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Stable ou instable, telle est la question
Alors que dans le soudage dit par conduction thermique, seule la surface du matériau est fondue, dans le soudage par pénétration profonde, le faisceau laser pénètre rapidement et profondément dans le matériau et produit un mince trou de forage rempli de vapeur métallique, appelé capillaire de vapeur ou trou de serrure (keyhole welding). Si le capillaire de vapeur devient trop profond, la pression de vapeur du métal diminue, tandis que la tension de surface du métal en fusion augmente. Le capillaire de vapeur devient alors instable et peut éventuellement s'effondrer et créer un pore dans le cordon de soudure - un défaut indésirable dans le matériau. Afin de produire des soudures sans défaut, il est donc essentiel de détecter le moment où le capillaire de vapeur atteint ou dépasse le seuil d'instabilité. Jusqu'à présent, les méthodes optiques mises en œuvre ne permettaient guère que de regarder l'orifice supérieur du capillaire de vapeur.
Preuve par radiographie à rayons X au synchrotron à Grenoble
Grâce à une série d'expériences menée à l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) à Grenoble, les chercheurs de l'Empa ont récemment démontré la fiabilité de leur méthode de surveillance. À l'aide de la radiographie rapide, ils ont pu suivre en temps réel l'évolution du capillaire de vapeur produite par irradiation laser dans une plaque d'aluminium. Le processus, qui prend moins d'un centième de seconde, a été enregistré avec une caméra à grande vitesse.
Résultat : les différents modes du processus de soudage ont pu être correctement identifiés avec une certitude dépassant les 90 %. Initialement, le faisceau laser frappe le métal donnant lieu au mode de soudage par conduction thermique - seule la surface fond. Puis un capillaire de vapeur se forme, qui finit par "vaciller" et devenir instable. Parfois, le capillaire de vapeur éjecte un métal li-quide, comme lors d'une éruption volcanique. Si le capillaire de vapeur s'effondre de manière in-contrôlée, un pore se forme. La nouvelle technologie de l'Empa permet d'identifier tous ces modes en temps réel.
Contrôle de la qualité dans la «fabrication d'additive»
Le procédé de contrôle développé à l'Empa convient non seulement pour le soudage par laser, mais aussi pour le contrôle de la qualité des pièces métalliques imprimées en 3D. Dans le procédé par lit de poudre - l'une des méthodes les plus courantes utilisées dans l'impression 3D pour les métaux - un faisceau laser traverse une couche de poudre métallique et les soude ensemble. Si des pores inacceptables se forment, le laser pourrait être dirigé une seconde fois vers la zone défectueuse pour les éliminer. Toutefois, cela ne peut être réalisé qu'à l'aide d'une surveillance en temps réel, car les pores qui se sont formés doivent être éliminés immédiatement avant d'être recouverts par d'autres couches de poudre métallique.
«Un avantage de notre méthode de surveillance est que les capteurs acoustiques ou optiques utilisés, peu coûteux et robustes pourraient facilement être intégrés dans des installations industrielles existantes», explique Kilian Wasmer, qui a coordonné le projet. Son collègue Sergey Shevchik, qui a développé l'IA pour l'évaluation des signaux, est satisfait de la vitesse de calcul élevée pour un coût matériel raisonnable. «Nous utilisons des processeurs graphiques qui peuvent calculer plusieurs tâches simultanément. On trouve également de tels processeurs dans les consoles de jeux modernes et ils sont peu coûteux. Les progrès techniques rapides de la Playstation and Co. ont donc beaucoup aidé notre travail.»