E-mobility : le beam shaping pour améliorer le soudage laser du cuivre et de l’aluminium

24 novembre 2022
Étiquettes
Accroche
De par ses nombreux avantages le procédé de soudage laser s’intègre au processus de fabrication de véhicules électriques. A ce titre il est pertinent d’évaluer la soudabilité de certains éléments du véhicule avec ce procédé. Dans ce cadre, l’Institut Maupertuis a effectué des essais de soudage laser sur du cuivre et de l’aluminium. L’objectif était de comparer le faisceau classique dit « monospot » avec d’autres formes de faisceau. Les résultats obtenus suggèrent que la mise en forme « double core » stabilise la soudure, ce qui limite les défauts générés par l’opération de soudage. Cela présente un intérêt pour l’e-mobility dans la mesure où la réalisation de soudures stables et étanches avec le procédé laser permettrait de produire des pièces de véhicules électriques avec des cadences importantes.
Image
E-mobility : le beam shaping pour améliorer le soudage laser du cuivre et de l’aluminium
Entête

Contexte de l'étude

Le soudage laser pour l’e-mobility

Dans un contexte d’augmentation de la production de véhicules électriques, les nombreux avantages de la technologie du soudage laser (productivité, géométrie des cordons, qualité des soudures) suscitent l’intérêt des industriels. Que ce soit pour la production de groupes motopropulseurs, de batteries, de bac à batterie ou de piles à combustible, ce procédé, propice à la production de masse, fait partie des solutions envisagées. 

Le soudage laser du cuivre et de l’aluminium

Les propriétés physiques du cuivre et de l’aluminium peuvent générer des difficultés lors du soudage laser. En effet la forte réflectivité de ces matériaux aux longueurs d’onde émises par les lasers limite le couplage entre le faisceau et la matière. Par ailleurs la fluidité du bain de fusion, la dynamique du keyhole, ou encore la présence d’impuretés peuvent être à l’origine de défauts dont les principaux sont les porosités et les projections. Pour y remédier, des solutions innovantes sont mises en place : développement de lasers bleus ou verts, wobbling, technologies de mise en forme de faisceau (beam shaping), etc.

 

Forme de faisceau « double core »

La forme « double core » est constituée d’un pic central de puissance enveloppé d’un anneau. La fonction principale de l’anneau consiste à stabiliser le keyhole et limiter les projections.

Comparaison forme de faisceau monospot et double core

 

Intérêt du beam shaping sur le cuivre

Les échantillons sont des plats en cuivre ETP d’épaisseur 10mm. Des lignes de fusion sont réalisées en laser autogène pour une vitesse d’avance de 6m/min. L’objectif est d’obtenir un cordon stable avec une pénétration minimale de 2mm.

Plusieurs formes de faisceau sont comparées :
- Faisceau monospot
- Faisceau « double core » généré par une tête de soudage
- Faisceau « double core » généré par une fibre optique

Beam shaping cuivre

 

Pour chaque forme de faisceau plusieurs essais sont réalisés en faisant varier les paramètres tels que la puissance laser, la position du point focal par rapport à la surface des échantillons ou la répartition de puissance entre le coeur et l’anneau du « double core ». Les meilleurs résultats pour chaque configuration sont donnés dans le tableau ci-dessous :

Comparaison monospot et double core

 

Dans cette configuration les cordons les plus stables sont obtenus avec la mise en forme de faisceau « double core ».

 

Intérêt du beam shaping sur l’aluminium

Les échantillons sont une plaque en aluminium 5xxx d’épaisseur 3,5mm et un profilé en aluminium 6xxx d’épaisseur 6mm. Des soudures par transparence sont réalisées en laser autogène pour une vitesse d’avance de 4m/min. L’objectif est d’obtenir un cordon stable avec une pénétration minimale de 5mm.

Plusieurs formes de faisceau sont comparées :
- Faisceau monospot
- Faisceau donut
- Faisceau « double core » généré par une fibre optique
- Faisceau « double core » généré par une tête de soudage

Beam shaping aluminium

 

Pour chaque forme de faisceau plusieurs essais sont réalisés en faisant varier les paramètres tels que la puissance laser, la position du point focal par rapport à la surface des échantillons ou la répartition de puissance entre le coeur et l’anneau du « double core ». Les meilleurs résultats pour chaque configuration sont donnés dans le tableau ci-dessous :

Comparaison monospot et double core

 

Dans cette configuration les cordons les plus stables sont obtenus avec la mise en forme de faisceau « double core ».

 

Ces résultats mettent en évidence l’intérêt du beam shaping pour le soudage laser du cuivre et de l’aluminium.

 

N. Gaillard, R. Cornée, D. Lemaitre