Comment fonctionne le soudage laser ? Coûts, avantages et inconvénients

Le soudage au laser est un procédé d'assemblage des métaux. Comme tous les processus de soudage et d'assemblage, le soudage au laser exerce de la chaleur à des points spécifiques.

Dans le soudage au laser, deux composants sont assemblés. A cet effet, les deux faces du matériau de butée sont fondues. La masse fondue fusionne et forme le joint. Le soudage par faisceau laser est utilisé depuis environ 30 ans. Jusqu'à présent, il a été utilisé de manière sélective et a toujours été en concurrence féroce avec les méthodes de soudage traditionnelles. Grâce aux méthodes de production additives modernes telles que l'impression 3D d'objets métalliques, le soudage au laser gagne actuellement rapidement en importance.

Le père spirituel du laser n'est autre qu'Albert Einstein. Il y a environ 100 ans, il a publié ses premières réflexions sur le thème du faisceau lumineux. Il a fallu attendre 1928 pour que la première expérience prouve les théories d'Einstein. À partir de là, cependant, il a fallu encore 32 ans pour que le premier faisceau laser puisse être généré avec un rubis en 1960. Le rubis coûteux a été remplacé peu de temps après par du gaz, ce qui a rendu la production d'appareils laser beaucoup moins chère.

L'utilisation de cette nouvelle forme lumineuse fascinante ne s'est pas fait attendre. Initialement, les lasers ont apporté d'énormes progrès à la technologie de mesure. Pour la première fois, il était possible d'effectuer des mesures précises sur de grandes distances. Par exemple, les astronautes de la NASA ont installé un miroir sur la lune. Avec ce miroir et un laser stationné sur Terre, la distance entre les deux corps célestes a pu être déterminée au centimètre près. Les premières tentatives de soudage par faisceau laser ont également été faites dans les années 1960. Au départ, cependant, ce sont les processus de découpe au laser qui ont été les plus appréciés.

La DVS - Association allemande pour le soudage et les procédés connexes est une association professionnelle technico-scientifique active dans tous les domaines de la technique d'assemblage.

La découpe laser est le moyen le plus précis de découper un matériau. En raison de son énorme densité d'énergie, le processus de découpe au laser est très rapide. Non seulement l'espace de coupe lui-même est extrêmement étroit. Les zones latérales affectées par la chaleur dans ce processus de séparation sont également si minimes qu'elles peuvent généralement être négligées. Cela distingue la découpe laser de la découpe à la flamme, par exemple. Les tôles séparées par les chalumeaux doivent généralement être ébavurées puis fraisées pour être utilisables. Malgré les énormes avantages en termes de précision, de vitesse et de protection des matériaux, la découpe au laser et le soudage au laser n'ont longtemps occupé qu'une niche. Une diffusion notable des systèmes de découpe laser et de soudage par faisceau laser n'a eu lieu qu'au milieu des années 1980. Avant cela, ces systèmes n'étaient utilisés que dans des instituts de recherche et des entreprises spécialisées.

Ce sont surtout les avionneurs qui ont pu faire de grands progrès avec ce procédé innovant de séparation et d'assemblage. Cependant, le matériau utilisé en standard dans l'avionique joue également un rôle décisif à cet égard : le Dural à base d'aluminium, avec une température de fusion de seulement 600 °C, est beaucoup plus facile à traiter que l'acier utilisé dans la construction mécanique conventionnelle. Avec une température de fusion de 1400 °C, cela nécessite plus de deux fois plus d'énergie pour fondre. Mais : Afin de pouvoir utiliser efficacement les systèmes de soudage au laser également dans la construction métallique, le détour par le soudage de l'aluminium s'est avéré idéal.

Notions de base

Soudage correct - méthodes de soudage et différences avec le soudage

Aujourd'hui, le soudage au laser n'est toujours pas un procédé de soudage standard. Cependant, il a depuis longtemps quitté son statut expérimental. Les prestataires de services contractuels et les transformateurs de tôles misent de plus en plus sur ce processus de haute technologie, qui continue d'impressionner par son efficacité, sa qualité et sa précision.

Le procédé de fabrication additive, qui a commencé à se répandre il y a près de 10 ans, atteint actuellement son apogée avec le soudage laser. Pendant longtemps, l'impression 3D n'était disponible que pour les céramiques et les plastiques. Afin de fabriquer des objets métalliques au moyen de la technologie d'impression 3D, la seule option qui restait jusqu'à il y a quelques années était d'utiliser ces matériaux pour la production de noyaux de coulée. Cependant, le soudage laser métal-poudre permet désormais de fabriquer des produits de toute forme grâce à l'impression 3D. Cette découverte donne actuellement un nouvel élan au soudage laser.

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Le soudage par faisceau laser est un processus largement automatisé. Il ne peut être comparé aux méthodes de soudage traditionnelles guidées manuellement. Par conséquent, ce processus d'assemblage est une étape de production très sûre. Pendant le soudage par faisceau laser, la pièce est fermement serrée dans un dispositif de serrage. L'opérateur garde généralement une distance. Le seul danger pour les personnes présentes lors de cette procédure est de regarder accidentellement dans le faisceau laser. À cette fin, des lunettes de protection spéciales ont été développées pour absorber, atténuer et disperser la lumière laser entrante. À condition que toutes les personnes présentes fassent attention à leurs équipements de protection individuelle, le soudage par faisceau laser est un procédé particulièrement sûr.

Le soudage par faisceau laser est un procédé d'assemblage sans contact. Elle est toujours effectuée automatiquement. Les systèmes de soudage par faisceau laser modernes sont équipés d'un système de mesure intégré, qui vérifie indépendamment les dimensions du composant fabriqué. Cela rend ces systèmes particulièrement précis, ce qui est la base pour garantir une qualité constante.

Les coûts restent le principal inconvénient de ces procédés innovants. Cela dépend fortement de quoi et de quel matériau doit être traité avec le système de soudage au laser. Même de simples micro-systèmes utilisés, par exemple, pour graver des alliances peuvent coûter plusieurs milliers d'euros. Les installations hautes performances flambant neuves coûtent rarement moins de 100 000 euros, plutôt plus. Ces dépenses sont compensées par une excellente qualité de fabrication et une productivité élevée. En fait, le soudage au laser est généralement effectué à une vitesse beaucoup plus élevée que les procédés de soudage électriques ou sous gaz inerte conventionnels.

Le soudage par faisceau laser est fondamentalement très simple : deux tôles coupées avec précision sont maintenues ensemble. Le laser fait fondre les bords de la tôle. La masse fondue s'écoule l'une dans l'autre - et le joint est terminé.

Le VdLB Verband deutscher Laseranwender - Blechbearbeitung eV (Association des utilisateurs allemands de laser - Travail de la tôle) représente les intérêts des propriétaires, des directeurs généraux et des dirigeants d'entreprise sur le vaste marché de la transformation des matériaux - dans ce cas, de la tôle. Leur objectif est d'encourager la coopération au profit de toutes les parties concernées. La coopération, l'échange d'expériences par un dialogue intensif, les informations techniques et la formation continue sont au centre des préoccupations.

Les tôles d'aluminium sont soudées en continu. Dans le cas de tôles d'acier, en particulier de sections plus épaisses, le soudage à la molette est précédé d'un soudage par points. Les agrafes stabilisent les pièces en tôle et garantissent une précision constante lors de l'assemblage.

Un système de soudage laser se compose de l'optique laser, d'un guide motorisé et, si nécessaire, d'une table de travail. Dans tous les cas, les produits semi-finis à souder doivent être fermement serrés pour permettre un assemblage précis. Une distinction est donc faite entre les systèmes de soudage au laser mobiles et fixes. Dans le cas des systèmes mobiles de soudage par faisceau laser, le dispositif est amené à proximité d'un produit. Les machines de soudage laser fixes ont une table de travail avec un dispositif de serrage. L'insertion et le serrage des systèmes de soudage laser stationnaires sont soit motorisés, soit automatiques. Cependant, la taille de la table de travail limite les dimensions des produits à traiter. En plus de l'optique de soudage et des servos fonctionnant avec précision du bras du robot, le système de commande est le composant le plus important d'un système de soudage par faisceau laser. Il guide le bras vers les points prévus et régule la durée et l'intensité du faisceau laser.

Le complément idéal à un système de soudage laser est un système de découpe laser. Les formes précises découpées au laser fournissent la géométrie exacte qu'une machine de soudage par faisceau laser peut utiliser pour produire les meilleurs résultats possibles.

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Outre la précision et le faible apport de chaleur, la vitesse de travail est l'une des propriétés exceptionnelles du soudage laser. Dans des conditions idéales, un joint sans fin long et droit peut être soudé à une vitesse allant jusqu'à 60 m/minute. L'intensité du faisceau laser étant variable, l'impact du matériau utilisé est moins décisif pour la vitesse de travail d'un système de soudage laser. Même les tôles épaisses peuvent être jointes avec précision en quelques secondes.

Pour pouvoir souder un matériau, il faut atteindre une température juste au-dessus de son point de fusion. Dans les procédés de soudage conventionnels, la température de fusion du matériau est donc un facteur limitant : tous les matériaux ne peuvent pas être traités avec tous les procédés de soudage. Seule la soudure électrique a une certaine portée quant à l'intensité de la chaleur ponctuelle qu'elle peut émettre au niveau de ses électrodes. Le soudage par faisceau laser est différent : de tous les procédés de soudage, il offre la plus grande flexibilité en termes de température de soudage. Cet aperçu des matériaux couramment utilisés et de leurs points de fusion illustre la gamme de matériaux pouvant être traités par soudage par faisceau laser :

En pratique, des températures beaucoup plus élevées sont atteintes lors du soudage par faisceau laser. Néanmoins, ce spectre montre clairement à quel point ce processus d'assemblage est variable.

Avantages du soudage laser

La haute précision constante du soudage au laser est sa caractéristique principale. En plus de la couture particulièrement fine, l'apport de basse température est le plus important. Contrairement au soudage sous protection gazeuse, où le travail est lent et beaucoup de chaleur est appliquée, le soudage au laser est extrêmement rapide et peu invasif. Cela évite un échauffement complet du matériau de base. Il n'y a donc pas de dilatation thermique sélective, ce qui évite également la déformation de la pièce après refroidissement. La finition de la construction soudée sur un banc de dressage n'est donc pas nécessaire après le soudage par faisceau laser.

Le faisceau uniforme et pulsé du soudage au laser garantit également une soudure particulièrement propre. Les cordons de soudure ou les bavures, qui sont souvent inévitables dans le soudage sous protection gazeuse ou électrique, ne se produisent pas dans ce processus d'assemblage. Enfin, tout matériau soudable peut être traité sur une machine de soudage laser. De tous les procédés d'assemblage, le soudage au laser offre la plus large gamme de matériaux pouvant être traités. Le verre ou le plastique, par exemple, ne peuvent être assemblés par aucun autre procédé.

Notions de base

Dégraissage de tôles et de pièces métalliques - avantages et possibilités

Inconvénients du soudage laser

Un inconvénient majeur du soudage par faisceau laser est le coût élevé de l'équipement. Cet investissement doit être très bien pensé. Le retour sur investissement doit déjà être raisonnablement garanti avant l'achat, sinon un système de soudage au laser peut rapidement devenir une entreprise déficitaire. Si un prestataire de services sous contrat envisageait donc d'inclure un système de soudage au laser dans son parc de machines, un investissement conséquent dans une campagne de marketing appropriée est recommandé. Le soudage au laser est soutenu par le fait que les exigences des clients en matière de tolérances de production augmentent constamment. Il faut s'attendre à ce que les procédés de soudage conventionnels ne conviennent plus à de nombreuses applications. Un investissement dans le soudage laser reste donc un risque, quoique de plus en plus maîtrisable.

Un facteur limitant du soudage laser est le type d'application : le fonctionnement d'un système de soudage laser est comparable à celui d'une fraiseuse CNC. Il est vrai qu'une opération incorrecte ne peut pas causer des dommages aussi importants qu'une machine de coupe mal programmée. Néanmoins, une formation solide, des connaissances de base mathématiques et techniques et une familiarisation approfondie sont nécessaires pour pouvoir utiliser efficacement une machine à souder au laser.

En revanche, les risques pour la santé associés au soudage par faisceau laser sont mineurs. Il va sans dire que le soudage laser de l'aluminium nécessite un système d'extraction puissant. Il faut également veiller à se tenir à distance des cinématiques motorisées. Les opérateurs doivent rester à l'écart de la zone de travail d'un bras de robot actif. C'est un fait fondamental dans le traitement des processus de fabrication modernes et automatisés. Après tout, le soudage au laser nécessite essentiellement le port de lunettes de sécurité laser. Cela évite les accidents causés par la lumière laser. Si ces règles de sécurité sont respectées, le soudage au laser ne présente aucun danger particulier.

Soudage laser de tôles

Le soudage décrit l'assemblage de matériaux par la chaleur. Les tôles minces conviennent généralement mieux au soudage à la molette sur toute la surface que les tôles épaisses. De nos jours, le soudage laser permet de traiter des épaisseurs de matériaux étonnantes. En raison de sa température de soudage variable, il est relativement insensible aux différents types de métaux. Qu'il s'agisse de souder de l'acier inoxydable, de l'acier de construction, du cuivre ou d'autres types de tôles, le soudage par faisceau laser maîtrise cette tâche avec une précision constante. Les seules conditions préalables sont un espace de soudage suffisamment étroit et une température et une fréquence de soudage réglées avec précision. Si l'écart d'assemblage est trop grand, un résultat satisfaisant peut toujours être obtenu par dépôt ou soudage par remplissage - même avec le procédé de soudage au laser.

Soudage laser de l'aluminium

Lors du soudage au laser de l'aluminium, seul un alliage aluminium-manganèse peut être soudé sans matériau d'apport. Tous les autres alliages ne peuvent être soudés au laser qu'à l'aide d'additifs. Ceci s'applique en particulier aux composés aluminium-silicium. Les alliages d'aluminium avec du manganèse ne peuvent être traités que dans une mesure limitée par soudage au laser.

Le soudage au laser est de plus en plus utilisé. Les zones typiques sont :

Le soudage au laser est populaire dans la fabrication d'outils en raison de sa précision. Il est donc en concurrence directe avec le processus d'érosion. La fabrication d'outils de poinçonnage, d'emboutissage et de fonderie de précision par soudage laser additif ou soustractif est la réponse aux enjeux de l'industrie 4.0.

Dans l'industrie automobile, le soudage au laser est utilisé en raison de son mode de fonctionnement sans outil. Contrairement au soudage électrique, le soudage au laser ne nécessite aucun nettoyage ou remplacement constant des têtes. La construction métallique connaît de toutes nouvelles dimensions en termes de précision et de productivité grâce au soudage laser. Le traitement rapide de tôles épaisses dans des tolérances élevées n'est plus une fiction grâce au soudage par faisceau laser. Cela s'applique également à la construction navale : là, ce sont surtout les pièces de précision telles que les gouvernails, les vis de commande et d'entraînement qui atteignent la tolérance souhaitée par soudage au laser. Le résultat est des vitesses plus élevées et une consommation de carburant réduite des navires.

Fondamentaux

Comment fonctionne le formage de la tôle ?

Grâce au processus de soudage au laser sans outil, l'usure des systèmes est relativement faible. En soudage laser, la tête de l'outil se déplace le long de la trajectoire souhaitée pratiquement sans contact. Le transfert vers la pièce s'effectue par voie aérienne. Le guidage et le palier du bras du robot ne sont donc guère exposés à une usure significative. Cependant, l'optique laser est exposée à d'énormes contraintes. Les hautes températures appliquées ici sont générées en regroupant la lumière. Si des systèmes de soudage au laser particulièrement bon marché sont proposés, cela est généralement dû à des optiques manquantes ou défectueuses. Cela reste alors une question de calcul : Avec un nouveau look et un générateur laser révisé, un système de soudage laser d'occasion est presque aussi bon qu'un neuf.

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Cet article a été publié pour la première fois par belchnet.

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