Le soudage laser est utilisé par l’industrie automobile depuis quarante ans. En 1975, Fiat installait un laser CO2 pour le soudage de composantes de transmissions. Aujourd’hui, des milliers d’entreprises à travers le monde bénéficient des avantages du procédé.
Et si traditionnellement les Allemands en étaient les plus fervents amateurs, il a depuis été largement adopté par les fabricants automobiles de toutes origines ainsi que par des entreprises de toutes tailles et de nombreux secteurs d’activité, en Europe, en Amérique et en Asie. Notons que la Chine est l’un des plus importants acheteurs de systèmes de soudage laser – voilà qui donne à réfléchir…
Des lames de rasoirs jetables aux véhicules en passant par les tuyaux et les outils pour le bois, chacun côtoie quotidiennement des objets soudés au laser, souvent sans le savoir. Malgré le peu de connaissance qu’une large part de l’industrie en a, le soudage laser est un procédé mature qui a fait ses preuves.
Le soudage laser
Dans l’industrie de la transformation métallique, le soudage laser est habituellement réalisé à l’aide d’une source laser émettant dans l’infrarouge. Le faisceau est donc invisible et représente un réel danger pour la sécurité des travailleurs. En conséquence, des précautions particulières doivent être prises. Que le soudage soit effectué par un robot (ou tout autre manipulateur) ou de façon manuelle, il doit être réalisé dans une enceinte sécurisée, par du personnel formé aux risques laser. Dans le cas du soudage manuel, le port des EPI adaptés au laser est un incontournable.
Il est possible de souder au laser selon deux modes : en conduction ou en trou de serrure (keyhole). Le soudage par conduction s’effectue à l’état liquide et requiert une densité de puissance d’environ 105 W/cm2. Le soudage en trou de serrure, quant à lui, implique la vaporisation du métal sous l’action d’une densité de puissance d’au moins 106 W/cm2.
Le capillaire, petit « tube » de vapeur métallique se formant dans la pièce, permet l’obtention d’un joint présentant le profil étroit et profond typique au soudage laser (voir image ci-contre) alors que le soudage par conduction produit des joints plus larges que profonds.
Sachant que, dans le cadre d’applications industrielles, le diamètre du faisceau laser frappant le matériel est de l’ordre du demi-millimètre, une source laser de plusieurs kilowatts est le plus souvent requise pour souder en trou de serrure.
Les avantages
Au niveau de la productivité, le soudage laser ne craint pas la compétition… S’il est courant de souder au laser à 5 m/min, certaines applications utilisent des vitesses de 20 m/min…
Grâce à la grande précision du laser et au peu de chaleur transmise aux pièces, il est possible d’augmenter notablement la qualité des produits. À preuve, la zone affectée thermiquement (ZAT) est pratiquement inexistante. Soudures étroites, sans projections, sans distorsion; adieu, polissage et redressage! De plus, les propriétés mécaniques des métaux soudés ne sont pas dégradées significativement par le procédé; il n’est donc plus nécessaire d’augmenter l’épaisseur des matériaux pour compenser la faiblesse mécanique des soudures.
Mais la liste des avantages ne s’arrête pas là. Le soudage laser ouvre la porte à des produits jusqu’alors impossibles à réaliser. Le soudage par transparence (i.e. en « passant au travers » de la pièce du dessus) ouvre la porte à de nouvelles conceptions. La possibilité de joindre des matériaux différents (ex : cuivre et acier inoxydable, etc.) est aussi une opportunité de développements esthétiques et fonctionnels. Enfin, la réalisation de soudures à la fois fines et parfaitement étanches impose carrément ce procédé pour certaines applications.
Équipements
Le coût d’une infrastructure laser s’apparente à ce qu’on doit débourser pour des équipements numériques de capacité industrielle (découpe, plieuse…). Le prix des sources laser et des robots a considérablement baissé au fil des années, démocratisant l’accès au procédé. De plus, celui-ci est le plus souvent mis en œuvre sans apport de matériel et parfois sans gaz de protection; en conséquence, le coût d’utilisation est remarquablement bas.
Une fois généré, le faisceau laser dans le proche infrarouge est alors acheminé par fibre optique jusqu’au point de travail, parfois jusqu’à 200 m de distance!
Mise en application du procédé
La plupart des matériaux métalliques courants sont soudables par laser : acier, acier inoxydable, aluminium, thermoplastiques, titane, cuivre, etc. Certains requièrent quelques précautions (gestion des réflexions pour le cuivre et l’aluminium, ajout d’un fil d’apport pour plusieurs séries d’aluminium…), mais le procédé reste généralement simple et financièrement avantageux.
L’un des principaux défis lors de l’industrialisation du soudage laser est relié à la faible tolérance à l’écartement des pièces. Puisque dans la majorité des cas aucun matériel d’apport n’est utilisé, il faut assurer un bon contact entre les pièces à fusionner. Pour un joint en bout-à-bout, l’écartement maximal est de l’ordre du dixième de l’épaisseur des pièces à joindre. Le contrôle de la préparation des pièces à souder doit donc être particulièrement rigoureux. Face à une telle situation, on choisira souvent un joint par transparence pour lequel la rectitude des bords des pièces n’est pas critique.
Afin de bénéficier pleinement des avantages du procédé, il est souvent préférable d’y adapter la conception des assemblages. Souder au laser une pièce conçue pour un autre procédé limite généralement les gains en productivité et en qualité. Aussi, une connaissance de base du soudage laser permet d’apporter les ajustements nécessaires aux joints à réaliser.
L’utilisation et la supervision d’un système de soudage laser ne nécessite pas l’embauche de personnel hautement qualifié. S’il est utile d’avoir accès à un spécialiste qui pourra répondre à des besoins ponctuels à l’occasion, un opérateur d’équipement numérique peut sans problème prendre en charge la production des assemblages soudés. Une intégration bien préparée et une bonne formation du personnel permettront d’éviter les problèmes potentiels les plus courants.
Utilisation des gaz
En soudage laser, on utilise principalement des gaz pour trois raisons : la protection des composantes optiques, la suppression du plasma pour assurer une bonne stabilité, et l’amélioration de la qualité des joints (contrôle de l’oxydation, des porosités, etc.). La protection des composantes optiques se fait généralement avec un couteau (jet) d’air propre, parallèle à la surface de la pièce à souder. Les fumées et projections seront alors déviées avant d’atteindre les optiques.
La formation de plasma par ionisation des vapeurs de métal et du gaz de protection est un phénomène à éviter en soudage laser. En effet, en certaines circonstances, le plasma peut dévier et absorber le faisceau. Le gaz de protection le plus courant en soudage laser est l’argon, principalement à cause de son efficacité pour éviter l’oxydation, de son coût abordable et de sa facilité d’utilisation (bonne couverture du bain de fusion grâce à une densité plus élevée que celle de l’air).
De plus, l’azote peut aussi être un choix avantageux à cause de son bas prix. Le profil étroit et profond du joint en trou de serrure et le temps de solidification très bas (une fraction de seconde) empêchent le fer de réagir significativement avec l’azote. Les problèmes reliés à la formation de nitrures sont ainsi évités.
Enfin, pour de nombreuses applications, aucun gaz de protection n’est utilisé, la réaction entre le bain de soudure et l’air ambiant étant limitée à une très petite surface pendant une fraction de seconde.
Soudage hybride
Une variante du soudage laser permet le soudage de fortes épaisseurs; il s’agit du soudage hybride laser-arc (HLAW). Ce procédé combine un arc électrique et un faisceau laser dans un même bain de fusion à l’aide, par exemple, d’une soudeuse semi-automatique GMAW avec fil plein et d’une tête de soudage laser. Le fait de pouvoir joindre des plaques épaisses sans préparation et en une seule passe justifie l’intérêt grandissant de l’industrie mondiale pour cette technologie! Les premières applications industrielles du soudage hybride portaient, entre autres, sur le soudage de navires, de structures et de composantes automobiles.
Les avantages de ce procédé sont nombreux, et des plus impressionnants. Ce qui vient à l’esprit en premier lieu, c’est l’augmentation de la productivité. Pour une plaque de 12 mm en bout-à-bout, on estime que le soudage hybride permettra une économie de durée de soudage de 90 %, sans tenir compte des autres opérations qui sont carrément éliminées. De plus, le soudage hybride permet de sauver des sommes considérables au niveau des consommables (fil, gaz…) : de 50 % d’économie pour des pièces minces (4 mm) à plus de 90 % pour des pièces de 12 mm! Et, point de grande importance, le soudage hybride permet souvent d’éliminer les opérations de préparation des pièces : plus de chanfreins…
En injectant moins de chaleur dans les pièces que les procédés classiques, le soudage hybride altère beaucoup moins les propriétés mécaniques du métal. Il s’en suit dans bien des cas une diminution de l’épaisseur requise du métal de base pour une même résistance de l’assemblage, grâce à de meilleures propriétés mécaniques (la soudure est le point faible dans un assemblage soudé standard). Avec l’augmentation du coût de l’acier et les pressions de plusieurs secteurs pour des produits plus légers, cette considération gagne en importance.
Enfin, puisque les pièces ont reçu moins de chaleur, elles ont moins de contraintes résiduelles et restent plus près des dimensions théoriques (elles sont moins déformées). Il est donc souvent possible d’éliminer les opérations de relaxation des contraintes et de redressage, ce qui constitue une économie fort appréciable.
En conclusion…
Grâce à sa rapidité, à sa précision et à sa flexibilité, le soudage laser permet d’augmenter la productivité et la qualité des assemblages de façon importante. Le coût des équipements ayant beaucoup diminué au cours des dernières années, il est maintenant accessible et profitable pour de nombreuses entreprises.
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Christophe Arnaud, Responsable de projets et spécialiste laser
