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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 laser
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2. Soudage par faisceau d’électrons
2.1 Principe
L’outil de ce procédé est le faisceau d’électrons généré dans un canon qui lui confère sa puissance et permet de le focaliser. Les électrons, dotés de masse et de charge électrique, proviennent d’un matériau émetteur (formant cathode), dans lequel ils sont naturellement présents et libres, et dont ils sont extraits par effet thermoélectrique sous vide (le matériau est porté à haute température sous vide poussé) et attraction électrique. L’attraction électrique les accélère et leur confère une énergie cinétique donnée par les lois simples de la mécanique.
Calcul de la puissance d’un faisceau : un électron de masse m (9,107 × 10–31 kg) et de charge e (1,602 × 10–19 C) accéléré par une tension U (volts) atteint dans le vide une vitesse v donnée par :
Son énergie cinétique est alors de :
Pour un faisceau transportant N électrons/s, caractérisé par son intensité électrique eN = I, on obtient :
C’est la puissance totale du faisceau.
Grâce à une lentille magnétique, cette puissance peut être concentrée sur un cercle de 0,25 à 1 mm de diamètre.
Le faisceau d’électrons émerge du canon selon son axe et continue de se propager en l’absence de toute particule ou de champ parasite qui dévieraient les électrons de leur trajectoire par collision ou par influence, et donnerait lieu à diffusion. Les électrons, engendrés sous vide, doivent donc impérativement se déplacer également sous vide : une enceinte étanche et son groupe de pompage forment la base de tout équipement de soudage.
La contrainte technologique du vide devient...
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