Leçon 7.5AssemblerChapitre 7 · Assemblage

Soudage par faisceau d'électrons

Fusion : un faisceau d'électrons sous vide soude du métal très épais

Le soudage par faisceau d'électrons fait fondre le joint avec un flux focalisé d'électrons tirés à grande vitesse dans une chambre à vide. Il réalise les soudures par fusion les plus profondes, les plus étroites et les plus propres de toutes, à travers plus de 10 cm d'acier en une seule passe. Les moteurs d'avions, les pièces de fusées et les accélérateurs de particules en dépendent.

Photo : Zobac, CC0, via Wikimedia Commons

Soudage par faisceau d'électrons · canon, faisceau et capillaire de vapeur dans une chambre à videLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous ; suivez le faisceau du haut du canon jusqu'à la pièce.

Comment ça marche

Libérer les électrons. Une cathode en tungstène (l'électrode négative) est chauffée jusqu'à émettre des électrons, un peu comme le filament d'une vieille ampoule.
Les accélérer. Une haute tension, typiquement d'environ 30–150 kV, tire les électrons à travers un trou de l'anode (la plaque positive). Ils partent à une grande fraction de la vitesse de la lumière.
Focaliser et diriger. Des bobines magnétiques jouent le rôle de lentilles : elles resserrent le faisceau en un point bien inférieur au millimètre et peuvent le faire osciller pour façonner la soudure.
Frapper le joint. Quand les électrons frappent le métal, leur énergie de mouvement se transforme en chaleur presque instantanément. Le vide (une pression d'air d'environ un millionième de la normale ou moins) empêche les molécules d'air de disperser le faisceau.
Percer un capillaire de vapeur. Comme en soudage laser, le métal fond et bout en partie, ouvrant un étroit canal de vapeur qui traverse toute l'épaisseur.
Avancer et figer. La table déplace la pièce sous le faisceau fixe. Derrière le capillaire, le bain se referme et se fige en un cordon qui peut être environ 20 fois plus profond que large.

Pourquoi le vide compte. C'est à la fois la force et la faiblesse. Pas d'air signifie pas d'oxydation et pas de gaz de protection, ce qui convient aux métaux réactifs comme le titane. Mais chaque lot doit attendre pendant que la chambre est pompée, souvent plusieurs minutes.

Chiffres clés

Matériaux: Aciers, acier inoxydable, titane, superalliages de nickel, cuivre, métaux réfractaires comme le niobium et le tantale ; de nombreuses paires de métaux différents
Pièces typiques: Rotors et engrenages de moteurs d'avions, pièces de fusées et de satellites, engrenages de transmissions, cavités d'accélérateurs, composants nucléaires
Taille de pièce: De minuscules capteurs à des pièces de plusieurs mètres de long ; la chambre fixe la limite
Précision: Très faible déformation ; les pièces peuvent souvent être soudées proches de leur taille finale, à environ ±0,1 mm
État de surface: Cordon étroit et lisse sur les deux faces en pleine pénétration ; peu ou pas de projections
Taille de série adaptée: Petits à moyens lots de pièces de grande valeur ; certaines usines d'engrenages automobiles l'utilisent en volume
Coût d'outillage et de machine: Environ de plusieurs centaines de milliers à quelques millions de dollars, plus les montages
Vitesse: Soudage rapide, souvent environ 1 m par minute, mais des minutes de mise sous vide pour chaque chargement de chambre

Atouts et limites

Atouts

Les soudures en une seule passe les plus profondes de tous les procédés
Soudure très étroite, donc peu de déformation
Le vide garde les métaux réactifs parfaitement propres
Assemble des métaux difficiles à souder et des métaux différents

Limites

Demande une chambre à vide, ce qui limite la taille des pièces et ajoute du temps de pompage
Machines très coûteuses et opérateurs qualifiés
Produit des rayons X, donc la chambre doit être blindée
Les pièces doivent s'ajuster serré et être démagnétisées, sinon le faisceau dérive

Où on l'utilise

AéronautiqueRotors de compresseurs de moteurs d'avions, structures en titane, tuyères de fusées
EspaceRéservoirs de carburant et pièces de propulseurs de satellites
AutomobileEngrenages de transmissions et trains d'engrenages
Science et énergieCavités d'accélérateurs de particules, pièces de réacteurs nucléaires
Médical et électroniqueCapteurs et boîtiers d'appareils scellés

Comment le reconnaître

Un cordon extrêmement étroit et droit, souvent de moins de 1–2 mm de large même sur des pièces épaisses.
Le même cordon fin visible sur la face arrière (pleine pénétration).
Un métal brillant et sans oxyde à côté du cordon, sans teinte de chauffe, même sur le titane.

À comparer avec

Soudage laser7.4la même idée de capillaire de vapeur avec de la lumière au lieu d'électrons ; il fonctionne à l'air libre mais pénètre moins profondément.Soudage à l'arc7.1les plaques épaisses demandent un chanfrein et de nombreuses passes, ce qui ajoute de la chaleur et de la déformation que le soudage par faisceau d'électrons évite.Soudage par friction-malaxage7.6une autre façon de faire des soudures de haute qualité, mais sans fusion et seulement sur des métaux plus mous comme l'aluminium.

À regarder

Cambridge Vacuum Engineering · Le canon, le faisceau et le capillaire de vapeur, animés

Aluminium Guide Videos · Une vue d'ensemble du procédé en langage simple

TWI Ltd · De vraies machines et chambres dans un laboratoire de recherche

TWI Ltd · Comment de très grandes pièces tiennent dans d'immenses chambres à vide

Voir de vraies photos

Wikipédia : Soudage par faisceau d'électrons — principe, schémas du canon et de la chambre, avec des liens vers des photos
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Les électrons tirés sous haute tension portent tant d'énergie qu'ils ouvrent un capillaire à travers du métal très épais.
Le vide garde le faisceau focalisé et la soudure parfaitement propre.
Il donne les soudures les plus profondes et les plus étroites, au prix d'une chambre, d'un temps de pompage et d'un prix élevé.