Le soudage laser et le soudage à l'arc sont utilisés depuis longtemps dans la production industrielle et offrent un large éventail d'applications dans le domaine de l'assemblage des matériaux. Chaque procédé possède ses propres domaines d'application, définis par les mécanismes physiques de transport de l'énergie vers la pièce et par les flux d'énergie obtenus. L'énergie est transmise de la source laser au matériau à usiner par un rayonnement infrarouge cohérent de haute énergie, via une fibre optique. Le soudage à l'arc transmet la chaleur nécessaire au soudage grâce à un courant électrique intense circulant dans la pièce par l'intermédiaire d'une colonne d'arc. Le rayonnement laser induit une zone affectée thermiquement très étroite, avec un rapport profondeur/largeur de cordon élevé (effet de soudure profonde). La capacité de pontage du soudage laser est très faible, du fait de son faible diamètre de focalisation, mais il permet en revanche d'atteindre des vitesses de soudage très élevées. Le soudage à l'arc présente une densité d'énergie bien inférieure, mais génère une tache focale plus large sur la surface de la pièce et se caractérise par une vitesse d'usinage plus lente. La combinaison de ces deux procédés permet de réaliser des synergies intéressantes. En définitive, ce procédé permet d'obtenir des avantages en termes de qualité et d'ingénierie de production, ainsi qu'une meilleure rentabilité. Il offre des applications intéressantes et économiquement avantageuses, notamment dans l'industrie automobile, grâce à des tolérances plus strictes sur les soudures, des cadences d'assemblage plus élevées et d'excellents paramètres mécaniques et technologiques.
1. Introduction :
On sait depuis les années 1970 comment combiner la lumière laser et l'arc électrique en un procédé de soudage hybride, mais aucun développement ultérieur n'a été entrepris pendant longtemps. Récemment, des chercheurs se sont de nouveau intéressés à ce sujet et ont tenté d'unir les avantages de l'arc électrique à ceux du laser, dans un procédé de soudage hybride. Alors qu'à leurs débuts, les sources laser devaient encore faire leurs preuves pour un usage industriel, elles constituent aujourd'hui un équipement technologique standard dans de nombreuses entreprises manufacturières.
L'association du soudage laser à un autre procédé de soudage est appelée « procédé de soudage hybride ». Cela signifie qu'un faisceau laser et un arc électrique agissent simultanément dans une même zone de soudage, s'influençant et se renforçant mutuellement.
2. Laser :
Le soudage laser exige non seulement une puissance laser élevée, mais aussi un faisceau de haute qualité afin d'obtenir l'effet de soudure profonde souhaité. Cette meilleure qualité de faisceau permet soit d'obtenir un diamètre de focalisation plus petit, soit une distance focale plus grande.
Pour les projets de développement en cours, un laser à semi-conducteurs pompé par lampe, d'une puissance de faisceau de 4 kW, est utilisé. La lumière laser est transmise par une fibre optique de 600 µm de diamètre.
La lumière laser est transmise par une fibre optique dont les extrémités sont refroidies par eau. Le faisceau laser est projeté sur la pièce à usiner par un module de focalisation d'une distance focale de 200 mm.
3. Procédé hybride laser :
Pour le soudage de pièces métalliques, le faisceau laser Nd:YAG est focalisé à des intensités supérieures à 10⁶ W/cm². Lorsqu'il atteint la surface du matériau, il la chauffe jusqu'à vaporisation, créant ainsi une cavité de vapeur dans le métal fondu. La caractéristique principale du cordon de soudure est son rapport profondeur/largeur élevé. La densité de flux énergétique de l'arc en combustion libre est légèrement supérieure à 10⁴ W/cm². La figure 1 illustre le principe de base du soudage hybride.
Le procédé illustré ici apporte de la chaleur au métal d'apport dans la partie supérieure du cordon de soudure, en complément de la chaleur provenant de l'arc. Contrairement à une configuration séquentielle où deux procédés de soudage distincts agissent successivement, le soudage hybride peut être considéré comme une combinaison des deux procédés agissant simultanément dans une même zone de traitement. Selon le procédé (arc ou laser) utilisé et ses paramètres, les procédés s'influencent mutuellement de manière et dans une mesure différentes [1, 2].
Grâce à la combinaison du procédé laser et du procédé à l'arc, la profondeur de pénétration et la vitesse de soudage sont accrues (comparativement à l'utilisation de chacun des procédés pris individuellement). Les vapeurs métalliques s'échappant de la cavité de soudage agissent en rétroaction sur le plasma de l'arc. L'absorption du rayonnement laser Nd:YAG par le plasma de traitement demeure négligeable. Selon le rapport des deux puissances d'entrée choisi, le caractère global du procédé peut être déterminé plus ou moins par le laser ou par l'arc [3,4].
Fig. 1 : Représentation schématique : Soudage LaserHybrid
L'absorption du rayonnement laser est fortement influencée par la température de surface de la pièce. Avant de pouvoir démarrer le soudage laser, il est nécessaire de surmonter la réflectance initiale, notamment sur les surfaces en aluminium. Ceci peut être réalisé en lançant le soudage à l'aide d'un programme de démarrage spécifique. Une fois la température de vaporisation atteinte, la cavité de vapeur se forme, permettant ainsi de transférer la quasi-totalité de l'énergie du rayonnement dans la pièce. L'énergie requise est donc déterminée par l'absorption, qui dépend de la température, et par la quantité d'énergie perdue.
La vaporisation se propage par conduction dans le reste de la pièce. En soudage LaserHybrid, elle a lieu non seulement à partir de la surface de la pièce, mais aussi à partir du fil d'apport, ce qui augmente la quantité de vapeur métallique disponible et facilite ainsi l'injection du rayonnement laser. Ceci permet également d'éviter les interruptions de processus [5, 6, 7, 8, 9].
4. Application automobile :
Grâce à la technologie des châssis tubulaires, une réduction de poids de 43 % est possible par rapport à une carrosserie en acier.
Fig. 2 : Concept Audi Space Frame A2
Le châssis tubulaire de l'Audi A2 est composé de 30 m de soudure laser (bandes jaunes sur la figure 2) et de 20 m de soudure MIG. Il utilise également 1 700 rivets.
Fig. 3 : Comparaison des profils et des techniques d'assemblage sur l'Audi A2
La figure 4 illustre un joint soudé LaserHybrid entre une pièce moulée en ALMg3 et une tôle en AlMgSi. Le fil d'apport est en AlSi5 et le gaz de protection utilisé est l'argon. L'augmentation de la puissance du laser permet une pénétration plus profonde. La combinaison du faisceau laser et de l'arc électrique permet d'obtenir un bain de fusion plus large qu'avec le procédé de soudage laser seul. Ceci rend possible le soudage de composants présentant des écarts plus importants.
Fig. 4 : Joint à recouvrement avec un écart de 0,5 mm
Dans l'industrie automobile, le soudage par recouvrement sans préparation des joints est largement utilisé. Actuellement, le procédé de pointe pour ce type de soudage est le soudage laser avec apport de métal froid, en raison de la fissuration à chaud de l'alliage AA 6xxx. Lors du soudage avec apport de métal, une grande partie de l'énergie laser est perdue pour faire fondre ce dernier.
La figure suivante illustre les différences entre le soudage LaserHybrid et le soudage laser sur un joint à recouvrement à une vitesse de soudage de 2,4 m/min. En soudage laser, le cordon de soudure ne peut être rempli, ce qui engendre des caniveaux. De plus, la pénétration dans le matériau de base est très faible. La largeur du cordon de soudure est très réduite, ce qui se traduit par une faible résistance à la traction. En soudage LaserHybrid,
Du matériau supplémentaire est acheminé vers le bain de fusion. La zone de sous-dépouille est comblée par le fil issu du procédé MIG, ce qui permet d'économiser une partie de l'énergie laser. Cette énergie laser économisée peut être utilisée pour augmenter la pénétration dans le matériau de base et la largeur du cordon de soudure est supérieure à l'épaisseur du matériau, conformément aux exigences de la simulation numérique.
Figure 5. Comparaison entre le soudage LaserHybrid et le soudage laser sans fil d'apport.
Le procédé de soudage LaserHybrid permet de souder des matériaux en aluminium, en acier et en acier inoxydable jusqu'à 4 mm d'épaisseur. Au-delà de cette épaisseur, la pénétration complète est impossible. Pour l'assemblage de matériaux zingués, le brasage laser est également préférable.
Dans le secteur automobile, le procédé de soudage hybride laser trouve également des applications dans les groupes motopropulseurs, les essieux et les carrosseries.
Tête de soudage :
La tête de soudage doit présenter des dimensions géométriques réduites afin de garantir une bonne accessibilité aux composants à souder, notamment dans le domaine de la carrosserie automobile. De plus, elle doit être conçue pour permettre une connexion amovible adaptée à la tête du robot et le réglage de paramètres de procédé tels que la distance focale et la distance entre la torche et le dispositif de soudage, selon tous les axes cartésiens. La figure 5 illustre la tête de soudage en fonctionnement. Les projections générées lors du soudage entraînent un encrassement croissant du verre de protection. Ce verre de quartz, revêtu sur ses deux faces d'un matériau antireflet, est destiné à protéger le système optique du laser.
Selon le degré d'encrassement, les projections qui s'accumulent sur le verre peuvent réduire jusqu'à 90 % la puissance du laser atteignant la pièce. Un encrassement plus important entraîne généralement la destruction du verre de protection, car une grande partie de l'énergie rayonnante est alors absorbée par le verre lui-même, provoquant des contraintes thermiques. Cette tête de soudage et cet équipement permettent le soudage LaserHybrid, le soudage laser et le soudage MSG.brasage laser à fil chaud.
Fig. 6 : Tête de soudage et procédé
5. Avantages du soudage hybride laser :
La fusion de l'arc électrique et du faisceau laser présente les avantages suivants : Avantages du soudage LaserHybrid par rapport au soudage laser :
• stabilité de processus accrue
• capacité de pontage plus élevée
• pénétration plus profonde
• des coûts d'investissement en capital plus faibles
• une plus grande ductilité
Avantages du soudage LaserHybrid par rapport au soudage MIG :
• des vitesses de soudage plus élevées
• une pénétration plus profonde à des vitesses de soudage plus élevées
• apport thermique inférieur
• résistance à la traction plus élevée
• cordons de soudure plus étroits
Fig. 7 : Avantages de la combinaison des deux procédés
Le soudage à l'arc se caractérise par une source d'énergie économique, une bonne capacité de pontage et la possibilité de modifier la structure par apport de métal d'apport. Le soudage laser, quant à lui, se distingue par une grande profondeur de soudure, une vitesse de soudage élevée, un faible apport thermique et des cordons de soudure étroits. Au-delà d'une certaine densité de faisceau, le laser produit un « effet de soudure profonde » dans les matériaux métalliques, permettant ainsi de souder des composants d'épaisseur importante, à condition que la puissance du laser soit suffisamment élevée. Le soudage hybride laser permet donc d'atteindre des vitesses de soudage plus élevées, une stabilisation du procédé grâce à l'interaction entre l'arc et le faisceau laser, une efficacité thermique accrue et des tolérances plus strictes sur les pièces. Le bain de fusion étant plus petit qu'en soudage MIG, l'apport thermique est moindre et la zone affectée thermiquement est donc réduite. Il en résulte une réduction des défauts de soudure.
la déformation, ce qui réduit la quantité de travaux de redressage ultérieurs à effectuer après soudage.
En présence de deux bains de fusion distincts, l'apport thermique ultérieur de l'arc induit un revenu post-soudage de la zone soudée par faisceau laser, notamment dans le cas de l'acier, ce qui homogénéise la dureté sur le cordon de soudure. La figure 6 résume les avantages du procédé combiné (ou hybride).
Concernant les avantages économiques du soudage hybride par rapport au soudage laser, on peut affirmer que le cordon de soudure est composé en partie d'une soudure laser et en partie d'une soudure MIG. Le procédé hybride permet de réduire la puissance du faisceau laser, ce qui diminue considérablement la consommation d'énergie de la source laser, l'appareil ayant un rendement de seulement 3 %. Autrement dit, une réduction de 1 kW de la puissance du faisceau laser incident sur la pièce entraîne une réduction d'environ 35 kVA de la consommation électrique.
Un appareil à faisceau laser coûte environ 0,1 million d'euros par kW.puissance du faisceau laserÀ titre d'exemple, si l'utilisation d'un procédé hybride permet d'employer un appareil à faisceau laser de 2 kW au lieu d'un appareil de 4 kW, on réalise une économie de 200 000 euros sur les investissements. Il convient toutefois de rappeler que ce procédé hybride nécessite un poste de soudage MIG d'un coût d'environ 20 000 euros.
Grâce à la vitesse de soudage plus élevée, les temps de fabrication et les coûts de soudage peuvent être réduits.
6. Brasage laser à fil chaud :
Une autre possibilité de combiner le faisceau laser avec un fil d'apport est le procédé LaserHotwire [10]. Dans ce procédé, le fil d'apport est préchauffé avec la même source d'énergie, qui peut être utilisée pour le faisceau laser.Procédé de soudage hybride laserLe fil d'apport est soumis à une intensité de 100 A à 220 A. La vitesse d'alimentation du fil dépend de la section du cordon de brasage et de la vitesse de brasage. Grâce à la quantité de métal d'apport, le brasage permet d'obtenir un matériau de moulage plus facile à travailler que les cordons de soudure classiques. Le brasage de pièces en tôle facilite les réparations par rapport aux joints soudés. Un avantage du brasage LaserHotwire est l'excellente résistance à la corrosion de la zone brasée.
On utilise comme métal d'apport des alliages bon marché à base de cuivre tels que le SG-CuSi3 et l'argon sert de gaz de protection.
Fig. 8 : Représentation schématiquebrasage laser à fil chaud:
La figure suivante illustre la section transversale d'un matériau brasé au fil chaud par laser. Le matériau zingué est brasé à une vitesse de 3 m/min et le fil d'apport est parcouru par un courant de 205 A. L'apport de chaleur étant très faible, le procédé de brasage engendre une faible déformation.
7. Résumé :
Le soudage hybride laser est une technologie entièrement nouvelle qui offre des synergies pour de nombreux domaines d'application dans les industries métallurgiques, notamment là où il est impossible ou financièrement non viable d'atteindre les tolérances requises pour les composants.soudage au faisceau laserLa gamme d'applications beaucoup plus large et la grande capacité du processus combiné permettent d'améliorer la compétitivité grâce à des investissements réduits, des délais de fabrication plus courts, des coûts de production inférieurs et une productivité accrue.
Le procédé LaserHybrid offre une nouvelle approche du soudage de l'aluminium. Cependant, la mise au point d'un procédé stable et applicable en pratique n'a été possible que relativement récemment, grâce à la puissance accrue des lasers à semi-conducteurs. De nombreuses études ont examiné les principes fondamentaux des procédés de soudage hybrides laser-arc. Par « procédé de soudage hybride », on entend la combinaison du soudage laser et du soudage à l'arc, avec une seule zone de traitement (plasma et fusion). Des études fondamentales ont démontré la faisabilité d'un procédé permettant, par la combinaison des deux techniques, de créer des synergies et de compenser les inconvénients de chacune, améliorant ainsi les possibilités de soudage, la soudabilité et la fiabilité pour de nombreux matériaux et structures. Ceci a notamment été démontré pour les alliages d'aluminium. En choisissant des paramètres de procédé optimaux, il est possible d'influencer sélectivement les propriétés de la soudure, telles que sa géométrie et sa structure. Le soudage à l'arc améliore la pontage par l'apport de métal d'apport ; il détermine également la largeur du cordon de soudure et réduit ainsi la préparation de la pièce. De plus, les interactions entre les procédés permettent d'accroître considérablement leur efficacité. Ce procédé combiné exige également des coûts d'investissement nettement inférieurs à ceux du soudage laser.
Le procédé de brasage laser à fil chaud peut être utilisé notamment pour les matériaux revêtus de zinc afin d'obtenir une bonne résistance à la corrosion.
Date de publication : 18 avril 2025
