Le soudage au laser a sa place dans les véhicules électriques, l’aérospatiale, le transport maritime et ferroviaire, la construction, le secteur de l’énergie, les semi-conducteurs, l’électronique grand public, la fabrication de dispositifs médicaux et bien plus encore. Même la fusion de matériaux différents, difficile avec les techniques de soudage conventionnelles, peut être facilement résolue grâce à la flexibilité et à la précision du soudage laser, et est même devenue la solution privilégiée. Ce processus, souvent appelé « soudage par dissimilarité », joue un rôle important dans la réalisation des objectifs d’ingénierie moderne.
La production de batteries et de composants électriques pour les applications de mobilité électrique suscite un intérêt croissant pour le soudage au laser de matériaux différents tels que le cuivre et l'aluminium.
Le soudage différent permet une plus grande liberté de conception lors de la sélection de différents matériaux dotés de bonnes propriétés telles que la conductivité électrique et thermique, la ductilité, la densité relative, le point de fusion et la dureté, mais nécessite traditionnellement des adhésifs ou des méthodes mécaniques pour se lier ensemble.
Bien que cette technique présente des éléments communs avec le soudage conventionnel, elle offre une opportunité unique d'augmenter le degré de liberté de conception et la variété des combinaisons de matériaux, réduisant ainsi les coûts de fabrication et d'assemblage et améliorant les performances des composants ou des systèmes.
Cependant, le soudage de différents matériaux nécessite un examen attentif de la longueur d'onde du laser, de la puissance moyenne, du profil du faisceau, de la largeur d'impulsion et de la puissance de crête. Les paramètres du système laser doivent également être personnalisés pour des combinaisons de matériaux et des applications spécifiques.
Le domaine d’application le plus important et celui qui connaît la croissance la plus rapide est la production de batteries et de composants électriques pour véhicules électriques. La demande de véhicules électriques (VE) a considérablement augmenté au cours des deux dernières années, et le soudage de matériaux différents est au cœur de la démarche visant à rendre les VE plus efficaces et plus respectueux de l'environnement.
Bien que le soudage par dissimilarité ait beaucoup en commun avec le soudage conventionnel, l'optimisation de la qualité et de la vitesse de soudure est plus difficile. La flexibilité des systèmes de soudage laser offre des solutions uniques pour élargir de nouvelles applications et opportunités. (Contributé par Tomo Express)
Matthew Philpott, directeur du marketing et des ventes de NUBURU, l'un des principaux innovateurs en matière de technologie laser bleue industrielle de haute puissance et haute luminosité, a déclaré : « Les véhicules électriques devraient représenter plus de 20 % du marché au cours des 5 à 10 prochaines années. ans, et l'électronique grand public représentera entre 10 et 15 %. »
La fabrication de batteries lithium-ion (Li-ion) nécessite la capacité de souder l’aluminium au cuivre dans le cadre d’une soudure feuille-électrode ou électrode-électrode. Dans les batteries cylindriques, les cosses des électrodes en cuivre doivent être soudées à un boîtier en acier.
Dans la fabrication de batteries, les cellules sont généralement déjà assemblées et les ingénieurs doivent mettre en œuvre une conception qui connecte les cellules pour fournir une énergie optimale. Les batteries lithium-ion actuelles sont fabriquées en acier nickelé laminé à froid. Cependant, le soudage d'un métal moins résistif, tel que l'aluminium ou le cuivre, aux bornes standard en acier inoxydable d'une batterie lithium-ion réduit sa résistance, ce qui réduit la perte de chaleur.
L'amélioration des performances des batteries de véhicules électriques est un facteur majeur dans la croissance constante des ventes de véhicules électriques », a déclaré Mark L. Boyle, directeur principal de l'ingénierie des produits et des applications chez AMADA WELD TECH. De meilleures performances proviennent en partie des développements récents dans le soudage de métaux différents, ce qui améliore l'efficacité en augmentant le stockage d'énergie, en réduisant la taille et en maintenant la fiabilité.
En outre, l’industrie de la construction navale constitue un autre exemple où le soudage dissemblable apporte une valeur unique. L'industrie utilise régulièrement des interfaces soudées en acier et en aluminium pour optimiser la répartition du poids, ce qui entraîne une réduction des émissions de CO2 et une stabilité accrue. En particulier, souder une coque en acier à une superstructure en aluminium peut réduire le poids mort.
Blue light laser welding of copper sheets. Green and blue lasers are often better suited for welding highly reflective metals such as copper and aluminum, providing lower heat input and improved process stability of >1 µm. (Photo de NUBURU)
"En plus de réduire les émissions de CO2 et la consommation d'énergie, le centre de gravité du navire peut être abaissé grâce à une disposition intelligente des matériaux, améliorant ainsi la stabilité du transport." Rabi Lahdo, chercheur au sein du groupe de soudage et de découpe des métaux au centre laser de Hanovre, a déclaré.
Bien que des matériaux ayant des propriétés similaires produisent généralement des soudures plus fiables, des acteurs majeurs tels qu'AMADA WELD TECH reçoivent un nombre croissant de demandes pour souder des matériaux différents.
"Sur le plan commercial, le choix d'un matériau différent peut réduire les coûts de fabrication et améliorer les performances d'un composant ou d'un appareil." Mark L. Boyle a déclaré : « Lorsque cela se produit, le choix de métaux différents peut être utilisé comme un avantage concurrentiel sur le marché pour fournir un meilleur produit à un prix inférieur. »
01 Défis et considérations-
Lors de la fusion de matériaux tels que l'acier ou le cuivre avec de l'aluminium, les modifications du point de fusion et du coefficient de dilatation thermique du matériau peuvent conduire à la formation de parties intermédiaires fragiles qui affaiblissent le joint de soudure.
"Les métaux ont des températures de fusion et de fusion différentes, des coefficients d'absorption de la lumière différents (en particulier à certaines longueurs d'onde laser) et des diffusivités thermiques différentes. Cela rend difficile leur fusion simultanée au bon degré." Philpott de NUBURU déclare : « Ceci est particulièrement visible dans les métaux hautement réfléchissants, qui peuvent avoir des coefficients d'absorption très différents dans l'infrarouge. »
Les champs de contraintes créés par différents coefficients de dilatation thermique pendant le refroidissement peuvent également affaiblir les soudures et conduire à une rupture des joints de soudure. Ces structures dures et cassantes, appelées « phases intermétalliques », se forment dans la zone de transition entre le métal fondu et le métal de base. C’est un phénomène qui peut affecter n’importe quelle méthode de soudage.
Coupe transversale d'une soudure par dissimilarité d'acier et d'aluminium. (contribution LZH)
La formation de phases intermétalliques, telles que FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 dans le système acier-aluminium et Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 dans le système cuivre-aluminium, est due à la solubilité limitée des éléments", explique Sarah Nothdurft, responsable du Groupe d'assemblage et de découpe des métaux au Laser Center de Hanovre. De telles phases présentent également une résistivité nettement plus élevée par rapport au matériau de base.
Une sélection minutieuse des paramètres de fonctionnement du laser, tels que la combinaison de vitesses de soudage élevées, de faibles charges thermiques et d'un contrôle précis du processus de fusion, permet aux ingénieurs d'atténuer certains de ces problèmes.
"Bien que la formation de composés intermétalliques soit inévitable, leur fragilité ne l'est pas." Alexei Markevitch, responsable du développement du marché chez IPG Photonics, a déclaré : « La bonne formulation du processus peut minimiser la formation de ces composés et maximiser leur malléabilité, ce qui donne lieu à des soudures structurellement solides, plus conductrices et plus stables. »
02 Applications pour le soudage de différents matériaux-
L'attention portée aux rapports de mélange appropriés et aux dispositions d'appariement appropriées peut améliorer encore davantage les performances des joints de soudure différents. Par exemple, une couture en I avec une ouverture de soudure par recouvrement s'est avérée avantageuse. Dans cette méthode, une plaque d’acier est placée sur une plaque d’aluminium. Afin de minimiser les phases intermétalliques, le soudage est effectué à travers la plaque d'acier et uniquement sur la plaque d'aluminium.
Oliver Seffer, chercheur au sein du groupe de soudage et de découpe des métaux au centre laser de Hanovre, déclare : « En raison de la faible teneur en aluminium, la proportion de ces phases fragiles dans la microstructure finale est relativement faible. »
03 Considérations sur les paramètres du laser -
Le choix de la technologie laser dépend du matériau à souder. Des ports de soudure différents pour le verre et les métaux peuvent nécessiter un système laser CO2. Le soudage du verre aluminosilicate et de divers métaux peut bénéficier d'un système laser femtoseconde, tandis que le soudage des alliages d'aluminium et du verre technique peut souvent réussir avec une source laser picoseconde.
L'objectif est de minimiser l'apport de chaleur, d'éliminer les projections, d'améliorer la stabilité du processus et de fournir une large fenêtre de paramètres de processus tout en soudant à la vitesse la plus élevée possible.
"Bien que les alliages d'acier absorbent bien dans la région proche infrarouge, même les métaux à haute réflectivité, tels que l'aluminium et le cuivre, sont principalement traités avec des lasers de 1 µm." Markevitch d'IPG explique : « Cela est dû au fait que l'absorption dépend de la température et de la phase du métal. À température ambiante, le cuivre et l'aluminium absorbent environ 5 % à 1 µm et 40 à 50 % à 515 nm, avec une absorption plus élevée aux longueurs d'onde bleues. »
"Toutes les absorptivités augmentent pour les métaux chauffés, et l'IR saute au point de fusion", dit-il, "et les métaux en fusion absorbent très bien toutes les longueurs d'onde. Ainsi, une densité de puissance IR suffisamment élevée surmonte la réflectivité élevée."
However, in shallow conduction welding of foils or certain welding geometries involving thicker materials, the use of high-intensity infrared lasers can lead to overheating, material damage, or process instability at the point of the fast absorption transition. As a result, in some cases, green or blue lasers are more suitable for copper welding because they offer lower heat input and improved process stability at >1 µm.
Rabi Lahdo affirme que la diminution de l'intensité de sortie requise atténue les turbulences dans le bain de fusion, ce qui améliore la stabilité du processus. "L'augmentation de la stabilité du processus s'accompagne d'une amélioration de la qualité de l'ouverture de la soudure hybride et la formation de projections est supprimée."
Lors du soudage en trou de serrure de matériaux plus épais, en commençant par des trous de micro-liaison de plusieurs centaines de micromètres, les lasers infrarouges sont généralement plus efficaces que les lasers verts ou bleus, ce qui entraîne moins d'apport de chaleur, ainsi qu'une meilleure qualité de soudure et des vitesses plus rapides.
Tunable mode beam lasers eliminate spatter while quickly achieving high quality weld openings in dissimilar materials. These lasers emit a core beam enclosed in an individually controllable ring beam. Busbar welding applications for melting aluminum and copper can be achieved using an infrared single mode beam (above). However, the Tunable Mode Laser (below) exhibits complete control of spatter by enclosing the single-mode beam within an external annular beam. Such systems are capable of spatter-free copper busbar welding at speeds up to 60 m/min and depths of fusion >0,65 mm.
"La luminosité du faisceau monomode allant jusqu'à 2 kW surmonte la nature réfléchissante du métal brillant pour créer des soudures stables à petits trous avec une profondeur de fusion qui peut être beaucoup plus profonde que la largeur de la soudure", a déclaré Ken Dzurko, responsable mondial responsable principal des comptes clés au ThruFast Laser Technology Center à Santa Clara, en Californie.
"L'oscillation rapide du faisceau inhibe la formation de composés intermétalliques, limitant ainsi la durée de la phase de fusion au niveau de l'ouverture de la soudure." Il a déclaré : « De plus, la luminosité des feux de route augmente l'efficacité du soudage et réduit considérablement la zone affectée par la chaleur, produisant ainsi un volume de soudure plus élevé avec une puissance moyenne absorbée inférieure.
Un autre facteur affectant l’utilisation de l’énergie laser est la diffusion de la lumière par le panache de vapeur métallique, qui est proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d’onde. Les lasers 1070 nm diffusent 18 fois moins que les lasers 515 nm et 30 fois moins que les lasers 455 nm. Les taux de diffusion élevés des lasers bleus et verts dans les panaches de vapeurs métalliques compensent facilement leurs taux d’absorption légèrement plus élevés dans les matériaux en fusion.
Aujourd'hui, la plupart des fabricants choisissent des lasers à onde continue de 1 µm, qui ouvrent la voie en termes de vitesse de traitement, de qualité et de réduction des coûts. Mais toutes les longueurs d’onde offrent des avantages, selon la situation spécifique. Par exemple, Philpott de NUBURU estime qu'un changement de longueur d'onde vers la lumière bleue ou verte mérite d'être exploré dans les applications bénéficiant d'une absorption accrue.
"La délivrance du faisceau pour les lasers à lumière bleue ou verte (par exemple, scanners, têtes de traitement, contrôle du faisceau et autres composants auxiliaires) est similaire à celle utilisée pour les lasers NIR." Philpott déclare : "En conséquence, la conversion de l'infrarouge en lumière bleue ou verte est très simple, et la méthode de gestion du panache est similaire, il n'y a donc aucun problème dû à l'absorption ou à la diffusion."
Les systèmes laser actuels sont limités à 3 kW à 515 nm et à 4 kW à 455 nm, et en raison de la qualité limitée du faisceau des lasers bleus, la focalisation du faisceau et l'efficacité du traitement sont également limitées.
« Lors du soudage du cuivre à l'aide de longueurs d'onde de faisceau laser dans la plage visible, en particulier dans le spectre de la lumière bleue, il existe actuellement un manque de puissance de faisceau laser suffisante et de qualité de faisceau requise », explique Rabi Lahdo. « Atteindre une qualité de faisceau élevée est le plus grand défi lorsque utilisant des diodes laser pour générer un rayonnement laser. De plus, les lasers visibles sont plus susceptibles d'endommager l'optique que les sources infrarouges, ce qui raccourcit la durée de vie et augmente les coûts.
Malgré les défis, Philpott prévoit de nouvelles améliorations des performances et de la valeur du soudage à mesure que les diodes à lumière bleue continuent de s'améliorer en termes de disponibilité et de performances.
"Il n'y a aucun risque de fiabilité ou de coût associé au fonctionnement des lasers dans les tolérances de conception de l'optique", a-t-il déclaré. "Cela dit, les clients peuvent connaître une durée de vie courte des optiques avec le produit d'un fournisseur de laser particulier ; cependant, si un fabricant ne commercialise pas un produit sans que les dispositifs optiques soient correctement validés, cela peut se produire avec n'importe quelle longueur d'onde."
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-Spécialisation des systèmes laser-
Les lasers à fibre à ondes continues peuvent souder l'aluminium et le cuivre avec un contrôle approprié du profil du faisceau. Le développement de profils de faisceaux noyau-anneau et de systèmes de balayage plus puissants a considérablement amélioré la qualité et le potentiel des ports de soudage hybrides au cours de la dernière décennie.
Lors du soudage de petits trous de cuivre et d'aluminium, les trous deviennent instables à des vitesses de soudage élevées. Une façon d’éliminer cette instabilité consiste à ralentir la vitesse de soudage, mais cela n’est généralement pas souhaitable. Au lieu de cela, une autre méthode consiste à utiliser un galvanomètre pour ajouter une oscillation au faisceau laser afin d'agiter le bain en fusion. Cela améliore la convection dans le flux de matière fondue pour empêcher les petits trous de s'effondrer. Cela produit généralement une soudure d’excellente qualité, mais ralentit davantage le processus de soudage.
Une troisième façon d'éliminer les projections lors du soudage à grande vitesse consiste à utiliser un laser à faisceau en mode réglable (AMB), qui émet un faisceau central entouré d'un faisceau annulaire. La puissance et l'intensité du faisceau central déterminent la profondeur de pénétration des petits trous, tandis que l'énergie du faisceau annulaire stabilise les petits trous pour minimiser ou éliminer complètement les éclaboussures, les fissures et la porosité indésirables.
Les plus petits noyaux sont des faisceaux monomodes d'un diamètre de 14 µm. Les noyaux multimodes ont généralement un diamètre de 50 ou 100 µm, et les faisceaux annulaires ont généralement un diamètre allant jusqu'à 300 µm.
"L'utilisation de lasers à fibre noyau-anneau est un domaine de développement actif dans le soudage laser par dissimilarité infrarouge et est recherchée par tous les principaux acteurs", déclare Markevitch, responsable du développement du marché chez IPG Photonics. "Le laser AMB doté d'un noyau monomode a été choisi pour sa polyvalence, ses vitesses de soudage élevées et sa capacité inhérente à minimiser la formation de composés intermétalliques fragiles."
Un laser AMB à noyau monomode de 3 kW avec 3 kW de puissance supplémentaire dans un laser en anneau est capable de souder des barres omnibus en cuivre sans projections à 60 m/min avec une pénétration supérieure à 0,65 mm.
Les lasers verts ou bleus commerciaux actuels ne peuvent pas atteindre la même vitesse et la même qualité de traitement, explique Markevitch. Mais comme il le souligne, la cohérence des soudures peut toujours être affectée par les variations de l'écart entre les matériaux ou par la contamination des matériaux. Avec la tendance à la diminution de l'épaisseur des barres omnibus, le serrage et la fixation deviennent un défi. Une profondeur de fusion de soudure insuffisante peut entraîner une résistance plus élevée et une résistance mécanique inférieure, tandis qu'une profondeur de fusion ou un perçage excessif peut exposer les cellules de batterie de VE à un risque d'incendie.
"Typical material thicknesses for busbar lap welds are 200 to 300µm, less than 1mm," says Markevitch, "Immediately below the thin lap weld is a thermally-sensitive organic electrolyte, which may decompose at >60 degrés."
L'aluminium fond à 660 degrés, le cuivre à 1 085 degrés et les alliages d'acier à 1 500 degrés. Deux métaux avec des températures de fusion très différentes doivent être fondus sans endommager les sels de lithium contenant des organogels inflammables ou des composants de batterie (tels que des joints, des joints et des entretoises) en dessous.
Le contrôle de processus en ligne basé sur l'émission spectrale de processus ou l'OCT peut fournir des mesures non destructives de profondeur de soudure en temps réel. Cela permet de prendre des mesures correctives pour obtenir une profondeur de fusion constante.
