Le procédé de soudage hybride laser/MIG-MAG

Les procédés de soudage MIG-MAG et laser ont été présentés dans les parties

précédentes. Très récemment, l’association des deux procédés de soudage a présenté un

intérêt auprès des industriels. En effet, le soudage hybride permet de cumuler les avantages

des deux procédés. Le soudage hybride laser/MIG-MAG est ainsi présenté dans cette partie.

2.5.1 Définition et principe du soudage hybride laser/MIG-MAG

L’étude du soudage hybride a débuté à la fin des années 1970, à l’Impérial Collège de

Londres où un procédé de soudage hybride alliant laser et TIG a été mis en place et testé. Il

s’est avéré que ce procédé présentait de nombreux avantages par rapport aux autres procédés

connus, mais ce procédé ne fut pas directement utilisé en raison de l’impossibilité de l’utiliser

directement à une échelle industrielle. Il fallut attendre que le laser soit plus appliqué dans le

milieu industriel pour que le soudage hybride soit sujet à des études plus approfondies. Ce

procédé permet de profiter des avantages de chaque procédé seul. En effet, il est possible par

exemple de souder des pièces rapidement en une seule passe grâce aux propriétés du laser tout

en s’affranchissant des contraintes de jeux entre les pièces du fait du procédé MIG. Des

soudures profondes tout en ayant des cordons de soudures larges (Figure 28) peuvent être

réalisées, ce qui n’est pas possible en prenant chaque procédé seul.

Figure 28 : Cordons de soudure : (a) laser seul, (b) MAG (c) hybride (MAG/laser) MIG

(U

0

=1 m/min, V

f

=5 m/min, 200 A, 17,6 V, P

laser

= 4 kW, distance

fil/faisceau

= 2 mm, acier S355)

[LE GUEN 2010]

Le soudage hybride consiste à combiner dans une zone d'élaboration commune un

faisceau laser avec un arc électrique conventionnel (TIG ou MIG/MAG) (Figure 29). Les

avantages apportés par ce procédé sont multiples : outre les avantages de chaque procédé qu’il

utilise, il permet d’obtenir une meilleure pénétration ainsi qu’une plus grande vitesse. Ceci est

dû à l’interaction de l’arc et du laser dans le même bain. Par ailleurs, le bain obtenu est plus

grand que pour les autres méthodes, ce qui permet au gaz entraîné dans le bain de fusion de

s’échapper, et ainsi réduire le taux de porosité après solidification.

Figure 29 : Schéma de principe de fonctionnement du soudage hybride laser/MIG-MAG

[WOUTERS 2005]

Les gains obtenus en procédé hybride proviennent essentiellement de la synergie des

procédés associés. L'énergie de l'arc associée à celle du laser accroît la stabilité du procédé, sa

productivité et la qualité des cordons réalisés. Dans le cas du couplage d’un laser avec un arc

MIG/MAG, il est possible, par exemple, d'envisager des vitesses de soudage plus importantes

(de 2 à 10 fois supérieures aux vitesses de soudage à l’arc seul selon les épaisseurs

concernées). Jusqu'à présent, l’influence des apports énergétiques a été la plus étudiée : si

l'apport provient principalement de l'arc, la largeur endroit du cordon sera importante, à

l'inverse, si l'apport principal est lié au laser, c'est la pénétration qui sera favorisée.

Les différents paramètres opératoires spécifiques au procédé de soudage hybride sont

la position du faisceau laser par rapport à l’arc et la distance entre l’arc et le faisceau laser.

Quand le laser est devant l’arc, on soude dans une configuration dite « poussée» (Figure 29).

Ainsi, quand le laser est derrière l’arc, la configuration de soudage est dite « tirée» (Figure

29). Bien évidemment, les paramètres opératoires du soudage MIG-MAG seul et laser seul

doivent être pris en compte. On voit donc que la compréhension du procédé de soudage

hybride est très complexe au vu du nombre important de paramètres opératoires.

2.5.2 Etudes expérimentales du soudage hybride laser/MIG-MAG

Le soudage laser hybride nécessite d’ajuster un grand nombre de paramètres pour

obtenir un procédé optimal. Ainsi, on trouve dans la littérature un certain nombre de travaux

présentant l’influence de ces différents paramètres opératoires. La plupart de ces travaux

consistent à étudier l’influence de ces paramètres sur la forme et taille du cordon de soudure.

Il a ainsi été démontré que la largeur du cordon de soudure était principalement influencée par

la puissance de l’arc [EL RAYES 2004, CAMPANA 2007, GAO 2008]. En effet, quand la

puissance d’arc augmente la largeur du cordon augmente aussi. La pénétration est plutôt

contrôlée par la puissance du laser [EL RAYES 2004, CAMPANA 2007, GAO 2008]. Plus

précisément, El Rayes a réalisé une série d’essais de soudage hybride laser CO

2

/MIG-MAG

sur de l’acier austénitique inoxydable 316L afin d’étudier l’influence des paramètres

opératoires sur la géométrie du cordon [EL RAYES 2004]. D’après ces travaux, le mode de

transfert de métal a une grande influence sur la largeur et la pénétration du cordon de soudure.

Les vapeurs métalliques induites par le laser modifient de façon significative les

caractéristiques du transfert de métal. Campana a effectué ses essais de soudage hybride sur

de l’acier inoxydable AISI 304 de 8 mm d'épaisseur avec un laser CO

2

[CAMPANA 2007].

L’objectif de ces travaux est de déterminer la position optimale des deux sources ainsi que

l'importance du mode de transfert de métal d'apport sur la stabilité de l'ensemble du processus.

Gao a lui étudié plus particulièrement l’effet des différents paramètres opératoires du soudage

hybride laser CO

2

/MIG-MAG sur la microstructure d’un acier doux [GAO 2008].

La distance entre les deux sources est donc un paramètre important: la pénétration

augmente si les deux sources se rapprochent. Selon Campana, la distance optimale se situerait

dans la gamme de 2 à 4 mm [CAMPANA 2007]. Tandis que Song conseille une distance de 1

mm [SONG 2006], El Rayes préconise une distance inférieure à 7 mm entre les 2 sources et

Casalino une distance inférieure à 5 mm [EL RAYES 2004, CASALINO 2007]. Ces

différences sur la distance optimale peuvent s’expliquer par les diverses conditions

opératoires utilisées. Song a utilisé un procédé de soudage hybride laser Nd :YAG/

MIG-MAG avec des tôles d’alliages de magnésium AZ31B et d’épaisseur allant de 1,6 à 2,5 mm

[SONG 2006]. Dans les travaux de Casalino, le matériau étudié pour l’étude est l’alliage 5005

composé d’aluminium et de magnésium de 3 mm d’épaisseur et les essais sont réalisés avec

un laser CO

₂

[CASALINO 2007]. Enfin, Wouters explique que placer la source MIG en

amont du faisceau laser permet le préchauffage de la zone de la pièce où le faisceau laser va

passer, et donc permet à ce dernier de pénétrer plus en profondeur [WOUTERS 2005]. Placer

à l’inverse la source MIG en aval du laser permet principalement d’élargir le bain fondu.

Wouters a surtout étudié l’influence du jeu et de la géométrie de l’assemblage (bord à bord, en

angle) sur la géométrie du cordon et les problèmes de qualité du cordon de soudure. En effet,

il met en évidence que des jeux très petits (moins de 0,5 mm) ou grands (plus de 2 mm)

doivent être évités dans le cas du soudage à pénétration partielle car cela introduit une

élévation des contraintes dans le cordon de soudure. Il préconise aussi l’utilisation d’un

chanfrein afin d’améliorer la qualité du cordon de soudure. Pour ces travaux, un laser

Nd :YAG a été utilisé pour les essais de soudage hybride sur un acier doux. D’après ces

nombreux travaux, il semble difficile de conclure sur une distance optimale entre l’arc et le

laser. En effet, cette distance caractéristique dépend de nombreux paramètres tel que le type

de laser utilisé (Nd :YAG ou CO

2

), le matériau utilisé ou encore l’épaisseur de la tôle. Ainsi,

une étude spécifique sur ce point a été réalisée au cours de ces travaux de thèse.

La position du point focal joue également un rôle. La position optimale dépendrait du

mode de transfert. Selon Campana, la position optimale du point focal serait de 4 à 6 mm en

dessous de la surface de la pièce en mode court-circuit, et plutôt de 6 à 8 mm en mode spray

car dans ce régime, le bain serait plus stable [CAMPANA 2007]. Néanmoins, Song donne une

position optimale entre 0,8 et -0,8 mm par rapport à la surface de la pièce à souder et Tani une

distance de focalisation de 7 mm dans la pièce [SONG 2006, TANI 2007].

L’angle de la torche, plus rarement testé, influe également sur la pénétration. Un angle

de 45° serait préférable à 60° d’après les travaux de Casalino [CASALINO 2007]. Tani a

réalisé une étude spécifique sur l’influence du gaz de protection et du débit de gaz sur les

caractéristiques dimensionnelles du cordon de soudure. Ces expériences ont été réalisées sur

des plaques d’acier inoxydable AISI 304 de 8 et 10 mm d’épaisseur [TANI 2007]. Il

préconise un pourcentage d’hélium entre 30 et 40 % pour assurer des conditions de soudage

plus stables avec un débit entre 10 et 30 litres/min. Gao a aussi étudié ce paramètre, il semble

important d’avoir un gaz de protection adéquat afin d’éviter les instabilités du bain de fusion

[GAO 2008].

Toutes ces études sont basées essentiellement sur l’analyse des macrographies

post-mortem et ne permettent donc pas une meilleure compréhension des phénomènes physiques et

leur interaction lors du soudage. Des observations par caméra rapide ont encore très peu été

utilisées du fait des difficultés de mise au point dues aux problèmes de réflexion du laser et de

l’arc. On peut citer les travaux de Fennander qui présente un système utilisant une caméra

rapide pour déterminer la fréquence de l’arc et la direction des gouttes au cours du procédé de

soudage hybride [FENNANDER 2007]. Néanmoins, cet article ne donne qu’une description

de la technique. Une analyse approfondie des différents phénomènes induits lors du procédé

de soudage hybride n’a pas été donnée. Huang décrit une méthode permettant de supprimer

les interférences dues au laser et à l’arc quand on utilise une caméra infrarouge [HUANG

2006]. En effet, il préconise de placer la caméra infrarouge perpendiculairement au sens de

soudage contrairement aux expériences traditionnelles au cours desquelles la caméra est située

dans l’axe du soudage. Des thermocouples sont disposés sur la plaque à souder afin

d’étalonner les mesures obtenues avec la caméra infrarouge. Il présente seulement des

températures au loin du cordon de soudure (T

max

= 350°C).

Figure 30 : Schématisation de l’expérience de mesure par caméra infrarouge [MATTEI

2009]

Dernièrement, Matteï a présenté des champs de températures obtenus grâce à une

caméra infrarouge [MATTEI 2009]. Deux tôles d’aluminium ont été soudées en configuration

« T » à l’aide d’un procédé hybride laser Nd :YAG / MIG. La mesure de température est

effectuée sur l’arrière de la plaque verticale qui a été préalablement revêtue de graphite, ainsi

l’émissivité peut être mesurée facilement (Figure 30). Les profils de températures sont

obtenus uniquement pour deux points préalablement choisis. La température maximale

obtenue est d’environ 260°C. Ces mesures sont utilisées pour valider la modélisation

numérique du procédé de soudage hybride laser-MIG et ne permettent pas pour le moment

d’appréhender la compréhension du comportement du bain de fusion.

Du point de vue du détachement de la goutte, Ono a cherché à déterminer la fréquence

de détachement des gouttes à partir de la mesure de la tension et de ses fluctuations [ONO

2002]. Il a enregistré un temps de cycle de 10 ms en hybride alors qu’il serait de 50 à 100 ms

en MIG-MAG seul. Son explication serait basée sur la concentration de l’arc due à la

présence du laser. En effet, une énergie plus concentrée entrainerait une température d’arc

plus élevée ce qui faciliterait le détachement des gouttes.

2.5.3 Modélisation numérique du soudage hybride laser/MIG-MAG

Concernant la modélisation du soudage hybride laser/MIG-MAG, on trouve encore

très peu de travaux publiés. Ce processus est assez complexe et une compréhension complète

satisfaisante n’est pas encore disponible. Chaque processus à lui seul n'est déjà pas

complètement bien maîtrisé et bien compris. En effet, il est nécessaire de coupler différents

termes sources représentant les énergies générées de la part des procédés MIG et laser. Il faut

également tenir compte de l’apport de matière dû au MIG qui interagit avec le bain liquide

ainsi que la présence du capillaire de vapeur. Le développement d'une modélisation

numérique de ce processus hybride qui prendrait en compte les principaux processus

physiques impliqués serait un outil très utile pour estimer les paramètres du cordon de

soudure final pour un ensemble de configurations de soudage.

Nous pouvons citer le travail effectué par Wouters, qui a développé un modèle

semi-analytique pour calculer les champs thermiques et la géométrie du bain de fusion obtenus lors

du procédé de soudage hybride laser/MIG [WOUTERS 2005].

Reutzel a proposé un modèle thermique tridimensionnel en utilisant un double

ellipsoïde pour la source de chaleur volumique représentant à la fois l’énergie du laser et celle

de l’arc [REUTZEL 2005]. Cette première approche permet de reproduire les cordons de

soudure obtenus expérimentalement, néanmoins, la forme du bourrelet due à l’apport de

matière semble être une donnée. Liang a développé un modèle thermique en utilisant une

source surfacique pour le MIG et volumique pour le laser [LIANG 2009]. Une approche

similaire à celle de Reutzel a été utilisée récemment par Zhang [ZHANG 2010]. Le champ

thermique est calculé directement sur la géométrie finale du bombé qui est supposée connue.

Une telle approche ne prend pas en considération le dépôt d'énergie de l'arc et du laser qui se

fait en réalité sur une surface déformée par les effets de pression.

Le modèle le plus complet à ce jour semble être celui proposé par Zhou et Tsai, qui

modélisent l’interaction des gouttelettes avec le bain de fusion [ZHOU 2008]. La méthode

VOF est utilisée pour suivre le déplacement des surfaces libres. Les équations de

Navier-Stokes, de la chaleur et conservation des espèces sont résolues pour le métal liquide. Pour la

surface du capillaire, ils prennent en compte la tension superficielle et la pression de recul.

Les effets de réflexion multiples sur les parois du capillaire en fonction du temps sont

également pris en compte pour le calcul du flux. Ce dernier modèle permet de montrer

l’influence de la taille des gouttes, qui entraine notamment l’augmentation des turbulences.

Ce modèle reste cependant limité à un cas 2D axisymétrique, non représentatif des

configurations réelles de soudage. L'extension de ce modèle à une configuration

tridimensionnelle a été proposée par Cho qui a étudié les modes d'écoulement complexes du

bain de fusion dans le cas du soudage hybride laser/MIG-MAG. Cependant, aucune

comparaison avec des données expérimentales n’a été faite [CHO 2009].

Dans le document Etude du procédé de soudage hybride laser/MAG : Caractérisation de la géométrie et de l'hydrodynamique du bain de fusion et développement d'un modèle 3D thermique (Page 48-53)