Nombre Parcourir:80 auteur:Éditeur du site publier Temps: 2019-01-18 origine:Propulsé
L’apparition de diodes laser fiables a révolutionné la technologie des lasers à semi-conducteurs de haute puissance de plusieurs manières.L'idée originale, qui est presque aussi ancienne que les lasers à diodes et les lasers à semi-conducteurs à pompage optique et qui, parmi d'autres ont conduit au développement des diodes laser de forte puissance, notamment leur utilisation comme source de pompage pour les lasers à solide13, est devenue réalité à la fin du siècle : des lasers à tige pompés par diode dans la gamme kW sont disponibles sur le marché lieu en tant que produits industriels.Cependant, entre-temps, de nouveaux lasers à solide pompés par diode sont apparus, qui n'ont pas d'équivalent classique, c'est-à-dire pompé par lampe.De tels types de laser, qui sont exclusivement (ou du moins de préférence et efficacement uniquement) possibles grâce à l'utilisation de diodes laser comme source de pompage, sont par exemple le laser à disque et le laser à fibre, qui font désormais leur entrée sur le marché du traitement des matériaux.De plus, la technologie laser à diode elle-même a développé à une puissance et une qualité si élevées que même les lasers à diode directe peuvent être utilisés pour le traitement des matériaux.
L'action du laser sur des diodes laser GaAs ou GaAsP à des températures cryogéniques a été démontrée dès 196214. Ce qui a commencé comme une curiosité physique servant de base à des lasers extrêmement coûteux avec une durée de vie très courte, est aujourd'hui le base pour des sources laser à très longue durée de vie et bon marché couvrant le plus grand marché de sources laser, avec un volume de 3,10 millions.Dollars américains en 200615 : La part du lion du marché actuel des lasers à diode est liée aux applications de consommation plutôt faible en télécommunications et stockage optique, mais cette technologie a également un impact très fort sur le traitement des matériaux avec des lasers haute puissance.Étude minutieuse des structures cristallines, compréhension détaillée des mécanismes de défaillance et une amélioration considérable des procédés de fabrication a conduit à ce succès.Néanmoins, même si des concepts de refroidissement sophistiqués permettent une augmentation de puissance bien au-delà des exigences des télécommunications, l'émission d'un seul émetteur reste limité à quelques watts (à durée de vie raisonnable).Par conséquent, plusieurs émetteurs sont combinés dans un élément monolithique appelé barre laser, qui est ensuite monté sur un dissipateur thermique à micro-canaux pour un refroidissement efficace16 ;jusqu'à 120 W sont un puissance typique d'une barre commerciale, mais plus de 500 W ont été rapportés récemment lors d'expériences en laboratoire17.Des micro-lentilles cylindriques asphériques sont utilisées pour la collimation du faisceau très divergent.La brillance est cependant limitée en raison des limitations de la qualité du faisceau des émetteurs individuels et surtout de leur couplage incohérent18.
La forme originale et encore la plus utilisée du milieu actif dans un laser à solide de haute puissance (Nd:YAG) est la tige cylindrique ;dans un laser de forte puissance, cette tige a typiquement un diamètre de 4 à 8 mm, une longueur de 150 à 200 mm et l'excitation est réalisée par des lampes à arc au krypton.Même si ce type de laser à solide a été le laser à solide le plus important au cours des dernières années, il présente deux inconvénients inhérents au système : Premièrement, la durée de vie de l'arc au krypton. Les lampes sont plutôt courtes – plusieurs centaines d’heures seulement – et doivent donc être remplacées fréquemment.Deuxièmement, et c'est encore plus grave, seule une très petite fraction de la lumière fournie par les lampes à arc au krypton est réellement utilisée pour le pompage du liquide. procédé laser;le reste génère de la chaleur et gaspille ainsi de l’énergie et pose des problèmes, notamment en créant l’effet de lentille thermique.Grâce au pompage de diodes, on peut se débarrasser de ces problèmes : les diodes laser offrent une longue durée de vie de plus de 10 000 heures et leur longueur d'onde d'émission peut être exactement adaptée au pic d'absorption du matériau actif, 808 nm dans le cas du cristal Nd:YAG.La charge thermique réduite du cristal permet une puissance de sortie plus élevée d'une tige ainsi que ça donne mieux qualité du faisceau : généralement, les lasers à tige pompés par diode dans la gamme des (multi)kilowatts sont spécifiés avec un produit de paramètre de faisceauc) de 12 mm mrad, alors que les lasers à tige pompés par lampe affichent environ 25 mm mrad.Par conséquent, des diamètres de fibres plus petits (généralement 300 µm) peut être utilisé.De plus, un rendement de prise murale de 10 % est caractéristique de ces lasers, contre environ 3 % pour les appareils pompés par lampe.Un laser à tige pompé par diode haute puissance typique est illustré à la Fig. 15. Ce laser est le modèle haut de gamme d'une série de 500 W à 4 kW et est équipé de huit chambres laser.
Outre le fait que les applications déjà existantes telles que le découpage et le soudage de l'acier doux et de l'acier inoxydable pourraient être étendues à des épaisseurs de matériau plus importantes ou à des vitesses plus élevées, l'augmentation de la densité de puissance, qui peut être obtenue avec Le laser Nd:YAG à tige pompée par diode a également permis de couper et de souder des matériaux qui étaient auparavant difficilement accessibles, comme par exemple les alliages à base d'aluminium.Ceci est illustré sur la figure 16, où les courbes de soudage pour AlMg3 (5457) avec un laser ROFIN DP 040 (voir Fig. 15) sont présentés.
Fig. 15 : ROFIN DP040HP – pompé par diode Laser à tige d'une puissance de sortie de 4 kW Fig. 16 : courbes de soudage pour le soudage d'AlMg3 de 8 mm d'épaisseur avec un laser Nd:YAG pompé par diode de 4 kW
En tant que prototype de laboratoire basé sur la série ROFIN DP décrite ci-dessus, un laser Nd:YAG pompé par diode de type tige avec une puissance de sortie de max.8 kW ont été réalisés en coopération avec l'Institut Fraunhofer de technologie laser d'Aix-la-Chapelle, Allemagne.L'objectif du projet est de mieux comprendre le traitement des matériaux à haute puissance dans la gamme de longueurs d'onde de 1 µm.Le rayonnement du laser de 8 kW a été délivré aux postes de travail par des fibres d'un diamètre de cœur de 600 µm et une longueur allant jusqu'à 50 m.
La découpe de l'acier inoxydable a été réalisée pour des épaisseurs de matériaux comprises entre 4 et 10 mm.La vitesse maximale pouvant être atteinte pour des coupes sans oxydes est de 2,5 m/min ;pour atteindre cette vitesse avec un laser CO2 environ 20% plus élevée la puissance est requise malgré la qualité supérieure du faisceau19.Les expériences de soudage ont été réalisée sur des matériaux en acier inoxydable et en acier doux d'une épaisseur comprise entre 6 et 10 mm.Un panache de vapeur étonnamment fort pendant la soudure a été détecté dans ces expériences.Une suppression suffisante du panache pourrait ne peut pas être atteint par les buses standards conventionnelles sans perturber le bain de soudure.Ainsi, le défi important a été de développer une buse spéciale, qui pourrait supprimer efficacement le panache d'une part mais laisser le bain de soudure tranquille de l'autre.Il a été prouvé qu'une nouvelle conception de buse a résolu le problème : la figure 17 montre les résultats de soudage réels pour l'acier doux et l'acier inoxydable.Des recherches plus approfondies sur le panache de vapeur, en particulier l'interactionentre le panache, le rayonnement laser et le flux de gaz de procédé doivent être étudié plus en détail et ouvert davantage le potentiel des lasers à semi-conducteurs de haute puissance.
Fig. 17 : Soudage avec un transistor de 8 kW
Déclenché par une application spéciale, à savoir l’élimination de la contamination des feuilles sur les voies ferrées20, un laser Nd:YAG à commutation Q haute puissance (ROFIN DQx80S) a été développé.La contamination des feuilles crée principalement deux problèmes qui influencent la sécurité du système ferroviaire : faible adhérence des roues provoquant des problèmes de freinage et d'accélération et des interférences avec les circuits électriques de la voie liés à la sécurité.L'ablation au laser s'est avérée être le procédé de choix pour le élimination efficace de cette couche.Comme on le sait, l’ablation laser nécessite des impulsions courtes de l’ordre de plusieurs dizaines de nanosecondes.Ainsi, les lasers excimer ont été principalement utilisés jusqu'à présent ;cependant, comme les systèmes laser pour cette application doivent être circulant dans les trains, les lasers excimer ont été exclus, entre autres, pour des raisons de sécurité.Une puissance moyenne d'environ 1 kW a été demandée puisque la puissance moyenne détermine le taux d'élimination du contaminant et un train moyen minimum une vitesse d'environ 70 km/h doit être atteinte pour une utilisation économique du procédé.Sur la base de la conception du laser à tige pompée par diode décrite ci-dessus, une unité Nd:YAG à commutation Q a été réalisée qui fournit une puissance moyenne de 800 W en mode Q-switch en impulsions d'environ 38 ns et à un taux de répétition de 6 à 15 kHz.L'énergie est transmise via une fibre de 800 µm à une tête de travail spéciale, qui forme une ligne focalisée avec la largeur du sentier et une longueur,Proc.de SPIE Vol.6735 67350T-7 qui garantit des impulsions superposées même à la vitesse la plus élevée du train pour effectuer un nettoyage complet des voies ;les têtes de travail sont montées sous le wagon du 'train de nettoyage'.Le système a été testé avec succès et satisfait aux exigences techniques et les exigences économiques.Le laser décrit ici est, à notre connaissance, le laser commercial à commutation Q le plus puissant disponible.Des applications peuvent émerger dans le domaine du décapage de peinture, du nettoyage de surfaces, de la structuration à grande vitesse, notamment pour les cellules solaires, et autres.
Dans les lasers à solide pompés longitudinalement (ou aux extrémités), le rayonnement de pompage est fourni le long du résonateur optique à travers le miroir d'extrémité du laser.Bien entendu, le pompage dans cette géométrie n'est possible que si la qualité du faisceau de la pompe La source est suffisamment bonne pour que la lumière de la pompe puisse être couplée efficacement à la tige laser.Ainsi, le concept n’est réalisable qu’avec un pompage (diode-)laser ;l'émission rectangulaire hautement astigmatique des barres de diodes doit être réarrangée pour s'adapter à la forme circulaire de la tige.Contrairement au concept de pompage latéral, dans une telle configuration, la région pompée peut être adaptée au volume modal du résonateur et ainsi, une source laser très efficace avec une qualité de faisceau élevée peut être réalisé.Le pompage par diode qualifie également d'autres matériaux actifs laser que le cristal bien connu Nd:YAG pour les lasers : les lasers pompés en extrémité utilisent souvent du Nd:YVO4 (Yttrium-Vanadate), qui a entre autres une bande d'absorption plus large pour le 808 nm. rayonnement des diodes et est donc moins sensible au changement de température ou au vieillissement des diodes.La qualité des feux de route (mode fondamental) et la configuration du résonateur court du concept de pompage final ainsi que le court La durée de vie de fluorescence de Nd:YVO4 fait de cette configuration une combinaison privilégiée pour la génération d'impulsions courtes de Q-switch ainsi que pour la conversion de fréquence.
Les applications typiques de ces lasers se situent dans le domaine du marquage de haute précision et de l'usinage de haute précision.Un exemple typique et très représentatif d'une application de marquage de ce laser est la génération de cartes à puce, illustrée dans Fig. 18 : La puissance de crête d'impulsion élevée et le taux de répétition élevé du laser réduisent les temps d'impression pour de nombreuses applications.Les lasers ROFIN pour cette application utilisent un logiciel innovant d'échelle de gris permettant différentes intensités pour impulsions laser individuelles.L'imagerie en échelle de gris permet de réduire le nombre de bits dans une image donnée, réduisant ainsi considérablement le temps de marquage par rapport aux images classiques en noir et blanc, offrant ainsi une photographie de haute qualité. impression.
Un exemple d'élimination de couches minces est la structuration du matériau des cellules solaires : l'électrode transparente, généralement en oxyde d'indium-étain, doit être structurée en bandes avec des lignes de séparation aussi étroites que possible selon la surface de celles-ci. Les lignes sont perdues pour la conversion d’énergie et influencent ainsi l’efficacité de la cellule solaire.Lignes d'une largeur aussi petite que 10 µm et pouvant être écrites à une vitesse allant jusqu'à 1 000 mm/s.Pour une autre application, l'élimination complète du mince un film sur les cellules solaires est nécessaire.Le laser peut effectuer cette tâche avec une cadence de 5 cm²/s.
L'un des facteurs limitants des lasers à tige en termes de qualité de faisceau, même si le pompage par diode est utilisé, est « l'effet de lentille thermique ».Une idée à contourner a été publiée en 1994 par A.Giesen et.al.21, qui a proposé d'utiliser un mince disque (environ 150 à 300 µm d'épaisseur et environ 7 mm de diamètre) comme support laser.Ce disque mince est monté sur un dissipateur thermique avec sa face arrière et est ainsi refroidi dans la direction axiale, évitant ainsi un gradient de température radial.Comme le matériau actif Yb:YAG est utilisé dans ce cas car, entre autres, ce matériau permet des niveaux de dopage beaucoup plus élevés (jusqu'à 30 %) que le dopage Nd ;des niveaux de dopage élevés sont importants pour cette technologie, car le volume dans lequel la lumière laser est extraite est beaucoup plus petit que dans le cas du type à tige.Le pompage est bien entendu réalisé avec des diodes dont la longueur d'onde est adaptée à l'absorption principale du cristal Yb:YAG (940 nm) ;car la totalité de la lumière de la pompe ne peut pas être absorbée dans un seul chemin. une configuration à passes multiples est réalisée.De plus, le défaut quantique dans le système Yb:YAG est beaucoup plus petit que dans le cas du Nd:YAG, ce qui entraîne une réduction supplémentaire de la charge thermique.Pour ces raisons, une nouvelle amélioration par rapport aux lasers à tige pompés par diode est attendu et en fait, 7 mm mrad peuvent être obtenus dans une configuration typique de laser à disque.Au en même temps, un rendement plus élevé est atteint, pouvant atteindre 50 % optique-optique, ce qui se traduit par un rendement de prise murale d'environ 20 % !
De nos jours, les lasers à disque haute puissance sont fournis à partir de 750 W (ROFIN DSx75HQ) à partir d'un disque avec une fibre de 150 µm jusqu'à une puissance de 3 kW (ROFIN DS030HQ) à partir de deux disques et une fibre de 200 µm (NA utilisé = 0,12).Courbes de soudage pour un laser de 1,5 kW et pour deux diamètres de foyer différents (100 µm et 300 µm) sont représentés sur la figure 19 pour le soudage de l'acier inoxydable par rapport à un laser à dalle CO2 (ROFIN DC015, voir chapitre 2.1).L’avantage du laser à disque pour les matériaux fins est clairement visible.
Un exemple d'application industrielle est le soudage d'un boîtier de batterie en acier inoxydable 1.4301 (Fig. 20) ;avec 700 W et un diamètre de spot de 100 µm, la pièce peut être parfaitement soudée à une vitesse de 5 m/min sous atmosphère He.
Le laser à disque est bien sûr également bien adapté à la découpe : des feuilles d'acier inoxydable de 0,5 mm (4 mm) d'épaisseur ont été découpées avec une puissance de 1,5 kW à une vitesse de 40 m/min (2 m/min) ;la découpe assistée par oxygène de l'acier doux a été réalisée à 1 mm et 10 mm d'épaisseur avec respectivement 10 m/min et 1 m/min.
Fig. 19 : Courbes de soudage pour le soudage de l'acier inoxydable avec un laser à disque de 1,5 kW (DS015) par rapport à un laser CO2 de type dalle (ROFIN DC015) : l'avantage du laser à disque pour les matériaux fins est clairement visible.Par effets plasma, le CO2 le laser est avantageux pour les matériaux plus épais.
Fig. 20 : boîtier de batterie (1.4301) soudé avec un laser à disque mince de 750 W (ROFIN DSx75HQ) taille de spot 100 µm, vitesse de soudage 5 m/min
Dérivée d'une configuration bien établie pour les applications de marquage, la qualité élevée du faisceau du laser à disque permet le positionnement du faisceau à grande vitesse par un système de deux miroirs à entraînement galvanique (Fig. 21, à gauche).Un champ spécial appelé 'champ plat' 'Lentille ' fournit la mise au point dans un plan de travail plat, quelle que soit la position. La délivrance du faisceau par une fibre optique avec un diamètre de noyau typique de 150 à 200 µm facilite la combinaison d'une telle unité de déflexion du faisceau avec un robot comme le montre Fig. 21 (à droite).
Cette configuration conduit à un outil très flexible : pendant que le robot effectue un mouvement fluide de la tête de balayage en suivant la direction principale du joint, les miroirs galvaniques dévient le faisceau vers sa position exacte, effectuant un mouvement droit. points, cercles, vagues ou toute autre forme souhaitée.Si, par exemple, seuls des points droits avec une longueur de soudure de 50 % et des intervalles de 50 % sont nécessaires pour le soudage, un mouvement de la poutre à vitesse constante entraînerait une réduction de 50 %. utilisation du laser;Grâce à la mise en œuvre du système de soudage robot-scanner, la vitesse (du mouvement du robot) peut être presque doublée car le scanner peut guider le point sur les intervalles très rapidement (c'est-à-dire de l'ordre de la milliseconde).
Ainsi, cette configuration constitue une possibilité très intéressante pour le soudage par exemple de carrosseries en blanc, en remplacement du soudage par points électrique.
Fig. 21 : À gauche : croquis d'un système de miroir galvanique avec lentille à champ plat pour un positionnement rapide du faisceau22.À droite : combinaison avec un robot Laser à fibre
L'autre possibilité pour éviter l'effet de lentille thermique est de réduire le diamètre et d'augmenter la longueur de la tige, de sorte que finalement le milieu actif ait dégénéré en fibre optique et que même le refroidissement radial ne provoque pas de gradient de température sur la section transversale de la fibre.En fait, le diamètre du noyau actif peut être si fin qu'un seul mode est amplifié et ainsi, un rayonnement monomode de haute qualité de faisceau peut être généré.Le pompage est généralement réalisée par l'utilisation d'une fibre dite à double gaine : la lumière de pompage est couplée à la gaine interne entourant le cœur de fibre active et successivement absorbée par le cœur de fibre active sur toute la longueur du fibre.Il y a deux généralités Proc.de SPIE Vol.6735 67350T-9 possibilités de couplage de la lumière de pompe dans le noyau de pompe : (a) le concept de pompage final, qui nécessite un empilement de diodes avec une qualité de faisceau assez élevée pour s'insérer dans la gaine de pompe de la fibre, et (b) le ' Couplage Y' configuration, qui nécessite un nombre élevé de diodes couplées par fibres, qui doivent être introduites dans le cœur de la pompe par des méthodes assez complexes,par exemple, l'épissage de fibres ou les réseaux de Bragg.
Par la densité de puissance maximale dans le noyau actif de la fibre, la puissance qui peut être extraite d'une seule fibre (pas nécessairement monomode !) est limitée.Dans les systèmes commerciaux, cette limite est pour l'instant d'environ 800 W avec une qualité de faisceau environ 1 à 2 fois limitée par la diffraction, alors qu'en laboratoire 3 kW ont été démontrés23, avec un faisceau qui est « presque limité par la diffraction ».La mise à l'échelle de la puissance est effectuée par une combinaison « côte à côte » de plusieurs fibres et cela s'accompagne donc d'une perte de qualité du faisceau.
Les lasers à fibre dans la plage de puissance élevée sont actuellement en phase d'évaluation pour des applications industrielles.Ils offrent une technologie à fort potentiel, s'ils peuvent être fabriqués à des coûts raisonnables et peuvent fournir le même performances que le laser à disque, en particulier dans la plage de puissance élevée.Une application importante de ces lasers en raison de leur qualité de faisceau supérieure dans la plage de faible puissance est le marquage ;La figure 22 montre un système de marquage laser à fibre avec un galvo scanner devant le laser à fibre.
Au lieu d'utiliser le laser à diode pour pomper des lasers à semi-conducteurs de haute puissance, ils peuvent également être utilisés pour un traitement direct.De telles unités impressionnent par leur taille extrêmement petite, même à puissance élevée : la tête laser de 3 kW illustrée à la Fig. 23 est aussi petite que 555 (y compris le tube optique) x 260 x 200 [mm] et le poids n'est que de 25 kg.Une unité de commande et un refroidisseur d'une taille d'environ 600 x 800 x 1 000 [mm] chacun doivent être ajoutés pour compléter l'ensemble du système laser.Lasers à diodes haute puissance, cependant, ils ne peuvent pas fournir une qualité de faisceau aussi élevée que les lasers pompés par diode décrits ci-dessus.Ceci est une conséquence du couplage incohérent des émetteurs individuels des barres laser à diode18.Avec l'augmentation de la puissance P, la qualité du faisceau diminue d'un facteur ,/P tant que la brillance des émetteurs individuels reste inchangée.Le couplage de polarisation et le couplage de longueur d'onde sont utilisés pour améliorer la situation16, 18 : Les lasers à diode haute puissance sont généralement
Fig. 23 : Tête d'un laser à diode haute puissance,3,1 kW (ROFIN DL031Q) non polarisés et émettent à deux ou trois longueurs d’onde.Le spot est rectangulaire (1,3 x 0,8 [mm] à une distance focale de 66 mm pour le système de 3 kW illustré à la Fig. 23 avec un profil chapeau haut de forme dans un sens et un profil gaussien dans l'autre.
En raison de la qualité plutôt médiocre du faisceau dans la plage de puissance élevée, les applications laser traditionnelles telles que le découpage et le soudage à pénétration profonde à grande vitesse ne sont pas vraiment ouvertes en tant que marché pour les lasers à diode haute puissance (voir chapitre 4, Fig.27).Cependant, la figure montre également qu'il existe des applications à fort potentiel pour les lasers à diode haute puissance : Certaines des applications adaptées aux lasers à diode haute puissance ont été démontrées il y a des années avec le Nd:YAG ou le CO2. lasers, mais n'a pas pu pénétrer dans la fabrication industrielle avec ces lasers pour des raisons technologiques et - principalement - de coût.Les coûts d'investissement des systèmes laser à diode haute puissance actuels sont considérablement inférieurs à ceux du Nd:YAG, les lasers à disque ou à fibre, tout en émettant à une longueur d'onde presque identique ou légèrement plus courte ;les coûts de fonctionnement sont bien inférieurs à ceux des autres lasers en raison de leur efficacité élevée (généralement, l'efficacité de la prise murale est de l'ordre de ou même au-dessus de 30 %) et puisqu'elles sont quasiment sans entretien pendant la longue durée de vie des diodes.Une réduction supplémentaire des coûts de fonctionnement est attendue avec l'augmentation de la durée de vie des barres laser à diode, car des calculs de coûts simples montrent qu'outre la dépréciation, le remplacement des diodes génère la part du lion des frais de fonctionnement.Dernier point mais non le moindre, la petite taille non seulement de la tête laser à diode, mais aussi - basée sur le haut niveau électrique/optique l'efficacité - également de l'alimentation électrique et du refroidisseur, en font un outil très attractif pour bon nombre de ces applications, où la qualité du faisceau du laser conventionnel n'est tout simplement pas nécessaire.
La possibilité de produire des cordons de soudure optiquement parfaits grâce à un procédé de soudage par conduction thermique a conduit à la toute première application industrielle des lasers à diode haute puissance, le soudage des éviers de cuisine.Une section transversale à travers une soudure est illustré sur la Fig. 24. L'utilisation du laser à diode au lieu du soudage TIG conventionnel a permis une réduction considérable des travaux ultérieurs : seul un polissage est nécessaire, mais presque aucun meulage ni réparation !Ce fait a conduit à un avantage en termes de coûts, même si le l’investissement pour une diode laser de 2,5 kW est plus élevé que pour une machine à souder TIG24.
Le brasage devient une technologie d'assemblage de plus en plus intéressante dans la fabrication de carrosseries automobiles ainsi que dans l'étanchéité des boîtiers de blindage étanches aux RF pour les composants électroniques.Des expériences dans les laboratoires d'application de ROFIN-SINAR ont montré le brasage réussi de l'acier revêtu de Zn (0,9 mm) avec de la brasure dure CuSi alimentée sous forme de fil de 1 mm de diamètre.Les expériences ont conduit à des coutures très lisses (Fig. 25).La vitesse de brasage était de 2 à 4 m/min avec une puissance de 2,5 kW, mais cela dépend fortement de la exigences individuelles de remplissage des espaces avec le matériau de soudure dure.Au moins les mêmes résultats qu'avec un laser Nd:YAG peuvent être obtenus avec un laser à diode haute puissance, mais pour des coûts considérablement inférieurs !
En raison de sa forme rectangulaire, avec un profil chapeau haut de forme dans une direction et un profil gaussien dans l'autre, le faisceau laser à diode haute puissance est particulièrement bien adapté aux applications de durcissement de surface.De plus, par rapport au CO2 laser la longueur d'onde d'émission de ces lasers est courte, ce qui conduit à une absorption plus élevée et exclut ainsi la nécessité de tout revêtement pour améliorer l'absorption.L'efficacité plus élevée des lasers à diode ainsi que le Les avantages mentionnés ci-dessus font du laser à diode haute puissance un outil de durcissement très efficace, fiable et rentable.Un exemple très frappant d'une application de fabrication de lasers à diode haute puissance est le durcissement de ressorts de torsion, qui sont utilisés sur les charnières des portes de voiture (Fig. 26).Le laser à diode haute puissance offre non seulement une géométrie de faisceau et une distribution d'intensité idéales, mais constitue également le moyen le plus rentable de transformation. durcissement.Le ressort de torsion d'un diamètre de 8 mm, illustré à la Fig. 26 doit être durci sur un angle >170°, sur une longueur d'env.10 mm et jusqu'à une profondeur de 0,2 à 0,4 mm au niveau de la zone marquée pour réduire l'usure du ressort par les rouleaux de serrage, qui maintiennent la porte dans une certaine position.Dans une configuration qui utilise deux lasers sous un angle d'environ Insert : section transversale du ressort : zone trempée 120°, cette géométrie peut être durcie de manière homogène, si les lasers balayent sur la longueur de 10 mm.Un contrôle actif du processus, qui utilise deux pyromètres pour l'enregistrement de la température, garantit la qualité du processus pour chaque pièce individuelle25.
Le revêtement avec des lasers à diodes de haute puissance est à l'étude, car des densités de puissance élevées ne sont pas non plus nécessaires pour cette application laser, qui est également réalisée aujourd'hui avec des lasers CO2 ou Nd:YAG ;cependant, l'alimentation en poudre nécessite certaines distance de travail et donc une certaine qualité de faisceau, mais qui peuvent être remplies par des lasers à diodes de pointe.
De plus, les lasers à diode sont l'outil idéal pour le soudage laser des polymères, qui est décrit en détail ailleurs26, 27.
BRÈVE COMPARAISON DES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES LASER
La décision finale, quel laser doit être sélectionné pour une application donnée, dépend de nombreux aspects.Bien entendu, une étude de faisabilité doit avant tout clarifier le meilleur laser pour obtenir le résultat souhaité.Cependant, une classification typique comme proposé par P. Loosen28, peut fournir une indication sur la technologie laser adaptée (Fig. 27), tout en permettant une comparaison de la meilleure qualité de faisceau réalisable pour chaque type de laser.
Fig. 27 : Produit des paramètres du faisceau par rapport à la puissance du laser pour plusieurs types de laser et régimes typiques pour les applications industrielles28
Les applications traditionnellement les plus importantes, qui représentent la plus grande part du marché (voir chap. 1), à savoir le découpage et le soudage, nécessitent également la meilleure qualité de faisceau.Une telle qualité de faisceau peut être atteinte par le laser CO2 et par le lasers à semi-conducteurs pompés par diode.Le soudage peut également être effectué par un laser YAG pompé par lampe, comme le démontrent de nombreuses applications industrielles.Néanmoins, il faut mentionner ici que le laser CO2, notamment dans la configuration dalle (voir chap. 2.1) fournit toujours les photons les moins chers pour les applications de traitement des matériaux ainsi que la meilleure qualité de faisceau, c'est-à-dire la meilleure focalisation dans la plage de puissance de plusieurs kW.Considérations économiques sur le « coût de possession », L'inclusion de l'impact de chaque technologie sur les coûts des pièces sera prise en compte si les expériences ont prouvé que différents lasers peuvent effectuer le travail de la même manière.L'illustration de la Fig. 27 montre également que malgré le faisceau réduit un laser à diode de qualité et haute puissance peut constituer une source de photons intéressante pour de nombreuses applications laser en raison de son rendement élevé d'environ 30 % ;Les lasers à disque et à fibre s'en rapprochent d'environ 20 %, tandis que le laser CO2 en utilise environ 10 %. de l'énergie consommée dans la sortie finale du faisceau laser.
Pendant longtemps, le laser à gaz CO2 a dominé le domaine du traitement des matériaux à haute puissance et détient toujours de loin la plus grande part de marché (41,1%) sur le marché du traitement des matériaux par laser4 (1,69 milliards de dollars US pour les sources laser).Par le apparition de diodes laser fiables et puissantes comme source de pompe pour les lasers à solide, cette image a légèrement changé et les lasers à solide rattrapent leur retard chaque année ;néanmoins, en 2006, la quantité la plus élevée de particules solides les lasers étaient couverts par les systèmes à pompage par lampe (20,4 %), suivis par les lasers à fibre (8,5 %, contre 6 % en 2005) et les systèmes à pompage par diode (tige/disque) (6,4 %).Les lasers à diode directe ne couvrent encore que 1% du marché.Il est prévu que le laser à disque ainsi que le laser à fibre vont se développer, principalement au détriment des unités pompées par lampe ;les applications tridimensionnelles et à distance bénéficieront bien entendu de la qualité améliorée du faisceau de ces lasers et offriront de nouvelles opportunités.Haut les lasers à diode de puissance alimentent actuellement des niches telles que le traitement de surface et le soudage par conduction thermique ;ainsi, plus que les autres lasers, les lasers à diode haute puissance sont en concurrence avec les technologies conventionnelles.Le laser CO2, cependant, resteront le cheval de bataille pour les applications de traitement des matériaux au laser dans les années à venir, en particulier pour toutes les tâches bidimensionnelles.
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