 

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Le soudage laser profite d’une source de chaleur à haute densité et haute puissance pour réaliser un bain de fusion permettant de souder des matériaux ensemble au travers de 2 procédés : 

• Le trou de serrure, 

• La conduction.

Et 3 techniques de soudage : 

• Par transparence (soudure d’une pièce à travers l’autre), 

• En angle ou à clin (pliage de l’arête d’une pièce sur l’autre), 

• En bord à bord.

Dans le cas du trou de serrure, le faisceau laser est plus dense que dans la soudure à conduction, ce qui permet d’avoir une soudure plus étroite, fixée dans une cavité dont l’équilibre est assuré par la pression du plasma. 

La conduction est un procédé moins utilisé, mais plus stable. Il permet d’amener un matériau à son point de fusion sans atteindre son point d'ébullition. Il est utilisé, comme nous allons le voir, pour des alliages particuliers, comme ceux en aluminium. 

Nous allons ici nous intéresser plus particulièrement à deux méthodes de soudage : le soudage au laser fibré et le soudage au laser hybride.

Laser à fibre

Le laser fibré est : 

• Compact, 

• Efficace, 

• Fiable, 

• Stable, 

• De petite taille, 

• Moins cher qu’un laser traditionnel, 

Il est parfait pour faire du micro-découpage, de la micro-soudure et du micro-perçage. Pourquoi ? Parce que la sortie de la fibre est d’une taille inférieure à 10 micromètres, assurant ainsi une très grande précision du faisceau laser. 

Ce laser est construit pour produire une puissance de 500 W avec des diodes refroidies à l’eau ayant une durée de vie de 100 000 heures. Par contre, lorsque le système de refroidissement est à air forcé, la puissance du laser ne peut atteindre que 120 W lorsque la température ambiante est inférieure à 35°C (95°F). 

Il fonctionne en CW (continuous wave),c’est-à-dire en onde continue. Le laser est extrêmement performant, grâce à un BPP (beam parameter product) inférieur à 10 mm mrad.

Il est donc particulièrement utilisé dans : 

• L’électronique, 

• L’aéronautique, 

• L’automobile, 

• Le rail, 

• La construction navale. 

Laser hybride 

Le laser hybride répond à 3 catégories de soudage : 

• Le GTA (Laser-gas Tungsten Arc), 

• Le GMA (Laser-gas Metal Arc), 

• Le laser-plasma. 

Il s’agit donc du mélange de 2 procédés de soudage : 

• Le soudage laser, 

• Le soudage à l’arc électrique. 

Cette conjugaison des méthodes de soudage produit une synergie qui permet : 

• Une plus grande rapidité de soudage, 

• Une meilleure pénétration, 

• Des soudures plus résistantes.

Tout cela est rendu possible par la très grande complémentarité de ces 2 techniques. En effet, le succès de la méthode repose dans le positionnement de l’arc et du laser, pour que l’un puisse compenser les faiblesses de l’autre.

Ainsi, une zone d’interaction commune est créée entre le laser et l’arc électrique. La source de chaleur peut être placée en première position sur une même ligne, ou parallèlement.

Dans le premier cas, l’arc électrique va servir à préchauffer la zone à souder, pour permettre au laser d’effectuer un travail plus efficace. Le laser utilise moins d’énergie pour chauffer le matériau, ce qui limite la perte d’énergie par conduction.

Dans le second cas, une certaine distance est maintenue entre les 2 sources de chaleur. Le but est de réchauffer le point de soudure une fois que celui-ci est réalisé, pour changer sa microstructure. 

Ce ne sont pas les seuls avantages de cette technique. Le laser offre également une meilleure stabilité à l’arc électrique, qui est attiré vers celui-ci, permettant une plus grande pénétration du laser dans le matériau. 

Les lois physiques qui se produisent durant le processus de soudure sont encore mal comprises. Toutefois, les professionnels du secteur considèrent que ce type de soudage peut encore être optimisé, notamment pour que les soudures aient encore moins : 

• De fissures, 

• De phases cassantes, 

• De distorsion thermique. 

Métaux pouvant être soudés au laser 

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Aluminium 

Le soudage laser est une technique qui permet de souder de l’aluminium. Toutefois, la qualité de la soudure ne sera pas toujours la même, car il faut savoir que les propriétés de l'aluminium le rendent : 

• Hautement conducteur thermiquement, 

• Très réflectif (peut être supérieur à 80%), 

• Peu visqueux. 

Du fait de sa conductivité thermique,pour souder l’aluminium, le laser doit dès lors être plus puissant que pour souder un autre matériau. Toutefois, cette propriété change en fonction des alliages qui sont ajoutés à l’aluminium. Le Zinc et le Magnésium, notamment, vont améliorer la soudabilité de l’aluminium. 

Quelle est la conséquence de la réflectivité de l'aluminium pour la soudure laser ? L'aluminium ne va absorber qu’une faible partie du rayonnement. Pour limiter sa réflectivité, l’aluminium peut :

• être poli, 

• faire l’objet de traitements comme le sablage, 

• être texturé au laser. 

Pour ce qui est de sa faible viscosité, à ce jour, aucune solution n’a été trouvée pour contrebalancer cette propriété. 

Acier 

Le soudage de l’acier au laser dépend de la composition de l’alliage qui le constitue. Selon sa composition, le coefficient de conductivité thermique est modifié. Ainsi, le molybdène accroît ce coefficient de manière importante, tandis que le nickel et le cuivre ne l’augmentent que de manière modérée. 

À l’inverse, un alliage constitué d’aluminium et de silicium le réduit, tout comme le chrome, le vanadium, l’étain et l’antimoine.  

Acier inoxydable

Principalement utilisé dans l’aérospatial, l’automobile (systèmes d’airbags), la défense et le milieu médical, l’acier inoxydable peut être soudé au laser. Toutefois, pour ne pas créer de défauts dans les soudures, voire de corrosion ou d’oxydation du matériau, il convient de distinguer : 

• L’acier inoxydable austénitique, dont la faible conductivité thermique convient parfaitement à la soudure laser, 

• L’acier inoxydable ferritique et martensitique bien plus difficiles à souder.

Le titane

Le titane peut être soudé au laser. Toutefois, il convient de distinguer 3 types de titane : 

• La phase alpha (titane quasiment pur), 

• La phase bêta (alliage métastable), 

• L’alliage biphasé alpha-bêta. 

La phase alpha dispose d’une très bonne soudabilité grâce à sa résistance et à sa force. Il en va de même pour l’alliage biphasé. Par contre, l’alliage métastable a une très mauvaise soudabilité, du fait d’une dégradation de sa force après soudage.  

Autres matières pouvant être soudées

Le verre

Le verre n’est encore que très rarement assemblé par soudage. La raison repose sur le fait que les lasers les plus utilisés dans l’industrie sont des lasers au CO2. Or, ces derniers causent des craquement dans les verres qui ne sont pas dotés d’un faible coefficient d’expansion thermique. 

Toutefois, le laser à pulsations ultra-courtes (USPL, pour Ultrashort Pulse Laser) est une technologie qui permet aujourd’hui de souder ensemble des pièces en verre. Il a l’avantage de : 

• Ne pas fissurer le verre, 

• Ne pas avoir à préchauffer ou post-chauffer la zone soudée, 

• Pouvoir souder du verre quel que soit son coefficient d’expansion thermique. 

Plastique et thermoplastique

Sur les plastiques et les thermoplastiques, les avantages du soudage laser sont nombreux par rapport aux autres techniques, car : 

• Sa source de chaleur est particulièrement contrôlable, 

• La localisation et la taille du point de soudure sont précises, 

• La résolution du faisceau peut être inférieure à 100 micromètres,

• Ce soudage permet de réaliser des joints aux formes complexes.

Avantages du soudage au laser

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La soudage au laser comprend 4 principaux avantages:

• La soudure laser fonctionne avec de nombreux matériaux.

• Le point de soudure est précis.

• La soudure laser s’adapte à de nombreuses épaisseurs.

• Elle possède des caractéristiques exceptionnelles.

1. Soudage laser et matériaux

Nous allons le voir plus en détails par la suite, mais le laser permet de souder de nombreux matériaux : 

• Acier, 

• Acier inoxydable, 

• Titane, 

• Aluminium, 

• Verre, 

• Plastiques et thermoplastiques. 

2. Point de soudure précis

Comme nous le verrons dans la dernière partie de cet article, consacré aux plastiques et thermoplastiques, la résolution du faisceau peut être inférieure à 100 micromètres. C’est la raison pour laquelle les lasers sont utilisés dans la mécanique de précision, par exemple. 

3. Soudure laser et épaisseur

Le soudage laser permet de souder des pièces de plastique ou de métal d’une épaisseur comprise entre 0.01 mm et 50 mm. 

4. Les caractéristiques du soudage laser 

La densité de puissance d’un rayon laser est plus élevée que celle produite par la soudure à l’arc ou au plasma. Elle offre donc 2 caractéristiques exceptionnelles au point de soudure : 

• L’étroitesse, 

• La profondeur. 

En plus de cela, voici d'autres caractéristiques de cette technique:

• Haute qualité, 

• Grande précision, 

• Hautes performances, 

• Rapidité d’exécution, 

• Importante flexibilité, 

• Faible distorsion. 

Nous pourrions nous limiter à citer 6 qualités du soudage laser, s’il n’était pas possible de robotiser le process. Grâce à la robotisation, le soudage laser permet de réduire les coûts de main-d'œuvre et de construire des lignes de production efficientes dans les usines.