01 Soudage hybride laser-arc de plaques épaisses
Le soudage de tôles épaisses (épaisseur ≥ 20 mm) joue un rôle essentiel dans la fabrication d'équipements de grande taille pour des secteurs clés tels que l'aérospatiale, la navigation, la construction navale et le transport ferroviaire. Ces composants se caractérisent généralement par une épaisseur importante, des assemblages complexes et des environnements d'utilisation exigeants. La qualité du soudage influe directement sur les performances et la durée de vie de l'équipement. En raison de sa faible vitesse de soudage et des projections importantes qu'elle engendre, la méthode de soudage sous protection gazeuse traditionnelle présente des inconvénients tels qu'un faible rendement, une forte consommation d'énergie et des contraintes résiduelles élevées, ce qui la rend difficilement compatible avec les exigences de production toujours plus strictes. La technologie de soudage hybride laser-arc, quant à elle, se distingue des techniques de soudage traditionnelles. Elle combine avec succès les avantages de…soudage laserLe soudage à l'arc, qui combine une grande profondeur de pénétration, une vitesse de soudage élevée, un rendement important et une meilleure qualité de soudure (voir figure 1), a suscité un vif intérêt et a déjà trouvé des applications dans certains secteurs clés.
Figure 1 Principe du soudage hybride laser-arc
02 Recherche sur le soudage hybride laser-arc de plaques épaisses
L'Institut norvégien de technologie industrielle et l'Université de technologie de Luleå, en Suède, ont étudié l'uniformité structurelle des joints soudés composites sous une puissance de 15 kW pour un acier faiblement allié à haute résistance micro-allié de 45 mm d'épaisseur. L'Université d'Osaka et l'Institut central de recherche métallurgique d'Égypte ont utilisé un laser à fibre de 20 kW pour étudier le procédé de soudage hybride laser-arc en une seule passe de plaques épaisses (25 mm), en utilisant une doublure inférieure pour résoudre le problème de la surépaisseur. La société danoise Force Technology a utilisé deux lasers à disque de 16 kW en série pour étudier le soudage hybride de plaques d'acier de 40 mm d'épaisseur à 32 kW, ce qui indique que le soudage laser-arc haute puissance devrait être utilisé pour le soudage des bases des éoliennes offshore, comme illustré sur la figure 2. Harbin Welding Co., Ltd. est la première entreprise du pays à maîtriser la technologie de base et l'intégration des équipements du soudage hybride laser-arc à électrode de fusion solide haute puissance. C'est la première fois dans mon pays que la technologie et l'équipement de soudage hybride à l'arc avec électrode de fusion à double fil et laser solide de haute puissance sont appliqués avec succès à la fabrication d'équipements haut de gamme.
Figure 2. Schéma d'implantation du laser
D'après les recherches actuelles sur le soudage hybride laser-arc des tôles épaisses, tant en Chine qu'à l'étranger, il apparaît que la combinaison de cette méthode et d'un chanfrein à faible profondeur permet le soudage de telles tôles. Lorsque la puissance du laser dépasse 10 000 watts, sous l'effet du rayonnement laser de haute énergie, le comportement de vaporisation du matériau, l'interaction laser-plasma, la stabilité du bain de fusion, le mécanisme de transfert thermique et les propriétés métallurgiques de la soudure subissent des modifications plus ou moins importantes. Au-delà de 10 000 watts, l'augmentation de la densité de puissance intensifie la vaporisation à proximité du chanfrein, et la force de recul influe directement sur la stabilité de ce dernier et sur l'écoulement du bain de fusion, affectant ainsi le processus de soudage. Ces modifications ont un impact significatif sur la mise en œuvre du soudage laser et des procédés de soudage composite. Ces phénomènes caractéristiques du procédé de soudage reflètent, directement ou indirectement, sa stabilité et peuvent même déterminer la qualité de la soudure. L'effet de couplage des deux sources de chaleur (laser et arc) permet à chacune d'exploiter pleinement ses caractéristiques et d'obtenir de meilleurs résultats de soudage que le soudage laser ou à l'arc seul. Comparée au soudage laser autogène, cette méthode présente l'avantage d'une grande adaptabilité aux entrefers et d'une épaisseur soudable importante. Comparée au soudage laser par remplissage de fil en entrefer étroit pour les tôles épaisses, elle offre une efficacité de fusion du fil élevée et une bonne fusion des chanfreins. De plus, l'attraction du laser sur l'arc renforce la stabilité de ce dernier, rendant le soudage hybride laser-arc plus rapide que le soudage à l'arc traditionnel.soudage laser à fil d'apport, avec une efficacité de soudage relativement élevée.
03 Application de soudage hybride laser-arc haute puissance
La technologie de soudage hybride laser-arc haute puissance est largement utilisée dans l'industrie navale. Le chantier naval Meyer, en Allemagne, a mis en place une ligne de production de soudage hybride laser-arc CO2 de 12 kW pour souder les tôles plates et les raidisseurs de la coque, permettant ainsi la réalisation de cordons de soudure d'angle de 20 m de long en une seule opération et réduisant la déformation des deux tiers. GE a développé un système de soudage hybride laser-arc à fibre d'une puissance maximale de 20 kW pour souder le porte-avions USS Saratoga, économisant 800 tonnes de métal d'apport et réduisant le temps de travail de 80 %, comme illustré sur la figure 3. Le CSSC 725 utilise un système de soudage hybride laser-arc haute puissance à fibre de 20 kW, qui permet de réduire la déformation de soudage de 60 % et d'augmenter l'efficacité de soudage de 300 %. Le chantier naval Shanghai Waigaoqiao utilise un système de soudage hybride laser-arc haute puissance à fibre de 16 kW. La ligne de production utilise un nouveau procédé de soudage hybride laser + MAG pour réaliser le soudage monopasse et le formage bilatéral de tôles d'acier de 4 à 25 mm d'épaisseur. La technologie de soudage hybride laser-arc haute puissance est largement employée dans les véhicules blindés. Ses caractéristiques sont les suivantes : soudage de structures métalliques complexes de grande épaisseur, faible coût et haute productivité.
Figure 3. Porte-avions USS Sara Toga
La technologie de soudage hybride laser-arc haute puissance a d'abord été appliquée dans certains secteurs industriels et deviendra un moyen important pour la fabrication efficace de grandes structures à parois d'épaisseur moyenne à importante. À l'heure actuelle, les recherches sur le mécanisme de soudage hybride laser-arc haute puissance sont insuffisantes et nécessitent d'être approfondies, notamment en ce qui concerne l'interaction entre le photoplasma et l'arc, ainsi qu'entre l'arc et le bain de fusion. Le procédé de soudage hybride laser-arc haute puissance présente encore de nombreux problèmes non résolus, tels qu'une plage de paramètres étroite, des propriétés mécaniques hétérogènes de la structure soudée et un contrôle qualité complexe. Avec l'augmentation progressive de la puissance de sortie des lasers industriels, la technologie de soudage hybride laser-arc haute puissance se développera rapidement et de nouvelles technologies de soudage hybride laser continueront d'émerger. La localisation, la production à grande échelle et l'automatisation seront des tendances majeures pour le développement futur des équipements de soudage laser haute puissance.
Date de publication : 24 avril 2024
