Radiographie aux rayons X et écoute pour garantir la qualité

Le soudage par laser est un procédé que l'on rencontre dans l'assemblage des métaux ainsi que celui des matériaux plastiques. Extrêmement précis et rapide, il s'est particulièrement établi dans la production automatisée comme dans l'industrie automobile, car un laser fonctionne aussi pratiquement sans usure. Toutefois, jusqu'à présent, la qualité d'un cordon de soudure ne pouvait être documentée qu'après coup, soit par des analyses aux rayons X, des méthodes magnétiques ou par le sciage d'échantillons individuels provenant de la production. Le contrôle en temps réel de la qualité des cordons de soudure offre un avantage évident.

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. 

L'équipe de chercheurs de l'Empa dirigée par Kilian Wasmer a maintenant réussi à détecter avec précision le moment d'instabilité du soudage par laser à pénétration profonde. Pour ce faire, ils recourent à un capteur acoustique peu coûteux et mesurent également la réflexion du faisceau laser sur la surface métallique. Les données combinées sont analysées en 70 millisecondes à l'aide de l'intelligence artificielle (IA). Cela permet de s'assurer en temps réel de la qualité du processus de soudage par laser.

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.

Les chercheurs ont même réussi à créer délibérément des pores dans le cordon de soudure et à les supprimer par une seconde impulsion du laser. La formation d'un pore a pu être détectée avec 87 % de certitude, et son élimination avec 73 %. Allier la détection et la suppression des défauts est extrêmement intéressant pour les applications de soudure par laser. Jusqu'à présent, les pores d'un cordon de soudure ne pouvaient être détectés que dans la pièce soudée finie. Grâce à la technologie de l'Empa, la genèse et la position d'un pore sont déjà révélées pendant le processus ; le post-traitement au laser peut donc être lancé immédiatement. La qualité du processus de soudage est ainsi sensiblement améliorée.

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.»