A Study on Defect Monitoring in Stainless Steel Laser Welding Processes Using a Multi-Sensor System

Dans le monde des véhicules électriques modernes, la batterie est le cœur, mais le système de refroidissement est le système circulatoire qui l'empêche de surchauffer. Ces systèmes reposent sur de fines parois métalliques qui doivent être assemblées parfaitement pour éviter les fuites et garantir la sécurité. Pendant des années, les ingénieurs ont utilisé l'aluminium pour ces pièces car il est léger, mais l'aluminium peut avoir du mal lorsque les températures deviennent extrêmes, comme lors d'un événement d'emballement thermique où une batterie surchauffe dangereusement. Pour résoudre ce problème, les fabricants se tournent vers un type spécifique d'acier inoxydable, connu sous le nom de SUS304L, qui peut résister à une chaleur plus élevée et offre une plus grande résistance structurelle. Cependant, l'assemblage de cet acier nécessite un processus de précision à haute énergie appelé soudage laser. Comme le laser se déplace très rapidement et transporte énormément d'énergie, il peut facilement créer des défauts cachés comme de minuscules poches d'air ou des interstices le long de la soudure si les conditions ne sont pas parfaites. Ces défauts sont dangereux car ils peuvent entraîner des fuites ou une défaillance structurelle, pourtant ils sont souvent invisibles à l'œil nu une fois la soudure terminée.

Pour détecter ces défauts avant qu'ils ne causent de problèmes, une équipe de chercheurs de l'Institut de technologie industrielle de Corée et de partenaires industriels s'est donné pour mission de construire une façon plus intelligente de surveiller le processus de soudage en temps réel. Ils se sont concentrés sur un nouveau type de laser, un laser à mode d'anneau ajustable (Adjustable Ring Mode), qui peut façonner son faisceau d'énergie pour créer un bain de métal en fusion plus stable. Au lieu de s'appuyer sur un seul outil pour surveiller la soudure, ils ont créé un système multi-capteurs qui agit comme une équipe d'observateurs, chacun scrutant un indice physique différent. Un capteur surveillait les éclats de lumière dans les spectres ultraviolet et infrarouge, qui révèlent comment le plasma surchauffé et le métal en fusion se comportent. Un autre capteur, une caméra thermique à haute vitesse, cartographiait la distribution de la chaleur autour de la soudure. En combinant ces différentes vues, l'équipe visait à distinguer une soudure parfaite d'une soudure en train de développer un défaut, tout en maintenant le mouvement du laser.

Les chercheurs ont testé leur système en soudant des feuilles d'acier inoxydable sous diverses conditions, créant délibérément trois types de défauts courants : la porosité, qui sont de minuscules trous piégés à l'intérieur du métal ; l'entaille (undercut), où le bord de la soudure fond trop ; et la non-pénétration, où la soudure ne parvient pas assez profondément pour joindre la couche inférieure. Ils ont comparé les données des capteurs aux images de rayons X et aux coupes transversales physiques du métal pour voir exactement ce que les capteurs percevaient. Dans des conditions de soudage normales et parfaites, les capteurs montraient un rythme calme et régulier. Le signal de la lumière infrarouge restait dans une plage prévisible, et le signal ultraviolet demeurait plat et stable. Cet état stationnaire servait de base de référence, le signal « tout va bien » qui indiquait aux chercheurs que le bain de fusion se comportait comme prévu.

Lorsque les chercheurs introduisaient des défauts, les capteurs commençaient à « crier » de différentes manières, selon le problème. Lorsque la porosité survenait, le capteur ultraviolet était le premier à réagir. Le signal, qui était habituellement stable, commençait à chuter et à présenter des pics erratiques. Cela se produisait parce que la formation de poches d'air déstabilise le plasma, le gaz ionisé qui se forme au-dessus du métal en fusion, provoquant des scintillements de la lumière ultraviolette. En revanche, lorsqu'un défaut d'entaille apparaissait, le capteur infrarouge prenait la tête. Le signal thermique présentait des pics irréguliers et tranchants qui indiquaient que le métal en fusion circulait de manière inégale sur les bords de la soudure. Les chercheurs ont découvert que si la lumière ultraviolette était excellente pour repérer les poches d'air, le signal de chaleur infrarouge était le meilleur indicateur pour les défauts de bordure.

L'équipe a également découvert que la manière dont ils observaient la chaleur importait tout autant que l'objet de leur observation. Ils ont testé deux méthodes d'utilisation de la caméra thermique. Une méthode, appelée analyse de l'aire totale, surveillait toute la longueur du cordon de soudure pour voir l'historique thermique global. Bien qu'utile pour une vue d'ensemble, cette méthode était facilement perturbée par les projections de métal chaud, appelées éclaboussures (spatter), qui créaient de faux pics dans les données. La seconde méthode, l'analyse de l'aire locale, maintenait la caméra focalisée étroitement sur le point laser et le bain de fusion immédiat. Cette approche fournissait une lecture beaucoup plus stable et fiable de la chaleur là où la soudure se déroulait réellement. Lorsque les chercheurs ont testé une condition où la puissance du laser était trop faible pour pénétrer complètement le métal, l'analyse de l'aire locale montrait clairement un changement de réponse thermique, tandis que la vue de l'aire totale était moins distincte. Cela a confirmé que garder un œil attentif et constant sur la zone d'interaction était le moyen le plus efficace pour détecter les défauts profonds comme une pénétration insuffisante.

En combinant ces informations, les chercheurs ont établi un nouvel ensemble de règles pour surveiller la qualité de la soudure. Ils ont constaté qu'aucun capteur unique ne pouvait raconter toute l'histoire ; au contraire, une soudure parfaite nécessitait un signal infrarouge stable, un signal ultraviolet régulier et un motif de chaleur locale constant. Si le signal ultraviolet devenait incontrôlable, cela signifiait probablement que des poches d'air se formaient. Si le signal infrarouge présentait des pics irréguliers, les bords fondaient trop. Si le signal infrarouge fluctuait largement alors que le motif de chaleur locale changeait, la soudure n'était probablement pas assez profonde. Cette approche multi-capteurs a prouvé qu'en écoutant les différentes « voix » du processus de soudage — la lumière et la chaleur, vues sous différents angles — les ingénieurs peuvent détecter les défauts au moment même où ils se produisent. L'étude suggère que cette méthode pourrait être une étape cruciale vers des batteries de véhicules électriques plus sûres et plus fiables, garantissant que les composants en acier inoxydable qui les maintiennent ensemble sont exempts de défauts cachés.