INFOS DE SOUDAGE

TECHNOLOGIE

Le soudage par faisceau d’électronsest un procédé de soudage par fusionoù la chaleur est générée par l’impactd’électrons émis et accélérés par uncanon à électrons. L’émission, l’accé-lération et le trajet des électrons se faitsous vide.

EmissionLe canon à électrons fournit lesélectrons parce que le matériau de lacathode (tungstène, tantale ou LaB6)est échauffé. La cathode ou le filamentest le seul élément d’usure du canon.Lors d’une surchauffe du filament,d’une position erronée ou d’unefatigue thermique, l’émissivité ducanon diminue. L’émissivité doit donctoujours être surveillée de telle sortequ’en cas de nécessité, le filamentpuisse être remplacé.

AccélérationLes électrons sont accélérés par unchamp électrique entre la cathode etl’anode. La géométrie spécifique duWehnelt (ou ‘gridcup’ sur la figure 1)et l’anode donnent aux électrons unecertaine direction et les dirigent versun seul point (cross-over). Le matériaude l’anode dépend du constructeur.

FocalisationA la sortie de l’anode, le faisceau esttrès divergent. Celui-ci est focalisé pardes bobines de focalisation qui jouentle rôle de lentilles magnétiques. Laconvergence des électrons peut êtreajustée en faisant varier l’intensité du

courant de focalisation (zoommagnétique). Ainsi le point defocalisation sur la surface de la piècepeut être réglé, juste en dessous oujuste au-dessus.

Impact sur le matériauL’énergie cinétique élevée desélectrons assure, lors de l’impact sur lapièce, la transformation en chaleur(énergie thermique). Grâce à ladensité d’énergie élevée, le métalfond localement et s’évaporepartiellement ensuite. Apparaît alorsun trou (keyhole) qui porte le faisceaud’électrons de plus en plus loin dansle métal. Ceci est comparable ausoudage laser qui est également unprocédé ‘keyhole’. Le faisceaud’électrons peut ainsi finalementatteindre le fond. En déplaçant lefaisceau ou la pièce, une soudurepeut être réalisée. La plupart dutemps, le canon à électrons est fixe oupeut se déplacer linéairement dans unseul sens. Pour les pièces, il existe destables XY, des manipulateurs rotatifs,… de telle sorte que la pièce peutêtre placée dans toutes les positionspossibles pour être soudée.

Le videDans l’air, le faisceau d’électronsperd de son énergie car la vitesse desélectrons diminue à cause descollisions avec les atomes de l’air.C’est pourquoi le soudage parfaisceau d’électrons se fait depréférence sous vide bien qu’il existeégalement des appareillages quipeuvent fonctionner sous un vide

moindre ou dans les conditionsatmosphériques. Le soudage sous videa pour avantage important qu’il n’y apas d’oxydation ou d’interaction avecl’azote ou l’hydrogène. Ceci est idéalpour le soudage de métaux s’oxydantrapidement tels que le tungstène, letitane, le molybdène et le zirconium.De plus, le risque de fissuration parl’hydrogène ou à froid est faible. Il estpossible de souder sous vide élevé(10-3 à 10-6 mbar); ceci donne lapureté maximale, une grandeprécision et le rapport hauteur/largeurde la soudure le plus élevé. Sous videmoyen/faible (10-1 à 10-3 mbar), onpeut également travailler dans unespace pur mais le faisceau est plusdispersé. On l’utilise pour des appli-cations de précision moindre tellesque le soudage de l’aluminium ou desapplications dans l’industrie automo-bile. Le soudage est égalementpossible sans vide à condition que ladistance entre le canon à électrons etla pièce soit suffisamment faible.

PARAMETRES DE SOUDAGELes paramètres les plus importants: • Puissance: la tension (énergie

cinétique, vitesse des électrons) etl’intensité de soudage (quantitéd’électrons). Quand le courant desoudage augmente (ou donc quandla quantité d’électrons qui atteint lapièce par seconde, augmente), lapénétration augmente également. Lapénétration augmente égalementquand la différence de potentielaugmente. Les valeurs typiques pour

la haute tension vont de 30 à 150 kV et pour le courant desoudage de 1mA à 1A.

• Vitesse de soudage: vitesse relativedu faisceau par rapport à la pièce(m/min). Quand la vitesse desoudage augmente, la pénétrationdiminue.

• Focalisation du faisceau. Quand lefoyer du faisceau est au-dessus dubain, on a une pénétration peuprofonde. Quand le foyer dufaisceau est en dessous du bain, ona un bain en forme de V.

• Déflexion et vibration: forme, ampli-tude, fréquence (Hz), direction.

• Pression de travail de l'enceinte etdu canon à électrons.

PREPARATION/DEFAUTSLe soudage par faisceau d’électronsimpose des exigences élevées à lapréparation du joint de soudage.Toute impureté ou graisse doit êtreenlevée. Sinon le temps de créationdu vide est beaucoup trop long. Deplus, les pièces doivent être démagné-tisées. Chaque source de magnétisme(par ex. un outil comme un tournevisresté dans l’enceinte) cause unedéviation du faisceau d’électrons. Lafigure 2a montre un exemple d’unesoudure déviée par magnétisme. Lespièces à assembler sont amenées àfusion sans métal d’apport. Les piècesdoivent donc être très bien adaptéesà la soudure. De plus, il faut travaillerd’une façon très précise de telle sorteque la soudure ne soit pas ratée enraison d’un mince faisceau

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TECHNIQUE, APPAREILLAGE, PARAMETRESDE SOUDAGE, DEFAUTS, APPLICATIONS,

AVANTAGES ET INCONVENIENTSDans le cadre des projets FEDER (Fonds Européen deDéveloppement Régional), IBS (Institut belge de lasoudure) et le CEWAC (Centre d’études wallon del’assemblage et du contrôle des matériaux) vontacquérir une machine de soudage par faisceaud’électrons. Cet achat s’inscrit dans un projet plusvaste, MICROSOUD, ayant pour objectif la créationd’une plate-forme consacrée au microsoudage et auxcontrôles qualité associés et mettant à disposition desentreprises de nombreuses technologies de microsou-dage. Cet article traite de la technique de soudagepar faisceau d’électrons: équipement, paramètres desoudage, défauts de soudure, applications, avanta-ges et inconvénients.

Par dr. ir. N. Van Caenegem – IBS; Ing. PetraSvarova – CEWAC (Traduction: M.C. Ritzen - IBS)

SOUDAGE PAR FAISCEAU D'ELECTRONS

Figure 1: Présentation de l'appareillage

INFOS DE SOUDAGEd’électrons. La figure 2b donne unexemple d’un mauvais alignement dufaisceau par rapport au joint soudé.On peut choisir de travailler en pleinepénétration ou avec une pénétrationpartielle. Les deux ont leurs avantageset leurs inconvénients. Une pleinepénétration donne un aspect moinsesthétique: la soudure peut avoir unesurépaisseur, présenter un effondre-ment ou des morsures. L’avantage estqu’il y a moins de risques d’avoir desporosités. Dans le cas où on n’a pasde pleine pénétration, on peut avoirdu gaz qui reste emprisonné à laracine de la soudure (figure 2c). Avecune pénétration partielle, uneprofondeur irrégulière de pénétrationpeut apparaître, ce qui peutprovoquer parfois une mauvaisesoudure. Ce type de défaut, présentéà la figure 2d, s’appelle ‘spikes’ (ou'doigts de gant'). Un joint sans pleinepénétration a toujours un bel aspectextérieur. Comme on n’utilise pas demétal d’apport et en raison du grandrapport hauteur/largeur, on a un plusgrand risque d’avoir des fissuresverticales ou des fissures à chaud(figure 2e). Le faisceau d’électronspermet également de réaliser dessoudures dans des endroits diffici-lement accessibles (figure 3). Lefaisceau très mince peut être dirigé,au travers d’un trou ou d’une fente,vers l’emplacement de la soudure. Parex., un anneau peut être soudé enune seule passe du côté supérieur etdu côté inférieur tandis qu’avec unautre procédé de soudage, il seradifficilement ou pas accessible ducôté inférieur.

COMPARAISON AVEC LE SOUDAGE AU LASERLes deux techniques présentent denombreuses similitudes. Cependant, ily a également quelques différences.Le faisceau laser est constitué d’un fluxde photons qui se propulsent à lavitesse de la lumière tandis que lefaisceau d’électrons est constituéd’électrons ayant une vitesse liée à laracine de la différence de potentiel.L’énergie d’un photon est de l’ordrede 0,1 à 2,0 eV tandis que l’énergied’un électron est de 30 à 150 keV.Le rayon laser peut être focalisé àl’aide de lentilles optiques et demiroirs; le faisceau d’électrons àl’aide de moyens électrostatiques etmagnétiques. Comme les deuxtechniques peuvent fortementconcentrer le faisceau, la densitéd’énergie est très grande. Un faisceaulaser peut se déplacer dans l’air surune distance respectable sans perdretrop d’énergie. Par contre, le faisceaud’électrons perd très rapidement sonénergie à cause des collisions desatomes dans l’air (c’est pourquoil’utilisation du vide est souventnécessaire). Un faisceau laser peutêtre reflété au travers d’une surfacemétallique lisse; de ce fait, le transfertd’énergie vers la pièce estcontrecarré. Le faisceau d’électronsn’a pas cet inconvénient, mais peut

être cependant dévié par chaquesource magnétique aux environs dufaisceau. Le rendement énergétiquedu faisceau d’électrons est très élevé:95 % en comparaison avec les 5 à10% pour le laser. Quand un faisceaud’électrons touche une surface, desrayons X sont produits de sorte quel’appareil de soudage doit être bienprotégé. Le faisceau laser ne produitpas de rayons X. Quant au risque delésions oculaires ou de brûlures parl’intensité élevée de lumière, laprudence est certainement de mise.

APPLICATIONSLa technologie du faisceau d’électronsest connue depuis longtemps (1949)– au début uniquement en laboratoire– et a connu une percée industrielleen raison du grand avantage depouvoir souder de fortes épaisseurs enune seule passe. La figure 4 compareune soudure bout à bout EBW,réalisée en une seule passe, avec unjoint en X soudé en MIG en 94passes, sur une épaisseur de 125 mmd’alliage d’aluminium. Le vide offredes avantages pour le soudage duzirconium et du titane appliqués dansl’industrie aéronautique et spatiale. Lesecteur de l’automobile s’est égale-ment intéressé à cette technique: lesdéformations minimales sont unavantage pour le soudage des rouesdentées d’une boîte de vitesse, dansle cas d’une production en grandesséries. Des solutions sont développéespour réduire le temps ‘perdu’ à mettrel’enceinte sous vide. Ainsi, il existedes systèmes de rotation qui permet-tent de préparer complètement unepièce tandis qu’une autre pièce estsoudée. Ont suivi également desapplications de précision dans ledomaine médical : pacemakers,prothèses, … Des éléments électroni-ques sont également soudés avec lefaisceau d’électrons en raison de saprécision élevée et du faible apportcalorifique, ce qui signifie quel’électronique sensible peut être bienprotégée. A quelques mm de lasoudure, on ne remarque aucuneinfluence de la chaleur. L’applicationdu faisceau d’électrons est doncdouble. D’une part, production engrandes séries avec une reproducti-bilité élevée, d’autre part, applica-tions de très haute précision.

ASPECTS ECONOMIQUESLe soudage par faisceau d’électrons apour avantage une grande qualité desoudures et des vitesses de productionélevées. Si ces deux arguments sontimportants, le soudage par faisceaud’électrons peut être attractif du pointde vue économique. Par contre, il fauttenir compte de l’investissement élevéen appareillage et de la nécessitéd’une préparation très soignée despièces à souder. L’investissement danscette technique peut donc être justifiépour le soudage de grandes séries oule soudage de produits ayant unehaute valeur ajoutée.

AVANTAGES• Pénétration importante– soudure

en une seule passe• Peu d’apport calorifique, zone

affectée thermiquement très étroite• Déformations minimales• Vide: pas d’impuretés (Ti, Zr, Ta,

W, Mo ...)• Des soudures difficilement

accessibles• Vitesse de soudage élevée• Soudure bout à bout sans métal

d’apport, matériau tant épais quemince

• Assemblages hétérogènes• Métaux à haute conductibilité

thermique sont bien soudables• Environnement: pas de fumées,

pas d’émission de poussières,protection complète contre lerayonnement dangereux

Figure 2: Défauts de soudage les plus courants ; (a) déviation par magnétisme (b)manque d’alignement (c) porosités (d) spikes (doigts de gant) (e) fissuration à chaud

Figure 4: Alliage d’aluminium de 125 mm d’épaisseur. (a) soudurepar faisceau d’électrons ayant un rapport H/L de 44/1, 54 kV,0.5A, 1 passe, 40 cm/min (b) soudure MIG, 94 passes, 1cm/min

Figure 3: Soudures difficilementaccessibles et même non accessibles

INCONVENIENTS• Appareillage onéreux• Préparation précise et soignée• Temps pour faire le vide• Les dimensions de l’enceinte sous vide peuvent être une entrave pour de

grandes pièces (il existe bien des enceintes de 700 m³)• Sensible au magnétisme• Matériaux magnétiques en permanence non soudables• Pas de métal d’apport et le rapport H/L augmentent le risque de fissuration

à chaud• Distance limitée dans le non vide

Rayon d'électrons

Marquage pour le positionnement de rayon