Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Programme doctoral Sciences et Génie des matériaux, Institut des matériaux IMX (Laboratoire de simulation des matériaux LSMX)

Soudage laser or-acier : métallurgie et procédé

Favez, Denis ; Rappaz, Michel (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2009 ; no 4353.

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    Summary
    In jewelry manufacturing, joining dissimilar materials is usually achieved by brazing or soldering, in which the materials comprising the joint are heated to a suitable temperature in the presence of a filler metal having a liquidus below the solidus of the base metals. This simple and cost-effective method has however several disadvantages, including undesired phases transformations in the bulk base metals during heat treatment. An alternative joining methodology is laser beam welding. Due to its high energy density, a laser beam is able to melt locally the interface, without affecting the bulk microstructure of the parts to be joined. With this method, however, it is necessary to have a thorough understanding of microstructure formation during solidification. In this thesis, the process of laser welding an 18 carat yellow gold to a superaustenitic stainless steel has been studied and developed. In order to understand the microstructure formation during this welding process, a fundamental metallurgical analysis of the gold-steel system was first carried out, partially based on the binary Au-Fe elemental system. Following this, laser welds have been characterized and a concept for gold-steel welding proposed and successfully tested. First, Differential Thermal Analysis (DTA) and directional solidification in a Bridgman-type furnace followed by rapid quenching were used to acquire an understanding of the microstructure evolution upon cooling in Au-Fe alloys. During the (γ-Fe) primary phase solidification, micro- and macrosegregation phenomena influence the final composition profile. The peritectic phase forms rapidly and instabilities develop during solid-phase peritectic transformation. Below the peritectic temperature, solid phases decompose in a miscibility gap, leading to continuous or discontinuous precipitation, depending on cooling conditions. Finally, (α-Fe) ferrite precipitation gives insights on orientation relationships between primary and peritectic phases. Second, yellow gold-stainless steel alloys have been studied at low cooling rates by DTA. By combination of these observations with the Au-Fe metallurgical analysis, the microstructure formation in gold-steel laser welding could be explained. It appears that the microstructure formed during laser welding is strongly related to the local melt pool composition. Three different cases were identified: (1) Due to its small solidification interval and little segregation, goldrich liquid solidifies quickly as columnar grains, avoiding formation of cracks or porosities. (2) Due to the high cooling rate, liquid of intermediate composition is brought rapidly to low temperature, reaching the metastable liquid miscibility gap, resulting in demixing into two liquids. (3) A liquid containing mainly iron will solidify with a dendritic microstructure rejecting large amount of gold in the interdendritic liquid. In this last case, this large solidification interval combined with the considerable stresses around the weld pool leads certainly to cracking. Based on the above analysis, a concept of gold-steel laser welding can be proposed. By focusing the laser beam on the gold side of the interface, a growing liquid pool can be formed in this metal. When the melt pool reaches the steel surface, a layer of peritectic phase will form, without melting much steel. Since the liquid pool contains mainly gold, hot cracking is avoided. After solidification, the peritectic layer ensures a smooth transition between the mechanical properties of gold and steel. This concept has been successfully applied on a number of real pieces, forming sound welds with suitable properties. This thesis has also shown that a fundamental metallurgical approach is a powerful tool for complex welding development. It allows not only to develop a viable industrial solution, but also to acquire a knowledge that can be used to expand the process to other materials or different geometries.
    Résumé
    En horlogerie et en bijouterie, l'assemblage de deux pièces métalliques se fait généralement soit par une jonction mécanique, soit par brasage. Cette deuxième technique utilise un métal d'apport dont le point de fusion est inférieur à celui des deux composants à assembler, et qui est placé entre ceux-ci. En chauffant l'ensemble dans un four, on fond le métal intermédiaire qui remplit l'interstice par capillarité et, en solidifiant, assure la liaison. Si cette méthode est relativement simple à mettre en oeuvre, elle a cependant l'inconvénient de faire subir aux composants un passage à température élevée, où leur microstructure et donc leurs propriétés peuvent être modifiées. La haute densité d'énergie d'un laser permet de chauffer un métal très localement. Il devient alors possible de ne fondre que l'interface entre deux composants, et de laisser intactes les pièces devant être assemblées. Le soudage laser apparaît ainsi comme une alternative intéressante au brasage. Cependant, les phénomènes qui prennent place dans le bain liquide et lors de la solidification rendent complexe la prédiction des microstructures formées, et donc des propriétés de la soudure. Le soudage laser requiert par conséquent une bonne compréhension de la métallurgie des alliages utilisés, et surtout de leur mélange. L'objectif principal de cette thèse est l'étude du soudage laser entre un or jaune 18 carats et un acier inoxydable superausténitique. Alors qu'une approche classique pour le développement d'un tel procédé consiste généralement en une suite d'essais (trials and errors), il est choisi ici de se focaliser dans un premier temps sur la métallurgie de ce système, puis d'en déduire un guide pour le développement du procédé de soudage laser. Par analogie simplificatrice, le système élémentaire binaire Au-Fe est étudié tout d'abord par analyse thermique différentielle (DTA), puis à l'aide d'un four de solidification dirigée Bridgman. Le système Au-Fe étant relativement bien connu, la corrélation entre son diagramme de phases et les résultats d'analyse thermique permet de décrire la formation de la microstructure lors du refroidissement de ces alliages. Les différentes étapes qui sont la solidification de la phase primaire, une réaction péritectique et la précipitation de phases solides, sont clairement mises en évidence dans un échantillon trempé en cours de solidification Bridgman. En outre, les phénomènes de micro- et macroségrégation sont comparés à des modèles numériques. Dans un deuxième temps et à partir des informations obtenues sur le système Au-Fe, l'étude métallurgique porte sur les alliages or jaune-acier inoxydable. En particulier, il ressort de l'analyse thermique qu'une lacune de miscibilité métastable de la phase liquide est présente à des températures légèrement inférieures au liquidus. De plus, les microstructures formées lors des essais DTA peuvent être expliquées en se basant sur le système Au-Fe. Ensuite, des essais de soudage laser or-acier fournissent un aperçu des différentes microstructures pouvant apparaître dans une soudure. On constate que celles-ci sont essentiellement dépendantes de la composition locale du bain liquide : un bain riche en acier forme de fines dendrites propices à la fissuration à chaud, alors qu'un bain riche en or solidifie en grains colonnaires aux propriétés similaires à l'or de base. En bordure du bain liquide, à l'interface entre l'acier (solide) et l'or (liquide), une couche de phase péritectique de même structure que les métaux de base se forme avec des propriétés proches de ceux-ci. Dès lors, une stratégie de développement d'une soudure optimisant les propriétés mécaniques est énoncée : on utilise la précision de positionnement du faisceau pour ne fondre que l'or, proche de l'acier. Lorsque l'or liquide entre en contact avec ce dernier, la phase péritectique se forme à l'interface et assure une transition des propriétés mécaniques entre l'or et l'acier après solidification. Enfin, le développement du procédé à proprement parler est présenté. L'étude de la transition entre les modes conduction et « keyhole » en fonction des paramètres laser et de la convection qui prend place dans le bain liquide est utilisée pour définir une première plage de paramètres du procédé, qui est ensuite affinée pour tenir également compte des tolérances dimensionnelles des pièces.