Avec 95 800 emplois directs générant un chiffre d’affaires de 15,7 milliards de dollars au Québec, le secteur de la fabrication métallique est l’un des piliers de l’industrie manufacturière. Or, sa compétitivité doit être rapidement améliorée pour assurer sa survie dans un contexte de forte concurrence internationale.  Pour plusieurs entreprises, la solution passe par le laser.  Le projet d’ICC Laser leur donnera un accès rapide aux innovations nécessaires à une haute performance sur leurs marchés respectifs.

Reconnaissant la nécessité d’accélérer le développement de connaissance sur le soudage laser ainsi que son transfert vers les entreprises, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) a octroyé son appui au projet d’ICC Laser.  Ce soutien financier permettra de réaliser, de concert avec des partenaires industriels, des développements importants sur des sujets à fort potentiel manufacturier, soit le soudage hybride laser/GMAW de plaques épaisses, la stabilité du procédé de soudage laser et le développement d’une méthode d’inspection en ligne des soudures laser.

Seules les entreprises partenaires ont accès aux informations relatives au projet.  Ainsi, les onglets « hybride », « autogène », « inspection », « autres » et « communications » donnent accès à des sections qui leurs sont réservées.

Si vous désirez plus d’information sur l’ICC Laser,
contactez Lorraine Blais au (418) 856-4350 #105
ou à lblais@cstpq.com.

Soudage hybride laser/GMAW de plaques épaisses

Des joints sur plaques épaisses soudés en une passe sans préparation

Le soudage hybride laser-arc est une variante du soudage laser particulièrement performant pour joindre des pièces métalliques de fortes épaisseurs.  Ce procédé combine un arc électrique et un faisceau laser dans un même bain de fusion à l’aide, par exemple, d’une soudeuse semi-automatique GMAW et d’une tête de soudage laser.  Le fait de pouvoir joindre des plaques épaisses sans préparation et en une seule passe justifie l’intérêt grandissant de l’industrie mondiale pour cette technologie.  Les premières applications industrielles du soudage hybride portaient, entre autres, sur la fabrication de navires, de structures et de composantes automobiles.

Enfin, puisque les pièces ont reçu moins de chaleur, elles ont moins de contraintes résiduelles et restent plus près des dimensions théoriques puisqu’elles sont moins déformées.  Il est donc souvent possible d’éliminer les opérations de relaxation des contraintes et de redressage, ce qui constitue une économie appréciable.

Le projet

Le soudage hybride laser/GMAW comporte un nombre élevé de paramètres ayant une incidence directe sur les résultats.  En effet, on doit contrôler les paramètres laser (puissance, diamètre de tache focale, profondeur de champ, position du focus…), les paramètres GMAW (tension, ampérage, vitesse de fil, longueur terminale, fréquence...), ainsi que les paramètres « d’interaction » (distance fil-laser, angle entre la torche et le faisceau…).  On se retrouve donc avec un si grand nombre de variables qu’il est très difficile d’obtenir une vue d’ensemble du procédé et des résultats probables. C’est pourquoi nous préconisons l’utilisation de techniques de Design of Experiment (DOE) dérivées des méthodes de type Taguchi.  Ces outils statistiques sont spécifiquement conçus pour l’atteinte d’un résultat donné en un minimum d’essais même en présence d’interaction entre plusieurs paramètres, ce qui constitue à notre sens le défi majeur du soudage hybride.

Le volet « Soudage hybride » du projet ICC Lasera pour objectif la production de joints soudés hybrides laser/GMAW pleine pénétration sur plaques de ¼’’ à ½’’ en bout-à-bout et en T.  Ces joints devront être effectués sans machinage de préparation et idéalement présenter des propriétés mécaniques comparables à celles du matériel de base ou, à tout le moins, des propriétés nettement supérieures à celles de soudures à l’arc. Les alliages sur lesquels ces joints seront réalisés dépendront des besoins des partenaires.

Stabilité du soudage laser autogène

Lorsqu’une entreprise choisit le soudage laser comme procédé de production, elle le fait souvent pour bénéficier de l’exceptionnelle qualité qu’il offre. À ce niveau, le contrôle de la pénétration du cordon de soudure dans les pièces est critique. En effet, c’est principalement celle-ci qui gouverne la déformation des pièces ainsi que la solidité des assemblages.

Si le soudage laser autogène (sans apport de matériel) donne généralement des résultats hautement répétitifs, il arrive que, sans raison apparente, la pénétration devienne nettement différente de ce à quoi on s’attendait. Plusieurs facteurs peuvent causer ces variations dans la pénétration de la soudure, amenant une altération non souhaitable de la qualité des assemblages. Pour arriver à contrôler ou à éliminer celles-ci, il faudra donc, dans un premier temps, cibler les facteurs ayant un impact important sur la pénétration des soudures par le biais d’expérimentations et de mesures. 

Les activités reliées à ce thème viseront à obtenir, dans le cadre d’applications industrielles ciblées, des soudures laser autogènes dont la pénétration est stable à ± 8 %.La cible à atteindre sera confirmée de concert avec les partenaires industriels.

Méthode d’inspection en ligne des soudures laser

Les soudures laser réalisées en mode capillaire (keyhole) sont caractérisées par leur profil étroit et profond.  Comme la pointe d’un iceberg, la partie visible de ces soudures ne représente qu’une faible proportion de celles-ci et, par surcroît, elle ne comprend pas la section efficace (interface entre les pièces). En effet, la section efficace de telles soudures se situe dans l’épaisseur du matériel et n’est donc pas visible.  C’est pourquoi il est d’usage de procéder à des inspections et à des essais de type destructif afin de déterminer les propriétés des joints soudés (pénétration, intégrité, etc.). En contexte de production, il est préférable d’inspecter les soudures en ligne afin de limiter la production de pièces défectueuses et ce, de façon non destructive. Les systèmes d’inspection en ligne actuellement disponibles se classent en deux catégories.

D’une part, certains systèmes permettent de surveiller des caractéristiques données lors de la formation du bain de fusion : dimensions de celui-ci, proportion du faisceau laser qui est réfléchie, température du plasma. On espère ainsi déceler les anomalies pouvant mener à la production de soudures imparfaites. Toutefois, plusieurs défauts échappent à ces appareils. Des fissurations et des porosités peuvent se former par l’action de contaminants et ce, sans qu’aucune déviation majeure dans les paramètres ne soit signalée. De plus, puisque l’utilisateur décide des niveaux minimum et maximum acceptables pour chaque paramètre mesuré et les réajuste selon ses désirs, on peut se questionner sur la fiabilité réelle d’une telle méthode de contrôle.

Les autres systèmes disponibles réalisent une inspection visuelle en trois dimensions de la surface des soudures réalisées. On en mesure ainsi la largeur, les caniveaux ainsi que les fissures et les porosités de surface. L’inspection visuelle peut donner certaines indications quant à la qualité d’une soudure, mais elle ne peut toutefois suffire à son acceptation puisqu’elle ne communique aucune information sur la profondeur de pénétration et sur la présence de fissures ou de porosités à l’interface des pièces à joindre.

Le volet « Inspection des soudures laser » du projet ICC Laser a pour objectif  de mettre au point une technique qui permettra de connaître les propriétés des soudures en profondeur, avec une précision suffisante à la détection de très petits défauts (de l’ordre du dixième de millimètre).