Assemblage de soudage
1. Jeu et désalignement d'assemblage
La qualité de l'assemblage est essentielle pour garantir la qualité du soudage. Des jeux d'assemblage excessifs ou un mauvais alignement peuvent facilement engendrer des défauts tels que des perforations, une mauvaise formation de la soudure et une pénétration incomplète. Le jeu d'assemblage pour les joints d'angle et bout à bout doit être aussi faible que possible. Le tableau 8-2 répertorie les exigences relatives aux jeux et aux défauts d'alignement pour le soudage laser autogène portatif.
Pour garantir les dimensions des pièces, réduire les déformations et éviter les défauts d'alignement de la zone à souder dus à la torsion pendant le soudage, un pointage est généralement nécessaire avant le soudage. Le même procédé que pour le soudage définitif est utilisé pour le pointage d'assemblage. La longueur des points de soudure est de 20 à 30 mm et les exigences de qualité (profondeur et largeur de pénétration, par exemple) sont moins strictes que pour le soudage définitif. La vitesse d'avance est généralement plus élevée pour le pointage. Afin d'assurer une liaison fiable, les points de soudure doivent être plats, longs et fins, et ne doivent pas être excessivement grands, larges ou hauts. Ils doivent également être protégés de l'oxydation.
3. Fixations et pinces
Le soudage laser est principalement utilisé poursoudage de tôles mincesEn soudage de tôles minces, le soudage est généralement effectué sur la face avant de la pièce, la face arrière étant suffisamment fondue pour obtenir une soudure arrière de bonne qualité. Pour le choix des paramètres : un apport de chaleur insuffisant peut entraîner une fusion incomplète sur la face arrière ; un apport de chaleur élevé, bien qu'assurant une pénétration complète, peut provoquer une perforation due à la gravité du métal en fusion ou à une largeur de fusion disproportionnée par rapport à l'épaisseur de la pièce. Pour éviter la perforation, si la pièce le permet, il convient d'utiliser des dispositifs de fixation pendant le soudage : une pression sur la face avant et la mise en place d'une plaque de support en cuivre ou en acier inoxydable sur la face arrière. Ceci évite les variations de jeu d'assemblage ou les défauts d'alignement dus aux déformations de soudage et prévient l'effondrement thermique. Lorsque la dissipation thermique de la pièce est inégale pour des raisons structurelles, l'utilisation de dispositifs de fixation pour équilibrer la dissipation thermique est également efficace, afin d'obtenir des soudures de dimensions uniformes sur les deux faces.
Sélection des paramètres de soudage
De manière générale, les paramètres de soudage laser comprennent la puissance du laser, la largeur d'impulsion du laser, le degré de défocalisation, la vitesse de soudage et le gaz de protection.
1. Puissance laser
Il existe un seuil de densité de puissance laser en soudage laser. En dessous de ce seuil, la profondeur de pénétration est faible ; une fois atteint ou dépassé, elle augmente significativement. Le plasma est généré uniquement lorsque la densité de puissance laser sur la pièce dépasse ce seuil, ce qui indique un soudage par pénétration profonde stable. En dessous du seuil, seule une fusion superficielle se produit (soudage par conduction thermique stable). À proximité des conditions critiques de formation du trou de serrure, la pénétration profonde et le soudage par conduction thermique alternent, ce qui engendre un processus instable avec de fortes fluctuations de la profondeur de pénétration. La puissance laser est l'un des paramètres les plus critiques du traitement laser et un déterminant clé de la profondeur de pénétration de la soudure. Pour un diamètre de spot focalisé fixe, la densité de puissance laser est proportionnelle à la puissance laser : une puissance plus élevée augmente la profondeur de pénétration et la vitesse de soudage. Cependant, une puissance excessive provoque une surchauffe importante du bain de fusion, augmente la largeur de la soudure et la zone affectée thermiquement (ZAT), et génère davantage de projections, susceptibles de contaminer la lentille de soudage. À haute puissance, la couche superficielle peut être chauffée jusqu'au point d'ébullition et se vaporiser considérablement en quelques microsecondes, ce qui la rend idéale pour les procédés d'enlèvement de matière tels que le perçage, la découpe et la gravure. À puissance réduite, la surface atteint son point d'ébullition en quelques millisecondes, et la couche sous-jacente fond avant la vaporisation de la surface, ce qui facilite une bonne soudure par fusion.
2. Largeur d'impulsion laser
La durée d'impulsion laser est un paramètre clé du soudage laser pulsé. Elle est déterminée par la profondeur de pénétration et la zone affectée thermiquement (ZAT) : des impulsions plus longues augmentent la ZAT, et la profondeur de pénétration augmente avec la racine carrée de la durée d'impulsion. Cependant, des impulsions plus longues réduisent la puissance de crête ; elles sont donc généralement utilisées pour le soudage par conduction thermique, permettant de réaliser des soudures larges et peu profondes, particulièrement adaptées aux assemblages par recouvrement de tôles minces et épaisses. Néanmoins, une faible puissance de crête entraîne un apport de chaleur excessif, et chaque matériau possède une durée d'impulsion optimale pour une profondeur de pénétration maximale.
3. Sélection du niveau de défocalisation
La position du point focal est cruciale danssoudage par fusion laserLorsque le foyer est situé au-dessus de la surface de la pièce, la profondeur de pénétration est faible, ce qui rend le soudage en profondeur difficile. En revanche, lorsque le foyer est situé en dessous de la surface, la densité de puissance à l'intérieur de la pièce est supérieure à celle en surface, ce qui favorise une fusion et une vaporisation plus importantes. L'énergie peut ainsi pénétrer plus profondément dans la pièce et augmenter la profondeur de pénétration. Il existe deux modes de défocalisation : la défocalisation positive (plan focal au-dessus de la pièce) et la défocalisation négative (plan focal en dessous de la pièce). En pratique, pour les tôles épaisses nécessitant une grande profondeur de pénétration, on utilise la défocalisation négative, le foyer laser étant généralement situé entre 1 et 2 mm sous la surface de la pièce. Pour les tôles minces, on préfère la défocalisation positive, le foyer étant alors situé entre 1 et 1,5 mm au-dessus de la surface.
4. Vitesse de soudage
Toutes choses égales par ailleurs, la profondeur de pénétration diminue lorsque la vitesse de soudage augmente, tandis que l'efficacité s'améliore. Des vitesses excessivement élevées ne permettent pas d'atteindre les exigences de pénétration ; des vitesses excessivement faibles entraînent une fusion excessive, des soudures larges, une surchauffe de la ZAT et une augmentation du risque de fissuration à chaud.soudage laser pulséLa vitesse est également déterminée par la fréquence d'impulsion maximale et le chevauchement requis des spots : chaque spot d'impulsion successif doit se chevaucher partiellement. Ainsi, pour une puissance laser et une épaisseur de matériau données, il existe une plage de vitesses optimale, au sein de laquelle la profondeur de pénétration maximale est atteinte à une vitesse spécifique.
5. Gaz de protection
Les gaz inertes sont souvent utilisés pour protéger le bain de fusion lors du soudage laser. Si certains matériaux ne nécessitent pas de protection contre l'oxydation superficielle, la plupart des applications l'exigent. Traditionnellement, l'argon (Ar), l'azote (N₂) et l'hélium (He) sont utilisés pour le soudage laser des alliages d'aluminium afin de prévenir l'oxydation. Théoriquement, l'hélium est le plus léger et possède l'énergie d'ionisation la plus élevée, mais à faible puissance et à haute vitesse, le plasma est faible, ce qui minimise les différences entre les gaz. Des études montrent que, dans les mêmes conditions, l'azote induit plus facilement la formation de cavités en raison de réactions exothermiques avec l'aluminium ; les composés ternaires Al-NO résultants présentent une absorption laser plus élevée. Cependant, l'azote pur forme des phases Al-N fragiles et des porosités dans les soudures. Les gaz inertes, étant légers, s'échappent sans créer de porosités, ce qui rend les mélanges gazeux plus efficaces. Récemment, les recherches sur le soudage laser de l'aluminium utilisant des mélanges Ar-O₂ et N₂-O₂ se sont intensifiées.
6. Absorption des matériaux
L'absorption de l'énergie laser par un matériau dépend de propriétés telles que l'absorptivité, la réflectivité, la conductivité thermique, la température de fusion et la température d'évaporation, l'absorptivité étant la plus critique. Les facteurs influençant l'absorptivité sont les suivants :
Résistivité électrique : pour les surfaces polies, l’absorptivité est proportionnelle à la racine carrée de la résistivité, qui varie avec la température.
État de surface : Influence significativement l’absorption et donc les résultats de soudage.
Conseils et précautions d'utilisation du soudage laser à fibre portatif
1. Évitez les rayonnements d'arc
soudeuses laser à fibre portablesUtilisez des lasers à fibre de classe 4 émettant un rayonnement de (1080 ± 3) nm avec une puissance de sortie supérieure à 1000 W (selon le modèle). Une exposition directe ou indirecte peut endommager les yeux ou la peau. Bien qu'invisible, le faisceau peut causer des lésions irréversibles à la rétine ou à la cornée. Portez toujours des lunettes de protection laser certifiées lorsque le laser est en fonctionnement. Ne regardez jamais directement la tête de sortie lorsque le laser est allumé, même avec des lunettes de protection.
2. Réglage des paramètres de soudage
Réglez la puissance du laser sur l'écran tactile (voir figure 8-2). Placez la buse en cuivre de la tête de soudage contre la pièce à usiner et appuyez sur l'interrupteur de la torche pour activer le laser de soudage. Paramètres typiques : fréquence laser 5 000 Hz, vitesse du galvanomètre 300–600, délai de gaz > 100 ms, facteur de marche de 100 % pour une émission continue. Ajustez la largeur de la soudure en fonction des jeux d'assemblage ; la puissance est réglable de 0 à 1 000 W (0 à 100 % de la puissance maximale). Après avoir saisi les paramètres, cliquez sur « OK » et enregistrez-les pour qu'ils soient pris en compte.
4. Ne pas augmenter excessivement la vitesse de soudage
Les soudures sont réalisées par déplacement de la source laser (voir figure 8-3). La profondeur et la largeur dépendent de la vitesse et de la puissance ; à des vitesses typiques de 1 à 3 m/min, on obtient des surfaces lisses et exemptes de calamine, avec un rapport d’aspect inférieur à 1. À courant et tension constants, la vitesse influe directement sur l’apport de chaleur, modifiant ainsi la pénétration et la largeur. Des vitesses trop élevées entraînent un chauffage insuffisant, ce qui réduit la pénétration, diminue la largeur de la soudure, provoque des caniveaux, des porosités et une pénétration incomplète.
Nettoyage mécanique : utiliser des brosses en acier inoxydable ou des meules pneumatiques pour éliminer les oxydes jusqu’à l’obtention d’une finition blanche brillante. Souder immédiatement après le polissage ; repolir si le soudage est retardé de plus de 36 heures.
Nettoyage chimique : Éliminer les oxydes par réactions chimiques (les méthodes varient selon le matériau). Le tableau 8-3 répertorie les méthodes de nettoyage chimique pour les alliages d’aluminium. Éliminer l’huile et la poussière à l’aide de solvants organiques (essence, alcool isopropylique) par trempage, essuyage et séchage.
5. Minimiser la porosité
Les pores d'hydrogène sont fréquents lors du soudage laser des alliages d'aluminium. Réduisez-les en éliminant l'humidité, l'huile et les oxydes de surface. Prolonger le temps de refroidissement du bain de fusion (en augmentant la durée d'impulsion) favorise l'évacuation des gaz, car le cycle thermique rapide du soudage laser limite leur dégagement. Évitez les positions de focalisation ou de défocalisation négative, où les réactions intenses du bain de fusion et la vaporisation de l'alliage augmentent la porosité ; utilisez une énergie plus douce en ajustant la défocalisation pour réduire la vaporisation.
6. Faites attention à la posture de la lampe torche.
Les torches laser portatives (voir figure 8-4) sont plus lourdes que les torches TIG et leurs câbles épais peuvent engendrer de la fatigue chez l'opérateur. Pour les soudures prolongées, tenez la torche à deux mains, maintenez la buse en contact avec la pièce à souder, alignez visuellement la soudure et tirez la torche régulièrement vers vous. Adaptez votre posture en fonction de la position de soudage afin de minimiser la fatigue et le nombre de points de soudure.
7. Prévenir les blessures au laser
Une utilisation incorrecte peut provoquer des accidents. Respectez ces règles :
Ne jamais fixer la tête de sortie laser pendant son fonctionnement.
Ne pas utiliserlasers à fibredans des environnements sombres ou peu éclairés.
Ne jamais diriger la lampe torche vers des personnes lorsque l'appareil est en marche.
Utiliser des barrières métalliques à moins de 3 m de la zone de soudage.
Limiter l'accès à la zone de soudage aux seuls opérateurs.
Portez un équipement de protection (lunettes de protection certifiées, masque, gants). Ne fixez jamais la tête de sortie du laser lorsqu'il est allumé, même avec des lunettes de protection.
Manipulez la lampe torche et le câble avec précaution (rayon de courbure minimum > 200 mm).
Désactivez la touche d'émission laser lorsqu'elle n'est pas utilisée.
Assurez-vous de la qualité des buses pour une protection efficace contre les gaz :
Parois internes lisses, concentriques au laser.
Remplacez rapidement les buses déformées afin de maintenir un mouvement régulier de la torche.
La taille de l'ouverture de la buse (voir figure 8-6) affecte la qualité de la soudure : des ouvertures plus grandes augmentent le débit de gaz, accélérant la solidification et augmentant les risques de porosité/fissuration.
8. Évitez les vitesses élevées pour les alliages sensibles aux fissures.
Soudage laser portatifUtilise des torches galvanométriques oscillantes autogènes et sans fil. Les vitesses élevées réduisent la pénétration, rétrécissent les soudures, provoquent des caniveaux et perturbent la couverture de gaz de protection, ce qui diminue la protection. Utiliser des vitesses plus faibles pour les alliages sensibles à la fissuration.
9. Garantir la qualité des joints
Les différences de température et le soudage sans fil peuvent provoquer des brûlures, des cratères ou des fissures. Soudez en continu pour minimiser les arrêts ; si des arrêts sont inévitables (par exemple, changements de position, soudage segmenté), ralentissez légèrement (10 mm) avant de vous arrêter pour éviter les cratères. Reprenez la soudure 20 mm derrière le cratère précédent pour assurer un bon recouvrement et une meilleure qualité.
10. Suivez le mouvement correct de la torche
Rapprochez la torche de vous (de loin vers près) sans oscillation latérale. Maintenez une vitesse constante tout en surveillant la régularité de la soudure. Pour le soudage vertical, effectuez un mouvement descendant (et non ascendant) afin de favoriser une solidification rapide et d'assurer une grande stabilité.
11. Évitez les caniveaux, les petits congés et l'affaissement dans les soudures à recouvrement.
Pour les soudures par recouvrement, ajustez l'angle d'incidence du laser de façon à ce que le galvanomètre couvre les 2/3 de la plaque verticale (voir figure 8-7). La plaque verticale (qui sert de métal d'apport) et le tiers restant de la plaque de base fondent par conduction thermique, formant ainsi une soudure de dimensions suffisantes après refroidissement. Des soudures par recouvrement de mauvaise qualité fragilisent l'assemblage, réduisent la résistance à la fissuration ou peuvent entraîner une rupture structurelle ; évitez les caniveaux.
12. Réduction de la réflectivité lors du soudage des alliages d'aluminium
L'aluminium réfléchit 60 à 98 % de l'énergie laser. Sa réflectivité chute brutalement à son point de fusion et se stabilise à l'état fondu. L'absorptivité diminue avec l'augmentation de l'angle d'incidence ; l'absorption maximale se produit en incidence normale (à ajuster en fonction de la protection de la lentille). On peut réduire la réflectivité en éliminant les oxydes par nettoyage mécanique ou chimique.
13. Utilisation correcte des gaz de protection
Le gaz de protection influe sur la formation, la pénétration et la largeur de la soudure. La plupart des gaz améliorent la qualité, mais peuvent présenter des inconvénients :
Ar : Faible énergie d'ionisation, forte formation de plasma (réduisant l'efficacité du laser) mais inerte, peu coûteux et dense — recouvrant efficacement le bain de fusion (idéal pour une utilisation générale).
N₂ : Énergie d'ionisation modérée (réduit mieux le plasma que l'argon), mais réagit avec l'aluminium et l'acier au carbone pour former des nitrures fragiles, ce qui diminue la ténacité (non recommandé pour ces matériaux). Convient à l'acier inoxydable, où les nitrures renforcent la résistance.
14. Débit de gaz de protection
Le gaz est éjecté par la buse à une pression spécifique. La conception hydrodynamique et le diamètre de sortie de la buse sont essentiels : suffisamment larges pour couvrir la soudure, mais restreints pour éviter les turbulences (qui aspirent l’air et provoquent des porosités). Pour le soudage laser portatif, le débit typique est de 7 L/min. Un débit excessif entraîne l’incorporation de contaminants dans le bain de fusion, compromettant la pureté du gaz ; il est donc important de choisir le débit approprié.
15. Position de focalisation du laser
Position de focalisation : Point le plus petit, énergie la plus élevée – à utiliser poursoudage par pointsou des exigences minimales en matière de taille de spot et de faible énergie (voir figure 8-8).
Défocalisation négative : Point plus large (augmente avec la distance par rapport au foyer) – convient au soudage continu à pénétration profonde et au soudage par points profonds.
Défocalisation positive : point plus large (augmente avec la distance par rapport au foyer) – convient pour l’étanchéité de surface ou le soudage continu à faible pénétration.
Contrôle de la soudure à pénétration complète : une légère modification de la couleur au dos indique une bonne qualité ; des marques ou une pénétration importantes provoquent des projections ou des rainures profondes lors d’une soudure continue. Ajustez la mise au point, l’énergie et la forme d’onde en fonction des échantillons. Utilisez des points plus petits pour les matériaux plus fins afin d’éviter la perforation.
Date de publication : 21 août 2025
