Défauts courants du soudage laser des alliages d'aluminium

Défauts courants dansSoudage laser d'alliages d'aluminium

Que ce soit le soudage autogène au laser ousoudage hybride laser-arcLorsqu'elle est utilisée pour les alliages d'aluminium, il existe certains problèmes techniques courants, c'est-à-dire que des défauts peuvent apparaître si les paramètres du processus et les conditions de soudage sont métallurgiques.inapproprié. LeLes défauts des joints en alliage d'aluminium se répartissent principalement en deux catégories : la porosité de soudure et les fissures à chaud. Outre ces défauts, le soudage laser des alliages d'aluminium peut également engendrer des caniveaux et une mauvaise formation de la face arrière. Comparée à la porosité de soudure, la probabilité d'apparition de fissures (visibles à l'œil nu ou à faible grossissement) est faible. Cependant, les fissures étant plus dangereuses, la norme JIS Z 3105 stipule que toute fissure détectée dans une soudure entraîne son classement en classe IV. Les caniveaux, les mauvaises formations de la face arrière et autres défauts sont généralement des défauts graves dus à un contrôle de vitesse inadéquat ou à des paramètres de procédé incorrects. Ces défauts apparaissent généralement lors des phases d'exploration et de mise au point du procédé et sont rares en production. Par conséquent, la porosité est un défaut particulièrement préjudiciable au soudage laser des alliages d'aluminium et à la durabilité des structures soudées, et son élimination complète est complexe.

1. Porosité

La porosité est le défaut de volume le plus courant et le plus important dansSoudage laser des alliages d'aluminiumCes porosités présentent des dimensions allant de quelques centaines de microns à plusieurs millimètres. Leur mécanisme de formation reste encore mal compris. Elles fragilisent la zone de travail de la soudure et provoquent des concentrations de contraintes, réduisant ainsi la résistance dynamique et la tenue à la fatigue du joint soudé.

Lorsqu'un alliage d'aluminium fond dans un environnement contenant de l'hydrogène, sa teneur interne en hydrogène peut dépasser 0,69 ml/100 g. Cependant, après solidification, sa solubilité en hydrogène à l'équilibre est au maximum de 0,036 ml/100 g. On considère généralement que lors du refroidissement après soudage laser, la solubilité de l'hydrogène chute brutalement et que la précipitation d'hydrogène sursaturé engendre des porosités. L'évaporation d'éléments d'alliage à bas point de fusion et à haute pression de vapeur peut également induire des porosités, dites métallurgiques. Par ailleurs, les perturbations du faisceau laser et l'instabilité du trou de serrure peuvent aussi générer des porosités, mais celles-ci, de forme irrégulière, sont qualifiées de porosités induites par le procédé. Enfin, la forte réactivité chimique des alliages d'aluminium favorise la formation d'une couche d'oxyde en surface. Lors du soudage, l'eau de cristallisation et l'eau combinée issues de la décomposition du film d'oxyde à la surface de l'alliage d'aluminium, combinées à l'humidité de l'air et au gaz protecteur, se décomposent directement pour produire de l'hydrogène dans la zone à haute température sous l'action du laser. Ces gaz hydrogène peuvent soit précipiter lors du refroidissement et de la solidification du bain de fusion pour former des bulles, soit se former directement sur le film d'oxyde incomplètement fondu. En raison de la faible densité des alliages d'aluminium, la vitesse de remontée des bulles dans le bain de fusion est lente. De plus, les alliages d'aluminium possèdent une conductivité thermique élevée, et la vitesse de refroidissement et de solidification du bain de fusion est extrêmement rapide. Certaines bulles ne peuvent s'échapper à temps et restent piégées dans la soudure, formant ainsi une porosité métallurgique. Des études ont montré que le principal gaz présent dans la porosité des soudures d'alliages d'aluminium est l'hydrogène ; c'est pourquoi cette porosité est parfois appelée porosité d'hydrogène. L'observation de la porosité au microscope électronique à balayage révèle une morphologie majoritairement sphérique, caractérisée par des extrémités dendritiques étroitement agencées. La paroi interne est lisse, propre et exempte de traces d'oxydation. La présence de porosité diminue non seulement la compacité de la soudure et la capacité portante de l'assemblage, mais aussi, à des degrés divers, sa résistance et sa plasticité.

2. Fissures chaudes

Les fissures à chaud (incluant les fissures de solidification et les fissures de liquation) se forment lors de la solidification du métal en fusion et constituent un défaut courant en soudage laser des alliages d'aluminium. La caractéristique la plus marquante des fissures de solidification est la présence, sur une large surface, d'une structure granulaire lisse mais irrégulière, semblable à un pavage ou à une pomme de terre. Cette surface conserve souvent des eutectiques intergranulaires à bas point de fusion ou des replis de film liquide, ainsi que des traces de rupture fragile dendritique. La morphologie des fissures de liquation est similaire à celle des fissures de solidification, mais présente les caractéristiques d'une rupture intergranulaire à haute température ou d'une rupture de solidification. Lors de la rupture par fatigue des joints soudés par fusion sous charge de fatigue, ces fissures à chaud sont également fréquemment à l'origine de ces fissures. Les causes des fissures à chaud en soudage laser des alliages d'aluminium sont principalement liées à leurs caractéristiques intrinsèques et aux procédés de soudage. Les alliages d'aluminium présentent un fort retrait à la solidification (jusqu'à 5 %), engendrant des contraintes et des déformations importantes. De plus, des structures eutectiques à bas point de fusion se forment le long des joints de grains lors de la solidification du métal d'apport, ce qui affaiblit la force de liaison intergranulaire et favorise ainsi la formation de fissures à chaud sous l'effet de contraintes de traction. Par ailleurs, les morphologies des fissures lors du soudage laser des alliages d'aluminium peuvent être classées en plusieurs catégories : fissures au centre de la soudure ; fissures sur la ligne de fusion ; fissures intergranulaires dans les soudures ; fissures de liquation dans la zone affectée thermiquement ; fissures dues aux films d'oxyde ; et microfissures intergranulaires.

De plus, une protection insuffisante lors du soudage entraîne une réaction du métal d'apport avec les gaz de l'air, et les inclusions formées constituent également des sources potentielles de fissures. Le type et la quantité d'éléments d'alliage ont une grande influence sur la tendance à la fissuration à chaud lors du soudage des alliages d'aluminium. Généralement, les alliages d'aluminium des séries Al-Si et Al-Mn présentent une bonne soudabilité et sont peu sujets à la fissuration à chaud ; en revanche, les alliages d'aluminium des séries Al-Mg, Al-Cu et Al-Zn présentent une tendance relativement élevée à la fissuration à chaud. Cette tendance peut être réduite en ajustant les paramètres du procédé de soudage afin de contrôler les vitesses de chauffage et de refroidissement. De manière générale, la tendance à la fissuration à chaud du soudage hybride laser-arc est meilleure que celle du soudage laser avec fil d'apport, et cette dernière est meilleure que celle du soudage laser autogène.

3. Découpe et brûlure

Les alliages d'aluminium présentent une faible énergie d'ionisation, et le plasma photo-induit est sujet à la surchauffe et à l'expansion lors du soudage, ce qui engendre des procédés de soudage instables. De plus, les alliages d'aluminium liquides possèdent une bonne fluidité et une faible tension superficielle. Pour améliorer la pénétration, un débit de gaz de protection et une puissance laser plus élevés sont souvent nécessaires, ce qui détériore la stabilité du procédé de soudage. Il en résulte de fortes fluctuations du bain de fusion sous pression, pouvant facilement entraîner des défauts tels que des caniveaux et des perforations. La formabilité de la face arrière des plaques en alliage d'aluminium soudées au laser peut être efficacement améliorée par l'installation d'une plaque de cuivre refroidie à l'eau sur la face arrière de la soudure.

4. Inclusions de scories

Un autre type de défaut fréquent lors du soudage des carrosseries automobiles est l'inclusion de laitier. Des études ont montré que cette inclusion provient principalement des oxydes présents à la surface des soudures et des fils de soudage, ainsi que de processus instables lors de la mise en place des alliages d'aluminium. Par conséquent, les fabricants d'alliages d'aluminium doivent renforcer l'innovation technologique et améliorer les procédés de fonderie afin de minimiser la teneur en impuretés et en hydrogène des matières premières et d'améliorer la stabilité de la qualité des produits.