Imaginez que vous puissiez transformer vos opérations de soudage grâce à la puissance des lasers. Le monde du soudage laser offre une variété d'options, y compris les lasers à fibre, à diode, à disque et à CO2, chacun avec des avantages et des applications uniques. Cet article explore les principales différences entre ces types de laser, afin de vous aider à prendre des décisions éclairées pour des performances de soudage optimales. De la compatibilité des matériaux à la vitesse et à la précision, découvrez comment le choix du bon laser peut révolutionner vos processus de fabrication. Plongez dans cet article pour découvrir quel laser répond le mieux à vos besoins et comment obtenir une qualité de soudure supérieure.
Lors du choix d'une source lumineuse pour le soudage au laser, il convient de tenir compte de divers facteurs tels que le matériau de soudage, la géométrie du joint, la vitesse, etc.
Dans l'industrie manufacturière, la sélection correcte d'une source laser est un défi pratique que les fabricants doivent relever en raison de l'utilisation répandue du soudage au laser.
Actuellement, les sources laser disponibles sur le marché comprennent la fibre optique, le Nd : YAG pulsé, la diode, le disque et le CO2 sources laser. (Remarque : la source laser Nd : YAG à ondes entretenues a été largement remplacée par des lasers à fibre optique et à disque, et n'est donc pas abordée dans le présent document).
Le choix d'une source laser doit tenir compte de plusieurs facteurs, dont les suivants matériel de soudageLes contraintes sont multiples : géométrie du joint, vitesse de soudage, tolérance géométrique, exigences d'intégration du système et, bien sûr, contraintes budgétaires.
Chaque source laser possède des caractéristiques uniques qui permettent de répondre à différentes exigences en matière de soudage. Dans certains cas, elles peuvent également être remplacées.
LE CO2 laser
Les émissions de CO2 fonctionnant à une longueur d'onde de 10,6 μm avec des puissances de sortie allant de 1 à 20 kW, est une technologie laser bien établie. Depuis les années 1980, c'est la source laser dominante pour les applications de traitement des matériaux à haute puissance, en particulier pour la découpe et le soudage de matériaux épais.
Laser à fibre
Les lasers à fibre sont des systèmes très efficaces, pompés par diode, qui utilisent une fibre optique de faible diamètre, à base de silice, dopée avec des éléments de terres rares en tant que milieu de gain actif. La source laser est intégrée dans la fibre elle-même, ce qui élimine la nécessité d'un alignement optique complexe et améliore la stabilité globale du système.
Avec le petit diamètre du cœur de la fibre optique couplé à l'optique de focalisation, les lasers à fibre peuvent atteindre des tailles de spot aussi petites que 10 μm, permettant un traitement de haute précision. Ces lasers compacts sont disponibles en deux configurations principales : monomode de faible puissance (< 300 W) pour le soudage et la découpe de précision, et multimode de forte puissance pour les applications industrielles de soudage et de découpe.
Laser à diode
Les progrès récents de la technologie des lasers à diode ont conduit à leur émergence en tant que sources de soudage viables. Les principaux développements comprennent l'augmentation de la puissance de sortie des émetteurs de diode individuels, l'amélioration des techniques de refroidissement des micro-canaux et les progrès de la micro-optique pour coupler efficacement la sortie laser dans les fibres optiques avec des diamètres inférieurs à 1000 μm. Ces améliorations ont considérablement accru la qualité du faisceau et la densité de puissance, rendant les lasers à diodes de plus en plus intéressants pour les applications de soudage, en particulier dans les scénarios de soudage limités par la conduction thermique.
Disque laser
Le laser à disque, également connu sous le nom de laser à disque mince, utilise un disque plat et mince de cristal Yb:YAG comme support de gain dans une configuration de laser à ondes entretenues. Cette conception permet de résoudre efficacement les problèmes de gestion thermique inhérents aux lasers à tige traditionnels. Le milieu actif, d'une épaisseur typique de 0,25 mm (0,01 pouce), est refroidi par un dissipateur thermique sur sa surface arrière, ce qui permet une évacuation efficace de la chaleur.
Cette architecture innovante permet aux lasers à disque d'atteindre des puissances de sortie allant jusqu'à 10 kW tout en conservant une excellente qualité de faisceau (M² < 1,5). La combinaison d'une puissance élevée et d'une qualité de faisceau supérieure rend les lasers à disque particulièrement adaptés aux applications de soudage en profondeur et de découpe à grande vitesse.
Laser Nd:YAG pulsé
Les lasers Nd:YAG pulsés utilisent un seul barreau de cristal Nd:YAG comme support de gain, excité par des lampes flash pour générer des impulsions de puissance de crête élevée avec une puissance moyenne relativement faible. Par exemple, un système avec une puissance moyenne de 35 W peut produire des puissances de crête allant jusqu'à 6 kW. La combinaison d'une puissance de crête élevée et d'une faible largeur d'impulsion (généralement de l'ordre de la milliseconde) permet un contrôle précis de l'apport d'énergie et de la taille de la zone affectée thermiquement.
Cette caractéristique rend les lasers Nd:YAG pulsés idéaux pour les applications nécessitant des soudures de haute qualité dans les matériaux sensibles à la chaleur ou les sections minces, comme dans la fabrication d'appareils médicaux ou l'industrie électronique. La possibilité de manipuler les paramètres d'impulsion offre une grande flexibilité pour optimiser la qualité de la soudure et minimiser la distorsion thermique.
Le choix du laser peut être classé en trois groupes en fonction de la pénétration : moins de 0,01 pouce, entre 0,01 et 0,03 pouce, et plus de 0,03 pouce.
En général, plusieurs sources laser peuvent être utilisées pour effectuer le soudage, mais pour des raisons de performance et de budget, une ou deux sources lumineuses seulement peuvent être choisies.
La décision finale peut également être influencée par divers autres facteurs, tels que la qualité de l'échantillon, les considérations géographiques, le service après-vente, les préférences des intégrateurs de systèmes et la popularité.
Le laser Nd : YAG pulsé est le laser le plus couramment utilisé, suivi par le laser à fibre. En ce qui concerne l'assemblage des composants, la forme des joints, les matériaux et le revêtement, l'ensemble de la gamme des lasers à fibre optique est très varié. processus de soudage doit être contrôlée avec précision, ce qui fait du laser Nd : YAG pulsé le meilleur choix.
Grâce à sa puissance de crête élevée, le laser Nd : YAG pulsé peut produire un faisceau de soudage avec une taille de spot supérieure à 1000 microns, ce qui offre une grande flexibilité dans le choix de la taille du spot et permet de maximiser la fenêtre du processus de soudage tout en garantissant les tolérances nécessaires dans l'environnement de production.
Le laser à fibre est le seul laser à onde continue de cette catégorie, et il peut produire une taille de spot après focalisation du faisceau inférieure à 25 microns, fournissant la densité de puissance élevée requise pour le soudage. Toutefois, pour maintenir la compétitivité des coûts dans le domaine du micro-usinage, la puissance des lasers à fibre est généralement limitée à 200 W, ce qui restreint la taille maximale du spot et la densité de puissance.
La taille du joint soudé ne dépasse généralement pas 75 microns, ce qui constitue l'une des principales limites des lasers à fibre. Dans la production réelle, il est souvent difficile de garantir une marge d'erreur de ± 15 mm lors de l'ajustement des joints ou des composants en fonction de la tolérance d'ajustement et de la tolérance de superposition.
Les lasers à fibre sont principalement utilisés pour le soudage par recouvrement de matériaux minces présentant des exigences élevées en matière de résistance à la traction. joints de soudure pour garantir la stabilité. Le laser à fibre utilise une lentille de 150 mm de longueur focale qui peut produire des points lumineux d'un diamètre inférieur à 25 microns, offrant ainsi un large espace de traitement. Pour le soudage par recouvrement, le laser à fibre peut produire une soudure avec une profondeur de pénétration de 0,01 pouce ou plus à une vitesse élevée, avec une profondeur de pénétration de 0,004 pouce pouvant être obtenue par un laser à fibre monomode de 200 W à des vitesses allant jusqu'à 50 pouces par seconde.
En revanche, le laser Nd : YAG pulsé peut répondre à presque toutes les applications, à l'exception du soudage de feuilles minces. Sa grande taille de spot, sa largeur d'impulsion et sa plage de puissance de crête permettent de l'ajuster et de l'optimiser pour répondre à diverses exigences de soudage.
La classification des applications du laser Nd : YAG pulsé et du laser à fibre est toujours applicable, mais la gamme est limitée. Le laser Nd : YAG pulsé est principalement utilisé pour le soudage par points, tandis que les lasers à fibre d'une puissance d'environ 500 W et d'un diamètre de spot de 0,01 μm peuvent être utilisés pour le soudage bout à bout et le soudage à l'arc. soudure d'angle avec une faible tolérance. Le rapport coût/performance du laser Nd : YAG pulsé est relativement élevé.
Les lasers d'une puissance de 500 W et de 25 W produisent des effets différents. pénétration de la soudure à différentes vitesses de soudage. La puissance de crête assure la performance de pénétration, tandis que la puissance moyenne détermine la vitesse de soudage de l'appareil. soudage des joints.
Les lasers à diodes d'une puissance comprise entre 500W et 800W conviennent au soudage de pièces présentant de grandes tolérances, mais leur vitesse est généralement inférieure à celle des lasers à fibre et à disque. Toutefois, leur grande tolérance peut compenser cet inconvénient.
Tous les types de lasers sont adaptés à cette gamme. La profondeur de pénétration du laser Nd : YAG pulsé est d'environ 1,27 mm, tandis que d'autres types de laser peuvent atteindre 6,35 mm et même dépasser 12,5 mm.
D'une manière générale, les pièces adaptées au Nd : YAG pulsé sont les suivantes soudage au laser dans cette gamme sont relativement petites, comme les capteurs de pression avec soudure.
L'industrie automobile a besoin d'un large éventail de applications de soudageet fibre optique, CO2Les lasers à disque et les lasers à diode peuvent tous être utilisés. En termes de vitesse et de pénétration, l'industrie automobile couvre la quasi-totalité des besoins de l'Union européenne. applications de soudage.
Les principales différences entre les sources laser sont la qualité du faisceau, la luminosité et la longueur d'onde.
La qualité du faisceau fait référence à la capacité de focalisation du laser, et la luminosité fait référence à la densité de puissance dans le faisceau focalisé.
Par exemple, les émissions de CO2 et le laser à fibre ont une qualité de faisceau similaire ; par conséquent, si les autres paramètres sont égaux, ils peuvent produire des points lumineux de même diamètre.
Cependant, la longueur d'onde de la source laser à fibre est dix fois plus élevé que celui du CO2 ce qui signifie que le diamètre du spot qu'elle peut produire est également dix fois plus petit que celui de la source lumineuse au CO2 source lumineuse. La source laser à fibre présente également une meilleure qualité de faisceau et une plus grande luminosité.
Dans le soudage au laser, la qualité et la luminosité du faisceau ont un impact direct sur la profondeur et la vitesse de pénétration, mais n'ont pas d'effet aussi direct sur la stabilité et la tolérance du soudage.
Il est donc important de trouver un équilibre entre les performances et la qualité du soudage, et la largeur de la fenêtre du processus. Il convient de noter que si la qualité du faisceau peut être réduite pour répondre à des besoins spécifiques, une qualité médiocre ne peut être améliorée.
Pour une pénétration de 0,25 pouce, les vitesses de soudage des lasers susmentionnés sont assez similaires. Les fibres et les disques optiques sont plus rapides que les lasers à CO2alors que les diodes sont plus lentes.
Le soudage avec des lasers à haute puissance nécessite généralement deux équipes, ce qui fait du coût d'achat du laser un élément à prendre en compte dans le processus de sélection. Bien que le CO2 est largement utilisé et familier à de nombreux utilisateurs, son coût de soudage unique est sensiblement plus élevé que celui des lasers à fibre, à disque et à diode.
Par rapport au soudage au plasma et à l'arc, le soudage au laser présente plus d'avantages dans les applications de soudage nécessitant des pénétrations de plus de 0,25 pouce, car il permet de réduire considérablement la déformation thermique. Cette réduction permet de conserver la forme géométrique de la pièce, éliminant ainsi le besoin de la remodeler. Cependant, l'appariement des pièces peut poser des problèmes à cette épaisseur. Pour y remédier, il est possible d'utiliser un processus de remplissage par fil ou une combinaison de soudage au laser, de soudage au plasma et de soudage à l'arc.
Il existe différents types de sources laser pour le soudage au laser, chacun ayant ses propres caractéristiques et convenant à des exigences spécifiques.
Il est essentiel pour les utilisateurs de bien comprendre quelle source laser peut le mieux répondre à leurs besoins en matière de soudage.
Pour obtenir un système de soudage, l'approche optimale consiste à collaborer avec le fournisseur du système, qui peut déterminer le laser le plus approprié pour vous.
Vous pouvez également vous adresser à différents fabricants de lasers et leur fournir des échantillons de soudure pour déterminer la solution optimale.
Lors du choix d'un laser, il est important de garder à l'esprit que le soudage doit être équilibré en termes de pénétration, de vitesse, de stabilité, d'adaptation aux pièces de production et de tolérance.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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