L'évolution de la technologie de soudage au laser

La technologie de soudage au laser a progressé pour devenir le processus de choix pour les fabricants de métaux et les fabricants en raison de sa variété époustouflante d'applications.

Note de l'éditeur : Ce qui suit est basé sur "Introduction to Industrial Laser Welding", présenté par Tom Kugler, responsable des systèmes de fibres, Laser Mechanisms Inc., à FABTECH, du 13 au 16 septembre 2021, Chicago.

Le soudage au laser a imprégné la fabrication de métaux de précision haut de gamme. La technologie joue un rôle vital dans l'automobile, la fabrication de dispositifs médicaux et dans les pièces pour l'aérospatiale et l'électronique de précision. Il apparaît maintenant dans plus d'endroits que jamais, du plus grand OEM à l'atelier de tôlerie de précision.

Au fur et à mesure que le soudage au laser a évolué, il est devenu extraordinairement flexible. La grande variété de soudage que les lasers peuvent effectuer est vraiment époustouflante. Comprendre comment les lasers accomplissent tout cela commence par connaître les principes fondamentaux - comment un faisceau de lumière fusionne deux métaux ensemble.

Les métaux, en général, sont très réfléchissants à la lumière. Un laser concentre et focalise cette lumière pour surmonter la réflectivité. Lorsque suffisamment d'énergie du faisceau est absorbée, le métal commence à se liquéfier.

Tout cela commence lorsque l'optique - soit un miroir incurvé, soit une lentille à surface incurvée - focalise la lumière jusqu'à une taille de spot pouvant aller de quelques dizaines à quelques centaines de microns de diamètre. Une telle focalisation crée une densité de puissance extrême.

L'optique transparente à utiliser dépend du laser et de sa longueur d'onde. Les lasers CO2 émettent une longueur d'onde de 10,6 microns. Le verre standard n'est pas transparent à cela, c'est pourquoi ces lasers utilisent un matériau de lentille alternatif comme le séléniure de zinc (ZnSe). Les lasers à un micron, y compris la fibre, le disque et le YAG, utilisent de la silice fondue ou du verre.

Les lentilles ZnSe concentrant le faisceau de 10,6 microns d'un laser CO2 ont une excellente conductivité thermique, ce qui rend l'optique un peu plus indulgente pour les débris. Malheureusement, il n'y a pas de matériau rentable qui présente une conductivité thermique similaire avec le laser 1 micron, ce qui signifie que l'environnement de focalisation doit rester propre et avoir des optiques en verre ou en silice fondue de bonne qualité.

Les applications de soudage qui nécessitent des puissances laser élevées peuvent créer des débris inévitables. Dans ces cas, des miroirs sont utilisés pour focaliser le faisceau au lieu d'optiques transparentes. Les miroirs de focalisation sont courants dans les applications de soudage au laser CO2 utilisant 5 kW ou plus de puissance laser. Les lasers à un micron, y compris la fibre et le disque, utilisent également des miroirs pour des puissances laser plus élevées. Une configuration courante implique un faisceau (horizontal par rapport à la surface de travail) frappant un miroir parabolique qui réfléchit le faisceau vers le bas.

L'optique laser concentre le diamètre du faisceau brut pour créer une profondeur de champ, où le faisceau a une intensité suffisante pour traiter le matériau. Le point le plus étroit sur la taille du faisceau est la taille du spot. La distance focale est la distance entre l'objectif et le point focal (voir Figure 1).

Toutes ces variables sont interdépendantes. Plus la distance focale est courte, plus la taille du spot est petite et plus la profondeur de champ est faible. Et chacun de ces paramètres peut être ajusté pour optimiser un procédé de soudage. Par exemple, l'extension de la distance focale peut modifier la position de mise au point et augmenter la profondeur de mise au point, ce qui peut augmenter la pénétration de la soudure.

FIGURE 1. Des variables telles que le diamètre du faisceau, la profondeur de champ, la taille du spot et la distance focale sont toutes en corrélation.

Un autre facteur est la qualité du faisceau, ou la focalisation innée du faisceau laser. Cela ne peut pas être ajusté - cela varie selon le type et la conception du laser - mais le paramètre affecte la façon dont on compose le processus global. Les lasers avec la meilleure qualité de faisceau sont appelés lasers monomodes, qui ont un faisceau purement gaussien ou TEM00 avec un profil de densité de puissance très intense au centre et moins intense près des bords. La haute qualité du faisceau permet d'obtenir une plus grande profondeur de champ, ce qui ouvre à son tour une multitude de possibilités de traitement.

Tous les types de laser courants ont des versions monomodes avec une qualité de faisceau élevée, mais l'impact de cette qualité de faisceau élevée dépend de la longueur d'onde du laser. Un laser CO2 monomode à 10,6 microns aura une taille de spot 10 fois plus grande qu'un laser à fibre avec une longueur d'onde de 1 micron. En général, une longueur d'onde plus courte signifie également une taille de point focal plus petite.

Encore une fois, le but de la focalisation est de surmonter la réflectivité naturelle du métal. Le métal liquide absorbe plus d'énergie lumineuse que le métal solide, donc lorsque le métal entre dans sa phase liquide, l'absorption d'énergie augmente considérablement, à tel point qu'il commence à transformer le bain de soudure liquide en une forme concave. Cette forme concave a tendance à diriger l'énergie vers le centre du bain de soudure. Une fois que le bain de fusion devient profondément concave, il commence à absorber la majeure partie de l'énergie laser et à n'en refléter qu'environ 5 %. Le point auquel la réflectivité initiale d'un métal tombe à 5% et moins est lorsque le processus se couple au matériau.

Dans un sens, le soudage au laser est comme une mauvaise découpe au laser. Au lieu d'enlever le métal, il le liquéfie de manière contrôlée. Comme pour la découpe, un laser peut utiliser plus de puissance pour souder plus rapidement et plus épais. Mais le processus ne repose pas sur l'avantage aérodynamique du flux de gaz d'assistance, évacuant le métal en fusion, et ne peut pas non plus tirer parti de la réaction de combustion du fer et de l'oxygène. Au lieu de cela, un bon soudage au laser doit permettre une fusion contrôlée et utilise souvent des gaz pour éviter une oxydation importante.

La dureté du matériau n'a pas d'importance. Il est plus facile de souder au laser le titane et les superalliages que l'aluminium. À l'inverse, la réflectivité et la conductivité thermique sont très importantes car elles affectent toutes la façon dont un métal particulier absorbe l'énergie du faisceau. Les matériaux avec une très bonne conductivité thermique, tels que l'or et l'argent, peuvent présenter des défis dans le soudage au laser. Les matériaux dissipateurs de chaleur comme le cuivre, qui ont une diffusivité thermique élevée (comment un matériau disperse la chaleur) peuvent également être difficiles. Cela dit, les lasers à fibre et à disque modernes ont une densité de puissance suffisante dans leurs faisceaux pour surmonter ces problèmes.

Contrairement à la découpe au laser, le soudage au laser introduit également des considérations plus métallurgiques. La découpe au laser transforme une pièce en deux. Le soudage au laser implique des facteurs métallurgiques tels que la résistance, la porosité, la fragilité et la microfissuration.

Le soudage au laser produit trois types courants de bains de fusion : un peu profond produit par soudage en mode conduction ; une dépression profonde et étroite créée par le soudage en mode trou de serrure ; et une dépression momentanée (généralement quelque part entre le trou de serrure et le mode de conduction) créée par une soudure en mode pénétration, qui utilise généralement un laser pulsé (voir la figure 2).

Mode de conduction et mode trou de serrure. Ceux qui connaissent le soudage à l'arc sous gaz métallisé (GMAW ou MIG) connaissent le bain de fusion en mode conduction et sa section transversale en demi-cercle. Une petite taille de point laser chauffe la pièce juste assez pour créer une fusion. La chaleur se propage du centre de la piscine vers l'extérieur, de sorte que la piscine est plus chaude au centre et plus fraîche sur ses bords.

Les soudures en mode trou de serrure sont tout le contraire. Ici, le laser a une intensité suffisante pour amener le métal liquide à son point d'ébullition et expulser le métal vaporisé de la surface à grande vitesse. Le métal en vaporisation pousse le métal liquide vers le bas, créant un trou de serrure étroit (voir la figure 3).

Ce trou de serrure crée effectivement une sorte de canal pour le faisceau laser, ce qui modifie la façon dont il chauffe et fait fondre le métal environnant. Un trou de serrure de soudure peut avoir une profondeur de 10 mm mais seulement 1,5 mm de large, et donc pour réaliser une soudure, le processus n'a qu'à faire fondre et resolidifier le métal entourant ce trou de serrure de 1,5 mm.

FIGURE 2. Le soudage en mode conduction (à gauche) crée une fusion large et peu profonde lorsque la chaleur est conduite du centre de la piscine vers l'extérieur. Le soudage en mode pénétration crée un bain de soudure plus profond qu'une soudure en mode conduction, mais il n'est pas aussi étroit et profond qu'une soudure en mode trou de serrure.

Comparez cela avec le soudage en mode conduction. Le laser produit un bain qui peut mesurer 10 mm de profondeur, mais la chaleur du faisceau se dirige vers l'extérieur pour créer un bain de fusion de 20 mm de large où tout le métal doit être liquéfié et resolidifié. Cela ne rend pas le soudage en mode conduction intrinsèquement mauvais, bien sûr. Il est simplement utilisé pour atteindre différents objectifs, tels que des joints d'angle et des soudures esthétiquement parfaits dans des matériaux minces. Au-delà du soudage, le mode de conduction est utilisé pour le placage au laser, ce qui permet d'obtenir une très faible dilution entre le placage et le matériau de base, ainsi que les applications additives.

Mode de pénétration. Le soudage en mode pénétration utilise des lasers pulsés, qui ont des puissances de crête élevées mais des puissances moyennes faibles. Par exemple, un laser pulsé d'une puissance moyenne de 150 W peut avoir une puissance de crête de 1 500 W. Pensez à frapper un clou avec un marteau. Si vous placez simplement le marteau sur la tête du clou, rien ne se passe ; ce serait comme essayer de souder avec seulement 150 W de puissance. Si vous balancez le marteau et frappez le clou de la bonne manière, il peut s'enfoncer complètement après un seul coup ; c'est le soudage par impulsions avec une puissance de crête élevée.

Le soudage en mode pénétration ne crée pas de dépression étroite comme le soudage en mode trou de serrure, mais il peut créer un bain de soudure plus profond que large. Il aide également à contrôler l'apport de chaleur tout en créant un bain de soudure beaucoup plus large qu'un trou de serrure.

Les impulsions peuvent être ajustées et façonnées pour l'application. Par exemple, une impulsion mise en forme est une forme temporelle dans laquelle la puissance de crête du laser est ajustée dans le temps. Ceci est souvent utilisé pour ralentir la vitesse de refroidissement et minimiser la fissuration dans les matériaux à haute teneur en carbone. D'autres formes d'impulsions améliorent le pic initial, augmentant l'absorption dans l'aluminium et d'autres matériaux hautement réfléchissants. Parfois, les impulsions initiales sont utilisées pour nettoyer la surface du matériau des débris, des oxydes ou des huiles avant que les impulsions suivantes ne créent le bain de fusion et ne commencent le soudage.

La stabilité du trou de serrure est importante, en particulier dans les soudures à pénétration partielle. En fait, de nombreuses applications spécifient une pénétration complète pour atténuer ces problèmes de stabilité en trou de serrure.

Parfois, en raison de la conception du joint ou d'autres caractéristiques de la pièce, un trou de serrure à pénétration complète n'est tout simplement pas une option. Un trou de serrure à pénétration partielle, cependant, a plus de chances de se déplacer de haut en bas au fur et à mesure que la soudure progresse. Ce mouvement peut laisser des vides qui se bouchent avec du liquide, créant un pore.

Le principal problème avec les lasers 1 micron est la diffusion du faisceau causée par la suie qui flotte pendant le soudage. Cela modifie le point de focalisation et réduit la puissance du laser. Le trou de serrure lui-même peut se déplacer vers la gauche ou la droite, selon l'endroit où se trouvent les concentrations de suie. Un tel mouvement empêche une vaporisation constante du métal, ce qui peut finalement provoquer l'effondrement du trou de la serrure.

Le bon débit de gaz aide ici, évacuant les impuretés et autres éléments indésirables de la zone de soudure. Lors de l'utilisation d'un laser à fibre ou à disque, les jets de gaz d'assistance éloignent la suie de la zone de soudage, souvent dans une zone de collecte des fumées.

Les faisceaux laser CO2 n'interagissent pas avec la suie, mais ils interagissent avec le panache au-dessus de la soudure. Le problème commence par la façon dont le faisceau de 10 microns interagit avec les électrons libres du panache. Une fois que le panache absorbe suffisamment de photons, il devient une boule blanche de plasma qui arrête efficacement la soudure au laser. Pour éviter cela, les systèmes de soudage au laser intègrent des jets de gaz qui poussent le panache vers le métal solidifié à la fin de la zone de soudure.

Parce que sa phase liquide est de très courte durée, le soudage au laser induit très peu d'oxydation, ce qui signifie que le gaz de protection n'est souvent pas nécessaire. Pourtant, certaines applications, en particulier dans l'industrie médicale, ne nécessitent presque aucune oxydation, et donc ces configurations de soudage au laser utilisent souvent une sorte de gaz de protection.

FIGURE 3. Dans le soudage en mode trou de serrure, le faisceau vaporise le métal pour créer une dépression étroite, partiellement ou complètement à travers le joint. Minimiser les turbulences est essentiel. La turbulence dans le trou de la serrure provoque une instabilité, ce qui amène le métal liquide à sceller les vides et à créer des pores.

Dans de nombreux cas, une application de soudage au laser peut ne pas nécessiter de gaz de protection, mais elle nécessite un gaz d'assistance au soudage, qui aide à évacuer les impuretés et les éléments indésirables tels que la suie des soudures au laser à fibre et les panaches de plasma des soudures au laser CO2. Certaines applications utilisent le gaz comme une sorte de blindage qui supprime la formation de panache de plasma. D'autres utilisent des lames d'air qui chassent les étincelles et autres débris des optiques de soudage sensibles.

Une grande partie du soudage au laser se produit sans métal d'apport, mais certaines applications l'exigent. Le métal d'apport est généralement ajouté soit pour combler un certain écart, soit pour des raisons métallurgiques, comme pour contourner les problèmes de fissuration.

Une charge de nickel peut résoudre les problèmes de fissuration de certains alliages à base de fer et aciers inoxydables. Pour l'aluminium, une charge à haute teneur en silicium de la série 4000, comme la 4047, est parfois utilisée pour souder deux aluminiums de la série 6000 ensemble.

En ce qui concerne les espaces acceptables entre les métaux de base, la règle empirique traditionnelle est de ne pas avoir d'espace supérieur à 10 % de l'épaisseur du matériau de base le plus fin. C'est juste une règle générale et peut changer en fonction de l'épaisseur du matériau et de l'application. Les nouvelles technologies laser, cependant, permettent des écarts plus importants, c'est là que la manipulation du faisceau entre en jeu.

Ceux qui produisent des ébauches soudées sur mesure sont confrontés à un défi avec chaque soudure bout à bout qu'ils réalisent : ils soudent deux métaux de base d'épaisseurs différentes. Pour optimiser le processus, certains ont utilisé le soudage laser avec une double optique dans laquelle un prisme divise le faisceau laser en deux points de focalisation. La puissance peut être ajustée d'un point à l'autre pour des résultats optimaux, surmontant tout écart excessif ainsi que les défis liés au soudage de deux épaisseurs de matériau différentes.

Des configurations similaires peuvent produire plusieurs points de focalisation, soit à l'aide d'un prisme ou d'un miroir à facettes, en soudage continu ou dans une configuration de soudage par points avec un laser pulsé. Certaines têtes de soudage ont des prismes qui peuvent produire trois ou même quatre points simultanément.

Des têtes spéciales avec optique diffractée ou sculptée prennent la sortie laser et créent un foyer rectangulaire avec une densité de puissance uniforme. Cela peut bien fonctionner dans certaines applications de soudage, mais c'est plus courant dans le traitement thermique et le revêtement, en particulier les applications de revêtement laser alimentées par fil qui nécessitent des niveaux précis de dilution entre le revêtement et le métal de base et des taux de dépôt élevés. Certains peuvent déposer des matériaux à des taux allant jusqu'à 20 kg par heure.

D'autres applications utilisent des miroirs pilotés par galvanomètre pour déplacer plus rapidement le point de mise au point. Ceci est courant pour les configurations de soudage laser à distance (où la distance de mise au point peut être d'un mètre ou plus) dans lesquelles les galvos déplacent le spot du faisceau d'une zone à l'autre presque instantanément. D'autres utilisent des dispositifs optomécaniques pour déplacer le point, comme une configuration dans laquelle des prismes en coin rotatifs créent une trajectoire circulaire à déplacement rapide (voir la figure 4).

Certaines applications avancées déplacent le point dans un petit chemin circulaire précis pour créer un point plus grand, et d'autres balayent le faisceau pour créer une interface plus large entre la soudure et le métal de base. Ce mouvement fonctionne souvent en conjonction avec des lasers pulsés à puissance de crête élevée qui aident à décomposer la réflectivité, comme lors du soudage du cuivre à l'aluminium.

Une autre avancée récente est le soudage par agitation au laser (LSW) ou soudage oscillant, un processus qui manipule le faisceau dans un chemin circulaire continu ou autre, conçu pour lisser la surface de soudure, augmenter la largeur et éliminer la porosité. À une puissance laser élevée et à une vitesse de rotation lente, LSW crée un bain de fusion continu avec une grande zone de fusion, permettant au gaz de s'évacuer et au liquide de "guérir" les vides (voir Figure 5).

FIGURE 4. Deux prismes en coin tournent pour envoyer le faisceau laser dans une trajectoire circulaire.

Dans certaines applications LSW, le faisceau tourne si rapidement que le métal fondu se solidifie littéralement juste derrière lui. Dans ces cas, le but n'est pas d'augmenter la résistance de la soudure ou de créer un grand bain de fusion et d'éliminer la porosité, mais plutôt de composer les caractéristiques de résistance entre les métaux de base. Le soudage de cette manière minimise l'apport de chaleur tout en augmentant la section de soudure, ce qui réduit la résistance.

Aujourd'hui, le soudage au laser est synonyme de qualité. À titre d'exemple, certains des systèmes monomodes les plus avancés ont créé des soudures en trou de serrure précises qui, lorsque leur microstructure est examinée, ne ressemblent pas du tout à des soudures. Seule la ligne la plus faible existe entre le métal de base et le bain de fusion. Cette qualité provenait d'un laser à fibre monomode avec une taille de spot extrêmement petite combinée à une très grande profondeur de champ. Ces soudures n'étaient tout simplement pas possibles jusqu'à récemment.

Au fil des ans, les lasers ont rendu soudables ce qui était auparavant impossible à souder, et ils ont simplifié et accéléré les processus auparavant longs et ardus. On pense aux joints d'angle soudés en mode conduction. Les lasers les soudent en un seul passage et les pièces passent directement à l'assemblage final sans meulage ni polissage. Ils ont l'air parfaits tels quels. La soudure elle-même est peut-être un peu plus rapide, mais c'est la qualité qui fait vraiment briller le laser.

FIGURE 5. Le soudage par agitation au laser déplace le faisceau sur une trajectoire circulaire pour créer une soudure plus large.