Iryna TOMASHCHUK€¦ · Le diagramme de Suutala appliqué au procédé laser : diagramme PACARY...

Assemblage des matériaux dissimilaires par laser

Iryna TOMASHCHUK

UMR 5209 CNRS-Université de Bourgogne

2

1. Critères d’un assemblage dissimilaire réussi

2. Assemblage dissimilaire des matériaux métalliques

• Problèmes de compatibilité métallurgique et solutions offertes par laser

• Développement du capillaire entre deux matériaux

• Rôle de convection dans la formation du mélange

• Développement des interfaces diffusives

3. Assemblage dissimilaire des matériaux plastiques

• Mécanisme de la formation du mélange

• Critères de compatibilité des plastiques

4. Conclusions

Sommaire

3

Critères d’un assemblage dissimilaire réussi

Assemblage hétérogène :la jonction entre deux ou plus matériaux de la nature différente qui présente la zone dumélange dont les propriétés ne sont pas identiques à ceux des matériaux de base.

Critère mécanique : la résistance mécanique de la zone du mélange doit, en idéal, être supérieure ou égale à celle du matériau plus «faible»

L’un des matériaux est rompu La zone du mélange est rompueTest de traction

Cause? Voies d’amélioration?

Est-ce que la résistance obtenue est suffisante

pour une application prévue?

OUI

Essais de reproductibilité,

validation…

NO

Est-ce que la rupture se passe dans ZAT?

OUI

Comment réduire la

formation de ZAT?

NO

Continuer les essais

D’autres critères : • Géométrie et aspect• Etanchéité• Résistance à la corrosion (milieux agressifs?)• Résistance aux hautes températures• Flexion• Fatigue• etc

En fonction d’une application prévue

4

Critères d’un assemblage dissimilaire réussi

Assemblage hétérogène :la jonction entre deux ou plus matériaux de la nature différente qui présente la zone du

mélange dont les propriétés ne sont pas identiques à ceux des matériaux de base.

Critère mécanique : la résistance mécanique de la zone du mélange doit, en idéal, être supérieure ou égale à celle du matériau plus «faible».

Coefficient du joint proche à 1

5

Compatibilité métallurgique

Solubilité illimitée Solubilité limitée Intermétalliques

Problème de compatibilité entre des matériaux métalliques de la nature différente

Différences en propriétés physiques

Ecart en températures de fusion et en diffusivité thermique:• fusion « asymétrique »• risque de fissuration à chaud

Dilatation thermique différente : accumulation des contraintes résiduelles

La jonction dissimilaire est potentiellement sensible à la corrosion galvanique

Formation des solutions solides continues. Assemblage est facile à réaliser.

Solubilité limitée à l’état solide ou même liquide. Risque de fissuration à chaud. Risque de ségrégation importante.

Si des phases sont très fragiles, grand risque de fissuration à froid. Assemblage est difficile voire impossible. Rare exception : TiAg HV= 130

Exemple: Ta-Ti, Cu-Ni, Ta-V Exemple: Cu-Fe, Cu-

Co, Sn-PbExemple: Al-Fe, Fe-Ti, V-Fe

Assemblage dissimilaire

des matériaux métalliques

Rupture fragile!

Rupture ductile

Ecart important en températures de vaporisation et en coefficients d’absorption : capillaire asymétrique par rapport au plan du joint

6



Soudabilité des aciers dissimilaires

Le diagramme de SCHAEFFLER-BYSTRAM - un indicateur global de la fissuration dans le cas du soudage hétérogèneDéveloppé pour le soudage à l’arc!

A : austénite γ ;F : ferrite α ;M : martensite ;5-80% : pourcentage en masse de la ferritedans l'austénitezones de risques :bleu clair : fissuration à chaud,violet : fissuration à froid,pink : fragilisation par transformationα→σ,gris : fragilisation par croissance des grainsα,blanc : zone idéale.

(Ni) eq = % Ni + 30% C + 0,5% Mn(Cr)eq = % Cr + 2% Mo + 1,5% Si + 0,5% Nb

7



• Le diagramme de SCHAEFFLER-BYSTRAM n’est pas valide avec les procédés laser et faisceauxd’électrons car les vitesses de solidification (et de refroidissement) sont très importantes!

• Lorsque la vitesse de solidification est importante la zone de recouvrement (austénite + ferrite –mode de solidification mixte) diminue

Schématiquement le diagramme de SCHAEFFLER se transforme :

austénite

martensite ferrite


8



Fissuration à chaud en présence des éléments non-métalliques S+P

(Cr) = Cr + 1,37 Mo + 1,5 Si + 2 Nb + 3 Ti(Ni) = Ni + 0,31 Mn + 22 C + 14,2 N + Cu

Développé pour le soudage à l’arc!

Le diagramme de Suutala


9



Soudabilité des aciers dissimilaires : fissuration à chaud en présence des éléments non-métalliques S+P+B

Le diagramme de Suutala appliqué au procédé laser : diagramme PACARY

(Cr) = Cr + 1,37 Mo + 1,5 Si + 2 Nb + 3 Ti(Ni) = Ni + 0,31 Mn + 22 C + 14,2 N + Cu

Ferrite primaire

transformée en austénite

pas de fissuration

Austénite primaire rejete S+P+B

fissuration à chaud

10



Soudabilité des aciers dissimilaires : fissuration à chaud en présence des éléments non-métalliques S+P+B

Le diagramme de Suutala appliqué au procédé laser : diagramme WRC

(Cr) = Cr + Mo + 0,7 Nb + 3 Ti

(Ni) = Ni + 35 C + 20 N

11



Evaluation de la soudabilité des couples dissimilaires par laser

Sun and Ion, J. Mater. Sci. 30 (1995) 4205-4214

Laser Nd:YAG

Laser CO2

12

Que faire avec les combinaisons

« difficiles » des métaux?

Solubilité limitée

•Favoriser le développement du mélange

•Faire attention aux fissurations intergranulaires dans le ZAT (surpuissance,

soudage pulsé)

Formation des intermétalliques

•Respecter la proportion entre des matériaux, qui permet d’éviter où réduire la

formation des phases en question

•Modifier la composition de la zone du mélange en ajoutant les matériaux

intermédiaires

•Réduire le temps du développement du mélange (soudage pulsé, haute vitesse)

Chaque cas nécessite une étude individuelle!

Identification des phases

Identification de lieu de rupture/fissuration

Etudes d’optimisation, choix des matériaux intermédiaires etc..

13

Que peut offrir laser au soudage dissimilaire?

Cycle thermique rapide et local:

• déformation et contraintes résiduelles sont réduites

• ZAT réduites

• temps de vie de la zone liquide réduit et contrôlable

• longueurs de diffusion réduites

• stabilisation de phases hors équilibre

Haute stabilité du processus :

• fluctuation faible de puissance du faisceau

• position facilement contrôlable du faisceau par rapport au plan du joint

(précision varie en fonction de la performance du robot/table et en

fonction de la précision du système de visée, erreur 50-10 µm).

Possibilité de travailler avec matériaux d’apport sous formes diverses:

• feuillard

• fil

• poudre

14

Que peut offrir laser au soudage dissimilaire?

Atteindre la solidification

quasi-simultanée des zones à la

composition différente

Refroidissement très rapide (103

K/s)

Contrôle cinétique de la

sélection des phases

Stabilisation des microstructures hors équilibre

Solutions solides

sursaturées

Stabilisation des

phases non

existantes à Tamb

Les matériaux

immiscibles

forment une

« émulsion» fine

Les interfaces de

diffusion très fines

Exemple: la limitation de la diffusion du Ti dans la ZF Ti-Cu. Soudo-brasage par laser Nd:YAG

Exemple: les solutions immiscibles sursaturées observées dans une soudure cuivre-inox, réalisée par laser Nd:YAG.

These I. Tomashchuk, 2010 Stage A. Mannucci 2016

18 at .Cu

Cu -Fe

15

Particularités d’assemblage des matériaux

métalliques dissimilaires par laser

Contrôler la composition de la zone fondue

Thermique Convection Transport de masse

Développement et équilibre du capillaire

Effet de l’écart des propriétés

thermiques

Effet de l’écart des facteurs d’absorption

Développement de la zone fondue

Forces de convection

Chemins de convection

Transport de chaleur par convection

Distribution macroscopique des matériaux fondus

Dissolution vs immiscibilité

Formation des interfaces diffusives

16

Soudures Cu/inox et inox/inox réalisés avec laser Yb:YAGdans les conditions identiques, thèse Tomashchuk, 2010

Titanium-tantalum Nd:YAG laser weldThèse Malicrot, 2011

Ta Ti

• Le capillaire représente une source de chaleur volumique qui contrôle en grande partie la proportionentre les matériaux fondus.

• Un écart important en propriétés physiques peut mener au développement de l’asymétrie du capillaireet le décalage plus ou moins important par rapport au plan du joint.

• La position du capillaire devient donc différente de la position du faisceau.

Développement du capillaire entre deux matériaux métalliques

Capillaire laser peut devenir asymétrique sous certains conditions :• l’un de matériaux est fortement réfléchissant au rayonnement laser• grand écart en températures de vaporisation

L’axe du faisceau sur le plan du joint

P = 1 kWV = 1 m/min

Tache laser 200 µm

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6

Déc

alag

e d

u c

apill

aire

su

r in

ox

(µm

)

P (kW)

Present study

Tomashchuk, 2010

1 m/min, tache focale de 200 µm 17


Longueur

Largeur

Décalage du capillaire du plan de joint

capillaire

Zone fondue

inox cuivre Matériaux cuivre Inox 316LCoefficient d’absorption à 20 °C <0.03 0.3T solidus -T liquidus (K) 1357 1648-1723T vaporisation (K) 2835 3013Chaleur latente de vaporisation (kJ·mol-1) 300 340Diffusivité thermique (m2/s) 11710-6 3.810-6

Cas exemple 1 : forte différence en coefficients d’absorption

Soudage cuivre/inox 316L avec laser continu Yb:YAG ( = 1030 nm)

Tomashchuk, 2017

P = 2 kWV = 1 m/minTache laser 200 µm centrée sur le plan du joint

Effet de la variation de puissance sur la position du capillaire

Tomashchuk et al, Congres LIM, Munich, Allemagne, 2017

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5

wt

% C

u

P (kW) 18


-100

-50

0

50

100

150

0 0.5 1 1.5 2

Déc

alag

e d

u c

apill

aire

sur

ino

x (µ

m)

P (kW)Capillaire sur inox

Capillaire sur cuivre

Le capillaire se recentre à 51010 W/m²

ino

xino

x

ino

x

cuiv

re

cuiv

re

cuiv

re

Cas exemple 1 : forte différence en coefficients d’absorption


Composition moyenne de la zone fondue

cuiv

re

ino

x

Plan du joint


d

Effet du décalage du laser du plan du joint (P = 2 kW, V = 1 m/min)

19



-400

-200

0

200

400

600

-200 0 200 400 600

Déc

alag

e d

u c

apill

aire

su

r in

ox

(µm

)

Décalage du laser sur inox (µm)

43 40

10 62 1 1 0

0

10

20

30

40

50

-300 -200 -100 0 100 200 300 400

wt

Cu

Décalage du capillaire sur inox (µm)

• Le capillaire a une tendance de se décaler vers le cuivre• La quantité du cuivre dans la zone fondue dépend de la position du

capillaire:• 40 mass Cu quand le capillaire est sur Cu• 10 mass Cu quand le capillaire est partagé entre Cu et inox• Quelques mass seulement si le capillaire est situé sur inox

Composition moyenne de la zone fondue

cuiv

re

ino

x

cuiv

re

ino

x

cuiv

re

ino

x

capillaire

faisceau

Plan du joint

Evolution des pressions de vapeur saturé (pression du recul)

20



Le capillaire a une tendance de se décaler vers le cuivre si la barrière énergétique est franchie• Coefficient d’absorption du Cu augmente en fonction de la température• Cuivre à une température de vaporisation (2835 K) plus faible que l’acier (3013 K)• Si cette température est attente, la pression du vapeur monte rapidement

0.00E+00

5.00E+05

1.00E+06

1.50E+06

2.00E+06

2.50E+06

3.00E+06

2000 2500 3000 3500 4000

Pre

ssio

n d

u v

apeu

r sa

turé

(Pa

)

T (K)

Cu

Acier

Variation d’absorptivité du cuivre en fonction dela température, laser Nd:YAG

(Ruttermann, Proc. of SPIE , 2011)

0.00E+00

5.00E+08

1.00E+09

1.50E+09

2.00E+09

2.50E+09

3.00E+09

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Pre

ssio

n d

u v

apeu

r sa

turé

(P

a)

T (K)

Mg

Ti

Cu

Règle de Trouton

21


Al

Cr

Cu

Fe

Mg

Mn

Ni

Ta

TiV

Zn

Zr

Nb

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

0 2000 4000 6000 8000

Ch

aleu

r la

ten

te d

e va

po

risa

tio

n (

kJ/m

ol)

Temperature de vaporisation (K)

ΔSvap ≈ 10,5*R = 87 J.K−1 .mol−1

Mg(Tvap =1363 K)

Ti(Tvap = 3560 K)

Cu(Tvap = 2835 K)

22


Matériaux Mg AZ31 Al 5754 Quartz

Coefficient d’absorption à 20 °C 0.3 0.3 <0.05T solidus -T liquidus (K) 878-903 883-902 1830T vaporisation (K) 1380 2792 2473Chaleur latente de vap. (kJ·mol-1) 127 294 283Diffusivité thermique (m2/s) 87.910-6 98.810-6 0.8310-6

Al5754

MgAZ31

P = 2.5 kW

d = 10 ms

Laser centré sur le plan du joint

spot = 400 µm

Cas exemple 2 : forte différence en températures d’évaporation

Soudage pulsé aluminium/magnésium avec laser Nd:YAG ( = 1064 nm)

Observation par camera rapide


23


P = 2.5 kW

d = 10 ms

Laser centré sur le plan du joint

spot = 400 µm

Quartz

Magnesium

Le capillaire ne se forme pas sur quartz même dans

des conditions proches à perçage.

Donc, il est possible d’observer le capillaire.



24


+300 µm -200 µm

sur Mg AZ 31 sur Al 5754

MgAZ31

MgAZ31

MgAZ31

Al 5754

Al 5754

Al 5754



Effet du décalage du laser du plan du joint

0

200

400

600

800

0

1

2

3

4

5

6

-300 -200 -100 0 100 200 300

Larg

eur

du

cap

illai

re (

µm

)

Pro

fno

deu

rd

u c

apill

aire

(m

m)

Décalage du capillaire sur Mg AZ 31 (µm)

Penetration Width at 5754 Total widthprofondeur largeur sur Al largeur totale

• Position centrée du faisceau laser résulte en capillaire décalé vers magnésium.• Décalage du laser sur aluminium résulte en forte réduction de la taille du capillaire

25


-300

-200

-100

0

100

200

300

-300 -200 -100 0 100 200 300

Décalage du laser sur Mg AZ 31 (µm)

• Décalage du laser sur aluminium : la racine du capillaire stagne sur la plan du joint

• Décalage du laser sur magnésium: capillaire est situé 100 µm plus loin dans magnésium (il essaye de s’éloigner d’aluminium)

Décalage du capillaire sur Mg AZ 31 (µm)



1.00E+00

1.00E+08

2.00E+08

3.00E+08

4.00E+08

5.00E+08

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Pre

ssio

n d

u v

apeu

r sa

turé

(P

a)

T (K)

Mg

Al

Pression du vapeur plus grande pour le magnésium

26


D’autres cas connus

Titanium-tantalumNd:YAG laser weldThèse Malicrot, 2011

Titanium-niobium Nd:YAG laser weldTorkamany et al, Materials and Design, 2014

X-map Ta

Torkamany et al, Optics & Laser Technology, 2016

Métal T ébullition °C

Titane 3 287

Niobium 4 744

Tantale 5 458

Nd:YAG laser weld

27


D’autres cas connus

T vap max - T vap min Position du capillaire Etude

Ti-Ta 2171 Sur mat. avec T vap min Malicrot, 2011Nb-Ti 1457 Sur mat. avec T vap min Torkamany, 2016

Al-Mg 1429 Sur mat. avec T vap min Mostafa, 2016Fe-Ti 426 Partagé Tomashchuk, 2016

Cu-Fe 299 Partagé Mostafa, 2016

V-Ti 120 Partagé Tomashchuk, 2014Ni-Fe 52 Partagé Métais, 2015

Capillaire formé dans un seul matériau: différence « critique » de T vap autour de 1000°C?

28

Thèse M. Courtois, 2013

Rôle de convection dans la formation du mélange

• Convection de Marangoni

𝜎 = 𝜎0 +𝑑𝜎

𝑑𝑇⋅ (𝑇 − 𝑇𝑓)

• Cisaillement de la plume de

vapeur

𝜏 =64

8 ⋅ 𝑅𝑒𝜌𝑝𝑉𝑝

2

• Ecoulement autour du capillaire

• Flottabilité

Composition locale de la zone fondue

Proportion globale entre des

matériaux fondus

Le temps de vie de la zone fondue

Miscibilité entre des matériaux liquides

Forces de la convection

Convection dans le bain fondu laser:

29


Convection de Marangoni dans le régime conduction ( 1 m/s)

• Refusion d’une couche de Ni à la surface d'un substrat d’acier• Effet du sens de convection Marangoni sur la formation du mélange entre des

matériaux miscibles à l’état liquide

>0<0

Exemple : formation des mélanges lors de soudage laser par conduction

m

ass N

i

M<0 M>0

𝜎 = 𝜎0 +𝑑𝜎

𝑑𝑇⋅ (𝑇 − 𝑇𝑓)

𝜎 = 𝜎0 + 𝑀 ⋅ (𝑇 − 𝑇𝑓)

Flottabilité ( 10 µm/s)

Effet très faible sur la composition du bain

30


Soudage pulsé acier/nickel avec laser defocalisé Nd:YAG

P = 650 W , = 1 mm, D = 500 ms

Hu et al, Applied Surface Science, 2012

Ni acier

Distribution des éléments

31


Soudage pulsé acier/nickel avec laser defocaliséP = 650 W , = 1 mm, D = 500 ms

10 ms 30 ms

60 ms 90 ms

120 ms 500 ms

Distribution des éléments

Ecoulement laminaire

convection Marangoni

+ convection naturelle

Hu et al, AppliedSurface Science, 2012

32


10 ms 30 ms

60 ms 500 ms

Hu et al, AppliedSurface Science, 2012

Soudage pulsé acier/nickel avec laser defocaliséP = 650 W , = 1 mm, D = 500 ms

Ecoulement laminaire

convection Marangoni

+ convection naturelle

33


Soudage cuivre/nickel avec laser CO2

Chakraborty, Applied Thermal Engineering, 2009

Q = 3.5 KW , = 1 mm, V = 0.45 m/min

convection Marangoni+

convection naturelle

34


Modélisation de soudage cuivre/nickel avec laser CO2

Chakraborty, Applied Thermal Engineering, 2009

Laminaire Turbulent

• Ecoulement laminaire et turbulent k- sont comparés• Règle du mélange pour des propriétés

Laminaire VS turbulent :• Champs de température et de vitesse pratiquement identiques.• Valeurs moindres de T et de vitesse pour cas turbulent.• Approche turbulent : reproduit mieux le champ des éléments.

35


Convection de Marangoni + plume de vapeur : moteurs de convection verticale (quelque m/s)

Transport turbulent!

100 µm

Faisceau symétrique Décalage de 200 µm

Métais et al, Physics Procedia, 2013

36


Ecoulement autour du capillaire : moteur de convection horizontale

Exemple: des matériaux immiscibles formant des zones bien séparées

Soudage FE Cu-Inox ( Thèse Tomashchuk, 2010)

Geiger, Physics Procedia, 2010

37



Thèse Tomashchuk, 2010

Soudage FE Cu-Inox

-200 µm400 µm -80 µm -120 µm

Décalage du capillaire (µm)

L’effet thermoélectrique et la déviation du faisceau

38



Tomashchuk, Applied Mathematics and Computation, 2012

Soudage FE Cu-Inox

Décalage du capillaire (µm)

39



Thèse Tomashchuk, 2010

Soudage FE Cu-InoxP = 1125 W, Vs = 0,6 m/min

Soudage laser Cu-InoxP = 2 kW, Vs = 0,5 m/min

Soudage laser Cu-InoxP = 3 kW, Vs = 1 m/min

Structures périodiques pour faibles vitesses de soudage

Mélange intense pour fortes vitesses de soudage Matériaux immiscibles à l’état liquide

40


Composition hétérogène de la zone fondue

Causes possibles :

• Grand écart entre des températures de fusion, diffusivité thermique, viscosité du liquide…

• Vitesse de soudage trop rapide (les matériaux n’ont pas du temps de se mélanger)

• Matériaux fondus ne sont pas miscibles (quelques systèmes: Sn-Pb, Co-Cu, Fe-Cu)

• Zones de la convection ralentie

Généralement, la composition uniforme est visée pour les matériaux compatibles

métallurgiquement.

Pour les couples des matériaux formant des phases fragiles il est nécessaire de réduire

l’interaction aux interfaces diffusives fines.

41

Développement des interfaces diffusives

Soudage des matériaux métalliques formant des phases fragiles

• Brasage dissimilaire assisté par laser (fil)• Soudage laser avec le décalage du

faisceau sur un des matériaux

Rupture fragile dans l’interface Rupture mixte ZF/interface

Réduire la formation des phases fragiles à une interface diffusive de quelques 10 µm• Épaisseur d’interface optimale à définir pour chaque couple de matériaux• Convection influence peu la diffusion• Cycle thermique définit l’épaisseur• Difficile d’avoir l’épaisseur de l’interface uniforme sur toute la hauteur

Al-12Si

Soudage laser Nd:YAG pulséTomashchuk et al, Intermetallics, 2011

Brasage laser avec fil d’apportTomashchuk et al, J. Mater. Proc. Technol, 2017

42


Système Fe-Al

Soudage laser acier/aluminium avec le fil d’apport Zinal (30% Al)

Thèse Mathieu, 2005

Al

acie

r

43


Soudage laser acier/aluminium avec le fil d’apport Zinal (30% Al)

10 µm

10 µm

Thèse Mathieu, 2005

3 µm

10 µm

-Al5Fe2

-Al3Fe

44


Soudage laser titane/aluminium avec le fil d’apport Al-12Si

Tomashchuk et al, COMSOL conference 2015

• Adhérence à partir de la longueur de diffusion de 3 µm.

• Calcul de la longueur de diffusion à la base du champ thermique.

45



Tomashchuk et al, J. Mater. Proc. Technol, 2017

Si

Type 1 : 25 µm Type 2 : 10 µm

Type 3 : 3 µm Type 4 : <1 µm

• Si se concentre à l’interface avec titane

• Formation des phases Ti-Si et Al-Ti-Si moins dures que Al3Ti

46



Tomashchuk et al, J. Mater. Proc. Technol, 2017

Rm = 193 MPa Rm= 151 MPa Rm = 30 MPa

47

Soudage par transparence est la configuration le plus répandue:•Matériau supérieur absorbe peu de rayonnement (transparent)•Matériau inferieur absorbe bien et transmet la chaleur au matériau transparent•Pression externe permet de diminuer le jeu entre les matériaux

Soudage de plastiques dissimilaires

48

Utilisation des différents lasers pour le soudage de plastiques


Laser (nm) Absorption par le plastique pure

Adjuvantnécessaire

Diode 808 transparente Oui

940 transparente Oui


1550 dans le volume No


Fibre 1050 transparente Oui





Nd:YAG 1064 transparente Oui

CO2 10,6 µm à la surface No

Puissances << 1 kW, défocalisationRisque de bruler le materiau!

Adjuvants absorbants :• Noir de carbone• Colorants organiques

LumogenClearweld

• Pigments inorganiquesLaserflairFabulase

49

Simple contact à l’interface Adjuvant-absorbant à l’interface

•Lasers : Nd:YAG, diode, fibre•Adjuvant-absorbant dans le plastiqueinferieur (noir de carbone, colorantsorganiques, pigments inorganiques)

•Adjuvant-absorbant est ajouté à l’interfaceentre des plaques seulement: mélange solvant(acétone ou alcool) + absorbant ( organique ouinorganique)


50

Soudage contour•Avancement progressif de la zone d’interaction le long du contourprévu•Paramètres :•Puissance du laser

•Focalisation/taille de la tache laser•Vitesse du soudage•Pression appliquée lors du bridage

•Le processus peut être caractérisé par l’énergie linéique :El=P/V


51

Soudage quasi-sumultané•Le laser fait plusieurs tours rapides du contour défini (20-40 tours)•La vitesse du laser et le nombre des tours doivent être adaptés en fonctionde la température qu’on veut créer dans le joint.•Cette méthode permet d’éviter l’inhomogénéité de la géométrie de lajonction au contour fermé qui correspond au début et à la fin du processus.•Energie linéique : E = Pt/l ( P – puissance du laser, t – temps d’interaction, l– la longueur du contour.•La pression appliqué permet de créer la jonction simultanément dans toutle contour et de remplir les jeux entre les plaques.


52

•La tache laser est remplacée par un contour qui correspond à la forme dela jonction. Utilisation des systèmes optiques sophistiquées.

•L’interaction se poursuit simultanémentdans toutes les points du cordon•Lasers restent fixes•Pas des problèmes dus aucommencement et la fin du soudage•Pas des problèmes de jeu entre les tôles

Un système des lasers àdiodes aux têtes flexibles: ilsforment le contour souhaitéqui correspond à la forme ducordon.

Soudage simultané


53


54

La création de l’interface soudée:


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•Echange des macromolécules lors du contact des deux flux sous pression constante•Fusion conduit à l’augmentation du volume et au déplacement de la matière fondue•Etirement des macromolécules qui sont parallèles à l’interface du contact


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•Lors de la solidification les macromolécules étirées cherchent à se relaxer(déplacement des segments et réarrangement).

•Le mouvement des liquides à ladensité/viscosité différentes :création des micro-vaguelettes àl’interface.


57


58

Conditions de la soudabilité des plastiques dissimilaires par laser résident dans laproximité de:•la structure chimique (miscible ou pas? hydrophobe + hydrophobe, polaire+polaireetc.);•les propriétés thermo-physiques proches, notamment, le plage entre la températurede fusion et la température de destruction thermique (ou vaporisation);•l’énergie surfacique ( mouillabilité, tension superficielle);•Propriétés rhéologiques ( viscosité).

Le soudage est impossible à partir de :

2

2,1

2

1

2

1

(le rapport entre lesénergies surfaciques)

(le rapport entre lescoefficients d’expansionthermique)


59


60


Klein, Laser welding of plastics, 2012

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Conclusions

Laser : outil performant pour assemblage des matériaux de la nature différente

Matériaux métalliques :• assemblage bord à bord• hautes puissances• convection intense• Compatibilité varie en fonction

• du système métallique• des écarts de propriétés

physiques• Optimiser la position du laser (et du

capillaire!) par rapport au plan dujoint

• Utiliser les matériaux d’apport pouréviter la formation des phasesfragiles

• Etablir la relation entre lacomposition de la zone fondue etses propriétés mécaniques

Matériaux plastiques :• assemblage par transparence• puissances faibles• Convection lente• Compatibilité définie par

• Compatibilité chimique (polarité,énergie de surface)

• Influence des adjuvants• Coexistence en phase liquide• Ecarts en coefficient de dilatation

Chaque cas nécessite une étude individuelle!

Merci de votre attention!

UMR 5209 CNRS-Université de Bourgogne

[email protected] 85 73 11 23

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Iryna TOMASHCHUK€¦ · Le diagramme de Suutala appliqué au procédé laser : diagramme PACARY...

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