La recherche sur le soudage au laser vise des solutions de fabrication de véhicules électriques

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Note de l'éditeur : Cette fonctionnalité a été initialement publiée dans le numéro de juin 2022 de Canadian Fabricating & Welding.

Le soudage au laser a touché le courant dominant de la fabrication au cours des dernières années. Des cellules de soudage aux modèles portables, le soudage au laser crée des gains d'efficacité pour les équipementiers et les ateliers de travail. La technologie, qui offre des soudures de haute qualité, des vitesses de production rapides et un traitement post-soudage réduit, suscite de plus en plus d'intérêt de la part des fabricants.

La technologie laser, quant à elle, continue de se perfectionner. Civan Lasers, basée en Israël, est une entreprise qui serait à la pointe de ce développement. L'entreprise a reçu le Prism Award 2022 dans la catégorie lasers industriels de SPIE, la société internationale d'optique et de photonique, et de Photonics Media. Le prix récompense l'OPA 6 Weld de Civan, une technologie laser à faisceau dynamique (DBL) à onde continue monomode de 7 à 14 kW qui module la forme du faisceau comme souhaité à des vitesses allant jusqu'à des centaines de mégahertz sans aucune pièce mobile.

Le laser utilise une combinaison de faisceaux cohérents optiques à réseau phasé pour fusionner de nombreux faisceaux laser monomodes en un faisceau plus large. La lumière de chaque laser chevauche d'autres faisceaux dans le champ lointain, créant un motif de diffraction qui permet de manipuler la forme du faisceau en temps réel. Les modulateurs de phase contrôlent les faisceaux individuels, et le motif d'interférence résultant peut être ajusté pour maximiser la position du spot du faisceau et produire divers motifs de forme inscrits par le mouvement du faisceau.

"D'autres méthodes de mise en forme du faisceau concernent principalement l'oscillation du faisceau", a déclaré le Dr Asaf Nissenbaum, chercheur en laboratoire d'applications à Civan. "C'est-à-dire que vous pouvez légèrement fluctuer votre faisceau pour provoquer une direction localisée, et cela est pris en charge par des moyens mécaniques. L'inconvénient de cette technologie est que vous utilisez des scanners galvo, qui ont une fréquence maximale limitée à laquelle ils peuvent fonctionner et une puissance de faisceau maximale que vous pouvez les traverser. De plus, le profil de mouvement d'oscillation est également limité alors que le laser OPA 6 peut fonctionner à des fréquences et des profils de forme beaucoup plus élevés. "

La fréquence de forme, la séquence de forme et la profondeur de champ peuvent également être contrôlées pour permettre l'optimisation de l'évaporation dans le capillaire, l'écoulement dans le bain de fusion et la solidification de la masse fondue pour toute application de traitement de matériaux au laser. Un tel contrôle élimine la formation de pores, d'éclaboussures et de fissures tout en augmentant les débits et les vitesses d'alimentation dans les applications de soudage et de fabrication additive, rapporte la société.

La vitesse à laquelle le laser peut fonctionner et la possibilité de modifier le faisceau à la volée suscitent de l'intérêt pour la recherche liée à la fabrication de piles à combustible pour véhicules électriques (EV). Selon les découvertes récentes du projet Eureka, basé aux laboratoires Fraunhofer à Aix-la-Chapelle, en Allemagne, les lasers de la société pourraient fournir à l'industrie automobile une solution technologique pour produire en masse des moteurs à énergie propre de manière économique grâce à une vitesse d'alimentation accrue pour le soudage bipolaire des plaques.

Le défi pour produire efficacement des piles à combustible réside dans le soudage des plaques bipolaires, des plaques minces de plusieurs centaines de microns. Chaque cellule contient 300 à 400 plaques avec un cordon de soudure de 3 à 6 m. Bien que de nombreux efforts soient déployés pour augmenter la vitesse de soudage afin de répondre à la demande, l'augmentation de la vitesse d'alimentation à plus de 0,5 m/sec entraîne des défauts de soudage, entraînant des pièces défectueuses et un arriéré de matériaux.

Les trois organisations à l'origine du projet Eureka - Civan Lasers, l'Institut Fraunhofer pour la technologie laser (ILT) en Allemagne et Smart Move GmbH en Allemagne - visent à résoudre ce problème de soudage en utilisant la technologie laser de Civan.

"Au-dessus d'une certaine vitesse dans le soudage au laser, un défaut courant que vous voyez est quelque chose connu sous le nom de" bosse ", une bosse périodique surélevée dans la soudure", a déclaré Nissenbaum. "Cela soulève des problèmes de porosité, de cohérence et de manque de fusion. C'est un problème de go/no-go dans l'industrie des piles à combustible. Avec ce laser, nous pouvons, par exemple, avoir une séquence de plusieurs formes, chacune dirigée pour résoudre un problème différent dans la soudure à une échelle de microseconde afin que nous puissions cibler l'ensemble du processus."

Alors que la technologie existante a la capacité d'aller plus vite, les plaques bipolaires nécessitent des joints profonds et étroits sur des feuilles de 0,1 mm. Lorsque la vitesse d'alimentation augmente au-dessus de 0,5 m/s, le courant de fusion résultant conduit à l'effet de bosse bien connu. Fraunhofer ILT

L'objectif de la recherche est d'augmenter le débit de soudage à au moins 1 m/s ou jusqu'à 2 m/s tout en créant une soudure homogène sans problèmes de bosse.

"Après avoir testé la technologie sur d'autres matériaux, nous avons vu des résultats très prometteurs", a déclaré Nissenbaum. "Nous comprenons comment nous pouvons et ne pouvons pas affecter le bain de soudure, comment obtenir des résultats de qualité. Il s'agit simplement d'approfondir la recherche."

Nissenbaum dit que la société souhaite poursuivre davantage d'applications sur le marché des véhicules électriques, car sa vitesse et sa précision devraient permettre à la technologie de rivaliser avec d'autres formes d'assemblage.

"Un grand marché potentiel consiste à remplacer les processus de brasage par des processus basés sur le laser", a-t-il expliqué. "Le brasage coûte cher et nécessite beaucoup d'électricité. De nombreux véhicules électriques utilisent le brasage parce que le soudage au laser ne leur donnait pas les résultats qu'ils souhaitaient.

"De même, le soudage de matériaux dissemblables est un domaine dans lequel notre technologie devrait être très efficace", a-t-il poursuivi. "Nous pouvons fournir à chaque matériau son propre traitement dans le sens où lors du soudage de métaux différents, disons qu'ils ont une différence d'un ordre de grandeur dans la conductivité thermique, chaque côté doit être ajusté de manière à ce que le cordon de soudure global soit le même. Nous pouvons créer un profil de faisceau asymétrique de sorte que le côté qui a besoin de plus de puissance obtienne plus de puissance, et le côté qui en a besoin de moins en obtienne moins. Entre les deux, vous créez une dynamique de soudure très uniforme."

En fin de compte, tout dépend de la gestion des trous de serrure et du bain de soudure. L'application de ce principe à la fabrication additive est un corollaire évident, c'est pourquoi Civan travaille également avec Smart Move pour développer une nouvelle technologie de fabrication additive par soudage et fusion laser sur lit de poudre (LPBF). Le laser de Civan est piloté par la tête de balayage laser de Smart Move, permettant aux utilisateurs de soudage et de LPBF de modifier l'orientation de la forme du faisceau à la volée, permettant l'utilisation de formes de faisceau asymétriques dans des géométries complexes.

« L'intégration de notre laser à faisceau dynamique avec une technologie de scanner de pointe permet aux soudeurs et aux clients LPBF non seulement d'améliorer les taux d'avance de soudage et les vitesses de fabrication additive, mais également de rendre possibles des applications auparavant impossibles », a déclaré le PDG de Civan, le Dr Eyal Shekel, dans un communiqué de presse.

"Il existe une très petite fenêtre d'apport de chaleur et de vitesse d'alimentation que vous pouvez utiliser pour obtenir la cohérence couche par couche nécessaire dans un produit à base d'additifs", a déclaré Nissenbaum. "Nous sommes confrontés à la complexité d'obtenir le profil de soudure correct entre la conduction et le trou de serrure. La mise en forme du faisceau aide à maintenir une profondeur de pénétration idéale et à résoudre les problèmes d'éclaboussures avant de passer à l'échelle et de régler la vitesse."

Civan s'est associé à un certain nombre d'universités pour prouver à un public plus large les applications potentielles de sa technologie. Les chercheurs de l'Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) de l'Université de Stuttgart étudieront la technologie de l'entreprise à l'aide de leur installation vidéo à rayons X à grande vitesse pour le diagnostic du traitement des matériaux par laser. Le système permettra aux chercheurs de voir à l'intérieur du bain de fusion pendant les processus de soudage au laser, en étudiant plus avant les opportunités d'utilisation de la technologie DBL pour améliorer la stabilité du trou de serrure dans les applications de soudage industriel.

TU Wien en Autriche a simulé comment différentes formes de faisceau affectent une soudure et pourquoi certaines formes fonctionnent mieux que d'autres.

Ce qui est clair, c'est qu'un contrôle plus fin des lasers continuera d'avoir un impact sur l'industrie, élargissant la proposition de valeur des applications de soudage et d'additifs.