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Qu'est-ce que le soudage laser ?

Qu'est-ce que le soudage au laser

Qu'est-ce que le soudage laser ?

Le soudage au laser est un processus qui utilise un faisceau laser de haute précision pour assembler des métaux ou des thermoplastiques pour former une soudure. En tant que source de chaleur concentrée, le soudage au laser peut souder des matériaux minces à des vitesses de soudage élevées. Dans les matériaux plus épais, cependant, des soudures étroites et profondes peuvent être réalisées entre des pièces à bords droits.
Table des matières
Machine de soudage au laser

Qu'est-ce que le soudage laser ?

Le soudage au laser ou soudage par faisceau laser (LBW) est un processus qui utilise une source de chaleur concentrée sous la forme d'un laser pour faire fondre des matériaux qui fusionnent en refroidissant. Le soudage au laser est un procédé polyvalent car il permet de souder rapidement des matériaux minces tout en formant des soudures étroites et profondes sur des matériaux plus épais.
Le soudage au laser utilise un faisceau laser de haute précision pour faire fondre les métaux et les thermoplastiques, de sorte que l'exactitude et la précision du processus entraînent une faible distorsion thermique, ce qui le rend idéal pour le soudage de matériaux sensibles. Ce processus est généralement automatisé, permettant des taux de soudure élevés.
Bien que les machines de soudage au laser coûtent plus cher que les procédés de soudage traditionnels, les coûts d'exploitation sont inférieurs car le soudage au laser ne nécessite pas nécessairement de matériau d'apport supplémentaire ni de post-traitement. De plus, des vitesses de soudage plus élevées permettent de produire plus de pièces par heure. La technologie de soudage au laser est très différente des procédés de soudage à l'arc traditionnels tels que TIG, MIG et SMAW. Les applications de soudage modernes utilisent des robots programmables dotés d'optiques avancées pour localiser une zone de la pièce.
Machine de soudage au laser

Types de soudage au laser

Le soudage au laser fonctionne selon deux modes différents : le soudage par conduction thermique et le soudage par trous profonds. Ils ont tous des principes de fonctionnement uniques adaptés à des applications spécifiques, et le mode dans lequel le faisceau laser interagit avec le matériau qu'il soude dépendra de la densité de puissance à laquelle le faisceau frappe la pièce.

Soudage par conduction thermique

Dans cette méthode, un faisceau laser focalisé est utilisé pour faire fondre la surface du substrat. Ce processus est généralement effectué avec un laser de faible puissance inférieure à 500 W et est principalement utilisé pour produire des soudures qui ne nécessitent pas une résistance de soudage élevée. Lorsque le joint refroidit et se solidifie, il produit une soudure précise et lisse. Les soudures créées à l'aide de méthodes de transfert de chaleur ne nécessitent généralement aucune finition supplémentaire et sont prêtes à l'emploi.
Dans les méthodes de soudage par conduction thermique, l'énergie pénètre dans la zone de soudure uniquement par conduction thermique, ce qui limite la profondeur de soudure, de sorte que le processus est idéal pour assembler des matériaux minces. Ce type de soudure est souvent utilisé pour les soudures apparentes où l'esthétique est recherchée.
Il existe deux sous-catégories de soudage par conduction thermique :
  • Chauffage direct - La possibilité d'appliquer un faisceau laser directement sur une surface métallique.
  • Transfert d'énergie - Une encre absorbante est appliquée sur la couture pour absorber l'énergie appliquée par le faisceau laser.

Soudage de trous profonds

L'exécution du processus en mode de soudage par trous profonds produit des soudures profondes et étroites avec une structure uniforme. Au cours de ce processus, le faisceau laser chauffe le métal de telle sorte qu'il s'évapore de la surface de contact et pénètre profondément dans le métal. Cela non seulement fait fondre le métal, mais le vaporise également, créant une cavité étroite remplie de vapeur appelée cavité en trou de serrure ou capillaire de vapeur. Lorsque le faisceau laser traverse la pièce, il se remplit de métal en fusion. Le soudage en trou de serrure est un processus à grande vitesse, par conséquent, la déformation et la formation de la zone affectée par la chaleur sont réduites au minimum.
Machine de soudage au laser

Processus de soudage au laser

Le soudage au laser fonctionne en utilisant un laser à haute densité de puissance pour appliquer de la chaleur au joint entre deux surfaces métalliques. Le matériau fondra au niveau des coutures et permettra la fusion entre les métaux à mesure qu'il se solidifie.
Le soudage au laser est généralement effectué par des robots de soudage qui peuvent appliquer de grandes quantités d'énergie à grande vitesse et avec précision, guidés par des fibres optiques flexibles. Il en résulte la fusion d'une quantité suffisante de métal dans le joint pour produire une soudure étroite avec une distorsion minimale. Les soudeuses laser portatives sont une excellente alternative aux machines industrielles volumineuses, mais la sécurité des soudeurs laser peut être mise à l'épreuve et nécessiter le port d'équipements de protection spécialisés.
Le processus de soudage peut être effectué dans des conditions atmosphériques, mais pour les matériaux plus réactifs, un écran de gaz inerte est recommandé pour éliminer le risque de contamination. Semblable au soudage par faisceau d'électrons, le soudage au laser peut être effectué sous vide, mais n'a pas été considéré comme économiquement viable. Par conséquent, les soudeuses au laser sont équipées de buses à gaz qui fournissent du gaz inerte à la zone de soudage.
De nombreuses applications de soudage au laser ne nécessitent pas de matériau d'apport supplémentaire. Cependant, certains matériaux et applications difficiles nécessitent des matériaux d'apport pour produire des soudures satisfaisantes. L'ajout d'un matériau d'apport améliore le profil de la soudure, réduit les fissures de solidification, confère de meilleures propriétés mécaniques à la soudure et permet un ajustement plus précis du joint. Le matériau d'apport peut être sous forme de poudre ou de fil d'apport. Cependant, comme la poudre est généralement plus chère pour la plupart des matériaux, il est plus courant d'utiliser du fil métallique. Les quatre types de joints les plus couramment utilisés avec le soudage au laser sont les soudures bout à bout, les soudures à bride de bord, les soudures à recouvrement et les soudures à recouvrement.
Le soudage au laser peut être effectué sur une variété de matériaux métalliques, y compris l'acier doux, l'acier inoxydable, l'aluminium, le titane, etc. Le soudage au laser de l'acier à haute teneur en carbone n'est généralement pas recommandé en raison de la vitesse de refroidissement rapide et de la tendance à la fissuration.
Machine de soudage au laser

Type de laser

Machines à souder au laser pour les procédés de soudage sont principalement divisés en 3 types : laser à gaz (CO2), laser à solide et laser à fibre.

Laser à gaz (CO2)

La source laser CO2 est un gaz mixte, dans lequel le CO2 est le composant principal, et il y a en plus de l'azote et de l'hélium. Ces lasers peuvent fonctionner en mode continu ou pulsé à faibles courants et hautes tensions pour exciter les molécules de gaz. Les lasers CO2 sont également utilisés dans des cas particuliers tels que le soudage laser à double faisceau, où deux faisceaux sont générés et disposés en série ou côte à côte.

Laser à semi-conducteurs

Les lasers à semi-conducteurs utilisent la technologie à semi-conducteurs pompés par diode (DPSS) pour pomper des minéraux tels que le rubis, le verre ou l'yttrium, l'aluminium et le grenat (YAG) ou les cristaux de vanadate d'yttrium (YVO4) à travers des diodes laser pour produire de la lumière laser. Ces lasers fonctionnent en mode continu ou faisceau pulsé. Le mode pulsé produit un joint similaire à une soudure par points mais avec une pénétration complète. Comparé aux lasers à fibre modernes, ce type de laser présente de nombreux inconvénients, mais nous ne pouvons pas nier que les lasers à semi-conducteurs ont toujours une excellente stabilité et qualité du faisceau ainsi qu'un rendement élevé.
Les lasers à semi-conducteurs sont également à l'état solide mais sont généralement considérés comme une classe différente des lasers à semi-conducteurs. Ces lasers ne conviennent que pour les petits projets moins chers. Cependant, ils sont parfois utilisés lors du soudage dans des zones difficiles d'accès car l'équipement est plus compact. La qualité du faisceau est bien inférieure à celle des autres types de lasers, ce qui n’est donc pas courant dans les environnements industriels.

Laser à fibre

Les lasers à fibre sont une nouvelle classe de lasers à semi-conducteurs qui offrent une puissance laser plus élevée, une meilleure qualité et un fonctionnement plus sûr. Dans un laser à fibre, le faisceau laser est produit lorsque la fibre absorbe la lumière brute de la diode laser de pompe. Pour réaliser cette transition, la fibre est dopée avec des terres rares. En utilisant différents éléments dopants, il est possible de générer des faisceaux laser avec une large gamme de longueurs d'onde, ce qui rend les lasers à fibre idéaux pour une variété d'applications, y compris le soudage au laser et la découpe au laser. Cependant, il convient de noter que les têtes de découpe laser standard ne peuvent pas être utilisées pour le soudage et que les têtes de soudage laser ne peuvent pas répondre aux exigences de vitesse de coupe et de qualité de la plupart des applications industrielles.
Machine de soudage au laser

Quelles sont les consignes de sécurité pour l'utilisation du soudage au laser ?

Bien qu'un soudeur laser portatif soit facile à utiliser et ait des fonctions de sécurité intégrées, il est important de se rappeler qu'il s'agit d'un équipement industriel puissant. Lorsque vous travaillez sur une machine à souder au laser, gardez à l'esprit que le faisceau laser peut être dangereux pour le corps et les yeux. Les faisceaux de soudage au laser sont une lumière invisible, vous ne pouvez donc pas vous fier aux repères visuels pour votre sécurité.
Bien que les machines de soudage au laser soient des lasers de classe IV et que des fonctions de sécurité soient intégrées au système, les exigences de sécurité de soudage traditionnelles doivent également être mises en œuvre lors de l'établissement d'un programme de sécurité laser. Voici quelques règles générales à suivre :
  • Portez des vêtements ininflammables, des manches longues ou une tenue de soudure. Toute personne se trouvant dans une zone contrôlée par laser doit utiliser un équipement de protection individuelle, y compris des lunettes de sécurité laser adaptées au type de laser et un casque de soudage conventionnel.
  • Veuillez suivre les procédures de sécurité d'utilisation, en tenant compte du fait que la lumière laser peut être réfléchie.
  • N'utilisez jamais une machine de soudage laser portative tant que vous n'êtes pas parfaitement familiarisé avec les exigences et les procédures de sécurité documentées dans le manuel de l'équipement fourni par le fabricant.
Dévidoir automatique

Avantages du soudage laser

  • Excellente qualité de soudure grâce à un faible apport de chaleur et à un contrôle précis de la puissance du laser.
  • Vitesse de soudage rapide et faible coût unitaire.
  • Des profondeurs de soudage plus importantes forment des soudures à haute résistance.
  • Permet des combinaisons de matériaux de soudage qui ne peuvent pas être jointes par d'autres méthodes.
  • Un équipement de soudage simple permet de souder dans des conditions particulières.
Dévidoir automatique de fil de machine de soudure laser

Inconvénients du soudage au laser

  • L'investissement initial est élevé.
  • Des tolérances serrées nécessitent un ajustement parfait de la pièce et un alignement laser.
  • Les matériaux à haute réflectivité et conductivité (aluminium et cuivre) peuvent produire des résultats de soudage complexes (dans le cas des lasers CO2).
  • Une solidification rapide peut entraîner une porosité et une fragilité.
  • Les optiques laser sont très fragiles et peuvent être facilement endommagées.
Échantillon de soudage au laser

Soudage hybride au laser

Le soudage hybride au laser combine les méthodes de soudage à l'arc électrique et au faisceau laser. Les deux méthodes de soudage agissent sur la même zone de soudage en même temps, de sorte que l'effet de soudage présente les avantages du soudage à l'arc et au faisceau laser, créant un processus de soudage unique. Bien que le soudage au laser puisse être utilisé en conjonction avec presque tous les procédés de soudage à l'arc, il existe quelques procédés qui se démarquent et sont plus couramment utilisés.
Il existe trois principaux types de soudage hybride laser :
  • Soudage additif MIG (souvent synonyme de soudage hybride laser)
  • Soudage TIG additif
  • Soudage à l'arc plasma
Le procédé de soudage hybride offre la pénétration profonde du soudage au laser et un profil de capuchon de soudure comparable aux procédés de soudage à l'arc. L'utilisation de gaz de protection et d'autres consommables de soudage à l'arc permet un meilleur contrôle des caractéristiques de soudage que le soudage au laser lui-même. Le soudage hybride au laser est sans aucun doute un procédé émergent qui sera de plus en plus utilisé dans les industries de la construction navale, ferroviaire, automobile et des grands projets de soudage de pipelines à l'avenir.

Questions fréquemment posées

Le soudage au laser a-t-il besoin de gaz ?
Les lasers peuvent être exécutés avec ou sans gaz, selon l'application et le matériau à souder. Dans certains cas, un gaz de protection tel que l'argon, l'hélium ou l'azote peut être utilisé pour créer une atmosphère de protection autour de la zone de soudage. Ceci est particulièrement important lors du soudage de matériaux sensibles à l'oxydation tels que le titane ou l'aluminium. Le type de gaz utilisé dépend du matériau à souder, du procédé de soudage et de l'équipement utilisé.
Dans certains cas, un mélange gazeux peut être utilisé pour obtenir un effet de soudage spécifique. Par exemple, un mélange d'hélium et d'argon peut être utilisé pour souder l'acier inoxydable, tandis que l'azote est souvent utilisé pour souder l'aluminium. L'utilisation de gaz est un aspect important du soudage au laser et contribue à la qualité et à la fiabilité de la soudure.
Oui, le soudage laser est une méthode de soudage robuste et fiable. Le soudage au laser utilise un faisceau laser hautement focalisé pour faire fondre et fusionner les surfaces métalliques afin de former une liaison solide et de haute qualité. La chaleur générée par le faisceau laser haute puissance est hautement concentrée, ce qui entraîne une déformation minimale et une zone affectée thermiquement très étroite.
La résistance du soudage au laser dépend de divers facteurs, notamment du type de métal à souder et du procédé de soudage spécifique utilisé. Une préparation et des paramètres de soudage appropriés tels que la puissance du laser, la vitesse et la durée d'impulsion doivent être soigneusement contrôlés pour garantir une soudure solide et fiable. En général, le soudage au laser est particulièrement efficace pour souder des matériaux minces car il minimise la chaleur et la distorsion générées pendant le processus de soudage.
Le soudage au laser est couramment utilisé dans les applications où la résistance et la précision sont essentielles, telles que la fabrication de dispositifs aérospatiaux, automobiles et médicaux. Il convient de noter, cependant, que la résistance de la soudure dépend également de la conception et de l'exécution appropriées de la soudure, il est donc essentiel d'impliquer des soudeurs et des ingénieurs expérimentés dans le processus.

Le soudage au laser est une méthode de soudage de haute précision qui peut être utilisée pour assembler de nombreux types de métaux différents, notamment :

  • Acier : Le soudage au laser est couramment utilisé pour souder diverses nuances d'acier, y compris l'acier doux, l'acier inoxydable et l'acier à haute résistance, car il peut fournir des soudures de haute qualité avec un faible apport de chaleur.
  • Aluminium : Le soudage au laser est une méthode efficace pour souder l'aluminium en raison de sa réflectivité et de sa conductivité thermique élevées.
  • Cuivre : Le soudage au laser est également efficace pour souder le cuivre et le laiton, alors que les techniques de soudage traditionnelles sont difficiles à souder sur le cuivre, elles sont souvent utilisées dans les applications d'électronique et de plomberie.
  • Titane : Le soudage au laser est souvent utilisé pour souder le titane en raison de son point de fusion élevé et de sa réactivité.
  • Or et argent : Le soudage au laser peut également être utilisé pour souder des métaux précieux tels que l'or et l'argent, qui sont souvent utilisés dans la fabrication de bijoux et d'autres applications haut de gamme.
  • Nickel et ses alliages : le soudage au laser peut être utilisé pour souder le nickel et ses alliages, tels que l'inconel, qui est souvent utilisé dans l'aérospatiale et d'autres applications hautes performances.
  • Magnésium : Le magnésium est un métal léger qui peut être soudé au laser, notamment dans les industries automobile et aérospatiale.

Le soudage au laser est une méthode de soudage polyvalente qui peut être utilisée pour assembler une grande variété de métaux, ferreux et non ferreux. Cependant, l'adéquation exacte du soudage au laser pour un métal particulier dépendra des propriétés spécifiques du métal et des exigences de l'application de soudage.

Généralement, le soudage au laser n'utilise pas de fil de soudage. Contrairement à d'autres types de procédés de soudage tels que le soudage MIG (gaz inerte métallique) ou TIG (gaz inerte tungstène), le soudage laser ne nécessite pas de matériau d'apport comme le fil de soudage pour assembler deux pièces de métal. Le soudage au laser utilise un faisceau laser focalisé de haute intensité pour fondre et assembler deux pièces de métal. La chaleur générée par le faisceau laser est généralement suffisante pour faire fondre le métal sans matériau de soudage supplémentaire.
Dans certains cas, cependant, une petite quantité de matériau de remplissage peut être ajoutée au joint pour augmenter sa résistance ou pour aider à combler l'espace entre les deux pièces à assembler. Ce matériau de remplissage se présente généralement sous forme de fil ou de poudre et est ajouté au joint par un processus manuel ou automatisé. De plus, certaines techniques de soudage au laser, telles que le soudage au laser hybride, peuvent utiliser du fil de soudage pour créer un arc plus stable et réduire les projections.

Le soudage au laser est un procédé largement utilisé dans diverses industries, notamment l'automobile, l'aérospatiale et le médical. Bien que le soudage au laser présente de nombreux avantages tels qu'une grande précision, une vitesse rapide et une faible déformation, il existe également des défauts potentiels dans le processus de soudage. Certains pièges du soudage au laser comprennent:

  • Porosité : La formation de petits vides ou pores dans le matériau de soudage, causée par les gaz piégés pendant le processus de soudage, qui peuvent affaiblir le joint soudé et réduire sa résistance.
  • Fissures : Le soudage au laser peut créer une zone affectée par la chaleur très concentrée, ce qui peut entraîner la fissuration du matériau soudé, en particulier si le matériau a un coefficient de dilatation thermique élevé ou si la vitesse de soudage est trop lente.
  • Fusion incomplète : une puissance laser insuffisante pour fondre complètement le métal de base ou le métal d'apport entraînera une fusion incomplète de la soudure, entraînant un joint faible ou incomplet.
  • Sous-coupe : une fusion excessive du matériau de base peut provoquer des rainures ou des entailles au bord de la soudure, affaiblissant la résistance du joint.
  • Déformation : Le soudage au laser génère beaucoup de chaleur, ce qui provoque la dilatation et la contraction du matériau de soudage. Cela peut entraîner une déformation ou un gauchissement du matériau soudé, ce qui peut affecter la précision dimensionnelle et la qualité du produit, en particulier pour les matériaux fins ou fragiles.
  • Oxydation : L'exposition à l'oxygène pendant le soudage au laser peut provoquer une oxydation du matériau de base, entraînant des joints affaiblis et une résistance à la corrosion réduite.
  • Sensibilité à l'assemblage des joints : le soudage au laser nécessite un alignement précis des deux pièces à souder. Tout désalignement ou variation des dimensions de l'écart affectera la qualité de la soudure.

Pour minimiser ces défauts, les paramètres du processus de soudage au laser, y compris la puissance du laser, la vitesse de soudage et la focalisation du faisceau, doivent être optimisés et des matériaux de remplissage et des gaz de protection appropriés doivent être utilisés. De plus, un traitement de surface, une conception de joint et un traitement thermique post-soudage appropriés peuvent également aider à réduire l'apparition de défauts de soudage au laser.

Résumer

Le soudage au laser est utilisé pour le soudage de haute précision et comme il n'utilise aucune électrode, le résultat de soudage final sera léger mais solide. L'investissement initial est coûteux, mais la qualité et les caractéristiques du soudage au laser ne peuvent pas être facilement reproduites. À mesure que les lasers deviennent plus puissants et économes en énergie, l'avenir du soudage au laser s'annonce prometteur !
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