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Auteur(s)
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Roland CAZES : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité - ex-Directeur des Recherches, Société Sciaky
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Les faisceaux à haute énergie se caractérisent par la propriété de concentrer des puissances de plusieurs dizaines de kilowatts sur des surfaces de quelques dixièmes à quelques millimètres carrés, développant ainsi des puissances spécifiques de 106 W/cm2, voire plus, bien supérieures à celles mises en œuvre dans les autres procédés de soudage.
On classe dans cette catégorie les faisceaux d’électrons et les rayons laser que l’on utilise en soudage sous les noms de soudage par faisceau d’électrons (en abrégé : par FE) ou par bombardement électronique (BE) et de soudage (par ou au) laser.
Les premières applications de fusion sous vide par faisceau d’électrons datent du début du siècle, mais il faut attendre 1956 pour que, simultanément, J. Stohr du CEA en France et K. Steigerwald de Zeiss en Allemagne décrivent des applications industrielles de soudage et de perçage utilisant ce moyen.
Il est remarquable de noter que, cette même année 1956, apparaît, aux États‐Unis, le premier laser à rubis, développant une énergie suffisante pour fondre du métal.
Pour des raisons technologiques, le soudage par faisceau d’électrons a fait le premier l’objet d’un développement rapide et plusieurs milliers de machines sont en service actuellement dans le monde. Deux décennies seront, par contre, nécessaires pour voir apparaître les premières applications de soudage par laser, résultant des progrès moins rapides des lasers de puissance multikilowatt susceptibles d’emploi industriel dans le travail des métaux.
Il y a lieu de noter ici que les lasers ont très vite connu quelques applications de microsoudage et aussi de découpage de tous matériaux et en particulier de tôles métalliques minces.
Se reporter également à l’article Procédés de soudage- Principes généraux et critères de choix pour les différents procédés de soudage.
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Soudage par faisceau d’électrons
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1. Faisceaux à haute énergie
1.1 Capillaire
Les puissances spécifiques développées par les faisceaux à haute énergie donnent lieu, lors d’un impact sur la matière, à un phénomène de pénétration caractéristique dû à la formation de ce que l’on appelle généralement un capillaire ou keyhole (trou de serrure, en anglais).
On explique simplement sa formation de la façon suivante.
La puissance du faisceau se développe quasi intégralement à son point d’impact sur une cible et donne lieu à une sublimation instantanée de la matière. Dans le cas d’un matériau métallique, une tension de vapeur élevée en résulte, refoulant vers les bords un film de métal en fusion et donnant par suite naissance, en surface, à une petite cavité que le faisceau emprunte pour progresser. De proche en proche se forme un puits étroit qui se propage dans la matière. Ce puits, de diamètre à peine supérieur à celui du faisceau, est physiquement occupé par un plasma de vapeurs métalliques et ses parois sont tapissées d’un film de métal en fusion maintenu par capillarité (figure 1).
La puissance du faisceau s’affaiblit au fur et à mesure de sa progression dans le capillaire, au point que le phénomène finit par se stabiliser : la limite de pénétration est atteinte.
On peut produire un capillaire à l’interface de deux pièces placées bout à bout au contact. Lorsque le faisceau se déplace le long du plan de joint, le métal en fusion est rejeté vers l’arrière et referme le capillaire en formant un cordon de soudure.
Les dimensions axiales et transversales du capillaire régissent la morphologie du cordon, lui conférant un rapport largeur/profondeur de 1 à 10 en général, voire plus. Ce rapport dépend de nombreux facteurs liés au matériau (propriétés physiques à hautes températures) ainsi qu’au faisceau à son point d’impact (puissance, diamètre, profil).
Le pouvoir pénétrant du faisceau peut dépasser l’épaisseur à souder : le capillaire débouche à l’arrière de la cible sans que son équilibre soit perturbé. On obtient alors des soudures dites débouchantes à bords parallèles qui forment, en matière de soudage, l’idéal d’une liaison bord à bord.
En conclusion, le phénomène...
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