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Auteur(s)
-
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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Comparaison faisceau d’électrons/laser
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3. Soudage par laser
3.1 Principe
L’outil de ce procédé est un rayon laser puissant généré dans une cavité comportant un milieu actif amplificateur et se propageant dans l’atmosphère ou dans un guide jusqu’à une optique de focalisation permettant de l’utiliser.
L’onde est caractérisée par sa puissance et sa fréquence. Cette dernière est déterminée par l’énergie des photons émis par les atomes ou les molécules du milieu actif.
Remarque : un photon, sans masse ni charge électrique, n’est pas une particule mais une quantité d’énergie d’expression :
avec :
- ω :
- énergie du photon
- h :
- constante de Plank (6,625 × 10–34 J · s)
- ν :
- fréquence de l’onde liée au photon.
Dans un rayon, les photons sont organisés en onde électromagnétique caractérisée par sa composante électrique E (x, y, z, t ) en tous points de l’espace occupé (E est nulle ailleurs). Au point de focalisation, E atteint des valeurs de l’ordre de 1012 V · cm–1, équivalentes aux champs électriques des liaisons électroniques dans les matériaux, et est capable d’y être absorbée.
La puissance, exprimée en watts, est donnée par l’intégrale, étendue à la section du rayon laser, du carré du champ électrique unitaire (E 2), appelé intensité lumineuse en un point. Elle résulte du nombre de photons émis par unité de temps, c’est-à-dire de la densité des molécules ou des atomes excités dans la cavité (énergie stockée par cm3) et du volume impliqué. C’est une donnée technologique liée à l’espace occupé par l’émission et à certains compromis de construction du laser.
Les diamètres des rayons laser utilisés en soudage, compris selon la puissance entre quelques millimètres et 2 à 3 cm, permettent de les focaliser très fortement, mais à courte distance et...
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