Mise en forme d'impulsions laser pour l'assemblage de matériaux différents

Le soudage au laser de matériaux différents est un processus dynamique et son heure est arrivée.

Lorsqu'un tel soudage est requis (dans les applications électroniques, les dispositifs médicaux, les biens de consommation, l'automobile et l'aérospatiale), le soudage au laser à fibre s'impose comme un procédé supérieur. Il réduit les coûts de fabrication tout en offrant une flexibilité de conception.

En théorie, un laser peut souder n’importe quel matériau pouvant être assemblé par des procédés conventionnels. Cependant, en raison de leurs différences de propriétés physiques et chimiques, telles que les points de fusion et d'ébullition, la conductivité thermique, la densité et le coefficient de dilatation, des problèmes peuvent survenir lors du soudage de matériaux différents, rendant le joint résultant inacceptable.

Le tableau 1 illustre la soudabilité des paires de métaux. Lors du soudage de métaux différents, une bonne solubilité solide est essentielle pour de bonnes propriétés de soudure. Ceci n'est obtenu qu'avec des métaux ayant des plages de températures de fusion compatibles. Si la température de fusion d’un matériau est proche de la température de vaporisation de l’autre, une mauvaise soudabilité se produit et entraîne souvent la formation de structures intermétalliques fragiles.

Dans le passé, la plupart des projets de soudage différents étaient réalisés avec des lasers Nd:YAG à lampe pulsée. Les lasers pompés par lampe sont capables de produire de longues impulsions de plusieurs millisecondes avec des puissances de crête plusieurs fois supérieures à la puissance moyenne nominale du laser, à condition que le rapport cyclique soit suffisamment faible. Les lasers Nd:YAG pulsés et pompés par lampe à puissance de crête élevée, associés à des capacités de mise en forme d'impulsions, rendent ces lasers idéaux pour le soudage de matériaux différents. Une profondeur de soudure trop profonde, qui peut entraîner des joints défectueux ainsi que des profondeurs de soudure insuffisantes, peut être évitée en ajustant la puissance de départ et la puissance de fin correcte en fonction de la géométrie du joint et des propriétés du matériau (Figure 1).

Chez Prima Power Laserdyne, les experts en soudage ont développé une gamme de formes d'impulsions pour améliorer la qualité des soudures en réduisant les fissures et la porosité des soudures. Leur objectif a été de fournir des solutions de soudage de matériaux différents dans des applications de produits sujettes à des défauts de soudage tels que des fissures, de la porosité ou une combinaison des deux. Les secteurs les plus touchés sont l’automobile, le médical, l’électronique et l’aérospatiale. Une variété de formes d'impulsions ont été générées à l'aide du nouveau système LASERDYNE 811 avec un contrôleur S94P, qui comprend un complément de fonctionnalités matérielles et logicielles conçues pour la mise en forme des impulsions. Ces projets ont été réalisés avec des lasers à fibre à ondes continues (CW) et quasi-continues (QCW).

Voici deux exemples où la mise en forme d'impulsions a été utilisée pour améliorer la qualité du soudage lors du soudage au laser de matériaux différents.

La fonte grise est largement utilisée dans l’industrie automobile. Une limitation majeure est la soudabilité d'un matériau différent sur la fonte en raison de la fissuration à chaud et de la formation de porosité résultant du manque de ductilité du graphite et du processus de coulée. Dans le premier exemple, une partie d'un composant automobile nécessitait d'assembler de l'acier inoxydable 304 à de la fonte grise dans une configuration de soudure à chevauchement partiel. Dans le processus précédent, la pièce était soudée par soudage par faisceau d'électrons (EBW) pour réduire la formation de porosité excessive et éliminer les fissures d'interface. L'utilisateur final souhaitait remplacer l'EBW par le soudage par faisceau laser (LBW) afin de réduire le coût par soudure et la préparation de la soudure. La plus grande différence est que l'EBW est réalisé sous vide, tandis que le soudage au laser est effectué dans un environnement à pression d'air ambiant et que le danger des rayons X est éliminé du processus. Des travaux de développement ont été réalisés pour concevoir des paramètres laser capables de produire des soudures de qualité identique ou supérieure à celles de l'EBW, c'est-à-dire sans porosité ni fissuration d'interface. Le travail de développement des paramètres du laser, notamment la forme de l'impulsion, a été réalisé avec le laser à fibre CW.

Les examens microscopiques du métal fondu effectués avec une sortie laser CW standard ont montré une porosité importante dans la partie en fonte de la soudure (Figure 2). Il n’y avait aucun signe de microfissuration au niveau de l’interface articulaire. La soudure réalisée avec le contrôleur LASERDYNE S94P et la mise en forme par impulsion ont produit des soudures sans porosité (Figure 3).