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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
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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
Assemblage dissimilaire
des matériaux métalliques
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
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Assemblage dissimilaire
des matériaux métalliques
• 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
Soudabilité des aciers dissimilaires
8
Assemblage dissimilaire
des matériaux métalliques
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
Soudabilité des aciers dissimilaires
9
Assemblage dissimilaire
des matériaux métalliques
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
Assemblage dissimilaire
des matériaux métalliques
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
Assemblage dissimilaire
des matériaux métalliques
Evaluation de la soudabilité des couples dissimilaires par laser
Sun and Ion, J. Mater. Sci. 30 (1995) 4205-4214
Laser Nd:YAG
Laser CO2
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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..
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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
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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
Développement du capillaire entre deux matériaux métalliques
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
Développement du capillaire entre deux matériaux métalliques
-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
Soudage cuivre/inox 316L avec laser continu Yb:YAG ( = 1030 nm)
Composition moyenne de la zone fondue
cuiv
re
ino
x
Plan du joint
Tomashchuk et al, Congres LIM, Munich, Allemagne, 2017
d
Effet du décalage du laser du plan du joint (P = 2 kW, V = 1 m/min)
19
Développement du capillaire entre deux matériaux métalliques
Soudage cuivre/inox 316L avec laser continu Yb:YAG ( = 1030 nm)
-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
Développement du capillaire entre deux matériaux métalliques
Soudage cuivre/inox 316L avec laser continu Yb:YAG ( = 1030 nm)
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
Développement du capillaire entre deux matériaux métalliques
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)
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Développement du capillaire entre deux matériaux métalliques
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
Tomashchuk et al, Congres LIM, Munich, Allemagne, 2017
23
Développement du capillaire entre deux matériaux métalliques
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.
Cas exemple 2 : forte différence en températures d’évaporation
Soudage pulsé aluminium/magnésium avec laser Nd:YAG ( = 1064 nm)
24
Développement du capillaire entre deux matériaux métalliques
+300 µm -200 µm
sur Mg AZ 31 sur Al 5754
MgAZ31
MgAZ31
MgAZ31
Al 5754
Al 5754
Al 5754
Cas exemple 2 : forte différence en températures d’évaporation
Soudage pulsé aluminium/magnésium avec laser Nd:YAG ( = 1064 nm)
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
Développement du capillaire entre deux matériaux métalliques
-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)
Cas exemple 2 : forte différence en températures d’évaporation
Soudage pulsé aluminium/magnésium avec laser Nd:YAG ( = 1064 nm)
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
Développement du capillaire entre deux matériaux métalliques
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
Développement du capillaire entre deux matériaux métalliques
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
Rôle de convection dans la formation du mélange
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
Rôle de convection dans la formation du mélange
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
Rôle de convection dans la formation du mélange
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
Rôle de convection dans la formation du mélange
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
Rôle de convection dans la formation du mélange
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
Rôle de convection dans la formation du mélange
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
Rôle de convection dans la formation du mélange
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
Rôle de convection dans la formation du mélange
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
Rôle de convection dans la formation du mélange
Ecoulement autour du capillaire : moteur de convection horizontale
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
Rôle de convection dans la formation du mélange
Ecoulement autour du capillaire : moteur de convection horizontale
Tomashchuk, Applied Mathematics and Computation, 2012
Soudage FE Cu-Inox
Décalage du capillaire (µm)
39
Rôle de convection dans la formation du mélange
Ecoulement autour du capillaire : moteur de convection horizontale
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
Rôle de convection dans la formation du mélange
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
Développement des interfaces diffusives
Système Fe-Al
Soudage laser acier/aluminium avec le fil d’apport Zinal (30% Al)
Thèse Mathieu, 2005
Al
acie
r
43
Développement des interfaces diffusives
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
Développement des interfaces diffusives
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
Développement des interfaces diffusives
Soudage laser titane/aluminium avec le fil d’apport Al-12Si
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
Développement des interfaces diffusives
Soudage laser titane/aluminium avec le fil d’apport Al-12Si
Tomashchuk et al, J. Mater. Proc. Technol, 2017
Rm = 193 MPa Rm= 151 MPa Rm = 30 MPa
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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
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Utilisation des différents lasers pour le soudage de plastiques
Soudage de plastiques dissimilaires
Laser (nm) Absorption par le plastique pure
Adjuvantnécessaire
Diode 808 transparente Oui
940 transparente Oui
980 transparente Oui
1550 dans le volume No
1940 dans le volume No
Fibre 1050 transparente Oui
1070 transparente Oui
1090 transparente Oui
1550 dans le volume No
2000 dans le volume No
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
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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)
Soudage de plastiques dissimilaires
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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
Soudage de plastiques dissimilaires
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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.
Soudage de plastiques dissimilaires
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•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
Soudage de plastiques dissimilaires
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Soudage de plastiques dissimilaires
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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
Soudage de plastiques dissimilaires
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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.
Soudage de plastiques dissimilaires
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Soudage de plastiques dissimilaires
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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)
Soudage de plastiques dissimilaires
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Soudage de plastiques dissimilaires
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Soudage de plastiques dissimilaires
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
iryna.tomashchuk@u-bourgogne.fr03 85 73 11 23