Leçon 7.4AssemblerChapitre 7 · Assemblage

Soudage laser

Fusion : un laser focalisé perce un capillaire de vapeur pour des soudures étroites et profondes

Le soudage laser fait fondre le joint avec un faisceau de lumière très focalisé, faisant des soudures étroites et profondes à grande vitesse. Comme la chaleur est si concentrée, les pièces gauchissent à peine. Il assemble des carrosseries de voitures, des cellules de batteries et des implants médicaux, généralement avec des robots ou des miroirs très rapides.

Photo : Krorc, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Soudage laser · vue de côté du capillaire de vapeur, avec des vues de bout de joints laser et à l'arcLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous. L'encadré à droite compare le joint fini avec une soudure à l'arc des mêmes plaques.

Comment ça marche

Produire et acheminer le faisceau. Une source laser, aujourd'hui généralement un laser à fibre d'environ 1–10 kW, produit un faisceau infrarouge intense. Une fibre optique l'amène à la tête de soudage.
Le focaliser. Une lentille resserre le faisceau en un point de quelques dixièmes de millimètre de large. Cela met plus d'un million de watts sur chaque centimètre carré.
Percer un capillaire de vapeur. Le métal sous le point fond et bout en partie. La pression de la vapeur maintient ouvert un mince canal, le capillaire de vapeur, qui laisse le faisceau pénétrer profondément dans le joint.
Laisser la matière fondue s'écouler autour. Quand la tête avance, le métal fondu s'écoule autour du capillaire et se referme derrière lui.
Protéger le bain. Un gaz comme l'argon, l'hélium ou l'azote protège le métal chaud de l'air et chasse le panache (le nuage de vapeur métallique au-dessus du point).
Figer vite. Le petit bain se solidifie presque instantanément en un joint étroit et profond. La zone affectée thermiquement (métal changé par la chaleur mais non fondu) reste mince.

Deux modes. À plus faible densité de puissance, le laser ne fait que fondre la surface, donnant un joint peu profond et lisse (mode conduction) pour la tôle mince et les joints visibles. Au-dessus d'un seuil, il ouvre un capillaire de vapeur, qui peut faire des soudures environ dix fois plus profondes que larges.

Chiffres clés

Matériaux: Aciers au carbone et inoxydables, aluminium, titane, alliages de nickel ; cuivre avec des lasers verts ou bleus ou des réglages spéciaux ; certains plastiques
Pièces typiques: Toits et portes de voitures, flans raboutés (tôles d'épaisseurs différentes assemblées avant emboutissage), languettes de batteries, engrenages, boîtiers de stimulateurs cardiaques
Taille de pièce: De feuilles de moins de 0,1 mm à des plaques d'environ 20 mm en une passe avec une forte puissance ; des pièces aussi grandes qu'une carrosserie avec des robots
Précision: Faisceau placé à environ ±0,1 mm ; très faible déformation, mais les pièces doivent s'ajuster avec des jeux d'environ 0,1 mm ou moins
État de surface: Joint étroit et lisse, souvent presque au ras ; peu de projections
Taille de série adaptée: Grandes séries automatisées ; des appareils portatifs servent aussi désormais les ateliers de sous-traitance
Coût d'outillage et de machine: Environ 10 000 $ et plus pour un poste de soudage laser à fibre portatif ; plusieurs centaines de milliers de dollars ou plus pour une cellule robotisée
Vitesse: Typiquement 1–10 m de joint par minute sur tôle mince ; les têtes à scanner sautent d'une soudure à l'autre en quelques millisecondes

Atouts et limites

Atouts

Soudures étroites et profondes avec peu de chaleur et de déformation
Très rapide et facile à automatiser, même à distance avec des miroirs de balayage
Soude d'un seul côté, sans toucher la pièce
Assez précis pour de minuscules pièces médicales et électroniques

Limites

Équipement coûteux et sécurité laser stricte : le faisceau et ses réflexions peuvent rendre aveugle
Demande un ajustage serré : les jeux et les défauts d'alignement causent des défauts
Les métaux brillants comme le cuivre et l'aluminium réfléchissent une grande part du faisceau
Le refroidissement très rapide peut donner des soudures dures et fragiles dans les aciers à haute teneur en carbone

Où on l'utilise

AutomobileToits, portes, flans raboutés, engrenages et pièces de transmissions
Batteries et e-mobilitéLanguettes de cellules, barres omnibus (épaisses bandes de connexion), boîtiers de batteries
MédicalBoîtiers de stimulateurs cardiaques et d'implants, instruments chirurgicaux
ÉlectroniqueBoîtiers de capteurs, connecteurs, boîtiers scellés
Équipements de cuisineÉviers, panneaux et tubes d'appareils en inox

Comment le reconnaître

Un joint très fin et régulier, souvent de seulement 1–2 mm de large, avec de fines ondulations régulières.
Peu ou pas de teinte de chauffe ni de gauchissement à côté du joint.
Des rangées de minuscules points qui se chevauchent sur de petites pièces, faites par un laser pulsé (par exemple sur des dispositifs médicaux ou des bijoux réparés).

À comparer avec

Soudage à l'arc7.1moins cher et plus tolérant aux jeux, mais plus large, moins profond et plus chaud, avec plus de déformation.Soudage par faisceau d'électrons7.5une soudure encore plus profonde et plus propre faite par un faisceau d'électrons, mais elle demande une chambre à vide.Soudage par points par résistance7.2n'assemble les tôles qu'en des points ; un laser peut faire des coutures continues à la place.

À regarder

Mech Vidya · Le principe du capillaire de vapeur, animé

Ricky Explains Lasers · La source laser, la fibre et la tête de soudage, ouvertes

TRUMPF Inc. · Une tête à scanner qui saute d'une soudure à l'autre à grande vitesse

TRUMPFtube · Une cellule de soudage laser dans une vraie usine

Voir de vraies photos

Wikipédia : Soudage au faisceau laser — principe, modes capillaire et conduction, avec des liens vers des photos
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Un laser focalisé concentre tant de puissance qu'il ouvre un capillaire de vapeur et soude en profondeur en une passe.
Les joints étroits signifient peu de chaleur, peu de déformation et une grande vitesse.
Le prix à payer, c'est un équipement coûteux, des règles de sécurité strictes et des pièces qui doivent s'ajuster de près.