Le soudage laser est une technologie de soudage très précise et efficace utilisée dans diverses industries, notamment l’automobile, l’aérospatiale et la fabrication de matériel médical.
Il offre une pénétration profonde, des vitesses de soudage élevées et une distorsion thermique minimale, ce qui en fait un choix idéal pour les applications nécessitant précision, rapidité et répétabilité.
Cependant, pour obtenir des soudures de haute qualité avec une machine de soudage laser, il est nécessaire de contrôler minutieusement les paramètres clés. Même de petites variations peuvent entraîner des défauts, réduisant ainsi la résistance et la fiabilité de la soudure.
Ce guide explore les paramètres critiques du soudage laser, leur impact sur la qualité de la soudure et les meilleures pratiques pour optimiser les performances.
Table des matières
La technologie de soudage laser est un procédé de fusion qui utilise un faisceau laser concentré pour assembler des matériaux.
Le procédé peut être réalisé de deux manières :
Contrairement aux techniques de soudage conventionnelles, la technologie laser nécessite un contrôle précis de plusieurs facteurs. De simples écarts dans la configuration, les propriétés des matériaux ou les conditions environnementales peuvent entraîner une mauvaise qualité de soudure. Parmi les défis les plus courants, on peut citer :
Lorsque vous réglez les paramètres, vous devez également comprendre les différentes méthodes de soudage utilisées et leur impact sur vos réglages.
Le soudage à onde continue fournit un faisceau laser stable et ininterrompu, ce qui le rend idéal pour les applications nécessitant une pénétration profonde et une production à grande vitesse. Cette méthode est particulièrement efficace pour le soudage de matériaux plus épais où un apport d’énergie constant est nécessaire pour obtenir des résultats uniformes.
D’autre part, le soudage pulsé fournit de l’énergie par de courtes impulsions, ce qui permet de réduire l’apport de chaleur. Cette technique est couramment utilisée pour les matériaux minces ou les applications où les composants sensibles à la chaleur doivent être protégés contre une déformation thermique excessive.
Des doses élevées peuvent générer une chaleur importante, susceptible de provoquer une déformation. L’activation et la désactivation par impulsions pendant quelques microsecondes permettent d’appliquer la quantité de chaleur adéquate pour éviter tout impact négatif sur le métal, ce qui rend cette technique idéale pour les assemblages délicats.
Le soudage laser à impulsions est préféré (dans la plupart des cas) pour les applications qui nécessitent un contrôle très précis de l’apport de chaleur, telles que le soudage de métaux dissemblables, de matériaux minces ou de composants à géométrie complexe. Elle est également couramment utilisée pour le soudage par points et le pointage.
Une autre variante, les lasers CW modulés, permet des ajustements dynamiques de la puissance pendant le soudage. En ajustant avec précision la puissance laser en temps réel, vous pouvez optimiser l’apport d’énergie pour différents matériaux et différentes épaisseurs de matériaux, améliorant ainsi la qualité globale de la soudure tout en limitant les défauts.
La qualité de la soudure dépend directement des paramètres de processus que vous choisissez. Il est facile de commettre des erreurs ou de laisser les contrôles dériver sans maintenir des tolérances strictes.
L’un des aspects les plus fondamentaux du soudage laser consiste à s’assurer que les pièces à souder sont solidement maintenues en place. Une fixation adéquate élimine tout mouvement pendant le processus de soudage, garantissant ainsi que l’énergie laser est dirigée précisément là où elle est nécessaire. Un mauvais alignement ou des écarts entre les matériaux peuvent entraîner des soudures fragiles, une porosité excessive, voire une défaillance complète du joint.
Les lasers sont inefficaces pour souder à travers des espaces d’air, car ils nécessitent un contact direct entre les matériaux pour former une liaison solide. Une règle largement acceptée dans le domaine du soudage laser stipule que l’écart entre deux composants dans une configuration de soudure par recouvrement ne doit pas dépasser 10 à 20 % de l’épaisseur du matériau le plus fin à souder. Le dépassement de ce seuil augmente le risque de fusion incomplète, ce qui se traduit par des soudures structurellement instables.
Des espaces excessifs peuvent entraîner :
La tolérance exacte peut varier en fonction du matériau et des applications spécifiques, mais dans de nombreuses applications, l’écart d’assemblage doit être contrôlé à moins de 0,1 mm pour garantir une fusion correcte.
Pour surmonter les problèmes liés à la fixation et aux écarts, les fabricants s’appuient sur des pièces usinées avec précision à l’aide d’une machine de découpe et sur des dispositifs de fixation soigneusement conçus. De plus, la réalisation d’inspections avant le soudage permet d’identifier et de corriger les problèmes d’ajustement potentiels avant le début du soudage, ce qui réduit le risque de défauts dans le produit final.
Le gaz de protection joue un rôle essentiel dans le maintien de la qualité de la soudure en empêchant l’oxydation et en contrôlant la formation de plasma.
Lorsque l’énergie laser interagit avec la surface métallique, elle peut générer un nuage de gaz ionisé appelé plasma. Ce plasma peut interagir avec le faisceau laser entrant et agir comme une lentille négative défocalisant le faisceau. Cela peut entraîner une pénétration irrégulière et une réduction de la résistance de la soudure. Pour contrer ces effets, les fabricants utilisent des gaz de protection tels que l’argon ou l’azote.
L’argon est le gaz le plus couramment utilisé en raison de sa stabilité et de sa résistance à l’ionisation, tandis que l’azote peut être utilisé dans certaines applications où il améliore les propriétés métallurgiques de la soudure. Un débit de gaz de protection approprié garantit que la soudure reste propre et exempte d’oxydation, ce qui est particulièrement important lors du soudage de métaux réactifs tels que le titane ou l’aluminium.
L’optimisation du débit de gaz nécessite un positionnement minutieux de la buse et des débits appropriés. Un débit de gaz de protection trop faible peut entraîner une contamination atmosphérique, tandis qu’un débit excessif peut créer des turbulences, introduisant de l’oxygène et entraînant des défauts dans la soudure. L’équilibre doit être soigneusement maintenu pour garantir des résultats de haute qualité.
La taille du point focal du faisceau laser a un impact significatif sur la densité d’énergie transmise au matériau. Une taille de point plus petite offre une intensité plus élevée, ce qui permet une pénétration plus profonde et une plus grande précision. Cependant, les petites tailles de point nécessitent un positionnement très précis qui peut ne pas convenir à certaines géométries (par exemple, soudure bout à bout avec un écart important entre les composants).
À l’inverse, une taille de point plus grande répartit l’énergie sur une zone plus large, ce qui est utile pour les applications qui nécessitent une distribution plus uniforme de la chaleur, telles que le soudage de surface ou l’assemblage de matériaux ayant des propriétés thermiques différentes. Le rapport d’aspect, c’est-à-dire le rapport entre le diamètre du point et la profondeur de soudure, joue un rôle crucial dans la détermination de l’efficacité de la soudure. En général, une profondeur de pénétration plus importante nécessite des rapports d’aspect plus élevés.
Les réglages de la position focale peuvent également être utilisés pour contrôler la qualité de la soudure. Dans la plupart des applications de soudage, le point focal du laser est positionné à la surface du matériau (foyer zéro). Cependant, dans certains cas, le réglage du foyer légèrement au-dessus ou en dessous de la surface peut aider à atténuer des problèmes tels que la formation de projections ou la porosité. Bien que vous ne souhaitiez pas que le métal en fusion produise des éclaboussures, ce processus peut légèrement modifier la forme de la soudure dans le matériau. Ces réglages permettent d’ajuster avec précision l’interaction entre le laser et le matériau, améliorant ainsi l’homogénéité et la qualité globales de la soudure.
L’oscillation du laser est une technique avancée qui améliore l’efficacité du soudage laser en faisant osciller le faisceau laser selon un motif contrôlé. Au lieu d’un trajet fixe, le laser se déplace selon un trajet défini, ce qui augmente la largeur effective de la soudure et améliore la fusion entre les matériaux.
Les motifs circulaires sont courants. Les motifs circulaires d’oscillation peuvent combler les espaces entre les pièces et élargir les soudures. Les motifs en forme de huit améliorent la pénétration et réduisent la porosité dans certains cas spécifiques.
Cette méthode est particulièrement utile pour les pièces présentant de petits espaces ou des épaisseurs variables. L’oscillation du laser vous permet d’élargir la soudure en utilisant un point plus petit tout en variant la trajectoire. Cela permet d’apporter plus de métal fondu dans la zone de soudage afin d’obtenir un meilleur assemblage.
La fréquence d’oscillation détermine la vitesse à laquelle le faisceau laser oscille, tandis que l’amplitude contrôle la largeur du motif d’oscillation. Des fréquences plus élevées peuvent améliorer le mélange de la soudure et réduire la porosité, tandis que des amplitudes plus importantes peuvent augmenter la largeur et la pénétration de la soudure. La relation entre la vitesse d’oscillation et la vitesse de déplacement doit également être prise en compte afin d’éviter des problèmes tels que le creusement. Notez que les optiques de balayage commerciales ont également des limites de fréquence. Il est donc important de comprendre leurs limites afin de garantir les meilleurs résultats et une durée de vie prolongée de votre équipement.
Différentes techniques de contrôle du mouvement du faisceau optimisent encore davantage la qualité de la soudure. Les têtes optiques fixes dirigent le laser vers une position stationnaire, tandis que les têtes de scanner galvo utilisent un mouvement rapide du miroir pour ajuster dynamiquement le placement du faisceau. Les systèmes hybrides combinent une optique fixe avec un mouvement contrôlé du faisceau pour créer des motifs de soudure simples en 1D ou 2D. Par exemple, un mouvement sinusoïdal peut superposer le faisceau et vous permettre de vous déplacer plus rapidement tout en comblant les espaces.
Lorsque le faisceau passe à travers la lentille de focalisation, le mouvement des miroirs est automatiquement ajusté en fonction des motifs que vous dessinez dans le logiciel pour le plan de focalisation. Vous pouvez régler la vitesse et superposer des oscillations si vous le souhaitez.
La soudabilité d’un matériau est fortement influencée par ses propriétés. Vous devez adapter vos paramètres de soudage laser à des matériaux spécifiques.
La présence et la concentration d’éléments d’alliage spécifiques affectent considérablement la soudabilité. Par exemple, dans l’acier au carbone, une teneur élevée en carbone (> 0,3 %) peut entraîner la formation de martensite lors d’un refroidissement rapide, ce qui donne une soudure dure et cassante susceptible de se fissurer. De même, le soufre et le phosphore peuvent favoriser la fissuration à chaud.
D’autre part, des éléments tels que le manganèse peuvent améliorer la soudabilité en éliminant le soufre et en favorisant une microstructure plus ductile. Dans les alliages d’aluminium, la teneur en magnésium et en silicium influence la réponse de l’alliage au traitement thermique et sa sensibilité à la fissuration par solidification.
Les contaminants de surface tels que les oxydes, le tartre, la peinture ou l’huile interfèrent avec l’absorption du faisceau laser et la pénétration de la soudure. Les couches d’oxyde, en particulier sur l’aluminium et l’acier inoxydable, peuvent augmenter considérablement les défauts de soudure et bénéficier d’un nettoyage préalable au soudage pour obtenir de meilleurs résultats.
Le type de revêtement peut modifier considérablement le taux d’absorption du matériau. Par exemple, un acier revêtu absorbera l’énergie à un taux plus élevé qu’un acier non revêtu.
Le soudage laser implique des cycles rapides de chauffage et de refroidissement qui peuvent induire des transformations de phase dans la microstructure du matériau. Ces transformations peuvent affecter les propriétés mécaniques de la soudure, telles que la dureté, la résistance et la ductilité.
Par exemple, dans l’acier, l’austénite peut se transformer en martensite, en bainite ou en perlite, selon la vitesse de refroidissement. Il est essentiel de contrôler la vitesse de refroidissement à l’aide de techniques telles que le préchauffage ou le traitement thermique après soudage afin d’obtenir la microstructure et les propriétés souhaitées. Certains lasers, tels que les lasers à cœur/anneau à fibre optique, peuvent offrir des avantages en matière de traitement thermique avant/après.
Voici quelques-uns des problèmes que nous rencontrons, ainsi que les meilleures pratiques pour les atténuer.
L’un des problèmes les plus courants dans le soudage laser est la formation de fissures en cratère à la fin d’un soudage. Cela se produit lorsque la puissance laser est brusquement interrompue, provoquant un rétrécissement rapide du bain de fusion, ce qui peut entraîner des fissures. Ces défauts compromettent l’intégrité structurelle de la soudure et sont particulièrement fréquents dans le soudage de l’acier, mais également fréquents dans certains alliages d’aluminium.
Pour atténuer les fissures en cratère, une approche courante consiste à mettre en œuvre une réduction contrôlée de la densité de la puissance laser à la fin du soudage. Cette réduction progressive de l’énergie permet au bain de fusion de se solidifier uniformément tout en contrôlant le gradient de température à travers la soudure, ce qui réduit les contraintes et le risque de fissuration. Un traitement thermique post-soudage peut également être ajouté pour soulager les contraintes résiduelles et améliorer la durabilité de la soudure.
Les projections sont un autre effet indésirable du soudage laser, où des gouttelettes de métal en fusion sont éjectées du bain de fusion. Ce problème survient généralement en raison d’une puissance excessive, d’un débit de gaz de protection inadéquat ou d’un mauvais alignement du faisceau laser, ce qui entraîne des percements et la formation d’éclaboussures, où des gouttelettes de métal en fusion sont éjectées. Les projections affectent l’esthétique de la soudure et peuvent entraîner des défauts tels que la porosité et la faiblesse des joints.
Il existe de nombreuses approches pour réduire les projections. Le réglage de la position de focalisation du laser peut aider à contrôler la densité d’énergie au niveau du site de soudage, réduisant ainsi la formation de projections. Il est également important d’optimiser le type de gaz de protection, le débit et le mode d’alimentation. Par exemple, l’utilisation d’argon comme gaz de protection peut limiter les interférences du plasma et améliorer la qualité et l’homogénéité de la soudure.
Un montage correct est tout aussi important pour garantir que l’assemblage des pièces ne crée pas d’espace dans la zone de soudage, car cela entraîne généralement un effondrement du trou de serrure, souvent accompagné d’une éjection de métal en fusion de la soudure.
La porosité dans le soudage laser est principalement causée par l’emprisonnement de gaz dans le métal fondu. Ce problème peut résulter d’une contamination, d’une couverture insuffisante par le gaz de protection ou d’une solidification rapide qui emprisonne les gaz à l’intérieur de la soudure.
Le prénettoyage des matériaux avant le soudage permet d’éliminer les contaminants qui contribuent au piégeage des gaz. L’utilisation d’un gaz de protection approprié, tel que l’argon, réduit l’oxydation et permet d’obtenir des soudures sans défaut. Le réglage de la vitesse et de la puissance de soudage peut également empêcher la surchauffe et contribuer à réduire le risque de porosité.
Tous les matériaux ne se soudent pas facilement. Par exemple, le soudage de certains alliages d’acier peut entraîner des fissures ou des états instables, les rendant plus fragiles. Les matériaux peuvent se fissurer pendant la période de refroidissement ou sous l’effet de contraintes après le soudage.
Ce problème est courant dans certains domaines de la construction automobile, tels que le soudage des pièces du coffre ou des lignes de toit.
Le brasage peut aider en ajoutant un matériau supplémentaire dans le bain de fusion, ce qui modifie légèrement les propriétés élémentaires du bain de fusion afin de réduire les fissures. Le métal d’apport crée un joint plus stable.
Les matériaux hautement réfléchissants, tels que l’aluminium et le cuivre, posent des défis particuliers lors du soudage laser. Ces matériaux réfléchissent plus de 85 % de l’énergie laser incidente, ce qui rend difficiles le démarrage et le maintien d’une soudure stable. Leur conductivité thermique élevée entraîne une dissipation rapide de la chaleur, ce qui nécessite une gestion précise de l’énergie.
L’acier retient la chaleur. Cependant, avec le cuivre ou l’aluminium, la chaleur s’échappe. Si vous le frappez avec une intensité inférieure à l’intensité optimale, rien ne se passe. Vous devez avoir une intensité élevée pour que les matériaux réfléchissants fondent à un rythme qui ajoute plus de chaleur qu’il n’en échappe. Sinon, il se resolidifie simplement.
Le soudage laser à fibre optique avec des longueurs d’onde comprises entre 1 070 et 1 080 nm est couramment utilisé dans l’industrie pour souder ces matériaux. L’utilisation d’une taille de point plus petite et d’une puissance élevée permet d’augmenter le couplage d’énergie initial, ce qui rend la fusion plus efficace. Les impulsions laser à haute intensité peuvent également aider à surmonter les problèmes de réflectivité en assurant une augmentation rapide de la température à la surface, ce qui facilite l’absorption de l’énergie.
La lumière réfléchie par des matériaux hautement réfléchissants peut également endommager le laser et/ou les composants de transmission, entraînant des pannes du système et une qualité de soudure irrégulière. Selon l’état du cache de votre lentille et la qualité de votre verre, celui-ci peut absorber la lumière et déformer légèrement l’optique, ce qui entraîne à son tour un effet de lentille thermique. L’effet de lentille thermique peut avoir un impact sur la capacité de focalisation du faisceau laser en déplaçant le foyer du laser au-dessus de la pièce. Cela entraîne une réduction de la densité de puissance et une perte de pénétration dans le matériau.
Les revêtements protecteurs sur les optiques, tels que les revêtements antireflets et à haute durabilité, contribuent à limiter les dommages. Un verre de haute qualité conçu pour la longueur d’onde et le niveau de puissance de votre système laser est également essentiel pour empêcher l’absorption du laser dans les optiques. La mise en place de capteurs de réflexion arrière et de dissipateurs de faisceau peut protéger davantage le système laser en détectant et en redirigeant la lumière parasite loin des composants sensibles. Des inspections régulières sont également nécessaires pour garantir une transmission constante.
Pendant les cycles de production, il est essentiel de garantir une qualité constante. Chaque soudure doit résister aux contraintes et respecter les tolérances requises.
Garantir l’homogénéité des soudures
Afin de maintenir une qualité élevée des soudures, des systèmes de surveillance en cours de fabrication sont utilisés pour suivre les paramètres clés tels que les émissions de plasma et la température de surface. Ces capteurs fournissent des informations en temps réel, permettant aux soudeurs d’effectuer les ajustements nécessaires pour maintenir la stabilité du processus.
L’analyse transversale et la tomodensitométrie permettent de détecter les défauts internes et de vérifier la profondeur de pénétration de la soudure. Dans le cas des tomodensitomètres, l’inspection peut être effectuée sans détruire la pièce. En outre, d’autres méthodes d’essais non destructifs (END) fournissent des informations précieuses sans compromettre l’intégrité des pièces soudées. Par exemple :
Le choix de la méthode CND dépend de l’application spécifique, du matériau et du type de défauts à rechercher.
La clé de l’homogénéité réside dans le réglage préalable de vos paramètres et de votre recette de soudage. Cela vous permet d’évaluer les soudures, d’apporter les ajustements nécessaires et de vous assurer que votre recette est bien réglée avant de lancer une production à grande échelle.
Les systèmes de soudage laser actuels intègrent des fonctionnalités d’automatisation, d’enregistrement des données et d’analyse. En enregistrant en continu les paramètres de soudage clés, tels que la puissance laser, la vitesse de soudage, le débit du gaz de protection et la température, vous pouvez créer une base de données complète des données de processus.
L’analyse statistique de ces données permet de révéler des tendances, d’identifier des problèmes potentiels et d’optimiser les paramètres de soudage afin d’améliorer l’homogénéité et la qualité.
La mise en œuvre de graphiques de contrôle statistique du processus (CSP) peut aider à surveiller la stabilité des processus et à détecter les écarts par rapport aux valeurs de référence afin d’identifier les dégradations ou les anomalies qui nécessitent une investigation plus approfondie et des interventions proactives.
Les données peuvent également être utilisées à des fins de traçabilité, ce qui vous permet de suivre l’historique de soudage de chaque composant et de garantir la responsabilité.
La maintenance régulière du laser est essentielle pour garantir la stabilité à long terme du laser et la qualité de la soudure.
La vérification et le remplacement des coulisses de protection ou des optiques permettent d’éviter toute contamination pouvant entraîner des fluctuations de puissance et des lentilles thermiques.
La mesure quotidienne de la puissance de sortie du laser permet de détecter une dégradation progressive et de prendre des mesures correctives avant qu’elle n’ait un impact sur les performances de soudage. Les lasers de haute qualité présentent généralement une dérive de puissance minimale, mais un étalonnage régulier garantit la cohérence dans les environnements de production.
Pour obtenir des résultats optimaux en matière de soudage laser, il ne suffit pas de régler les bons paramètres. Il faut adopter une approche holistique qui inclut une préparation rigoureuse, une surveillance en temps réel et un perfectionnement continu. En fin de compte, la clé réside dans l’apprentissage et l’adaptation continus.
Chaque matériau, chaque application et chaque environnement présentent des défis uniques, qui exigent des opérateurs qu’ils comprennent les principes clés de chaque aspect et gèrent les paramètres de manière appropriée
En adoptant un état d’esprit axé sur la précision, l’expérimentation et la résolution proactive des problèmes, vous pouvez optimiser vos processus de soudage laser et obtenir des résultats constants et supérieurs.
JP Lavoie, directeur principal de l’innovation en matière de procédés laser, est titulaire d’un doctorat en génie physique de l’Université Laval. JP apporte plus de 20 ans d’expérience dans l’industrie du laser, où il a travaillé avec un large éventail de technologies laser. JP a rejoint Laserax après avoir passé 15 ans chez Coherent Corp. en tant que directeur des laboratoires d’application pour l’Amérique du Nord.
Il n’y a pas si longtemps, les lasers CO2 étaient les seuls lasers disponibles pour la soudure laser, et ils présentaient d’importantes limitations en matière d’automatisation. L’arrivée de la technologie de laser à fibre optique a drastiquement modifié le paysage, en offrant une grande vitesse, une précision élevée, un entretien minimal et une stabilité à toute épreuve malgré les mouvements et les vibrations.
L’intégrité d’une soudure dépend fortement de la préparation de la surface. L’aluminium a naturellement tendance à former de l’oxyde, et même une fine couche peut entraîner des défauts de soudure. L’oxyde et la contamination potentielle par des huiles, des lubrifiants, des peintures et des particules peuvent créer des bulles d’air emprisonnées à l’intérieur des matériaux, ce qui a un impact sur le processus de collage.
Le soudage au faisceau laser (Laser Beam Welding, abrégé en LBW) est une méthode précise et efficace utilisée pour assembler des matériaux à l’aide d’un faisceau laser. Il est réputé pour sa précision, sa rapidité et sa capacité à travailler sur des composants petits et délicats, ce qui le rend idéal pour des industries telles que l’électronique, les batteries, l’automobile et l’aérospatiale.
