Les piles à combustible représentent une alternative énergétique propre pour divers secteurs, notamment dans le domaine des véhicules où leur utilisation ne génère aucune émission. Cependant, leur production implique des défis techniques, comme celui du soudage par laser à haute vitesse. Comment peut-on optimiser ce processus pour éviter les irrégularités de surface tout en accélérant la production?
Le soudage laser rapide est indispensable pour la fabrication de piles à combustible, mais il présente un problème majeur : l’apparition de phénomènes de bosselures à haute vitesse. Ces bosselures, marquées par des irrégularités sur la ligne de soudure, peuvent compromettre l’intégrité et l’efficacité des plaques bipolaires, composants essentiels des piles à combustible.
Une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université de Penn State a mené une étude approfondie pour comprendre ces phénomènes. Leur objectif était d’augmenter la vitesse de soudage sans provoquer de bosselures. Ils ont combiné observation et modélisation analytique pour identifier les conditions précises menant à ces irrégularités.
«Nous avons voulu augmenter la vitesse de soudage laser pour améliorer le taux de production des plaques bipolaires, composant clé dans la génération d’énergie des piles à combustible,» a indiqué Jingjing Li, professeur d’ingénierie industrielle et manufacturière à Penn State.
Une augmentation de la vitesse de production
Les plaques bipolaires se forment par la soudure de deux panneaux. Les canaux qui se créent dans ces plaques sont nécessaires pour la génération d’énergie. Avant cette étude, la vitesse de soudage était limitée à 20 mètres de métal par minute pour éviter les bosselures.
«Auparavant, la vitesse maximale de soudage était de 20 mètres d’acier inoxydable par minute avant l’apparition des bosselures,» a expliqué Zen-Hao Lai, étudiant en doctorat au Département des Sciences et Ingénierie des Matériaux. «Grâce à notre travail, nous avons augmenté cette limite à 75 mètres par minute.»
Zen-Hao Lai a souligné que cette vitesse de production permettrait de fabriquer environ 80 000 piles à combustible par an, chaque pile comportant deux plaques bipolaires. Les dimensions des plaques bipolaires automobiles varient généralement de huit par huit pouces à douze par douze pouces.
Des solutions techniques
Pour atteindre cette augmentation, les chercheurs ont d’abord utilisé l’imagerie par rayons X synchrotron à haute vitesse pour observer le processus de soudage en détail. Ils ont ensuite élaboré une simulation numérique correspondant à leurs observations et développé une équation reliant les défauts aux paramètres du procédé.
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En ajustant les conditions de soudage, ils ont pu modéliser différents paramètres pour obtenir un soudage sans bosselures, même à haute vitesse. Lorsque la vitesse de soudage est trop élevée, les matériaux forment de grandes piscines de métal en fusion, contribuant à l’apparition des bosselures. Les chercheurs ont trouvé que la stabilisation de ces piscines pouvait être réalisée par l’application d’un gaz protecteur ou par l’ajustement de la forme du faisceau laser.
«En comprenant l’équation des bosselures liée aux paramètres du procédé, nous avons pu modifier les réglages pour réduire les bosselures,» a ajouté Zen-Hao Lai. «L’impact de ce travail ne se limite pas à l’amélioration de la compréhension fondamentale, mais résout également un défi technique dans le processus de production.»
Les chercheurs prévoient de continuer à affiner le processus pour atteindre des vitesses de soudage encore plus élevées sans bosselures.
Selon Jingjing Li, ce travail remet en question les notions communes sur ce que l’ingénierie industrielle et manufacturière peut accomplir. «Quelque chose de très excitant dans ce travail pour moi est qu’il montre aux gens que ce type d’ingénierie n’est pas uniquement lié à la fabrication manuelle. Ce travail est un bon exemple de la combinaison de la fabrication traditionnelle avec la recherche fondamentale, et illustre comment le savoir fondamental peut améliorer un processus et résoudre un problème réel.»
Légende illustration : Lorsque le soudage au laser, utilisé dans la production de piles à combustible, s’effectue à une vitesse trop élevée, des défauts de bosse apparaissent à la surface de la soudure. Une équipe dirigée par des chercheurs de Penn State a combiné l’observation et la modélisation analytique pour identifier les conditions qui produisent des bosses à des vitesses de soudage laser élevées et pour ajuster les paramètres du processus afin d’augmenter la vitesse de soudage sans causer d’irrégularités de surface. Crédit : Zen-Hao Lai et Jingjing Li.
Article : « Unveiling mechanisms and onset threshold of humping in high-speed laser welding » – DOI : s41467-024-53888-w
