Soudage au faisceau laserGrâce à sa rapidité, sa précision et son fonctionnement sans contact, le soudage est largement utilisé dans des secteurs tels que l'automobile, l'aérospatiale et l'électronique, notamment pour l'assemblage de matériaux dissemblables. Cependant, les fissures de solidification qui se forment lors du soudage constituent un défaut majeur limitant son application industrielle. Ces fissures apparaissent généralement en fin de solidification, dans la zone de fusion, sous l'effet combiné des contraintes thermiques, du retrait de solidification et du film liquide aux joints de grains, réduisant considérablement les propriétés mécaniques et la durée de vie en fatigue de l'assemblage.
1. Mécanisme de formation
Le mécanisme principal des fissures de solidification réside dans le film liquide résiduel présent aux joints de grains en fin de solidification. Lors de ce processus, le bain de fusion se divise en trois zones : la zone de liquide libre, la zone de liquide restreint et la zone solide, comme illustré sur la figure 1. Dans la zone de liquide restreint, l’écoulement du liquide est bloqué et ne peut compenser les contraintes dues au retrait de solidification, ce qui entraîne la séparation des joints de grains. Le rapport entre l’énergie des joints de grains (γgb) et l’énergie de l’interface solide-liquide (γsl) détermine la stabilité du film liquide : si γgb < 2γsl, le film liquide est instable et une coalescence des grains se produit ; à l’inverse, le film liquide est stable et l’amorçage des fissures est probable.
De plus, la formation de fissures de solidification est également liée aux propriétés métallurgiques des matériaux. Différents matériaux présentent des caractéristiques de solidification distinctes, telles que la plage de températures de solidification, le taux de retrait à la solidification et la distribution des éléments d'alliage. Ces caractéristiques influencent la sensibilité aux fissures. Par exemple, dans les matériaux contenant une grande quantité de phases eutectiques à bas point de fusion, la sensibilité aux fissures de solidification est plus élevée car ces phases eutectiques ont tendance à former des films liquides continus pendant la solidification, intensifiant ainsi la formation de fissures.
Pendant leprocédé de soudage laserLes paramètres de soudage, tels que la puissance du laser, la vitesse de soudage et la taille du point d'impact, influent également sur la formation de fissures de solidification. Ces paramètres affectent l'apport de chaleur et le gradient de température durant le soudage, modifiant ainsi la structure de solidification et la morphologie des grains. Par exemple, une puissance laser élevée et une vitesse de soudage faible entraînent un apport de chaleur plus important et une vitesse de refroidissement plus lente, ce qui favorise la croissance de cristaux colonnaires et accroît la sensibilité aux fissures. Inversement, une puissance laser faible et une vitesse de soudage élevée conduisent à un apport de chaleur moindre et à une vitesse de refroidissement plus rapide, facilitant la formation de cristaux équiaxes et réduisant la sensibilité aux fissures.
2. Mesures de répression
Pour supprimer efficacement les fissures de solidification danssoudage laserLes chercheurs ont proposé diverses stratégies, axées principalement sur le contrôle de la structure granulaire, l'optimisation des paramètres de soudage et l'amélioration des propriétés des matériaux. En affinant la structure granulaire, on peut augmenter le nombre de joints de grains et réduire la concentration des contraintes, limitant ainsi la formation de fissures. Des études ont montré que l'utilisation de la technologie d'oscillation du faisceau laser permet de transformer des cristaux colonnaires en cristaux équiaxes fins sans ajout de matériaux. L'oscillation du faisceau laser disperse l'énergie laser, induisant des turbulences dans le bain de fusion. Ces turbulences interrompent la croissance des cristaux colonnaires et favorisent la formation de cristaux équiaxes, comme illustré sur la figure 3. De plus, l'oscillation du faisceau laser permet d'élargir le bain de fusion, de réduire le gradient de température et de prolonger le temps de solidification. Ces phénomènes favorisent la diffusion des solutés et le renouvellement du film liquide, réduisant ainsi considérablement la sensibilité aux fissures de solidification.
Répartition des films liquides aux joints de grains sous différentes formes de bassin.
Schéma du bain de fusion de soudage, a, b) sans oscillation, c, d) oscillation latérale, e, f) oscillation longitudinale, g, h) oscillation circonférentielle.
En plus durayon laserLa technologie d'oscillation, utilisant deux sources laser, constitue également une méthode efficace pour limiter les fissures de solidification. Ces deux sources laser permettent la transformation de cristaux colonnaires en cristaux équiaxes grâce à l'optimisation du cycle thermique, réduisant ainsi la taille des grains et la concentration des contraintes. Par exemple, l'utilisation d'un laser CO₂ comme source de chaleur principale et d'un laser Nd:YAG pulsé comme source de chaleur auxiliaire permet d'obtenir un cycle thermique optimisé pendant le soudage, favorisant la formation de cristaux équiaxes et réduisant la sensibilité aux fissures de solidification, comme illustré sur la figure 4.
L'optimisation des paramètres de soudage est également un moyen important de limiter les fissures de solidification. En ajustant des paramètres tels que la puissance du laser, la vitesse de soudage et la taille du point d'impact, il est possible de contrôler l'apport de chaleur et le gradient de température durant le processus de soudage, influençant ainsi la structure de solidification et la morphologie des grains. Des études ont montré que le préchauffage permet de réduire la vitesse de refroidissement, de favoriser la formation de cristaux équiaxes et, par conséquent, de diminuer la sensibilité aux fissures de solidification, comme illustré sur la figure 5. De plus, des méthodes telles que le soudage laser pulsé et l'augmentation de la vitesse de soudage permettent également d'obtenir la transformation de cristaux colonnaires en cristaux équiaxes en modifiant l'apport de chaleur et la vitesse de refroidissement, réduisant ainsi la sensibilité aux fissures.
Figure 5. a) Non chauffé, b) Grains équiaxes préchauffés à 300°C.
Lors du soudage laser de matériaux dissemblables, les différences importantes de propriétés physiques et chimiques entre ces matériaux favorisent la formation de composés intermétalliques fragiles, l'une des principales causes de fissures de solidification. Par conséquent, l'ajustement des paramètres et réglages du laser afin de réduire la formation ou la quantité de ces composés est une stratégie essentielle pour limiter l'apparition de fissures. Par exemple, lors du soudage laser de matériaux dissemblables cuivre-aluminium, le contrôle du décalage du faisceau laser et de la vitesse de soudage permet de réduire le rapport de mélange cuivre/aluminium dans le bain de fusion, diminuant ainsi la formation de composés intermétalliques fragiles et la sensibilité aux fissures. De plus, l'utilisation de matériaux d'apport améliore les performances du joint soudé et réduit la formation de fissures. Ces matériaux modifient la composition et la microstructure du joint soudé, réduisant ainsi la formation de composés intermétalliques et améliorant sa ténacité.
Les fissures de solidification constituent un défaut courant des procédés de soudage laser. Leur mécanisme de formation est complexe et implique l'interaction de multiples facteurs tels que la chaleur, la mécanique et la métallurgie. L'étude approfondie de ce mécanisme permet d'établir une base théorique pour la suppression de ces fissures. Ces dernières années, les chercheurs ont proposé diverses stratégies pour les limiter, axées principalement sur le contrôle de la structure granulaire, l'optimisation des paramètres de soudage et l'amélioration des propriétés des matériaux. La pratique a démontré l'efficacité de ces stratégies pour réduire la sensibilité aux fissures de solidification et améliorer la qualité et la fiabilité du soudage laser. Cependant, la complexité et la diversité du procédé de soudage laser engendrent encore des lacunes dans la recherche actuelle. Par exemple, des recherches plus approfondies sont nécessaires concernant les mécanismes d'inhibition des fissures de solidification selon les matériaux et les conditions de soudage.
Date de publication : 20 mars 2025
