L'évolution de la technologie du soudage laser

La technologie du soudage au laser a progressé jusqu'à devenir le procédé de choix pour les fabricants de métaux et les fabricants en raison de sa variété ahurissante d'applications.

Note de l'éditeur : ce qui suit est basé sur « Introduction au soudage laser industriel », présenté par Tom Kugler, responsable des systèmes de fibre, Laser Mechanisms Inc., à FABTECH, du 13 au 16 septembre 2021, Chicago.

Le soudage au laser a imprégné la fabrication de métaux de précision haut de gamme. La technologie joue un rôle essentiel dans la fabrication de produits automobiles et de dispositifs médicaux, ainsi que dans les pièces destinées à l’aérospatiale et à l’électronique de précision. Il apparaît désormais dans plus d'endroits que jamais, du plus grand équipementier à l'atelier de tôlerie de précision.

À mesure que le soudage laser a évolué, il est devenu extraordinairement flexible. La grande variété de soudage que les lasers peuvent réaliser est vraiment ahurissante. Comprendre comment les lasers accomplissent tout cela commence par connaître les principes fondamentaux : comment un faisceau de lumière fusionne deux métaux.

Les métaux, en général, réfléchissent beaucoup la lumière. Un laser concentre et focalise cette lumière pour surmonter la réflectivité. Lorsqu’une quantité suffisante d’énergie du faisceau est absorbée, le métal commence à se liquéfier.

Tout cela commence lorsque l’optique – qu’il s’agisse d’un miroir incurvé ou d’une lentille à surface incurvée – focalise la lumière jusqu’à une taille de spot pouvant aller de quelques dizaines à quelques centaines de microns de diamètre. Une telle focalisation crée une densité de puissance extrême.

L'optique transparente à utiliser dépend du laser et de sa longueur d'onde. Les lasers CO2 émettent une longueur d'onde de 10,6 microns. Le verre standard n'est pas transparent à cela, c'est pourquoi ces lasers utilisent un matériau de lentille alternatif comme le séléniure de zinc (ZnSe). Les lasers à un micron, notamment à fibre, à disque et YAG, utilisent de la silice fondue ou du verre.

Les lentilles ZnSe focalisant le faisceau de 10,6 microns d'un laser CO2 ont une excellente conductivité thermique, ce qui rend l'optique un peu plus tolérante aux débris. Malheureusement, il n'existe aucun matériau rentable présentant une conductivité thermique similaire à celle du laser de 1 micron, ce qui signifie que l'environnement de mise au point doit rester propre et disposer d'optiques en verre ou en silice fondue de bonne qualité.

Les applications de soudage qui nécessitent des puissances laser élevées peuvent créer des débris inévitables. Dans ces cas, des miroirs sont utilisés pour focaliser le faisceau au lieu d’optiques transparentes. Les miroirs de focalisation sont courants dans les applications de soudage au laser CO2 utilisant une puissance laser de 5 kW ou plus. Les lasers à un micron, notamment à fibre et à disque, utilisent également des miroirs pour des puissances laser plus élevées. Une configuration courante implique qu'un faisceau (horizontal par rapport à la surface de travail) frappe un miroir parabolique qui reflète le faisceau vers le bas.

L'optique laser focalise le diamètre brut du faisceau pour créer une profondeur de focalisation où le faisceau a suffisamment d'intensité pour traiter le matériau. Le point le plus étroit de la taille du faisceau est la taille du spot. La distance focale est la distance entre l'objectif et le point focal (voir Figure 1).

Toutes ces variables sont interdépendantes. Plus la distance focale est courte, plus la taille du spot est petite et plus la profondeur de champ est faible. Et chacun de ces paramètres peut être ajusté pour optimiser un processus de soudage. Par exemple, l'extension de la distance focale peut modifier la position de mise au point et augmenter la profondeur de champ, ce qui peut augmenter la pénétration de la soudure.

FIGURE 1. Des variables telles que le diamètre du faisceau, la profondeur de champ, la taille du spot et la distance focale sont toutes interdépendantes.

Un autre facteur est la qualité du faisceau, ou la focalisation innée du faisceau laser. Cela ne peut pas être ajusté – cela varie selon le type et la conception du laser – mais le paramètre affecte la façon dont on compose le processus global. Les lasers offrant la qualité de faisceau la plus élevée sont appelés lasers monomodes, qui ont un faisceau purement gaussien ou TEM00 avec un profil de densité de puissance très intense au centre et moins intense près des bords. La qualité des feux de route permet d’obtenir une plus grande profondeur de champ, ce qui ouvre une multitude de possibilités de traitement.

Tous les types de laser courants ont des versions monomodes avec une qualité de faisceau élevée, mais l'impact de cette qualité de faisceau élevé dépend de la longueur d'onde du laser. Un laser CO2 monomode de 10,6 microns aura une taille de spot 10 fois plus grande qu'un laser à fibre avec une longueur d'onde de 1 micron. En général, une longueur d’onde plus courte signifie également une taille de point focal plus petite.