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Qu'est ce que le procédé de soudage par faisceau laser (codifié 52) ?

Publié: le 21/04/2012 à 17:20 Par: Dominique ADMIN
Le soudage laser, comme le soudage par faisceau d'électrons, fait partie des procédés de soudage dits « à haute énergie ». Il repose sur la concentration en un point d'un faisceau laser, c'est à dire une source lumineuse monochromatique directionnelle peu divergente et de longueur d'onde unique et déterminée.


1 - Définition du procédé de soudage LASER





Cette concentration du faisceau appelée également focalisation permet d'obtenir au point d'impact des densités de puissance supérieures au MW / cm[SUP]2 [/SUP]

Le mot LASER vient de l'expression Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Contrairement aux procédés conventionnels, les procédés à haute énergie ne réalisent pas la fusion des matériaux à souder par transfert thermique de la surface vers l'intérieur de la pièce mais bénéficient de la formation d'un capillaire rempli de vapeurs métalliques. La formation de ce capillaire permet donc un transfert direct de l'énergie au c'ur de la matière, permettant ainsi l'obtention de cordons de soudure beaucoup moins larges que pénétrants grâce à la formation d'un keyhole.

2 - Macrographie d'une soudure laser




Assemblage par recouvrement de tôles en acier au carbone
Puissance : 3 kW ? vitesse : 3 m/min


3 - Principe du procédé de soudage LASER




Le faisceau est généré à l'intérieur d'une cavité laser par le milieu actif (solide, gaz ou liquide), qui de part sa nature et ses caractéristiques en définit les propriétés : qualité, longueur d'onde, divergence.
En fonction de sa longueur d'onde le faisceau laser est véhiculé, soit par miroirs, soit par fibre optique jusqu'à la tête de focalisation (plusieurs mètres de la source d'excitation). Celle-ci, en plus de permettre la concentration du faisceau, supportera également le système d'apport de gaz neutre ainsi que le système d'apport de fil (si nécessaire).

Le principe du soudage laser est de focaliser le faisceau laser (en général à partir d'une tête de focalisation composée d'au moins 2 miroirs) sur les pièces à souder. La taille réduite de la tâche focale (environ 300/400 µm pour un laser CO2) permet de concentrer l'énergie, et ainsi d'atteindre des densités de puissance très élevées (plus de 106 W/cm2).
Ces densités de puissance élevées génèrent (d'abord à la surface de la tôle) une vaporisation très importante qui, en se détendant vers l'extérieur, "creuse" le bain de soudage et induit ainsi la création d'un "keyhole", capillaire de plasma, dans la tôle à souder. La création de ce capillaire permet d'atteindre des profondeurs de pénétration assez importantes à des vitesses de soudage relativement élevées.
A titre d'exemple, le soudage laser CO2 de tôles d'acier de 2 mm d'épaisseur peut être réalisé à des vitesses de 5 à 8 m/min pour une puissance laser de 5 kW. Ces vitesses sont dues au mode "keyhole" qui permeten quelque sorte une pénétration beaucoup plus rapide de l'énergie au c'ur du matériau que la simple conduction thermique. Ce mode "keyhole" permet d'ailleurs d'expliquer pourquoi l'accostage et la préparation des tôles à souder doivent être précis, car ce capillaire ayant un diamètre de l'ordre de grandeur de la tâche focale du laser, on comprend aisément que la moindre erreur de centrage ou de positionnement sur cette même tache focale puisse conduire à manquer le plan de joint.
Il est donc apparu assez rapidement que le soudage laser nécessitait des machines associées beaucoup plus sophistiquées que les machines courantes. Le procédé est assez peu tolérant et il implique une précision importante dans l'ajustement, le positionnement et le bridage des pièces à souder. Aujourd'hui, une machine typique de soudage laser CO2 a une puissance comprise entre 5 et 8 kW (alors qu'en découpe laser elle est plutôt de 2 à 3 kW) et son coût est supérieur d'un facteur 2 à 3 à celle d'une machine de découpe.
En conséquence, même si aujourd'hui le soudage laser se développe, il reste quand même un procédé onéreux, et il n'est employé que si la production des pièces, et notamment les gains de productivité engendrés par l'utilisation du procédé, permet d'amortir le coût élevé de la source et de la machine associée (source d'informations SAF/AIR LIQUIDE).

4 - Les différents types de faisceaux laser



5 - Les différents types de faisceaux laser



[*]Faisceau laser à gaz CO[SUB]2[/SUB] :
longueur d'onde λ = 10600 nm ou 10,6 µm, de quelques watts à 50 kW, transport par miroirs.
[*]Faisceau laser à solide Nd-YAG :
longueur d'onde λ = 1064 nm ou 1,06 µm, de quelques watts à 5 kW, transport par fibre optique, possibilité de travail en pulsé : microsoudage.
[*]Faisceau laser à diodes :
longueur d'onde λ = 940 nm, de quelques Watts à 3 kW, nouvelle génération de laser, soudage uniquement par conduction.

Les différentes technologies de sources LASER (téléchargement PDF)

6 -
Avantages du procédé de soudage laser



[*]Vitesses de soudage élevées, supérieures au m/min
[*]Soudage monopasse jusqu'à 7 mm
[*]Très faibles déformations
[*]Zone affectée thermiquement réduite (la Z.A.T.)
[*]Flexible, précis et propre
[*]Possibilité de soudage par transparence
[*]Soudage autogène possible
[*]Soudage de joints d'accès difficile

7 -
Contraintes du procédé de soudage laser



[*]Investissement lourd (150 000 Euros à 310 000 Euros pour un laser CO[SUB]2[/SUB])
[*]Préparation soignée des bords
[*]Positionnement précis du faisceau
[*]Sécurité spécifique des installations
[*]Soudage difficile des matériaux réfléchissants (Or, Cuivre)
[*]Pas de soudage manuel possible

8 -
Domaines d'application du procédé de soudage



[*]Le mécano-soudage
[*]L'aéronautique
[*]Constructions automobiles
[*]Mécanique de précision
[*]Nucléaire

9 -
Les gaz de soudage utilisés

Comme pour les procédés de soudage classiques par fusion, le bain de fusion doit être protégé de l'air ambiant par un gaz de protection. Ce gaz est apporté coaxialement au faisceau par un tube d'amenée directement sur le bain de fusion. Le débit est compris entre 10 et 25 litres / minutes sous une pression de 1 bar.



[*]Argon : bons résultats (jusqu'à 2 kW avec un laser CO[SUB]2[/SUB])
[*]Hélium : utilisé pour les fortes puissances (>5 kW)
[*]Hélium + Argon : bon compromis
[*]Azote : réduit le taux de porosité dans les aciers inoxydables, puissances limitées à 2 kW

10 -
Paramètres de soudage avec assemblage en bord à bord

Matériau Epaisseur Puissance Vitesse Remarques
Acier ou inox 1 mm 2.5 kW 15 m/min Attention à la protection sur inox
Acier ou inox 5 mm 6.0 kW 4 m/min Attention à la protection sur inox
Alliages d'aluminium 1 mm 2.5 kW 3 m/min Utilisation de fil d'apport
Alliages d'aluminium 3 mm 2.5 kW 0.5 m/min Utilisation de fil d'apport

11 - Quelques préparations de joints

Croquis de la préparation Préconisations
Bord à bord : jeu maxi : < 0.05 x épaisseur
Clin : jeu maxi : < 0.05 x épaisseur
Recouvrement : jeu maxi : < 0.2 épaisseur


12 - La sécurité liée à l'utilisation d'un faisceau laser

L'utilisateur peut être exposé à des rayonnements directs ou indirects d'un faisceau laser. Pour sa sécurité, il doit utiliser un dispositif laser de classe 1 dont la valeur ne dépasse pas 1000 W / m2 . Les risques encourus peuvent être très graves (brûlures cutanées et oculaires, lésions irréversibles sur l'?il dans certains cas - laser classe 4)


SIGNALISATIONS EUROPEENNES

Quelques conseils pour limiter le risque laser

[*]ne jamais s'exposer directement au faisceau laser
[*]porter des lunettes de protection adaptées lors des opérations de maintenance, de réglage et de production.
[*]vérifier que les lunettes de protection sont adaptées au type de laser, à sa longueur d'onde et à sa puissance
[*]éviter les surfaces réfléchissantes
[*]apposer des étiquettes signalant le type de risque laser et la classe
[*]être conscient qu'il y a toujours un risque de réflexion du faisceau laser
[*]limiter l'accès aux personnes habilitées



SIGNALISATION ANSI


13 - Quelques liens Internet utiles





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Par: Dominique ADMIN

Commentaires (1)

15/10/2013 14:45:12 - Pat85392
Pour la densité de puissance, lire 10[SUP]6[/SUP] [W/cm[SUP]2[/SUP]], c.à.d. 1 [MW/cm[SUP]2[/SUP]] (et non 106 si l'exposant ne s'affiche pas correctement).

Comme exemple, en découpage laser avec laser CO[SUB]2[/SUB] de 4 [kW], la densité de puissance au point de focalisation peut être de l'ordre de 2 [MW/cm[SUP]2[/SUP]] et pour un laser fibre de 2 [kW] de l'ordre de 10 [MW/cm[SUP]2[/SUP]] car le diamètre du point focal est plus petit.