Le soudage au laser est une méthode permettant d'assembler deux matériaux en utilisant un faisceau laser comme source de chaleur concentrée pour faire fondre et fusionner les matériaux à leur point de contact. Il offre des avantages par rapport aux techniques de soudage traditionnelles, comme une vitesse plus rapide, une automatisation plus facile, une qualité et une précision améliorées et des options de matériaux élargies.Soudage laser à froidfait référence à un sous-ensemble de méthodes de soudage au laser qui impliquent un apport de chaleur beaucoup plus faible que le soudage au laser standard. Mais comment ça marche et quelles sont les principales techniques de soudage laser à froid utilisées aujourd’hui ?
Apport de chaleur inférieur
Par définition, le soudage au laser à froid utilise beaucoup moins de densité de puissance laser et d’apport de chaleur que les méthodes de soudage par fusion plus chaude. Cela permet d'assembler des matériaux plus sensibles à la chaleur comme les plastiques ou les feuilles minces avec moins de déformation, de brûlure ou d'autres dommages thermiques par rapport au soudage laser plus chaud.[1]
Les techniques typiques de soudage au laser à froid ne fournissent que 25-30 % de l'énergie utilisée dans le soudage laser conventionnel. Cela équivaut à des densités de puissance inférieures à 1 mégawatt par centimètre carré et à des températures maximales inférieures à 2 500 degrés F au niveau des surfaces des lignes de liaison.[2]
La chaleur plus faible minimise la déformation des pièces et les changements métallurgiques risqués dans les composants à souder. Il permet également des liaisons réussies dans des matériaux hautement réfléchissants comme l'aluminium ou le cuivre qui dévieraient normalement de plus grandes quantités d'énergie laser plutôt que de l'absorber.[3]
Principales techniques de soudage laser à froid
Les trois principales catégories de soudage laser considérées comme techniques à froid comprennent :
1. Soudage laser à faible densité de puissance
Cela implique de réduire la densité de puissance des lasers à semi-conducteurs ou à fibre standard à 0,5 mégawatts par cm2 ou moins. Il permet des soudures jusqu'à 0,5 mm de profondeur tout en minimisant l'apport de chaleur et l'impact métallurgique sur les alliages sensibles.[4]
2. Soudage laser par balayage
Cette méthode fait osciller ou balaye rapidement le faisceau laser sur le joint pendant le tir par impulsion. La combinaison d'un faisceau plus large et d'un mouvement rapide limite l'apport de chaleur malgré l'utilisation de densités de puissance supérieures à 2 mégawatts par cm2. Il facilite le soudage des alliages aérospatiaux exotiques et des languettes de batterie.[5]
3. Microsoudage laser
Celui-ci utilise des diodes laser infrarouges émettant des longueurs d'onde adaptées aux pics d'absorption des polymères. Un contrôle minutieux des émissions inférieures à 15 0 watts crée des soudures étroites de moins de 0,1 mm de profondeur, mais suffisamment solides pour des composants tels que les cathéters médicaux et la microélectronique.[6],[7]
Avantages par rapport au soudage laser standard
Même si les vitesses et profondeurs maximales de soudage sont limitées, les techniques de laser froid offrent des avantages tels que :
- Minimiser la distorsion des pièces et les changements métallurgiques délétères
- Éviter les dommages causés par la chaleur et la perte de revenu dans les alliages sensibles
- Faciliter des liaisons fortes et précises dans des matériaux hautement réfléchissants et conducteurs auparavant non soudables
- Assemblage de thermoplastiques et de polymères de matériaux différents sujets à la dégradation thermique
- Permet le soudage automatisé de feuilles extrêmement fines jusqu'à 0,05 mm d'épaisseur [8]
Le soudage laser à froid occupe donc un créneau important : il facilite l'assemblage complexe de métaux, de plastiques et de mélanges de matériaux incompatibles avec les méthodes de soudage laser conventionnelles plus chaudes.
Applications qui en profitent
Les secteurs de l'aérospatiale, de l'électronique et des dispositifs médicaux, en particulier, adoptent des solutions de soudage au laser à froid pour tirer parti d'avantages tels que la réalisation de joints de matériaux exigeants avec une distorsion minimale sur des composants petits et complexes.
Exemples d'applications :
- Etanchéité hermétique des boîtiers en titane des stimulateurs cardiaques [9]
- Soudage d'enceintes à vide extérieures pour spectromètres de masse [10]
- Assembler des bobines de feuilles de nickel dans des générateurs électriques tout en préservant les propriétés magnétiques [11]
- Scellement de polymères dans des patchs d'administration de médicaments sans adhésifs liquéfiants à chaud [12]
Ainsi, tout en travaillant à plus petite échelle, les techniques de laser froid permettent des liaisons critiques dans des alliages de qualité spatiale, des instruments de diagnostic et des composants médicaux vitaux où le maintien des propriétés et des dimensions des matériaux de base est primordial.
En résumé
Le soudage laser à froid utilise des techniques laser à densité d'énergie réduite qui limitent l'apport de chaleur lors du soudage de précision. Le maintien des températures basses minimise la distorsion des pièces et les dommages métallurgiques tout en permettant des liaisons dans des composants hautement réfléchissants et thermiquement sensibles auparavant interdits au soudage par fusion à chaud. Bien qu'il fonctionne à des échelles microscopiques, le laser froid permet d'assembler de manière complexe des associations de matériaux exotiques et dissemblables, essentiels pour les applications allant des satellites aux implants chirurgicaux.
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Les références:
[1] Katayama, S. Manuel des technologies de soudage laser. Éditions Woodhead. 2013. p. 342.
[2] Traitement laser Ion JC des matériaux d'ingénierie : principes, procédure et application industrielle. Elsevier. 2005. p203-204.
[3] Dawes C. Soudage laser : un guide pratique. Éditions Woodhead. 1992. p. 88.
[4] Kah P, Suoranta R, Martikainen J, Magnus C. Techniques d'assemblage de matériaux différents : métaux et polymères. Rév Adv Mater Sci. 2014 ; 36 : 152-164.
[5] Kah P, Suoranta R, Martikainen J. Techniques avancées de soudage laser de polymères transparents. Procédure de physique. 2015 ; 78 : 182-190.
[6] Acherjee B, Mondal B, Tudu B, Misra D. Avancement et innovations récentes dans la technologie de soudage par faisceau laser. Optique et lasers en ingénierie. 2021 ; 140:106877.
[7] Roesner A, Scheik S, Olowinsky A, Gillner A, Reisgen U, Schleser M. Soudage laser de polymères à l'aide de lasers à haute intensité. Journal de micro-nano-ingénierie laser. 2019 ;14(1) :1-6.
[8] Katayama S. Phénomènes de soudage laser dans le soudage de feuilles minces. Journal des applications laser. 1er juin 2011;23(2):022005.
[9] L respectivementampe T, Roos E. Enquêtes sur le soudage par fusion d'alliages de titane pour stimulateurs cardiaques. Matériaux pour dispositifs médicaux II : actes de la conférence Materials & Processes for Medical Devices. 8 novembre 2004, p. 12-6.
[10] Synowicki RA. Problèmes de matériaux pour les chambres à vide soudées en titane dans les applications de spectrométrie de masse. 18e Réunion thématique sur la science de l'énergie de fusion. 28 octobre 1999.
[11] Dilger K, Nussbaum C, Nusbickel W, Rodman R. Soudage laser des aciers électriques et ses conséquences technologiques sur les noyaux magnétiques AC. Transactions IEEE sur le magnétisme. 1992 septembre ; 28 (5) : 2260-3.
[12] D commandssingh SP, Wieduwilt TJ. Utilisation d'un procédé de soudage par transmission laser pour le scellement de dispositifs prothétiques à implanter. Demande de brevet américain US 06/938 069. 4 décembre 1974.