Mise en forme d'impulsion laser pour assembler des matériaux différents

Le soudage au laser de matériaux dissemblables est un processus dynamique et son heure est arrivée.

Lorsqu'un tel soudage est requis - dans l'électronique, les dispositifs médicaux, les biens de consommation, les applications automobiles et aérospatiales - le soudage au laser à fibre se distingue comme un processus supérieur. Il réduit les coûts de fabrication tout en offrant une flexibilité de conception.

En théorie, un laser peut souder n'importe quel matériau pouvant être assemblé par des procédés conventionnels. Cependant, en raison de leurs différences de propriétés physiques et chimiques, telles que les points de fusion et d'ébullition, la conductivité thermique, la densité et le coefficient de dilatation, des problèmes peuvent survenir lors du soudage de matériaux différents, rendant le joint résultant inacceptable.

Le tableau 1 illustre la soudabilité des paires métalliques. Lors du soudage de métaux dissemblables, une bonne solubilité solide est essentielle pour des propriétés de soudure solides. Ceci est réalisé uniquement avec des métaux ayant des plages de températures de fusion compatibles. Si la température de fusion d'un matériau est proche de la température de vaporisation de l'autre, une mauvaise soudabilité se produit et signifie souvent la formation de structures intermétalliques fragiles.

Dans le passé, la plupart des projets de soudage dissemblables étaient réalisés avec des lasers Nd:YAG à lampe pulsée. Les lasers pompés par lampe sont capables de produire de longues impulsions de plusieurs millisecondes avec des puissances de crête plusieurs fois supérieures à la puissance moyenne nominale du laser, à condition que le rapport cyclique soit suffisamment faible. Les lasers Nd:YAG pulsés et pompés par lampe à puissance de crête élevée, associés à des capacités de mise en forme d'impulsions, rendent ces lasers idéaux pour le soudage de matériaux dissemblables. Une profondeur de soudure trop profonde, qui peut entraîner des joints défectueux et également des profondeurs de soudure insuffisantes, peut être évitée en ajustant la puissance de démarrage et la puissance de fin correcte à la géométrie du joint et aux propriétés du matériau (Figure 1)

Chez Prima Power Laserdyne, les experts en soudage ont développé une gamme de formes d'impulsions pour améliorer la qualité de la soudure en réduisant la fissuration et la porosité de la soudure. Leur objectif a été de fournir des solutions de soudage de matériaux dissemblables dans des applications de produits sujettes à des défauts de soudage tels que des fissures, de la porosité ou une combinaison des deux. Les secteurs les plus touchés sont l'automobile, le médical, l'électronique et l'aérospatiale. Une variété de formes d'impulsions ont été générées à l'aide du nouveau système LASERDYNE 811 avec un contrôleur S94P, qui comprend un complément de fonctionnalités matérielles et logicielles conçues pour la mise en forme des impulsions. Ces projets ont été réalisés avec des lasers à fibre à onde continue (CW) et à onde quasi continue (QCW).

Voici deux exemples où la mise en forme des impulsions a été utilisée pour améliorer la qualité de la soudure lors du soudage au laser de matériaux différents.

La fonte grise est largement utilisée dans l'industrie automobile. Une limitation majeure est la soudabilité d'un matériau différent sur la fonte en raison de la fissuration à chaud et de la formation de porosité en raison du manque de ductilité du graphite et du processus de coulée. Dans le premier exemple, une partie d'un composant automobile nécessitait d'assembler de l'acier inoxydable 304 à de la fonte grise dans une configuration de soudure à chevauchement partiel. Dans le processus précédent, la pièce était soudée par faisceau d'électrons (EBW) pour réduire la formation de porosité excessive et éliminer la fissuration de l'interface. L'utilisateur final souhaitait remplacer l'EBW par le soudage par faisceau laser (LBW) afin de réduire le coût par soudure et la préparation de la soudure. La plus grande différence est que l'EBW est effectué sous vide, tandis que le soudage au laser est effectué dans un environnement à pression d'air ambiant et le danger des rayons X est éliminé du processus. Des travaux de développement ont été menés pour concevoir des paramètres laser capables de produire des soudures de qualité identique ou supérieure par rapport à EBW, c'est-à-dire sans porosité ni fissuration d'interface. Le travail de développement des paramètres laser, y compris la forme des impulsions, a été effectué avec le laser à fibre CW.

Des examens microscopiques du métal fondu réalisés avec une sortie laser CW standard ont montré une forte porosité dans la partie en fonte de la soudure (Figure 2). Il n'y avait aucun signe de microfissuration à l'interface du joint. La soudure réalisée avec le contrôleur LASERDYNE S94P et la mise en forme par impulsions a produit des soudures sans porosité (Figure 3).

Le deuxième exemple porte sur l'industrie aérospatiale. Les techniques de soudage et d'assemblage jouent un rôle important dans l'aérospatiale, tant pour la fabrication de nouvelles pièces que pour la réparation de structures et de composants aérospatiaux. La majorité des composants des moteurs aéronautiques sont fabriqués à partir de superalliages à base de nickel. La majorité de ces matériaux pour moteurs d'avions sont sensibles à la porosité, à la fissuration ou aux deux lors du soudage au laser. Le risque de fissuration des soudures et de formation de porosité dépend des conditions de soudage. Dans une large mesure, ces défauts de soudage peuvent être évités en modifiant le procédé de soudage, c'est-à-dire en optimisant le laser et les paramètres de traitement.

Un composant aérospatial a nécessité le soudage au laser de Haynes 230 (alliage nickel-chrome-tungstène-molybdène traité en solution) sur Waspaloy (superalliage nickel-chrome-cobalt durcissable par vieillissement) dans une configuration de soudure par chevauchement. Les exigences de qualité de la soudure étaient l'absence de fissuration ou de porosité dans la zone de fusion, étant donné que ces deux alliages sont sujets à la fissuration lorsqu'ils sont soudés individuellement.

La figure 4 montre un joint de soudure dissemblable entre deux alliages à base de nickel soudés avec une sortie CW. La soudure a été réalisée avec deux gaz de protection différents, à savoir respectivement l'azote et l'argon. Le soudage au laser avec du gaz de protection à l'azote a entraîné une microfissuration de l'interface mais pas de porosité, tandis que les soudures réalisées avec du gaz de protection à l'argon n'avaient pas de fissuration mais une porosité excessive. La porosité réduite avec le gaz de protection à l'azote était due à la tension superficielle réduite du bain de fusion, permettant aux bulles de s'échapper plus facilement du bain de soudure.

D'autres tests ont été effectués avec la mise en forme d'impulsions pour améliorer la qualité de la soudure. Ces opérations ont été effectuées avec du gaz de protection à l'azote uniquement. Les résultats présentés sur la figure 5a et la figure 5b montrent qu'il n'y avait aucun signe de microfissuration à l'interface du joint. La pénétration de la soudure et la largeur de l'interface sont légèrement différentes par rapport aux soudures réalisées avec la sortie CW ; cependant, la forme de la soudure peut être contrôlée en ajustant la puissance moyenne et la vitesse de soudage sans modifier la configuration de la forme de l'impulsion.

Le travail de développement de Prima Power Laserdyne avec la mise en forme des impulsions laser a permis d'obtenir des soudures de haute qualité de matériaux différents. Ces nouveaux processus et les capacités du contrôleur LASERDYNE SP94 améliorent la qualité de la soudure en résolvant la microfissuration et la formation de micro et macro porosité. L'entreprise a développé des procédés de mise en forme d'impulsions supplémentaires pour évaluer et améliorer de nombreuses autres applications de soudage au laser à fibre.

Pour plus d'informations, appelez le 763-433-3700 ou visitez www.primapowerlaserdyne.com.

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