Développement de sources laser de haute puissance pour l'industrie

Abstrait

Malgré l'invention et la disponibilité d'une grande variété de sources laser, très peu de types sont parvenus à une utilisation industrielle, ce qui nécessite très souvent un fonctionnement fiable en trois équipes, une disponibilité élevée et des coûts de fonctionnement réduits. Le laser au gaz CO2 a longtemps dominé le secteur de la transformation des matériaux à haute puissance et détient toujours 41,1% des parts de marché les plus importantes dans ce domaine. Le type de laser CO2 le plus moderne, le plus fiable et le plus économique est la configuration de dalle refroidie par diffusion, qui fournit une qualité de faisceau presque limitée par la diffraction et qui est actuellement disponible dans une plage de puissance allant jusqu'à 8 kW. L'avantage des lasers à l'état solide est que leur rayonnement peut être guidé à travers des fibres optiques, mais leur coût et leur rendement sont élevés. L’apparition des lasers à diode en tant que source de pompage très efficace et fiable a toutefois stimulé la technologie des lasers à semi-conducteurs. En remplaçant les lampes à large bande par des lasers à diode monochromatiques, on pourrait non seulement améliorer la qualité du faisceau et l'efficacité de la conception des barreaux classiques, mais aussi, en raison de la forte brillance des lasers à diode, de nouveaux concepts tels que le disque mince et le laser à fibre pourraient être réalisés. En particulier, l’efficacité plus élevée, la réduction des coûts d’exploitation associée à l’amélioration de la qualité du faisceau, font des lasers à semi-conducteurs l’outil du futur, chaque fois que des applications 3D sont envisagées.

  introduction

  Depuis plus de 30 ans, les lasers sont utilisés avec succès dans diverses applications. Comme le prouvent les études de marché1 et 2, la coupe est l’application la plus importante (Fig. 1); non seulement les métaux sont coupés par des lasers, mais également le bois (par exemple pour les cartons découpés), le verre (par exemple pour les tubes lumineux), les textiles (par exemple pour les airbags), les plastiques, le caoutchouc et les composites.

  La soudure au laser, la deuxième application la plus importante, fournit une technologie d’assemblage rapide avec une charge thermique minimisée sur la pièce à travailler, basée sur l’effet de soudage à pénétration profonde; le soudage au laser est principalement lié aux métaux, par ex. des pièces d’engrenage, des découpes sur mesure, un corps en blanc, des logements de capteurs, des buses d’injection, etc., mais le soudage de polymères peut également être effectué à l’aide de lasers, notamment de diodes.

  Les applications de soudage par coupage et par pénétration (profonde) bénéficient de la grande capacité de focalisation des faisceaux laser, c’est-à-dire du fait que la puissance du laser peut être concentrée dans un très petit point. Selon la théorie, meilleure est la qualité du faisceau, plus le point pouvant être généré par une certaine distance focale est petit ou plus la distance de travail (distance focale) est grande pour un certain diamètre de point. Ainsi, le développement du laser est

Fig. 1: Marché mondial des systèmes de traitement de matériaux au laser en 2005, par application (4,8 milliards d’euros) 1, 2

entre autres, visant à améliorer la qualité du faisceau. Les lasers classiques comme les lasers à gaz CO2 et les lasers à semi-conducteurs du type barreau, mais encore plus les nouveaux lasers du type à semi-conducteurs en configuration disque ou fibre, sont au centre des préoccupations.

Cependant, il existe d'autres applications des lasers comme le brasage, le soudage par conduction thermique et le traitement de surface (durcissement, refusion ou gaine), qui ne nécessitent pas une concentration d'énergie aussi élevée que celles réalisées avec une taille focale assez grande et des densités de puissance modérées. . Les lasers à diode de forte puissance, qui fournissent une puissance élevée avec un rendement élevé au détriment de la qualité du faisceau, sont préférables pour ce type d'applications.

  Lasers à gaz

  Cependant, des lasers au CO2 extrêmement fiables, d'une puissance allant jusqu'à 20 kW, sont disponibles dans le commerce et même supérieurs à 100 kW ont été atteints en laboratoire ou à des fins de défense5. Plusieurs concepts de décharge et de flux de gaz ont été examinés et réalisés. La configuration la plus utilisée est la configuration à flux axial rapide, dans laquelle le gaz circule avecgrande vitesse parallèle à l'axe optique et à travers un échangeur de chaleur, déplacé par une soufflante à racines ou une turbine; De cette façon, la chaleur excédentaire est éliminée et en même temps le gaz est partiellement remplacé par du gaz frais, car le mélange de gaz se dégrade continuellement pendant l'action du laser. Ce concept garantit une puissance élevée et une bonne qualité de faisceau. En dépit de ces avantages, le flux de gaz provoque certains inconvénients inhérents, par exemple: instabilités par turbulences, coût élevé, taille importante, poids élevé et utilisation fréquente du souffleur à racines ou de la turbine et coût considérable en consommation de gaz. Le défi a donc été de développer un concept permettant une puissance de sortie de la plage en kW sans circulation de gaz active.

La technologie CO2-SLAB

La solution a été trouvée dans le concept de dalle refroidie par diffusion, développé presque par hasard et breveté par H. Opower6 en Allemagne et J. Tulip7 au Canada. Le principe est décrit à la figure 2: un guide d'ondes à une dimension est formé entre les électrodes et les miroirs du résonateur optique. Par une optique de formation de faisceau spéciale consistantDes miroirs sphériques et cylindriques ainsi qu’un filtre spatial permettent de générer un faisceau laser de haute qualité avec M²1,1. La distance entre les deux électrodes est d'environ un millimètre et bien sûr, la précision et l'alignement sont difficiles.

  Cependant, la chaleur peut être évacuée directement par les électrodes refroidies à l'eau et aucun débit de gaz n'est requis. Ainsi, aucune pièce mobile n'est nécessaire et aucune fluctuation de gaz ne peut perturber le faisceau. De plus, le gaz peut rester propre pendant une longue période, ce qui réduit considérablement la consommation de gaz. Le système de gaz est une configuration semi-étanche; c'est-à-dire que le destinataire est évacué par une simple pompe rotative, puis rempli d'un gaz prémélangé et fermé. Un remplissage de gaz peut être utilisé pendant environ une semaine ou plus, en fonction des conditions de fonctionnement, avant de devoir être remplacé. Une bouteille de prémélange installée dans la tête laser (Fig. 3) avec un volume de 10 litres et un remplissagepression atmosphérique de 150 atm (contenant ainsi 1500 Nl) dure plus d’un an et conduit à une réduction considérable dules coûts de fonctionnement!

Fig. 3: Laser à dalle de CO2 série ROFIN DC avec alimentation en gaz intégrée

  Le premier prototype avec une puissance de sortie de 1,5 kW a été introduit en 1993. Depuis lors, la puissance de sortie a pu être augmentée de manière continue (Fig. 4) en développant davantage les modules de décharge et les générateurs HF, ce qui a permis d'augmenter le nombre d'électrodes. zone tout en maintenant la décharge homogène. Étant donné que le laser ne nécessite ni refroidisseur de gaz, ni pompes, ni turbines, une taille compacte du système pourrait être maintenue malgré l'augmentation de la surface d'électrode et du volume de gaz. La puissance maximale disponible dans le commerce avec cette technologie est aujourd'hui de 8 kW; laLe facteur de qualité du faisceau est toutefois resté constant à M²1,1,correspondant à un produit de paramètre de faisceau d’environ 3,5 mm de rad! Ainsi, la distribution de puissance est un faisceau gaussien de forme presque idéale (figure 5, à gauche). Toutefois, certaines applications de soudage nécessitent un joint plus large et des énergies de ligne plus élevées, ce qui rend préférable un agrandissement du diamètre du foyer ainsi qu'une modification du profil du faisceau. La configuration spéciale du résonateur du laser à guide d’ondes ne contient pas la possibilité du mode TEM01 * - ("beignet") -, qui s’est avéré être la distribution d’énergie la mieux adaptée à de telles applications dans la longue période de lasers à flux axial rapide avec ; conventionnel & quot; résonateurs; par conséquent, le mode en anneau (figure 5, à droite) est généré par une configuration optique spéciale dans le trajet du faisceau laser.

Le concept de dalle de CO2 est maintenant bien établi dans les applications laser industrielles: plus de 3000 unités sur le terrain ont prouvé la haute fiabilité et les faibles coûts de fonctionnement de cette technologie. en outrepeut affirmer que la technologie laser CO2 en plaques a considérablement contribué à la position encore très forte de la technologie laser CO2 dans le traitement des matériaux et à la croissance du marché au cours des dernières années8.

M² < 1,1 ("Gauss")M² ~ 2,2 ("Donut")

Fig. 5: Mode de base et mode beigne pour laser à dalle CO2

  Applications laser dalle CO2

  Limiter la puissance laser et la qualité du faisceau n’est utile que si ces spécifications apportent des avantages au processus. Dans le cas des lasers au CO2, cela signifie pour le découpage et le soudage: kW) sont utilisés dans ces domaines, plus de 60% pour la coupe, la majorité dans les machines à plat.

  Applications de coupe

  L’avantage d’une source laser offrant une qualité de faisceau améliorée pour les applications de découpage est évident, car la mise au point plus petite permet un trait de scie plus petit et nécessite donc moins de matière à fondre pour le processus de séparation. Cela tient au moins aussi longtemps que lele matériau n’est pas trop épais, car dans le cas de matériaux épais, la saignée étroite peut entraver l’élimination du matériau en fusion. Cependant, la part des lions dans les applications de coupe concerne l’acier doux, l’acier inoxydable ou l’aluminium de 1 à 6 mm.

  Le résultat montre clairement que le laser fournit moins de puissance, ce qui améliore la qualité du faisceau. Ce n’est qu’à des épaisseurs supérieures, supérieures à 6 mm, qu’un avantage minime du système d’écoulement axial rapide à une puissance supérieure devient reconnaissable en termes de vitesse de coupe9.

Fig. 6: Comparaison de la vitesse de coupe dans l'acier doux: dalle de 2,5 kW vs 4 kW à écoulement axial rapide9

  L’effet de l’amélioration de la qualité du faisceau est encore plus impressionnant 25 si l’on tient compte de la coupe par fusion de l’aluminium (Fig. 7). En dessous d'une épaisseur de 2 mm, la vitesse du laser à plaques de 2,5 kW est considérablement plus élevée que celle du système à flux axial rapide, alors qu'elle est presque identique entre 2 et 4 mm d'épaisseur. Cependant, à une épaisseur supérieure à 15, la saignée plus large générée par le système à écoulement axial rapide de 4 kW peut présenter certains avantages.10 Des effets similaires ont été observés pour la coupe de l'acier inoxydable, mais le faisceau plus large peut être avantageux même à environ 2 mm d'épaisseur. Cependant, pour une coupe à grande vitesse inférieure ou égale à 1 mm, l'avantage de la qualité du faisceau élevé est considérable. UNEsystème de coupe spécial bidimensionnel à grande vitesse avecProfondeur de pénétration [mm]ainsi, la zone affectée par la chaleur et la distorsion de la pièce sont réduites.

Fig. 8: Comparaison de la vitesse de soudage pour différentes qualités de faisceaux et lasers, resp.11

  À titre d’exemple, une section transversale de composants d’engrenage,a été utilisé pour la couture sur le côté droit11. À peu près à la même profondeur de soudure, le laser de qualité de faisceau inférieure produisait un cordon plus large. D'autre part, un joint plus étroit et une zone d'interaction plus étroite entre le faisceau laser et les pièces à souder nécessitent une préparation améliorée des arêtes en cas de soudage bout à bout, sans quoi le faisceau "tomberait à travers". la couture. En outre, certaines applications nécessitent en outre un faisceau plus large pour des raisons métallurgiques, comme indiqué au chapitre 2.1, ce qui a imposé la nécessité du faisceau en mode beignet.

Soudage de profilés et de tubes avec laser CO2-slab

Fig. 9: Comparaison de soudures à la molette avec des lasers de qualité de faisceau différente à la même vitesse11

  Une amélioration considérable de la vitesse par rapport au procédé de soudage TIG conventionnel pourrait être obtenue en utilisant un laser à plaque CO2 de 4,5 kW(ROFIN DC045) pour le soudage de tubes en acier inoxydable: 18 tubes sont produits dans un laminoir à tubes à 16 m / min, à comparer aux 5,5 m / min atteints par le TIG processus de soudure avant12. Et cette vitesse élevée est limitée par un processus suivant plutôt que par le processus de soudure au laser lui-même. Un système complet de guidage du faisceau avec des capteurs de processus intégrés, la reconnaissance d’écart et le suivi de joint avec un laser à guide d’onde CO2 (ROFIN PWS, système de soudage de profil, Fig. 10 et Fig. 11) est utilisé pour cette tâche. Le système de capteur sans contact, des moteurs linéaires, un contrôleur basé sur PC et un PLC intégré garantissent un positionnement exact du point laser avec une précision de 20 µm, même à la vitesse de production maximale de 60 m / min! La tête de soudage, montée sur un système x-y-z-c, offre une grande flexibilité grâce aux différentes focales, aux différentes buses et à l'alimentation en gaz. Des exemples de soudage sont illustrés à la Fig. 12.

Fig. 10: Système ROFIN PWS (schéma)

Fig. 11: Système de soudage de profilés ROFIN PWS avec laser de dalle CO2 6 kW

Fig. 12: coupes transversales de tubes en acier inoxydable soudé au laser (1.4301)

Système de soudage à distance (RWS)

Jusqu'à présent, la qualité du faisceau améliorée fournie par le concept de dalle de CO2 a été utilisée pour générer une densité de puissance plus élevée dans un foyer plus petit. Cependant, la densité de puissance la plus élevée n'est pas toujours nécessaire. Une densité de puissance raisonnable est suffisante pour le soudage de tôles minces. Dans une telle situation, l’amélioration de la qualité du faisceau peut se traduire par une grande distance de travail d’un mètre ou plus! Une telle idée a conduit à un concept qui applique une technologie de balayage de faisceau similaire à celle utilisée dans les applications de marquage pour un procédé de soudage à haute puissance dans un système de soudage au laser à distance. Le principe général est expliqué dans l'esquisse à la Fig. 13: Un miroir monté sur cardan peut déplacer le foyer très rapidement sur une surface sphérique; pour compenser cela, c'est-à-dire pour amener la mise au point sur un champ plat dans le plan de travail, la lentille de mise au point peut être décalée (z). Enfin, le miroir peut également être déplacé linéairement pour étendre le champ de travail dans la direction z. De cette manière, la mise au point peut être positionnée très rapidement sur une zone de 1500 mm x 2400 mm et une plage de hauteur de 650 mm. La Fig. 14 présente un système complet (sans chambre de travail). L’avantage d’un tel système est évident: en raison de son évolution rapide, la technologie du système de soudage à distance permet d’augmenter le nombre de points de soudure ou de lignes au cours d’un cycle donné. temps par un facteur de jusqu'à dix. La variété illimitée de contours de soudure dans l'enveloppe de travail ouvre de nouvelles possibilités intéressantes en matière de conception et de construction. Les pièces les plus importantes sont les portières, le capot ou le couvercle du coffre et les colonnes. Bien entendu, le temps de traitement dépend de la pièce, de la longueur, de la forme et du nombre de soudures, mais une estimation approximative permet de réaliser environ 100 soudures types en 40 secondes environ. Des systèmes de serrage spéciaux sont nécessaires pour fixer les pièces et fournir un gaz de protection si nécessaire.

                                                   Fig. 13: Schéma de l'installation du système de soudage laser à distance (RWS)Fig. 14: Système de production RWS