Méthodes de soudage pour les micro-pièces et les petites pièces. Le soudage laser est une méthode de soudage efficace et précise qui utilise un faisceau laser à haute densité d'énergie comme source de chaleur. Il s'agit d'une application importante de la technologie de traitement des matériaux par laser. Dans les années 1970, il était principalement utilisé pour le soudage de matériaux à parois minces et le soudage à basse vitesse, et le procédé de soudage était de type conduction thermique. Plus précisément, le rayonnement laser chauffe la surface de la pièce, et la chaleur se diffuse vers l'intérieur par conduction thermique. En contrôlant des paramètres tels que la largeur, l'énergie, la puissance de crête et la fréquence de répétition des impulsions laser, la pièce est fondue pour former un bain de fusion spécifique. Grâce à ses avantages uniques, il a été appliqué avec succès auxSoudage de précision de micro-pièces et de petites pièces.La technologie de soudage laser chinoise figure parmi les plus avancées au monde. Elle permet de fabriquer des composants complexes en alliage de titane de plus de 12 mètres carrés grâce au laser et a été mise en œuvre dans la réalisation de prototypes et la production de nombreux projets de recherche aéronautique nationaux. En octobre 2013, un expert chinois en soudage a reçu le prix Brook, la plus haute distinction académique dans ce domaine, confirmant ainsi le niveau d'excellence mondial de la Chine en matière de soudage laser.
## Historique du développement Le premier faisceau laser au monde a été généré en 1960 par excitation de cristaux de rubis à l'aide d'une lampe flash. Limité par la capacité thermique du cristal, il ne pouvait produire que des faisceaux pulsés très courts à basse fréquence. Bien que l'énergie de crête instantanée de l'impulsion puisse atteindre 10⁶ watts, la puissance de sortie restait faible. Une barre de cristal de grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme (Nd:YAG), utilisant le néodyme (Nd) comme élément d'excitation, permet de générer un faisceau laser continu monomode d'une puissance de 1 à 8 kW. Le laser YAG, d'une longueur d'onde de 1,06 µm, peut être connecté à la tête de traitement laser par une fibre optique flexible, offrant ainsi une grande flexibilité d'installation et une aptitude au soudage de pièces d'une épaisseur de 0,5 à 6 mm. Le laser CO₂, utilisant le dioxyde de carbone comme excitateur (avec une longueur d'onde de 10,6 μm), peut atteindre une énergie de sortie de 25 kW et réaliser un soudage à pleine pénétration en une seule passe de plaques de 2 mm d'épaisseur. Il est largement utilisé dans le traitement des métaux au sein du secteur industriel. Au milieu des années 1980, le soudage laser, en tant que technologie émergente, a suscité un vif intérêt en Europe, aux États-Unis et au Japon. En 1985, ThyssenKrupp Steel AG (Allemagne) et Volkswagen AG (Allemagne) ont collaboré pour intégrer avec succès la première ébauche soudée au laser au monde sur la carrosserie de l'Audi 100. Dans les années 1990, les principaux constructeurs automobiles d'Europe, d'Amérique du Nord et du Japon ont commencé à généraliser l'utilisation de cette technologie dans la fabrication des carrosseries. L'expérience pratique, tant en laboratoire que chez les constructeurs automobiles, a démontré l'efficacité des ébauches soudées au laser dans la production de carrosseries. Le soudage laser sur mesure utilise l'énergie laser pour assembler et souder automatiquement plusieurs aciers, aciers inoxydables, alliages d'aluminium, etc., de matériaux, d'épaisseurs et de revêtements différents, afin de créer une plaque, un profilé ou un panneau sandwich intégré. Ce procédé répond aux exigences de performance des différents matériaux des composants et permet d'obtenir des équipements légers, à la structure optimale et aux performances maximales. Dans les pays développés comme l'Europe et les États-Unis,soudage laser sur mesureLe soudage laser est non seulement utilisé dans l'industrie de la fabrication de matériel de transport, mais aussi dans des domaines tels que la construction, les ponts, la production de tôles soudées pour l'électroménager et le soudage de tôles d'acier sur les lignes de laminage (assemblage de tôles en laminage continu). Parmi les entreprises de soudage laser de renommée mondiale figurent Soudonic (Suisse), le groupe ArcelorMittal (France), ThyssenKrupp TWB (Allemagne), Servo-Robot (Canada) et Precitec (Allemagne). L'application de la technologie de soudage laser en Chine est encore récente. Le 25 octobre 2002, la première ligne de production commerciale professionnelle chinoise de pièces soudées au laser a été mise en service. Elle a été introduite par Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding, filiale de ThyssenKrupp TWB (Allemagne). Par la suite, Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. et d'autres entreprises ont successivement lancé leur production. En 2003, des pays étrangers ont réalisé le soudage à fil d'apport laser CO₂ à double faisceau etSoudage au laser YAG avec fil d'apportPour la structure du panneau inférieur en alliage d'aluminium de l'A318, cette technologie a remplacé la structure rivetée traditionnelle, réduisant ainsi le poids du fuselage de 20 % et les coûts de 20 %. Gong Shuili était convaincu que le soudage laser jouerait un rôle déterminant dans la transformation et la modernisation de l'industrie aéronautique chinoise. Il a immédiatement déposé des demandes de financement pour plusieurs projets de recherche préliminaire, constitué une équipe de recherche et pris l'initiative d'introduire la technologie de soudage laser à double faisceau dans les projets de recherche en Chine. Dès le départ, son objectif était d'appliquer cette technologie à la construction aéronautique. L'équipe d'experts chinois a présenté les résultats préliminaires de cette technologie à un bureau d'études aéronautiques, mettant en avant ses avantages et sa faisabilité. Après de multiples vérifications et évaluations, le bureau d'études a décidé d'appliquer cette technologie à la fabrication de panneaux de paroi nervurés pour un avion spécifique, atteignant ainsi l'objectif initial d'appliquer le soudage laser à double faisceau à la construction aéronautique. Elle a permis des avancées technologiques majeures, notamment dans le contrôle précis du fil d'apport pour le soudage laser des alliages légers, le développement d'un dispositif de soudage hybride intégré et innovant à double faisceau laser, la mise en place de la première plateforme chinoise de soudage à fil d'apport laser à double faisceau haute puissance, la réalisation du soudage synchrone à double faisceau et double face de joints en T dans de grandes structures à parois minces, et son application réussie, pour la première fois, à la fabrication par soudage de pièces structurelles clés de panneaux de parois nervurées pour l'aéronautique, contribuant ainsi de manière significative au développement des nouveaux avions chinois. En 2003, le premier ensemble complet de soudage en ligne à grande échelle de HG Laser, fourni par la Chine, a été validé en production. Cet équipement intègre la découpe laser, le soudage et le traitement thermique, faisant de HG Laser l'une des quatre seules entreprises mondiales capables de produire un tel équipement. En 2004, le projet « Technologie et équipement de découpe, de soudage et de traitement combiné laser haute puissance » de HG Laser Farley Laserlab a remporté le deuxième prix du Prix national du progrès scientifique et technologique, faisant de cette entreprise la seule en Chine à posséder les capacités de R&D nécessaires à cette technologie et à cet équipement. Avec le développement rapide de l'industrie laser, le marché exige davantage de la technologie de traitement laser. Cette dernière est passée progressivement d'une application unique à des applications diversifiées. Le traitement laser ne se limite plus à la simple découpe ou au soudage. La demande du marché pour des équipements de traitement laser intégrés, combinant découpe et soudage, est croissante, ce qui a conduit à l'émergence de ces équipements. HG Laser Farley Laserlab a développé la machine de découpe et de soudage intégrée Walc9030, d'un format ultra-large de 9 × 3 mètres, actuellement l'équipement de découpe et de soudage laser intégré le plus grand au monde. La Walc9030 est un équipement de découpe et de soudage grand format intégrant…fonctions de découpe et de soudage laserCette machine est équipée d'une tête de découpe professionnelle et d'une tête de soudage, ces deux têtes partageant un seul faisceau. La technologie de commande numérique garantit leur fonctionnement sans interférence. L'équipement peut réaliser simultanément deux opérations de découpe et de soudage. Il permet d'alterner librement entre la découpe et le soudage, ou inversement, réalisant ainsi les deux fonctions de découpe et de soudage laser avec un seul appareil, sans équipement supplémentaire. Ceci permet aux fabricants de réaliser des économies, d'améliorer l'efficacité et la portée du traitement. De plus, grâce à l'intégration de la découpe et du soudage, la précision d'usinage est pleinement garantie, et les performances de l'équipement sont à la fois efficaces et stables. Par ailleurs, elle surmonte les difficultés liées à la déformation thermique des plaques lors du soudage sur mesure de très grandes plaques et assure la réalisation stable de trajets optiques de très grande longueur. Elle peut souder simultanément deux plaques planes de 6 mètres de long et 1,5 mètre de large, et la surface soudée est lisse et plane sans post-traitement. Parallèlement, elle peut découper en une seule opération, sans positionnement secondaire, des plaques de 3 mètres de large, plus de 6 mètres de long et moins de 20 mm d'épaisseur. L'Institut d'automatisation de Shenyang, relevant de l'Académie chinoise des sciences, a mené une coopération internationale avec la société IHI (Japon). Conformément à la stratégie nationale de développement scientifique et technologique « introduction, assimilation, absorption et réinnovation », elle a maîtrisé plusieurs technologies clés.soudage laser sur mesureEn septembre 2006, AVIC a mis au point la première ligne de production chinoise complète de soudage laser sur mesure et a développé avec succès un système de soudage laser robotisé, permettant le soudage laser de surfaces planes et courbes. En octobre 2013, un expert chinois en soudage a reçu le prix Brook, la plus haute distinction académique dans ce domaine. Le Welding Institute (TWI, Royaume-Uni) recommande et nomine chaque année des candidats parmi plus de 4 000 unités membres réparties dans plus de 120 pays, et décerne finalement ce prix à un expert en reconnaissance de sa contribution exceptionnelle à la science et à la technologie du soudage ou de l'assemblage et à ses applications industrielles. Ce prix témoigne non seulement du succès de Gong Shuili et de son équipe, mais aussi du rôle d'AVIC dans la promotion du progrès des technologies d'assemblage des matériaux.
## Paramètres structurels
### Fonctionnement Il se compose d'un oscillateur optique et d'un milieu placé entre les miroirs situés aux extrémités de la cavité de l'oscillateur. Lorsque le milieu est excité à un état de haute énergie, il génère des ondes lumineuses en phase, qui se réfléchissent successivement entre les miroirs, créant un effet de concaténation photoélectrique. Ce phénomène amplifie les ondes lumineuses et, lorsque l'énergie est suffisante, le laser est émis. Un laser peut également être défini comme un dispositif convertissant des sources d'énergie primaire, telles que l'énergie électrique, chimique, thermique, lumineuse ou nucléaire, en faisceaux de rayonnement électromagnétique de fréquences optiques spécifiques (lumière ultraviolette, lumière visible ou infrarouge). Cette conversion peut être facilement réalisée dans certains milieux solides, liquides ou gazeux. Lorsque ces milieux sont excités sous forme d'atomes ou de molécules, ils produisent un faisceau lumineux de phase quasi identique et de longueur d'onde quasi unique : le laser. Grâce à sa propriété de phase et à sa longueur d'onde unique, l'angle de divergence est très faible, ce qui permet une transmission sur de longues distances avant une forte concentration, assurant ainsi des applications telles que le soudage, la découpe et le traitement thermique. ### Classification des lasers Il existe principalement deux types de lasers utilisés pour le soudage : les lasers CO₂ et les lasers Nd:YAG. Ces deux types de lasers émettent une lumière infrarouge invisible à l'œil nu. Le faisceau généré par le laser Nd:YAG est principalement composé de lumière proche infrarouge d'une longueur d'onde de 1,06 µm. Les conducteurs thermiques présentent un taux d'absorption relativement élevé pour cette longueur d'onde, et la réflectivité de la plupart des métaux est de 20 à 30 %. Le faisceau proche infrarouge peut être focalisé à un diamètre de 0,25 mm à l'aide de lentilles optiques standard. Le faisceau du laser CO₂ est quant à lui composé de lumière infrarouge lointain d'une longueur d'onde de 10,6 µm. La plupart des métaux présentent une réflectivité de 80 à 90 % pour ce type de lumière ; des lentilles optiques spéciales sont donc nécessaires pour focaliser le faisceau sur un diamètre de 0,75 à 1,0 mm. La puissance des lasers Nd:YAG atteint généralement 4 000 à 6 000 W, et la puissance maximale actuelle est de 10 000 W. En revanche, la puissance des lasers CO₂ peut facilement atteindre 20 000 W, voire plus. Les lasers CO₂ de haute puissance résolvent le problème de la forte réflectivité grâce à l’effet de trou de serrure. Lorsque la surface du matériau irradié par le faisceau lumineux fond, un trou de serrure se forme. Ce trou de serrure, rempli de vapeur, se comporte comme un corps noir et absorbe la quasi-totalité de l’énergie de la lumière incidente. La température d’équilibre à l’intérieur du trou de serrure atteint environ 25 000 °C, et la réflectivité diminue rapidement en quelques microsecondes. Bien que le développement des lasers CO₂ reste axé sur la recherche et le développement d'équipements, l'objectif n'est plus d'accroître la puissance de sortie maximale, mais d'améliorer la qualité du faisceau et ses performances de focalisation. De plus, l'utilisation d'argon comme gaz de protection pour le soudage laser CO₂ de puissance supérieure à 10 kW induit souvent un plasma important, réduisant la profondeur de pénétration. C'est pourquoi l'hélium, qui ne génère pas de plasma, est fréquemment utilisé comme gaz de protection pour le soudage laser CO₂ de haute puissance. L'application de combinaisons laser-diode pour l'excitation de cristaux Nd:YAG de haute puissance constitue un axe de recherche et développement important, susceptible d'améliorer considérablement la qualité des faisceaux laser et de permettre un traitement laser plus efficace. L'utilisation de réseaux de diodes pour l'excitation et l'émission de lasers dans le proche infrarouge a permis d'atteindre une puissance moyenne de 1 kW et un rendement de conversion photoélectrique proche de 50 %. Les diodes présentent également une durée de vie plus longue (10 000 heures), ce qui contribue à réduire les coûts de maintenance des équipements laser. Le développement des équipements laser à semi-conducteurs pompés par diodes (DPSSL) progresse également.
Date de publication : 27 août 2025
