Ce qui fait de la métallurgie laser l'outil indispensable

Un faisceau laser est une chose remarquable. Un faisceau laser à puissance continue a des densités d'énergie plus de 4 000 milliards de fois supérieures à l'énergie focalisée du soleil, et les fabricants ont déterminé des moyens d'utiliser cette densité de puissance extraordinairement élevée pour tout faire, de la découpe et du soudage de tôles au perçage de trous dans les cartes de circuits imprimés.

Les lasers peuvent couper, joindre et soustraire des matériaux. Ils peuvent même ajouter de la matière par dépôt de métal au laser ou impression 3D. Nous pouvons faire varier les niveaux de puissance, les fréquences d'impulsion et les densités d'énergie via la manipulation du diamètre du faisceau, entre autres, afin que le faisceau laser puisse induire les bonnes réactions matérielles pour divers processus. Vraiment, l'utilisation du laser dans l'industrie est vaste et variée.

Différents matériaux interagissent différemment avec différentes longueurs d'onde de lumière, ce qui rend certaines sources laser plus efficaces pour traiter certains matériaux que d'autres. Par exemple, l'un des avantages connus de la découpe de métal pour les applications industrielles avec des lasers de longueur d'onde de 1 μm est l'augmentation de la vitesse par rapport à la découpe avec des lasers CO2. Cela provient en grande partie de la forte capacité d'absorption de cette longueur d'onde de lumière dans, par exemple, l'acier au carbone (voirFigure 1 ). Un petit faisceau de lumière efficacement absorbé dans l'acier à couper se traduit directement par des vitesses plus élevées lors de la coupe par fusion (c'est-à-dire la coupe avec un gaz non réactif tel que l'azote) dans l'acier au carbone.

Lors de la découpe avec un laser à solide tel qu'un disque ou une fibre, le diamètre du faisceau focalisé, combiné au pourcentage d'absorption élevé de l'émission du laser, permet des vitesses de découpe très rapides. Cette augmentation des performances par rapport au CO2 est principalement observée dans les matériaux minces à moyennement épais, l'avantage diminuant à mesure que l'épaisseur du matériau augmente. Le diamètre du faisceau peut être contrôlé dans une certaine mesure via des éléments tels que la collimation de la lumière ou en déplaçant la position de la lentille de focalisation (voirFigure 2), mais il y a une limite à la taille ou la taille d'un faisceau qui peut être produit.

La plage de diamètre du faisceau est déterminée par la taille de la fibre de transmission du faisceau (voirfigure 3 ). Une fibre de transmission de faisceau de 100 μm est courante pour les lasers utilisés pour la découpe de tôle. Ce diamètre de noyau offre une qualité de faisceau élevée et des vitesses de coupe élevées. Au fur et à mesure que les épaisseurs de matériau augmentent, la très petite taille du spot devient un handicap, limitant les performances, la qualité de coupe et la fiabilité du processus.

Pour pallier cela, il est possible de choisir un diamètre de noyau plus important. L'inconvénient de cela, bien sûr, est que le diamètre minimal du faisceau devient beaucoup plus grand que ce que le noyau plus petit peut fournir. Bien que la qualité et la fiabilité du processus s'améliorent considérablement, la vitesse dans les matériaux plus minces est compromise.

C'est là que la fibre double cœur peut aider. Un noyau de petit diamètre est installé coaxialement à un noyau de grand diamètre. Un obturateur programmable change le noyau actif. Une telle fibre est conçue pour permettre à un système de découpe laser d'atteindre des vitesses élevées dans des matériaux minces et une qualité et une fiabilité élevées dans des matériaux plus épais.

Le diamètre du faisceau remplit une autre fonction lors du soudage. Bien qu'il ne soit en aucun cas nouveau, le soudage au laser est très attrayant, tant dans les ateliers que chez les équipementiers, en raison de ses économies potentielles grâce à moins de retouches ; une plus grande flexibilité d'ingénierie; et l'élimination des processus en aval coûteux et chronophages comme le meulage et le polissage.

En tôlerie, le soudage au laser se produit de deux manières principales : le soudage par conduction thermique et le soudage par pénétration profonde. Le soudage par conduction thermique utilise un faisceau fortement défocalisé situé au-dessus de la pièce. La position focale du faisceau varie généralement de 6 à 12 mm au-dessus de la surface de la pièce, mais elle peut atteindre 25 mm. Le processus chauffe le métal au-dessus de sa température de fusion sans formation de vapeur. Les densités de puissance vont de 104 à 105 W/cm2 et dépendent de la conductivité thermique du métal ; le carbone et l'inox sont plus faciles à souder avec cette technique que l'aluminium par exemple.

Bien que le soudage par conduction thermique présente un cordon de soudure très esthétique - positionné perpendiculairement (90 degrés) au faisceau laser, bien qu'il existe une certaine flexibilité angulaire avec un compromis sur la profondeur de pénétration - l'efficacité du processus est quelque peu médiocre. Lorsque le processus utilise un laser à solide produisant une lumière de 1 μm, 68 % de l'énergie se réfléchit sur la zone irradiée de la pièce, ce qui entraîne une faible efficacité de couplage qui limite la profondeur de pénétration et la vitesse de soudage. Avec un laser CO2, le couplage est encore plus faible avec 88 % de la lumière réfléchie par la zone irradiée, ce qui rend le soudage par conduction thermique avec un laser CO2 peu pratique.

Figure 1L'énergie de la longueur d'onde de 1 micron du disque et du laser à fibre permet d'augmenter les vitesses de coupe lors de la coupe par fusion.

Malgré certaines limitations, le soudage par conduction thermique est toujours très populaire parmi les fabricants, en particulier dans les applications très visibles où un bord arrondi est une exigence. Pensez à tous les appareils électroménagers en acier inoxydable de votre cuisine ou jetez un coup d'œil dans la cuisine d'un restaurant et jetez un coup d'œil à toutes les surfaces en acier inoxydable. Regardez attentivement et vous pourriez voir des marques de meulage et des rayons incohérents de toute la finition manuelle qui traite des problèmes créés par le soudage conventionnel.

Regardez ces mêmes pièces produites avec le soudage par conduction thermique avec un laser, et vous remarquerez que ces problèmes disparaissent. Cela met vraiment en évidence l'intérêt toujours croissant pour le soudage au laser, en particulier dans les environnements où de nombreuses reprises sont la norme.

Avec la même source laser et le même système de livraison du faisceau, il est possible de manipuler la densité du faisceau et la position du foyer pour souder avec la deuxième technique. Le soudage à pénétration profonde, ou soudage en trou de serrure, utilise une position de mise au point d'environ 0 ; c'est-à-dire que la mise au point se fait sur ou près de la surface du matériau, créant une densité d'énergie élevée au niveau de la pièce. Alors que l'efficacité de couplage est relativement faible dans le soudage par conduction thermique, avec le soudage en trou de serrure, elle est assez élevée avec les sources laser à semi-conducteurs et CO2 ; l'efficacité de couplage est de 10 et 15 %, respectivement.

Le processus chauffe la pièce au-dessus de la température à laquelle la formation de vapeur se produit et forme un capillaire de vapeur grâce à la pression d'ablation de la vapeur métallique sortante, créant le "trou de serrure" qui donne son nom au processus. Les densités de puissance sont de 105 à 106 W/cm2, la profondeur de pénétration dépendant de la formation du trou de serrure.

Cette technique de soudage offre des vitesses de soudage élevées, une zone affectée par la chaleur étroite et une profondeur de pénétration de soudure substantielle. En raison du faible transfert d'énergie et de la grande profondeur de pénétration, le soudage à pénétration profonde est beaucoup plus adapté aux matériaux épais ou lorsque la préparation de la soudure est de surface à surface ou de surface à bord. La préparation de couture idéale est un joint bout à bout bord à bord, bien que le processus de trou de serrure puisse généralement bien fonctionner pour une variété de configurations de joints.

Pour choisir entre le soudage par conduction thermique et le soudage par pénétration profonde, l'application détermine la sélection. Bien qu'une soudure par conduction thermique semble sans doute meilleure, le simple fait est que la soudure à pénétration profonde sera généralement la moins chère des deux options, principalement grâce à sa vitesse de soudage élevée. Cela dit, vous pouvez toujours bénéficier de la vitesse et du faible transfert d'énergie du soudage à pénétration profonde tout en obtenant ce bord agréable et systématiquement arrondi unique au soudage par conduction thermique. Passez simplement par-dessus le joint déjà soudé en trou de serrure avec le faisceau dans une position de focalisation plus élevée.

Le laser continue de résoudre de plus en plus de problèmes de fabrication, et les variables de processus telles que le diamètre du faisceau et la manipulation continuent d'avoir un impact significatif. De la découpe et du soudage à l'ajout ou à la suppression de couches de matériau, les progrès de la technologie laser seront certainement un élément clé du succès de la quatrième révolution industrielle.

Brett Thompson est ingénieur commercial chez TRUMPF Inc., 111 Hyde Road, Farmington, CT 06032, 860-255-6000, www.us.trumpf.com.

La technologie la plus récente nous donne une idée de l'étendue du potentiel du laser pour la fabrication des métaux et au-delà. Envisagez des lasers à durée d'impulsion ultracourte. Pour donner une idée de l'échelle, la lumière se déplace à 186 000 miles par seconde. En une seconde, la lumière peut parcourir 7,5 fois la circonférence de la Terre. En une picoseconde, la lumière ne parcourt que 300 μm ! Si la durée d'absorption du matériau en cours de traitement est inférieure à celle du temps d'interaction électron-phonon, une ablation à froid se produit ; le métal n'est ni chauffé ni fondu mais complètement dissocié.

L'ablation à froid a des applications dans le métal et dans divers autres matériaux, y compris le verre. Dans la plupart des cas, le verre est traité avec un processus de traçage et de rupture, où la force casse le matériau au niveau des lignes de traçage, ou une ablation de surface à l'aide de lasers ultraviolets (UV).

Figure 2Le diamètre du faisceau peut être contrôlé dans une certaine mesure en déplaçant la position de la lentille de focalisation.

Pourquoi les lasers UV ? C'est lié à l'absorption. Dans des conditions normales, un photon de lumière infrarouge (~1 μm) n'est pas absorbé par un matériau transparent. Ceux d'entre nous qui ont essayé de découper des matériaux ou des revêtements transparents sur un disque ou un laser à fibre n'en sont que trop conscients. C'est pourquoi les transformateurs de verre ont utilisé des lasers UV, mais ils peuvent également adopter une approche alternative : l'absorption non linéaire de la lumière via des lasers avec des durées d'impulsion ultracourtes.

Encore une fois, dans des conditions d'absorption linéaire, le matériau transparent n'absorbe pas les photons. Mais dans l'absorption non linéaire de la lumière, plusieurs photons sont absorbés simultanément, combinant leur énergie et permettant à un IR (tel qu'un disque ou une fibre) de faire le travail d'un laser UV.

Ceci est réalisé en atteignant ces durées d'impulsion ultracourtes. Ils associent l'énergie à une ablation réalisée non pas par des procédés thermiques mais par dissociation directe de la matière. Cette ablation à froid permet un traitement beaucoup plus précis des matériaux. Ce processus, combiné à une optique qui crée un profil de faisceau allongé, permet au laser d'atteindre des vitesses de coupe extrêmement élevées dans un matériau transparent.

figure 3Le diamètre de la fibre de livraison détermine la plage de diamètre du faisceau.