Les causes et les méthodes de contrôle des pores gazeux dans les soudures au laser

I. Introduction

Le soudage par laser offre des avantages tels qu'une haute densité d'énergie, une zone thermiquement affectée réduite, une bonne formation de la soudure et une faible distorsion. Il est largement utilisé dans la fabrication de tôlerie, l'électronique grand public, la production de batteries, les dispositifs médicaux et l'industrie automobile. Toutefois, dans les applications pratiques de soudage, des défauts de porosité apparaissent fréquemment à l'intérieur ou à la surface des soudures en raison des effets combinés de facteurs liés au matériau, à l'équipement et au procédé. Ces défauts nuisent à la résistance, à la densité et à la qualité esthétique de la soudure. Il est donc nécessaire d'analyser les mécanismes de formation de la porosité et de proposer des mesures de contrôle efficaces afin d'améliorer la stabilité du soudage et la qualité du produit.

II. Causes principales de la porosité en soudage

La porosité en soudage est généralement causée par un gaz piégé, la précipitation d'un gaz dissous ou la vaporisation du matériau. Les causes principales incluent :

1. Pollution de surface des matériaux

Lorsque les surfaces de soudure contiennent de l'huile, de l'humidité, de la rouille ou des revêtements, ceux-ci se décomposent sous l'effet des hautes températures et génèrent des gaz qui pénètrent dans le bain de fusion. Par exemple :

Contamination par l'huile → génère des gaz d'hydrocarbures

Humidité → génère du H₂ et du O₂

Revêtements → se décomposent en gaz organiques ou inorganiques

Si le bain de fusion se solidifie rapidement, ces gaz ne peuvent pas s'échapper à temps et forment des porosités.

2. Teneur élevée en gaz des matériaux

Certains matériaux contiennent des niveaux plus élevés d'hydrogène, d'oxygène, d'azote ou d'inclusions, qui peuvent précipiter et former des bulles lors de la fusion. Par exemple :

Les alliages d'aluminium sont sensibles à l'hydrogène

Les aciers sont sensibles à l'oxygène

Les alliages de cuivre sont sensibles à l'azote

Si le temps de la piscine fondue est insuffisant ou si le refroidissement est trop rapide, les gaz restent piégés et forment des pores.

3. Apport d'énergie laser insuffisant ou instable

Si la densité d'énergie est insuffisante, la piscine fondue devient peu profonde et présente une mauvaise fluidité, ce qui rend difficile l'échappement des gaz. Des fluctuations d'énergie peuvent également provoquer une solidification incohérente de la piscine fondue, entraînant le piégeage de bulles.

Les manifestations courantes incluent :

Fluctuations de la puissance du laser

Défaut de focalisation conduisant à une réduction de la densité de puissance

Vitesse de soudage excessivement élevée provoquant une pénétration incomplète

4. Couverture inadéquate du gaz de protection

Un blindage insuffisant ou une orientation incorrecte du gaz de protection permet à l'air de pénétrer dans la piscine fondue et de provoquer des réactions gazeuses. Un débit de gaz excessif peut générer une turbulence ou un entraînement d'air.

Les problèmes courants incluent :

Débit d'argon excessif provoquant la formation de vortex

Mauvais alignement du gaz entraînant un blindage incomplet

Contamination de la buse provoquant une perturbation des champs d'écoulement

5. Mésappariement entre le matériau d'apport et le métal de base

En soudage avec fil d'apport, si la composition du fil, la teneur en gaz ou la propreté sont médiocres, des gaz supplémentaires ou des inclusions peuvent être introduits.

Exemples incluent :

Fil de soudage humide ou hygroscopique

Mauvaises conditions de stockage

Nettoyage insuffisant du fil

III. Principaux dangers des soufflures en soudage

Les défauts de soufflure affectent principalement la qualité du produit par :

Réduction de la résistance de la soudure et de la durée de fatigue

Altération de l'étanchéité et des performances barrières

Qualité d'apparence dégradée

Fiabilité réduite dans les applications critiques

Des industries telles que les boîtiers de batteries, les dispositifs médicaux et les structures étanches aux gaz peuvent rejeter entièrement les produits en raison de défauts de porosité.

IV. Méthodes de contrôle des défauts de porosité de soudage

Pour améliorer la qualité du soudage laser, une optimisation doit être réalisée au niveau des matériaux, des équipements, des procédés et de l'environnement.

1. Mettre en œuvre un prétraitement adéquat des surfaces

Le nettoyage de la surface de soudage réduit considérablement les risques de porosité. Les méthodes courantes incluent :

Nettoyage mécanique (meulage, brossage)

Nettoyage par solvant (alcool, acétone)

Nettoyage laser (adapté à la production de masse)

Séchage et déshumidification (spécialement pour les alliages d'aluminium)

Les zones clés incluent la zone de soudure et les surfaces internes de contact des assemblages par recouvrement.

2. Contrôler la qualité du matériau et les conditions de stockage

Selon les caractéristiques d'absorption de gaz du matériau :

Les alliages d'aluminium doivent être maintenus au sec afin d'éviter l'absorption d'humidité

Les pièces en cuivre doivent être protégées contre l'oxydation par un gaz ou un revêtement

L'acier doit éviter la corrosion sévère et les contaminants

Dans le soudage avec fil d'apport, le fil doit rester sec et propre.

3. Optimiser les paramètres énergétiques du laser

Un bon appariement des procédés est essentiel pour l'évacuation des gaz. Les axes d'optimisation comprennent :

Augmenter la densité de puissance → améliore la pénétration et la fluidité

Réduire la vitesse de soudage → augmente le temps d'ouverture du bain de fusion

Ajuster la position focale → améliore la stabilité du bain de fusion

Stabiliser la sortie laser → évite les fluctuations d'énergie

En soudage à forte pénétration, un défocalisation négative peut améliorer la pénétration et le comportement d'écoulement.

4. Améliorer les systèmes de gaz de protection

L'optimisation du gaz de protection comprend :

Choisir des gaz appropriés (par exemple, l'argon pour le soudage de l'aluminium)

Contrôler les débits corrects (éviter la turbulence)

Optimiser l'angle de la buse et la distance d'écartement

Augmenter la couverture de protection pour éviter l'entraînement d'air

Pour le soudage de l'aluminium, un blindage à double gaz ou par enceinte est souvent utilisé pour réduire la porosité.

5. Optimiser la conception des assemblages et la configuration de soudage

La conception de l'assemblage influence le comportement d'évacuation des gaz :

Privilégier les assemblages bout à bout plutôt que les assemblages par recouvrement lorsque cela est possible

Prévoir des chemins d'évent pour les assemblages par recouvrement si leur utilisation est inévitable

Éviter les structures fermées qui piègent les gaz lors du refroidissement rapide

Une conception structurelle appropriée réduit les contraintes et améliore l'efficacité d'évacuation des gaz.

V. Conclusion

La porosité en soudage laser est un défaut typique résultant des effets combinés des matériaux, des procédés et des conditions environnementales. Son mécanisme de formation est fortement couplé à de multiples facteurs. En améliorant la propreté des matériaux, en optimisant les paramètres du laser et du gaz de protection, et en adoptant des conceptions d'assemblage appropriées, la qualité et les performances de la soudure peuvent être considérablement améliorées. Dans les environnements de production, l'intégration de systèmes de surveillance en ligne et de contrôle qualité en boucle fermée peut stabiliser davantage la qualité du soudage et favoriser une adoption industrielle plus large de la technologie de soudage laser.