1. Introduction
La technologie de soudage laser se caractérise par une faible entrée de chaleur, des cordons de soudure denses et esthétiques, un contrôle de haute précision et une intégration facile de l'automatisation, ce qui permet son adoption rapide dans l'industrie de la fabrication métallique. Cependant, tous les matériaux ne conviennent pas au soudage laser. Des facteurs tels que la conductivité thermique, les caractéristiques d'absorption optique, les différences de point de fusion, les éléments d'alliage et les conditions de surface peuvent influencer la qualité du soudage. Par conséquent, il est crucial de comprendre la gamme de matériaux applicable et les limites du soudage laser pour la sélection de l'équipement, la planification des processus et le contrôle de la qualité de la production.
2. Gamme de matériaux applicables
Le soudage laser convient à plusieurs catégories de matériaux métalliques, parmi lesquels les matériaux ferreux représentent le domaine d'application le plus mature. Les matériaux tels que l'acier au carbone, l'acier faiblement allié et l'acier inoxydable présentent une bonne absorption du faisceau laser, offrant une formation de soudure stable, une profondeur de pénétration contrôlable et une résistance mécanique suffisante. Les alliages à base de nickel présentent également des microstructures stables pendant le soudage avec une faible tendance à la fissuration et sont largement utilisés dans les composants aérospatiaux et les languettes de batterie. Ces matériaux sont considérés comme les plus adaptés au laser.
L'aluminium et les alliages d'aluminium sont également soudables, bien qu'avec une difficulté de processus plus élevée par rapport aux matériaux ferreux. L'aluminium présente une réflectivité élevée, une conductivité thermique élevée et un faible point de fusion, ce qui rend le bain de fusion instable et sujet à la porosité. Par conséquent, le soudage de l'aluminium nécessite généralement une puissance laser plus élevée, un contrôle plus précis de la position focale et une sélection optimisée du gaz de protection pour assurer la stabilité du processus et la densité de la soudure. Malgré les défis, les alliages d'aluminium sont fréquemment utilisés dans les boîtiers de batteries, les boîtiers d'appareils électroniques grand public et les structures aérospatiales.
Le cuivre et les alliages de cuivre représentent des matériaux avec une difficulté de soudage encore plus élevée. Le cuivre a une réflectivité et une conductivité thermique extrêmement élevées, ce qui entraîne une faible efficacité de couplage laser initiale et des défauts fréquents tels que le manque de fusion, les soudures discontinues ou la fissuration de solidification. Avec le développement des lasers à fibre haute puissance, des lasers verts et des sources laser pulsées, les performances de soudage du cuivre se sont améliorées et sont de plus en plus utilisées dans les barres omnibus de batteries, les connecteurs électriques, les bornes et les composants électroniques de précision.
Le soudage laser convient également aux métaux précieux tels que l'or, l'argent et le platine. Ces matériaux sont largement utilisés dans la fabrication de bijoux et la fabrication de contacts électriques. Bien qu'ils aient une conductivité thermique élevée, leur stabilité de soudage reste excellente. Les lasers pulsés sont couramment utilisés pour le micro-soudage de précision, offrant une consistance de soudure et une qualité de surface exceptionnelles.
3. Matériaux avec des limitations
Le soudage laser ne convient pas à tous les matériaux. Les aciers à haute teneur en carbone et la fonte, bien qu'appartenant au système ferreux, contiennent une teneur en carbone plus élevée. Pendant le chauffage et le refroidissement rapides, ils ont tendance à former des microstructures dures et fragiles, générant des fissures ou de la porosité. Ces matériaux nécessitent un préchauffage, un refroidissement contrôlé ou une densité d'énergie réduite pour minimiser les défauts de soudure.
Le zinc, le magnésium et certains alliages magnésium-aluminium présentent également des limitations de processus. Ces matériaux ont de faibles points de fusion et des pressions de vapeur élevées, qui ont tendance à produire de la porosité, des projections et des bains de fusion instables, ce qui entraîne une mauvaise apparence et densité de la soudure. Bien que l'optimisation du processus puisse améliorer les performances, les applications industrielles restent relativement limitées.
Les matériaux avec des revêtements de surface tels que l'argent, le nickel ou l'or présentent des défis supplémentaires. La couche de revêtement modifie l'absorption de l'énergie laser, entraînant un couplage insuffisant ou une fusion incohérente. De plus, les revêtements multicouches peuvent se délamer sous l'effet de la chaleur en raison d'une mauvaise adhérence interfaciale. Le ponçage de surface ou l'utilisation de lasers pulsés ou verts est souvent nécessaire pour améliorer l'absorption.
Pour les matériaux non métalliques, les systèmes de soudage laser métalliques conventionnels ne conviennent pas aux plastiques, au caoutchouc ou aux composites. Le soudage des plastiques nécessite des processus de soudage par transmission spécifiques et des appariements de matériaux, en appliquant généralement des systèmes de soudage laser pour plastiques dédiés plutôt que des sources laser métalliques conventionnelles.
4. Soudage de métaux dissemblables
Le soudage laser est également utilisé pour assembler des métaux dissemblables. Cependant, la compatibilité métallurgique, le déséquilibre de la dilatation thermique et les différences de point de fusion imposent des contraintes importantes. L'acier inoxydable et l'acier au carbone sont plus faciles à souder ensemble, tandis que les paires aluminium-acier inoxydable, cuivre-acier inoxydable et aluminium-cuivre sont sujettes à la formation de composés intermétalliques fragiles, réduisant la résistance des joints. La pratique industrielle adopte souvent le brasage laser, le balayage oscillant, l'ajout de fil d'apport ou des trajets de faisceau optimisés pour améliorer les performances des joints. La faisabilité dépend davantage de la stratégie de processus que des matériaux de base eux-mêmes.
5. Limitations du processus et facteurs d'influence
L'aptitude des matériaux au soudage laser est déterminée par de multiples facteurs d'influence, notamment la longueur d'onde du laser, les caractéristiques d'absorption de surface, les éléments d'alliage, la conductivité thermique, la réflectivité, la contamination de surface, les couches d'oxyde, la vitesse de déplacement, la position focale et le gaz de protection. Différents matériaux ont des fenêtres de traitement distinctes, nécessitant une sélection d'équipement et un réglage des paramètres minutieux en fonction des caractéristiques des matériaux.
6. Conclusion
En résumé, les machines de soudage laser présentent une large applicabilité dans le traitement des métaux. Les matériaux ferreux et à base de nickel sont les plus adaptés, tandis que les alliages d'aluminium et de cuivre sont soudables mais nécessitent un contrôle de processus avancé. Certains matériaux à haute teneur en carbone, les métaux revêtus et les alliages légers présentent des limitations d'application, et les plastiques ou les matériaux non métalliques nécessitent des systèmes laser spécialisés plutôt que des sources de soudage métalliques conventionnelles. Avec les progrès des lasers à fibre haute puissance, des sources laser vertes/bleues et des lasers ultrarapides, la gamme de matériaux applicables continue de s'étendre, et les goulets d'étranglement actuels en matière de soudage devraient être surmontés dans davantage de secteurs industriels.