Considérations essentielles pour le soudage au laser

Le soudage au laser implique une pléthore de variables de processus. Mais avec la pensée créative, cela offre également des opportunités importantes.

Dans chaque industrie, les produits sont conçus, repensés ou réévalués pour de meilleurs matériaux ou fonctionnalités. Les produits finaux sont fabriqués à partir de nombreux composants, et ces composants doivent être joints d'une manière ou d'une autre. L'une de ces méthodes d'assemblage est le soudage au laser.

Le soudage au laser utilise un faisceau de lumière à haute intensité pour créer un bain de soudure en fusion pour fusionner les matériaux ensemble. Il s'agit d'un procédé sans contact, à faible apport de chaleur par rapport aux autres procédés de fusion, offrant des vitesses de traitement élevées et produisant des zones de fusion profondes en un seul passage.

Bien sûr, pour tirer pleinement parti de tous ces avantages et garantir un processus reproductible de haute qualité, les fabricants doivent considérer comment le soudage au laser se compare aux autres processus de soudage par fusion. La conception des joints et des fixations joue également un rôle. Comme pour toute technologie de fabrication métallique, une mise en œuvre intelligente commence par une bonne compréhension des principes fondamentaux du processus.

Le soudage au laser utilise un faisceau de lumière focalisé sur un petit point de la pièce. Générée à partir d'une certaine forme de support, la lumière sort de la source laser et commence à diverger. Il est ensuite collimaté pour que le faisceau soit parallèle et ne grossisse pas. La distance entre la sortie et la surface de collimation est appelée longueur de collimation. Le faisceau reste collimaté jusqu'à ce qu'il touche une surface focale. Ensuite, le faisceau se rétrécit en forme de sablier jusqu'à ce qu'il devienne net à son point le plus petit. La distance entre la surface focale et le point le plus petit est appelée distance focale. La taille du point focal est déterminée par l'équation suivante : diamètre de la fibre × distance focale/longueur de collimation = diamètre du foyer

La distance à laquelle le diamètre de mise au point se trouve à moins de 86 % de la zone focale est appelée la profondeur de mise au point. Si la position de mise au point se déplace en dehors de cette zone, attendez-vous à ce que les résultats du processus changent. Plus le rapport entre la distance focale et la longueur de collimation est grand, plus la profondeur de champ devient grande pour une fibre donnée.

Les fibres plus grandes ont une plus grande profondeur de champ par rapport aux diamètres de fibre plus petits. Les rapports plus grands et les fibres ont une taille de spot plus grande qui provoque une diminution de la densité de puissance et, par conséquent, une diminution de la pénétration.

Il existe deux formes de soudage au laser : le soudage par conduction thermique et le soudage par trou de serrure. Dans le soudage par conduction thermique, le faisceau laser fait fondre les pièces d'accouplement le long d'un joint commun, et les matériaux fondus s'écoulent ensemble et se solidifient pour former la soudure. Utilisé pour assembler des pièces à parois minces, le soudage par conduction thermique utilise des lasers à solide pulsés ou à onde continue.

Dans le soudage par conduction thermique, l'énergie est couplée à la pièce uniquement par conduction thermique. Pour cette raison, la profondeur de soudure varie de quelques dixièmes de millimètre seulement à 1 mm. La conductivité thermique du matériau limite la profondeur de soudure maximale et la largeur de la soudure est toujours supérieure à sa profondeur. Le soudage au laser à conduction thermique est utilisé pour les soudures d'angle sur les surfaces visibles des boîtiers d'appareils ainsi que pour d'autres applications en électronique.

Soudage en trou de serrure (voirFigure 1 ) nécessite des densités de puissance extrêmement élevées d'environ 1 mégawatt par centimètre carré. Il est utilisé dans les applications nécessitant des soudures profondes ou lorsque plusieurs couches de matériau doivent être soudées simultanément.

Dans ce processus, le faisceau laser non seulement fait fondre le métal, mais produit également de la vapeur. La vapeur qui se dissipe exerce une pression sur le métal en fusion et le déplace partiellement. La matière, quant à elle, continue de fondre. Le résultat est un trou ou un trou de serrure profond, étroit et rempli de vapeur, entouré de métal en fusion.

FIGURE 1Le soudage en trou de serrure nécessite des densités de puissance extrêmement élevées et est utilisé dans des applications nécessitant des soudures profondes.

Au fur et à mesure que le faisceau laser avance le long du joint de soudure, le trou de serrure se déplace avec lui à travers la pièce. Le métal en fusion s'écoule autour du trou de la serrure et se solidifie dans son sillage. Cela produit une soudure profonde et étroite avec une structure interne uniforme. La profondeur de la soudure peut dépasser 10 fois la largeur de la soudure. Le matériau fondu absorbe presque complètement le faisceau laser et l'efficacité du processus de soudage augmente. La vapeur dans le trou de la serrure absorbe également la lumière laser et est partiellement ionisée. Il en résulte la formation de plasma, qui injecte également de l'énergie dans la pièce. En conséquence, le soudage à pénétration profonde se distingue par une grande efficacité et des vitesses de soudage rapides. Grâce à la vitesse élevée, la zone affectée par la chaleur (HAZ) est petite et la distorsion est minimale.

Comparé à d'autres procédés, le soudage au laser offre la meilleure qualité de soudure, le plus faible apport de chaleur et la plus grande pénétration en un seul passage. Il possède l'une des gammes les plus élevées de combinaisons de matériaux et de géométries de pièces, est extrêmement contrôlable et reproductible, et est l'un des plus faciles à automatiser (voirFigure 2 ). Tout cela permet de nouvelles conceptions de joints et les pièces peuvent être produites à un rythme plus élevé avec moins de traitement post-soudage.

Le soudage au laser représente également l'un des investissements initiaux, des coûts d'outillage et des exigences d'ajustement des joints de soudure les plus élevés. Ceux-ci doivent être pris en compte lors de la sélection du soudage au laser comme méthode d'assemblage pour votre processus de production.

Le soudage à pénétration profonde permet à une seule soudure de remplacer plusieurs soudures dans différentes conceptions de joints.figure 3 montre quelques configurations typiques de joints de soudage au laser. Les soudures bout à bout ne nécessitent pas de chanfrein pour les pièces plus épaisses, les joints en T peuvent être soudés d'un seul côté à pleine résistance et les soudures par recouvrement peuvent être soudées à travers la feuille supérieure ou le long du joint. Cela permet une flexibilité lors de la conception de vos pièces et des emplacements de soudure.

Le soudage bout à bout nécessite une grande précision de positionnement. Les tailles de point de soudure typiques sont de 50 à 900 µm de diamètre. La tolérance de position autorisée doit être inférieure à la moitié du diamètre du faisceau pour garantir que le faisceau laser interagit avec les deux côtés du joint. L'écart admissible est généralement de 10 % du matériau le plus fin ou inférieur à 50 % du diamètre du faisceau de soudure. Par conséquent, la fixation est essentielle dans ces configurations de joint pour assurer une répétabilité de position élevée et un écart minimal.

Les moyens courants de tenir compte de cela consistent à concevoir la pièce à emboîter à la presse ou à concevoir des fixations robustes. Certains peuvent utiliser un système de vision pour assurer le positionnement des pièces, mais cela ajoutera du temps de cycle et de la complexité à la programmation pour la production. Il est également important de sélectionner la bonne taille de point au niveau de la pièce. Les tailles de points plus grandes s'adaptent à de plus grandes variations mais nécessitent beaucoup plus d'énergie pour obtenir la même profondeur de pénétration de la soudure.

Le soudage bout à bout présente de nombreux avantages. La résistance de la soudure est déterminée par la quantité de soudure le long du joint, de sorte que la quantité de pénétration détermine la quantité de résistance de la soudure. Les soudures étroites et profondes produisent moins d'apport de chaleur, ce qui crée une petite ZAT et limite la distorsion. Cela permet également moins de matière car aucun chevauchement n'est nécessaire.

Le soudage par recouvrement a de nombreuses considérations différentes. L'écart autorisé est généralement de 10 % de l'épaisseur du matériau supérieur. La largeur de la soudure et la fusion à l'interface entre les deux matériaux déterminent la résistance de la soudure. Par rapport aux joints bout à bout, ces configurations de recouvrement entraînent un apport d'énergie plus élevé, une HAZ plus grande et plus de distorsion.

Si vous soudez à travers la feuille supérieure (3 sur la figure 2), le faisceau laser doit pénétrer à travers la feuille supérieure et dans la feuille inférieure, et toute cette énergie dépensée à pénétrer dans la feuille supérieure n'ajoute aucune résistance à la soudure. Les soudures à recouvrement doivent être plus larges pour augmenter leur résistance. Cela nécessite plus d'apport d'énergie, obtenu soit par une taille de spot plus grande, soit par oscillation avec une taille de spot plus petite. Si une distorsion minimale est essentielle, la soudure ne doit pénétrer que partiellement la feuille inférieure. Si les applications nécessitent de faibles apports de chaleur et une faible puissance ou des vitesses de traitement élevées, les joints à pénétration partielle peuvent être idéaux. Ils créent une surface à l'arrière de la soudure non affectée par l'apport de chaleur et, par conséquent, une surface de classe A.

Avec les soudures à pénétration partielle, la pénétration minimale dans la tôle inférieure doit être comprise entre 20 % et 50 % pour les matériaux plus minces et 0,5 mm pour les matériaux plus épais afin d'assurer une fusion reproductible qui tient compte des variations de production. La conception la plus simple pour le soudage est d'avoir le matériau le plus fin en haut et le matériau le plus épais en bas. Si la feuille supérieure est plus épaisse, la pénétration partielle dans la feuille inférieure devient plus difficile à contrôler, ce qui rend également plus difficile le maintien d'une surface de classe A sur la face arrière de la soudure.

FIGURE 2 Le soudage au laser offre une excellente qualité, une vitesse élevée et une pénétration élevée. Les exigences d'aménagement sont également élevées.

Néanmoins, le soudage par recouvrement présente de nombreux avantages. Il ne nécessite pas une grande précision de positionnement, ce qui permet une fixation sans exigences de positionnement strictes. Comparé au soudage bout à bout, le soudage par recouvrement a une plus grande fenêtre de processus, principalement parce que la profondeur de pénétration est plus flexible.

Le soudage au laser permet également d'accéder à des joints qui n'étaient auparavant pas réalisables. Parce qu'il s'agit d'un processus sans contact, le soudage dans des trous et dans des espaces restreints est possible si la largeur du faisceau lorsqu'il est mis au point est prise en compte. Cela permet une flexibilité dans la conception des joints et les pièces peuvent être conçues avec moins de matériau.

Le traitement thermique post-soudage n'est pas nécessaire dans de nombreux cas en raison de la faible ZAT du soudage au laser et du faible apport de chaleur global. Il y a également peu de saillie de soudure sur le dessus ou l'arrière de la soudure qui doit être usinée après le soudage. Le processus peut avoir un minimum de projections pour créer des soudures visuellement propres, en particulier avec l'ajout de gaz de protection. Cela élimine le besoin de faire beaucoup d'usinage et de nettoyage après soudage.

Figure 4 montre une fixation rigide pour une soudure d'angle. Ce style de fixation est courant pour le soudage bout à bout et les soudures de bord pour les pièces tubulaires ou rectangulaires. Les pinces sont très proches de la couture et appliquent une pression pour assurer un écart minimal. Il n'y a pas d'outillage au-dessus du joint qui pourrait interagir avec le faisceau de soudure lors de sa mise au point.

La configuration fournit également un dégagement pour une buse de gaz de protection si un gaz de protection est requis à des fins esthétiques ou pour des raisons métallurgiques dans certains métaux tels que le titane. Les luminaires doivent maintenir de manière répétée le joint dans la même position Z par rapport au faisceau afin que le faisceau laser soit dans la même position de mise au point. Ceci est essentiel pour obtenir la même densité de puissance afin de garantir des résultats reproductibles.

Le soudage par recouvrement nécessite une fixation moins robuste.Figure 4 montre une conception de luminaire typique. Au lieu de longues pinces rigides pour maintenir toute la couture en place, plusieurs pinces assurent un bon contact entre les deux feuilles sur une grande surface. Une telle fixation peut être automatisée avec des pinces pneumatiques. Dans l'exemple, une optique à balayage soude rapidement tous les joints requis. Les miroirs Galvo (miroirs à grande vitesse à l'intérieur de l'optique de soudage) positionnent le faisceau pour le soudage et fournissent tout le mouvement pour le chemin de soudure. Cela permet une trajectoire de robot simple.

Pour les soudures particulièrement critiques, un seul grand appareil, conçu avec le chemin de soudure usiné, peut assurer un ajustement idéal de la pièce. La méthode de montage a des coûts d'outillage plus élevés mais est également très robuste et reproductible. En appliquant une charge importante uniformément sur la surface de la pièce, une telle fixation peut être idéale pour les pièces embouties présentant de grandes variations de planéité de surface.

Le soudage au laser permet la créativité et une certaine liberté dans la conception des pièces, tant que toutes les variables essentielles sont prises en compte. Par exemple, quelle taille de point est nécessaire pour un processus donné ? Les tailles de point plus grandes offrent plus de zone de fusion et une plus grande profondeur de champ, mais nécessitent plus d'énergie pour atteindre les mêmes profondeurs de soudage.

De même, quelle configuration commune est la meilleure ? Le soudage bout à bout nécessite précision et répétabilité du processus, mais peut obtenir des soudures solides avec un apport de chaleur minimal. À l'inverse, le soudage par recouvrement nécessite un montage moins précis et a une fenêtre de processus plus grande, mais nécessite plus d'apport de chaleur pour obtenir des soudures plus solides.

Toutes les considérations de processus de soudage au laser s'accompagnent également d'une myriade d'opportunités. C'est un excellent outil pour faire progresser la fabrication avec de nouvelles conceptions de pièces créatives qui non seulement augmentent la qualité mais aussi, grâce à moins d'étapes de fabrication, y compris moins de traitement secondaire, ont le potentiel de réduire considérablement les coûts.