Influence de très grande vitesse de soudage sur la stabilité et l'efficacité du procédé – FASTLAS

Les applications industrielles du soudage laser du cuivre sont limitées aujourd’hui par des instabilités apparaissant dans le capillaire de vapeur, lui-même dans le métal liquide. Jusqu’à maintenant, des moyens complexes, tels que la modulation de la puissance laser ou l’oscillation du faisceau, sont appliqués afin de prévenir la formation de défauts. Le projet FASTLAS étudie le soudage laser à grande vitesse et à grande puissance comme stratégie pour améliorer la qualité des soudures et l’efficacité du procédé de soudage du cuivre. Par une approche collaborative, les moyens de mesure et les installations expérimentales de l’IFSW seront combinées aux compétences du PIMM dans le domaine de la modélisation physique et de la simulation des procédés laser.
L’IFSW appliquera la vidéographie aux rayons X pour mesurer les géométries du capillaire et la dynamique fluide du bain fondu. Suite à cela, la distribution d’énergie absorbée et la température seront déterminées. En raison de la dynamique rapide des phénomènes en soudage laser du cuivre, les mesures seront réalisées à une fréquence de 2 kHz avec une résolution spatiale de 20 µm. A partir de ces mesures, le PIMM développera un modèle prédictif du procédé de soudage. En particulier, la géométrie mesurée et simulée, dépendant de l’absorption du laser et de la dynamique de la phase gazeuse, sera un point clef pour la compréhension des phénomènes physiques conduisant aux défauts de soudage ou à la stabilisation du procédé à grande vitesse. A partir de ce modèle, un outil de prédiction et d’optimisation sera développé.
La stratégie de stabilisation du capillaire à grande vitesse et forte puissance pour augmenter la qualité des soudures est basée sur des études et observations préliminaires réalisées par les deux partenaires. En effet, la stabilisation de la géométrie du capillaire avec l’augmentation de la vitesse a été observée à la fois expérimentalement (IFSW) et théoriquement (PIMM). La stabilisation de la soudure semble se produire pour des puissances supérieures à 10 kW avec des vitesses au-dessus de 10 m/min. Néanmoins, les interactions entre l’absorption globale du laser, les phénomènes thermiques et hydrodynamiques dans le bain liquide et dans le gaz ne sont pas encore bien comprises. Après avoir fait la preuve d’une stabilisation du soudage dans ces conditions, il est probable que dans les futures années, des sources plus puissantes seront fabriquées pour des coûts raisonnables. Dans ce cas, le soudage des matériaux à haute conductivité thermique de quelques millimètres d’épaisseur à très grande vitesse pourra être appliqué de manière industrielle.
Le projet contribuera à l’amélioration de la production de composants d’électronique de puissance particulièrement demandés dans le domaine de l’e-mobilité. En cas de succès, cela favorisera aussi le développement de laser à hautes performances (puissance) et des technologies associées (robots rapides). La coopération vise à favoriser les échanges de connaissances et le partage des ressources pour la compréhension fine du procédé. Ce projet serait la première étape d’une coopération de long terme sur les applications laser et leur simulation.