Julien Bayol - 20 mai 2021

Pourquoi devriez-vous choisir le MPLC pour votre procédé de soudage laser ?

Après avoir présenté les différentes méthodes de soudage conventionnelles, nous avions introduit l’intérêt de la mise en forme du faisceau pour le procédé laser dans l’article précédent. Mais quelles sont ces différentes techniques, et que peuvent-elles réellement apporter ? Etant donné des fortes puissances mises en jeu, pourquoi faire le choix d’une technologie réflective comme celle développée par Cailabs ?

Nb : cet article est le troisième d’une série consacrée aux procédés de soudage laser.

Quels sont les critères de choix ?

En soudage laser, les défauts communs rencontrés sont les projections, la porosité, l’effondrement du bain, ou encore les fissures. Une bonne soudure est donc d’abord caractérisée par l’absence de ce type de défauts. De manière générale, on souhaitera obtenir un cordon de soudure lisse, avec une largeur régulière. Ainsi, bien choisir sa technologie de mise en forme du faisceau permet d’améliorer la qualité des soudures.

Aussi, il est important de mettre en œuvre un procédé reproductible et robuste, c’est-à-dire qui va rester stable au cours de son utilisation, malgré des conditions externes changeantes. Par exemple, en soudage laser, les hautes quantités d’énergie font chauffer les optiques transmettant le faisceau, pouvant amener à la création d’un gradient de température sur la surface de l’élément. Cela a pour conséquence de modifier les propriétés optiques différemment en chaque point de ce dernier, et amener à une défocalisation du faisceau sur le plan de travail (focus shift). On souhaite donc éviter l’apparition de ce phénomène, sinon minimiser son effet.

Quelles sont les formes utilisées ?

En soudage laser, différentes répartitions d’énergie sont souhaitables en fonction du type d’application et des matériaux à assembler. Pour le soudage des aciers, la forme de faisceau fréquemment utilisée est un anneau. Elle a pour effet d’élargir l’ouverture du keyhole, d’augmenter le ratio largeur-profondeur, de limiter les projections et d’augmenter la stabilité du procédé.(1)

Pour d’autres matériaux, comme le cuivre ou l’aluminium, l’anneau est conservé mais entoure un spot central : ce dernier assure une pénétration suffisante quand l’anneau permet une meilleure distribution de la température.(2)

Les différentes technologies pour réaliser ces formes-là ?

Double Core Fiber Lasers

Le principe de cette technologie est relativement simple : le faisceau est guidé à travers plusieurs fibres optiques concentriques (le plus souvent 2). Ainsi, en fonction de la configuration choisie, l’énergie peut être distribuée dans les anneaux ou au centre, donc la forme du faisceau change.

C’est la présence de deux résonateurs distincts dans le laser qui permet de moduler l’énergie distribuée entre les deux cœurs(1). Ainsi, cette technologie permet de réaliser différentes formes de faisceaux :

  • Une forme d’anneau, parfois appelée « donut »,
  • Un spot central circulaire,
  • Un spot central entouré d’un anneau, ayants des puissances différentes.

 

Schéma de principe de la section d’une fibre double cœur

Schéma de principe de la section d’une fibre double cœur

 

Diffractive Optical Elements (DOE)

Les DOE (Diffractive Optical Eléments) utilisent la diffraction de la lumière pour contrôler la phase du faisceau laser. Grâce au motif de leur microstructure, ils permettent de réaliser tout type de forme dans un plan donné. En fonction de la longueur d’onde du faisceau utilisé, ils peuvent être composés de différents matériaux, comme des plastiques, du verre de silice, du germanium, du saphir, ou du séléniure de zinc.

Ainsi, ce type d’élément est sensible à la longueur d’onde, et est donc conçu pour un laser bien spécifique(3). Aussi, ils sont sensibles à l’alignement avec le faisceau d’entrée et nécessitent donc des ajustements fréquents de leur position.

Diffractive Optical Elements (DOEs) - Jenoptik

Diffractive Optical Elements (DOEs) | Jenoptik

Space Light Modulator (SLM)

Les SLM sont des dispositifs optiques permettant de modifier les composantes de la lumière : amplitude, phase et polarisation. Ils sont composés d’une matrice de cristaux liquides contrôlés électroniquement et permettent donc d’obtenir une grande variété de forme de faisceau « à la demande ».(4)

A la manière d’un écran de télévision, la résolution du faisceau est limitée par le nombre de pixels qui constituent la matrice. De manière générale, ils éprouvent des difficultés pour gérer les lasers continus à haute puissance, ce qui rend difficile une application industrielle. Ils restent cependant très appréciés dans la recherche pour leur flexibilité de mise en forme.



Portrait d’Albert Einstein

Un SLM permet de réaliser tout type de forme, comme le portrait d’Albert Einstein, si on le souhaite !
© 2020 HOLOEYE Photonics AG
 

Multi-Plane Light Conversion (MPLC) : CANUNDA-HP Ring Shaper

Le module CANUNDA-HP utilise la technologie brevetée de mise en forme de la lumière de Cailabs : Multi-Plane Light Conversion (MPLC). Elle repose sur la succession de profils de phase transverse, similaires à des lentilles très complexes, séparés par une distance de propagation spécifique.

Ainsi, grâce à son design tout réflectif, elle permet à CANUNDA-HP de gérer des lasers de très haute puissance, avec un refroidissement homogène. Le module est conçu pour s’adapter dans des environnements industriels, connecté à des lasers fibrés.

La tête de soudage CANUNDA-HP

La tête de soudage CANUNDA-HP

Dans sa configuration standard, CANUNDA HP Ring Shaper permet de former un anneau avec un diamètre intérieur de 600 µm et un diamètre extérieur de 1 mm. Cependant, il est également capable de réaliser tout type de forme sur demande, symétrique ou asymétrique. Le prochain article, qui viendra clôturer cette série sur le soudage laser, exposera justement la capacité du module à fonctionner hors de ses conditions nominales.

CANUNDA-HP permet de mettre en forme un anneau

CANUNDA-HP permet de mettre en forme un anneau

Tableau comparatif CANUNDA-HP

Ce tableau permet de comparer sur dix critères les différentes technologies de mise en forme présentées dans l’article. Ces derniers sont importants pour la mise en place d’un procédé de soudage laser robuste, fiable, de qualité et adapté aux contraintes de l’industrie.
 

 

Pour aller plus loin :

Références :

(1) Adjustable ring mode and single beam fiber lasers: A performance comparison - ScienceDirect. Lire l'article (en anglais)
(2) High surface quality welding of aluminum using adjustable ring-mode fiber laser - ScienceDirect. Lire l'article (en anglais)
(3) Diffractive Optical Elements | DOE Optics | Edmund Optics En savoir plus
(4) Spatial light modulator - Wikipedia. Lire l'article (en anglais)

Par Julien Bayol

Julien Bayol est ingénieur en mécanique INSA, et a suivi un Master en Management à la Toulouse Business School. Son domaine d’intérêt est porté sur les techniques de fabrication de pointe, via l’utilisation de solutions optiques innovantes. A Cailabs, Julien est assistant chef de produit, il contribue au développement et à la commercialisation de la gamme CANUNDA, qui permet d’optimiser la qualité et le rendement des procédés d’usinage laser.