Simulation du soudage laser sur cuivre : influence des hautes vitesses et fortes puissances sur la stabilité et l'efficacité du procédé

The demand for laser welding of materials with high thermal and electrical conductivity, especially copper and its alloys, increases due to its key role in electrical applications. Laser welding operations on these materials is a challenging process due to the relatively high thermal conductivity at room temperature (390 W/m/K) as well as a high optical reflectivity at classical laser wavelength used in industry (YAG). This configuration is well known to induce hydrodynamical instabilities and promotes the generation of defects such as porosities or spatters during the process. These defects are detrimental to both the mechanical strength of the resulting weld bead and its electrical conductivity, the main reason for using copper. The use of a high-speed, high-power laser was found to limit these instabilities. Although a positive influence of this configuration has already been observed for equivalent materials such as aluminum, a physical interpretation has yet to be established. To overcome this difficulty, a collaboration between IFSW (Stuttgart) and the PIMM laboratory (Paris) has been set up around this theme. IFSW's experimental expertise, particularly in in-situ X-radiography, will be used to generate observables (capillary geometries, absorbance calculations, etc.) which will be used to validate a numerical model developed at PIMM, using COMSOL Multiphysics® software. Welding speeds and powers of up to 75 m/min and 24 kW respectively, for beam diameters ranging from 200 µm to 680 µm, will be studied. Validation of the numerical model will provide a better understanding of the physical phenomena involved in the process, and will enable us to propose operating strategies to improve process stability and efficiency.L'application du soudage laser sur des matériaux tels que le cuivre et ses alliages connaît des contraintes physiques importantes, d’une part, à cause de la conductivité thermique relativement élevée (390 W/m/K) de ces matériaux, d’autre part, du fait de leur faible absorptivité du faisceau laser aux longueurs d’ondes généralement employées dans l’industrie (YAG). Cette configuration est connue pour générer des instabilités hydrodynamiques et favoriser la formation de défauts comme des porosités ou des éjections de matière lors du procédé. Ses défauts sont préjudiciables tant pour la résistance mécanique du cordon de soudure résultant que pour sa conductivité électrique, intérêt principal de l'utilisation du cuivre. Il a été observé que l’utilisation d’un laser à haute vitesse et forte puissance de soudage permettait de limiter ces instabilités. Bien qu'une influence positive de cette configuration ait déjà été observée pour des matériaux équivalents tel que l'aluminium, une interprétation physique reste encore à être établie. Pour lever cette difficulté, une collaboration entre l’IFSW (Stuttgart) et le laboratoire PIMM (Paris) a été créée autour de cette thématique. L’expertise expérimentale de l’IFSW, notamment en radiographie X in situ, permettra de générer des observables (géométries de capillaires, calcul d’absorbance, etc.) qui serviront à valider un modèle numérique développé au PIMM, à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics®. Des vitesses et puissances de soudage allant jusqu'à 75 m/min et 24 kW respectivement, pour des diamètres de faisceau compris entre 200 µm et 680 µm, seront étudiées. La validation du modèle numérique permettra d'une part d'avoir une meilleure compréhension des phénomènes physiques en jeu lors du procédé, et d'autre part de proposé des stratégies opératoires permettant d'améliorer la stabilité et l'efficacité du procédé