Soudage laser des composites thermoplastiques

Matériaux composites

Les composites sont des matériaux hétérogènes. On appelle maintenant de façon courante matériaux composites des arrangements de fibres continues ou tricotés d’un matériau résistant (le renfort) qui sont noyées dans une matrice dont la résistance mécanique est beaucoup plus faible. Cette association leur confère à l’échelle macroscopique un ensemble de propriétés physiques, que chacun des constituants pris isolément ne possède pas. Ils ont fait leur apparition dans l'industrie il y a une cinquantaine d'années. Ils sont constitués de fibres (majoritairement des fibres de verre ou de carbone) et d'une matrice de polymère. Les fibres confèrent des propriétés mécaniques intéressantes (rigidité, résistance…) tandis que le polymère permet la transmission des efforts inter-fibres et la mise en forme. Il en existe deux grandes classes :

• Les matériaux composites à matrices thermodurcissables qui à l’issue de leur élaboration, sont des solides relativement rigides qui ne fondent pas et ne se ramollissent pas quand nous élevons leur température. Ils sont très répandus dans l'industrie automobile et nautique. Leurs matrices sont en polymères thermodurcissables.
• Les matériaux composites à matrices thermoplastiques, qui sont des solides qui se ramollissement à chaud et peuvent être déformés. Ils sont en plein essor, dans l'industrie aéronautique en particulier. La possibilité de fusion de la matrice ouvre de nombreuses perspectives de mise en œuvre pour les composites thermoplastiques.

Soudage

Le soudage est une technique d’assemblage par fusion de la matière faisant intervenir un processus d’adhésion par inter diffusion moléculaire. C’est une technique largement utilisée dans l’industrie des thermoplastiques grâce à laquelle la tenue mécanique de la soudure peut approcher celle des matériaux initiaux.

Le processus de soudage de deux polymères peut se décomposer en cinq étapes :

• fusion des surfaces à souder ;
• « mouillage » des surfaces ;
• diffusion et enchevêtrement des macromolécules ;
• solidification des masses fondues.

L’étape de soudage entre deux plis de pré-imprégné est une étape déterminante pour le procédé. En effet, les propriétés mécaniques de la pièce finale dépendent fortement de la qualité des interfaces successivement formées. Pour optimiser le procédé de soudage laser ou infrarouge, les différents mécanismes mis en jeu lors de la formation de l’interface doivent être compris et maîtrisés.

Soudage par faisceau laser

En 1916, Albert Einstein définit les lois d’émission de photons (lumière) par stimulation (pompage optique) et émet le principe de l’émission stimulée qui ouvre la porte à une nouvelle technologie : le Laser « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » soit en français l’amplification de lumière par émission stimulée de radiations. Le faisceau laser est une onde électromagnétique caractérisée par sa longueur d’onde, sa puissance ainsi que par sa section.

Le procédé de soudage par rayonnement infrarouge consiste à faire un apport de chaleur (source radiative) au niveau de la zone que l'on souhaite assembler, afin de provoquer la fonte des matériaux, et permettre l'inter pénétration des macromolécules. Dans un premier temps des rayons vont frapper la surface, puis se propager au sein du matériau, jusqu'à la surface de contact. En même temps les surfaces à souder sont mises sous presse pour consolidation.