Comment fonctionne le soudage laser ?

Physique fondamentale : la manière dont l'énergie laser crée une soudure

Absorption de l'énergie, seuils de fusion et réponse thermique du matériau

Lorsque le soudage laser commence, ces photons intenses atteignent la surface du métal et transfèrent leur énergie aux électrons à l'intérieur. Au départ, les métaux absorbent peu de cette lumière proche infrarouge, reflétant en réalité entre 50 et 90 pour cent de celle-ci. Mais la situation change radicalement lorsque la fusion débute vers 1500 degrés Celsius dans les matériaux en acier. La capacité d'absorption de l'énergie augmente d'environ dix fois durant cette transition de phase. Ce phénomène dépend largement de la densité de puissance. La plupart des alliages utilisés en ingénierie commencent à fondre de manière fiable lorsqu'ils sont exposés à plus d'un million de watts par centimètre carré. La conductivité thermique joue également un rôle important dans la détermination de l'énergie nécessaire. Prenons l'exemple du cuivre, qui possède une conductivité thermique de 401 watts par mètre Kelvin, contre seulement 22 watts par mètre Kelvin pour le titane. Cela signifie que le cuivre nécessite environ trois fois plus d'énergie pour obtenir des profondeurs de fusion comparables. Le maintien d'une qualité de soudure intacte exige un contrôle précis de la température. Si les températures maximales dépassent 80 pour cent de ce qui est nécessaire pour vaporiser le matériau, des problèmes apparaissent en raison d'une expansion excessive de la vapeur, créant une porosité indésirable dans le produit final.

Mode de conduction vs. mode de clé : Quand et pourquoi chacun se produit

Le choix du mode de soudage reflète un compromis fondamental entre contrôle et pénétration :

En soudage en mode conduction, la chaleur se propage latéralement à travers le matériau, ce qui le rend idéal pour sceller les boîtiers de batteries lorsque l'apport de chaleur doit être faible. Lorsque l'intensité augmente, on passe au mode perçage. La pression de la vapeur creuse alors temporairement un trou dans le métal, permettant au faisceau laser de pénétrer plus profondément dans la pièce. Cette méthode peut réaliser des soudures en un seul passage même sur des aciers épais utilisés en construction navale d'environ 15 mm, bien que les opérateurs doivent surveiller attentivement les paramètres. La position du faisceau est très importante, tout comme les niveaux de puissance et la vitesse de déplacement de la torche. Si le trou se referme pendant le soudage, ce qui arrive souvent dans les environnements industriels, cela crée des pores gênants qui affaiblissent le produit final et nécessitent des retouches.

Composants principaux d'une machine de soudage laser

Source laser à fibre : pompage, milieu actif et génération du faisceau

Les lasers à fibre produisent une lumière intense et focalisée lorsqu'ils excitent, à l'aide de diodes semi-conductrices, des fibres optiques spéciales contenant des matériaux de terres rares. Ce processus implique une émission stimulée au sein de ces milieux amplificateurs, produisant un faisceau laser stable d'une longueur d'onde comprise entre 1 060 et 1 080 nanomètres. Cette plage de longueurs d'onde correspond à la gamme où la majorité des métaux absorbent le mieux l'énergie, ce qui la rend idéale pour les applications industrielles. La qualité du faisceau est également très importante. Lorsqu'elle est mesurée par des valeurs M² inférieures à 1,1, une meilleure qualité du faisceau permet de focaliser le laser sur des points plus petits et d'obtenir une pénétration plus profonde du matériau lors des opérations de découpe ou de soudage. Le contrôle thermique n'est pas non plus un aspect que les fabricants peuvent ignorer. Si la température devient trop élevée, la puissance de sortie diminue considérablement — d'environ 15 % pour chaque augmentation de 10 degrés Celsius au-delà de la plage prévue, selon une étude publiée l'année dernière dans le Material Processing Journal.

Transmission du faisceau, optique de focalisation et contrôle de la densité de puissance

Les faisceaux laser se propagent à travers des fibres optiques flexibles pour atteindre divers composants de transmission, tels que des fenêtres de protection, des collimateurs, des scanners galvanométriques, ainsi que des lentilles F-thêta spécialisées qui permettent de façonner et de focaliser le faisceau jusqu'à des points mesurant seulement 20 micromètres de diamètre. En mode perçage profond, ces lasers génèrent des densités de puissance supérieures à 1 million de watts par centimètre carré, ce qui signifie pratiquement que les matériaux sont vaporisés presque instantanément. Modifier la distance focale du laser ou utiliser des techniques telles que l'oscillation circulaire permet de stabiliser le bain de fusion pendant le soudage et de réduire les projections indésirables. Prenons l'exemple du réglage de la longueur focale : raccourcir celle-ci augmente d'environ 40 % la densité de puissance, mais réduit la profondeur de foyer disponible, ce qui exige des systèmes de commande de mouvement extrêmement précis afin de maintenir une bonne qualité de soudure sur différentes pièces.

Processus de formation du soudage : de l'illumination au joint solide

Dynamique du bain de fusion, stabilité du capillaire et microstructure de solidification

Lorsque le faisceau laser atteint le matériau, il chauffe rapidement la zone au-delà de son point de fusion, créant un bain fondu dont le comportement varie selon le mode de soudage. Dans le cas du soudage en mode clé de voûte, la pression de vapeur crée un trou profond et étroit pouvant atteindre 25 mm de profondeur. La stabilité de cette cavité est cruciale pour éviter les défauts, car son effondrement peut provoquer des turbulences générant des pores dans environ 12 % de tous les soudures produites, selon une recherche publiée l'année dernière dans le Journal of Materials Processing. Le soudage en mode conduction donne lieu à des bains beaucoup plus superficiels, restant relativement calmes sans mouvements fluides importants. Au fur et à mesure que le laser avance, le métal commence à se solidifier presque instantanément, le refroidissement se produisant à des taux supérieurs à un million de degrés par seconde. Ce refroidissement extrêmement rapide permet d'améliorer la structure des grains et de réduire la formation de composés intermétalliques fragiles qui affaiblissent les assemblages. Des essais montrent que cela rend les pièces soudées environ 30 % plus ductiles que celles réalisées avec des méthodes traditionnelles de soudage à l'arc. L'obtention de bons résultats dépend fortement du contrôle de la forme de la clé de voûte et de la vitesse de refroidissement, ce qui explique pourquoi un système de soudage laser correctement configuré fait toute la différence entre une microstructure homogène de grains uniformes et des structures dendritiques problématiques concentrant les contraintes.

Pourquoi le soudage laser assure la précision et la performance

Le soudage au laser est si précis parce qu'il concentre cette lumière cohérente en points extrêmement petits, parfois de moins de 0,1 mm de large, tout en maintenant la divergence du faisceau inférieure à 0,1 degré. Cela permet d'atteindre des densités de puissance supérieures à 1 MW par centimètre carré, ce qui fait fondre rapidement les matériaux exactement là où c'est nécessaire, tout en limitant la zone affectée par la chaleur à environ un demi-millimètre, contre 5 à 15 mm avec les méthodes traditionnelles de soudage à l'arc. Le résultat ? Les pièces restent quasiment indéformées, leurs propriétés métalliques d'origine sont préservées, et même des alliages complexes comme l'aluminium-lithium ou le nitinol peuvent être traités sans problème. Les systèmes modernes intègrent désormais des fonctionnalités avancées telles que l'oscillation du faisceau et la modulation d'impulsion, qui contrôlent effectivement l'écoulement et la solidification du métal en fusion pendant le processus. Associés à des bras robotisés, les soudeurs laser produisent des assemblages constants et solides à des vitesses impressionnantes dépassant 100 mm par seconde, soit 2 à 10 fois plus rapides que les techniques de soudage TIG ou MIG. Ces systèmes gèrent également toutes sortes de positions difficiles et de combinaisons de matériaux différentes, comme le raccordement du cuivre à l'aluminium, tout en maîtrisant soigneusement ces gênantes couches intermétalliques. Dans des secteurs allant des composants aérospatiaux aux dispositifs médicaux et aux véhicules électriques, les fabricants constatent une réduction des pièces rejetées, un besoin moindre de retouches et des indicateurs de productivité globalement améliorés.