Le soudage au laser devient de plus en plus accessible
Malgré les nombreux avantages du soudage au laser, les techniques traditionnelles de soudage MIG/MAG et TIG restent dominantes dans de nombreuses PME. Cette situation va-t-elle changer au fur et à mesure que les exigences en matière de compositions de soudage évoluent et que le soudage au laser devient plus accessible aux petites entreprises?
Dans la production en série, par exemple dans l'industrie automobile, le soudage au laser est déjà largement accepté. Outre le rendement de production supérieur que permet le soudage au laser (jusqu'à 10 fois plus rapide que le soudage MIG), les constructeurs automobiles apprécient particulièrement la meilleure qualité. Grâce au faible apport de chaleur et à la qualité du cordon de soudure, les produits nécessitent moins de post-usinage. Cet avantage est particulièrement important dans le cas de tôles fines. Comme peu de chaleur pénètre dans le matériau, la déformation reste limitée, voire inexistante.
Densités de puissance inférieures et supérieures
Le soudage au laser repose sur deux principes: à des densités de puissance relativement faibles (moins de 105 W/cm2), la vitesse de soudage est faible et la profondeur de soudage est minime. À des densités de puissance plus élevées, on parle de soudage en trou de serrure: une soudure profonde est créée et la vitesse est plus élevée. La densité de puissance est un facteur important pour créer un processus de soudage stable. Il s'ensuit que la taille du spot est l'un des paramètres importants. Cela permet de réguler la quantité d'énergie appliquée par cm2.
Dans la production en série, le soudage au laser est accepté depuis longtemps. Outre le rendement de production supérieur que permet le soudage au laser (jusqu'à 10 fois plus rapide que le soudage MIG), ils apprécient particulièrement la meilleure qualité
Un autre paramètre est le matériau: quelle quantité d'énergie le matériau à souder absorbe-t-il? En raison de l'apport d'énergie très concentré et de sa courte durée, la zone affectée par la chaleur dans la pièce reste limitée. Par conséquent, les déformations ne se produisent pas ou peu. Le soudage au laser convient à de nouveaux types de matériaux, tels que les matériaux à haute résistance ou les matériaux résistant à l'usure. L'apport excessif de chaleur des procédés de soudage conventionnels entraîne des modifications des propriétés de ces matériaux, car la structure granulaire se modifie sous l'effet de la chaleur. La surchauffe provoque également des contraintes internes. Le soudage au laser permet d'éviter ce problème.
Pourquoi ne pas l'accepter dans les PME?
Cependant, le soudage au laser n'est pas encore devenu une technologie de soudage standard dans l'industrie de la sous-traitance, parmi les PME. Cela s'explique en partie par les investissements plus importants qui doivent être réalisés. Non seulement la source laser est beaucoup plus chère qu'une source de soudage traditionnelle, mais il faut aussi automatiser. Vous avez donc besoin d'un robot supplémentaire et de gabarits de soudage. S'il n'y a pas de série raisonnable en retour, de nombreuses entreprises chercheront une autre solution. D'autre part, la pénurie de soudeurs expérimentés constitue un contrepoids: cela peut être un argument en faveur de l'automatisation.
Une deuxième raison pour laquelle les entreprises s'en tiennent souvent aux techniques de soudage traditionnelles – robotisées ou non – est que le soudage au laser impose des exigences plus élevées en matière de précision des composants à assembler. Certes, dans le cas d'une soudure bout à bout, on a longtemps considéré que la largeur de l'interstice devait être limitée: moins de 0,15 mm. Toutefois, cet argument est devenu moins important aujourd'hui, car la technologie est devenue plus indulgente et parce que les entreprises exigent de toute façon des composants de meilleure qualité en raison de l'automatisation des processus de soudage classiques.
Des chercheurs allemands ont mis au point une solution permettant d'utiliser aussi le soudage au laser dans la construction métallique
En particulier avec le soudage laser hybride – la combinaison du soudage laser et du soudage à l'arc MIG-MAG – on peut combler un espace plus large avec le soudage à l'arc et réaliser la soudure profonde typique (trou de serrure) avec le laser. Si l'on veut atteindre certaines profondeurs avec la soudure MIG, il faut utiliser plus d'ampérage, avec tous les inconvénients que cela comporte.
Une deuxième solution pour combler une préouverture plus large (jusqu'à 0,5 mm) est la technologie dite Wobble, ou soudage laser oscillant (parfois aussi appelé soudage par agitation). À l'aide de miroirs ou de lentilles, le faisceau laser effectue un mouvement de rotation, élargissant le bain de soudure et permettant ainsi de souder une plus grande pré-ouverture. Cela est possible car, ces dernières années, la source laser CO2 ou Nd:YAG a souvent été remplacée par un laser à fibre. En outre, cette technique semble améliorer la qualité de la soudure, par rapport au soudage laser avec d'autres sources. Il est également plus facile d'ajouter des matériaux d'apport.
Faible apport de chaleur
Outre les qualités esthétiques d'un cordon de soudure au laser, le faible apport de chaleur dans la pièce est l'argument le plus important pour envisager le soudage au laser. Cela s'applique à de nombreuses applications. Le soudage à l'arc léger est inefficace en termes d'énergie, qui pénètre principalement dans la pièce sous forme de chaleur et dont une partie seulement entre dans le joint soudé proprement dit. Le soudage au laser ne souffre pas de ce problème, car l'énergie est fortement concentrée et ne pénètre dans la pièce que pendant un temps très court. Par conséquent, le soudage au laser ne provoquera pratiquement aucune tension dans la construction. Par ailleurs, lors du soudage MIG de certains alliages, les propriétés peuvent changer en raison de la chaleur, ou des éléments de l'alliage peuvent même se détacher. Après le soudage et un nouveau refroidissement, la microstructure du matériau est modifiée. Si cela n'est pas souhaitable, le soudage au laser est certainement une solution.
Division du faisceau laser
Un développement assez récent dans le domaine du soudage au laser consiste à diviser le faisceau laser, par exemple, en un noyau et un anneau autour de celui-ci. Cela présente l'avantage de ne produire pratiquement aucune projection de soudure, même à des vitesses de soudage élevées. Cela permet d'économiser le post-traitement.
Dans le cadre d'un projet mené en collaboration avec le sous-traitant automobile allemand Benteler, Trumpf va encore plus loin en utilisant BrightLine Weld pour diviser le faisceau laser en un noyau et un anneau. Grâce à une nouvelle optique multifocale, ce faisceau noyau-anneau est divisé en quatre parties, qui sont actives simultanément dans un seul bain de soudure. Le trou de serrure reste ainsi ouvert pendant le soudage et permet aux impuretés de s'échapper, par exemple lors du soudage de l'aluminium. Jusqu'à présent, c'était l'un des problèmes du soudage laser de l'aluminium: si le trou de serrure ne reste pas ouvert suffisamment longtemps, les impuretés ne peuvent pas s'échapper et des pores incontrôlables se forment dans la soudure. La nouvelle technologie de Trumpf empêche cela et permet de souder l'aluminium au laser à grande vitesse.
souder egalement les constructions en acier au laser
Un secteur où le soudage au laser n'a pas été utilisé jusqu'à présent est la construction métallique. Le soudage de grandes structures, allant d'un conteneur maritime ou d'un châssis de camion à un pont ou même plus grand encore, reste le domaine du soudage à l'arc sous flux en poudre ou sous gaz de protection. Une équipe de scientifiques du Fraunhofer IWS (technologie des faisceaux) de Dresde a récemment mis au point, avec des partenaires industriels, une solution permettant le soudage au laser dans ce secteur également. L'une des forces motrices de cette évolution est la réduction de la consommation d'énergie.
Une grande partie de l'énergie requise pour le soudage sous flux en poudre d'une construction en acier pénètre dans les poutres et les tôles d'acier, et n'est pas utilisée pour la soudure proprement dite. Cela est dû au fait que l'arc a une faible densité d'énergie. Après le soudage, ces constructions doivent souvent être alignées afin d'éliminer la distorsion causée par l'apport de chaleur. Cela coûte à nouveau de l'énergie. En passant au soudage au laser, les chercheurs affirment nécessiter jusqu'à 80% d'énergie en moins par rapport au procédé à l'arc sous flux en poudre. Ils ont utilisé une source laser de haute puissance en combinaison avec une technique de soudage multi-pass narrow-gap. Grâce à cette technique MPNG, des espaces allant jusqu'à 2 mm peuvent être facilement comblés à l'aide de matériaux d'apport.
Les avantages du soudage au laser ne se limitent pas à la réduction des besoins en énergie. Lors du soudage de l'installation de démonstration – une flèche de grue de 4 m de long – en tôles d'acier de 30 mm d'épaisseur, les coûts totaux ont été réduits de moitié. Par rapport au soudage avec gaz de protection (pour les tôles d'une épaisseur maximale de 20 mm), la réduction des coûts peut même atteindre 80%. Cela s'explique par la réduction de la consommation d'énergie, la diminution de 85% du matériau d'apport nécessaire, la réduction de plus de la moitié du temps de soudage et le fait qu'il n'est pas nécessaire de réaligner la structure par la suite. L'apport de chaleur est si faible que la structure ne se déforme pas pendant le soudage. Du point de vue de la qualité, le cordon de soudure est correct à 100%, ce qui n'est pas toujours le cas avec la soudure sous flux en poudre.
