Soudage au laser : types, avantages et applications

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Le soudage au laser (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement) est l'une des formes de soudage les plus avancées sur le plan technique. Ses applications couvrent un large éventail d'industries, de l'aérospatiale à la haute joaillerie.

Cependant, il existe plusieurs types de soudage qui étaient utilisés bien avant le soudage au laser. La question se pose donc de savoir pourquoi avons-nous besoin de la technologie laser alors que nous avons d'autres alternatives ?

Nous approfondirons cela après avoir brièvement passé en revue les débuts de la technologie. C'est Einstein qui a prédit l'émission stimulée, qui est le principe de base du laser.

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Cependant, ce n'est qu'en 1967 que nous avons utilisé le laser pour la première fois pour ses capacités de soudage et de découpe. Le laser utilisé dans les expériences de 1967 utilisait un gaz assisté par oxygène avec un faisceau laser CO2 concentré.

Le projet a été dirigé par le Dr Peter Houldcroft. L'expérience et ses détails ont été expliqués dans un article intitulé Gas-jet laser cutting' par ABJ Sullivan et PT Houldcroft.

La découpe au laser a été à la base du soudage au laser, car elle consiste à faire fondre le métal sans le percer.

Le soudage au laser utilise un faisceau de lumière très concentré sur un très petit point de sorte que la zone sous le faisceau laser absorbe la lumière et devient très énergétique. Lorsque de puissants faisceaux laser sont utilisés, les électrons de la zone sont excités à un point tel que le matériau fond lorsque les atomes rompent les liaisons les uns avec les autres.

Le soudage au laser peut également être utilisé pour assembler des plastiques.

Cette fusion des deux matériaux à leurs coutures les fusionne en un joint. Il est surprenant de voir à quel point la lumière peut être suffisamment puissante pour métalliser des métaux en quelques millisecondes. Pour obtenir des faisceaux laser aussi puissants, la machine de soudage laser utilise plusieurs pièces qui dirigent et amplifient le laser.

Les lasers à gaz, les lasers à semi-conducteurs et les lasers à fibre sont les trois lasers les plus couramment utilisés dans une machine de soudage au laser.

Normalement, le faisceau laser est fourni à la machine de soudage laser par l'utilisation de fibres optiques. Il existe des machines de soudage à fibre unique et des machines de soudage à plusieurs fibres. Les machines de soudage à fibres multiples ont un laser connecté à chaque fibre, avec chaque fibre, la force du laser augmente.

Pour concentrer le faisceau en un point avant qu'il ne quitte la machine, une lentille de collimation en conjonction avec une lentille de focalisation est souvent utilisée.

Quatre joints de soudure principaux sont compatibles avec les soudures au laser :

Si vous avez étudié le soudage au laser, vous avez peut-être remarqué le compagnon constant de la buse laser qui est une autre buse qui fournit un gaz appelé gaz de procédé ou gaz de coupe.

Fondamentalement, c'est le flux de gaz, qui est le plus souvent du CO2, qui est également dirigé vers l'emplacement de la soudure dans le but d'empêcher le contact de la surface de soudure avec l'atmosphère.

Sans l'utilisation de gaz de coupe, il n'y a que deux options pour l'atmosphère de soudage : soit l'atmosphère normale, soit le vide. Le soudage au laser sous vide est certainement possible, mais pas plausible en raison de son coût élevé et de la nécessité d'une configuration spécialisée.

Dans une atmosphère normale, le soudage au laser sans gaz de traitement peut produire des effets défavorables. Étant donné que l'azote dans l'air est à une concentration très élevée, il peut se mélanger au métal en fusion et provoquer la formation de vides ou de trous dans la soudure. De tels événements peuvent entraîner des défauts de soudure.

Des facteurs tels que l'humidité de l'air peuvent provoquer la production d'hydrogène lors du soudage. La diffusion de l'hydrogène dans le métal conduit également à des joints de soudure faibles. Par conséquent, le soudage au laser dans une atmosphère normale sans blindage n'est pas du tout envisagé.

Les machines à souder sont livrées avec un accessoire de gaz de coupe qui projette du gaz sur la surface de soudure en s'assurant qu'aucune impureté n'est mélangée à la soudure.

Le soudage au laser peut être effectué de deux manières : le soudage par conduction thermique et le soudage par trou de serrure.

Soudage par conduction thermique : Dans ce processus, la surface métallique est chauffée au-dessus du point de fusion du métal, mais pas au point de se vaporiser. Ce processus est utilisé pour les soudures qui n'ont pas besoin d'une résistance de soudure élevée.

L'avantage du soudage par conduction à chaud est que la soudure finale sera très lisse et esthétique. Un laser de faible puissance de l'ordre de <500W est utilisé pour le soudage par conduction thermique.

Soudage en trou de serrure : Dans ce processus, le faisceau laser chauffe le métal de telle sorte que la surface de contact se vaporise, creusant profondément dans le métal. Cela crée un trou de serrure où une condition de type plasma est créée avec des températures dépassant bien les 10 000K.

Ce processus nécessitait des lasers de grande puissance avec une puissance supérieure à 105 W/mm2.

Le soudage au laser est souvent utilisé en conjonction avec le soudage à l'arc pour créer ce qu'on appelle le soudage hybride à l'arc au laser. Dans le soudage à l'arc laser hybride, l'un des procédés de soudage à l'arc comme MIG, TIG ou SAW est utilisé avec le soudage laser à pénétration profonde.

Le résultat est une soudure qui présente les avantages du soudage au laser et du soudage à l'arc.

La soudure résultante aura des joints pénétrant profondément, grâce à la soudure au laser et aura également une meilleure tolérance à l'ajustement des joints. D'autres effets indésirables comme la fissuration et la porosité interne sont également réduits.

Le soudage au laser offre plusieurs avantages que l'on ne retrouve souvent pas dans d'autres méthodes de soudage. Certaines des caractéristiques déterminantes du soudage au laser sont :

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Le soudage par faisceau laser est utilisé pour les soudures de haute précision. Comme il n'utilise aucune électrode, la soudure finale sera légère mais solide. L'investissement initial est certes coûteux, mais la qualité et les caractéristiques d'une soudure 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 est assurément radieux !