Soudage laser épais avec technologie de mise en forme dynamique du faisceau

Cette illustration de concept montre un laser à faisceau dynamique soudant une plaque de 70 mm d'épaisseur en un seul passage.

Au FABTECH 2022 à Atlanta, les participants pouvaient s'asseoir à un poste de travail dans le stand de Civan Lasers, cliquer sur quelques points sur un écran et personnaliser un profil d'énergie de faisceau de soudage laser et une profondeur de champ, rendus possibles par ce que Civan appelle la technologie laser à faisceau dynamique, ou DBL.

DBL a conduit à des réalisations époustouflantes, la plus récente annoncée le 9 février, lorsque la société a déclaré avoir terminé une soudure en un seul passage de 70 mm de profondeur, réalisée à la pression atmosphérique - aucun vide requis.

La société israélienne ne manipule pas son laser mécaniquement, s'appuyant sur des miroirs galvo qui font osciller le spot du faisceau. Au lieu de cela, la manipulation se produit à l'intérieur du laser lui-même.

"Nous avons plus de 30 fibres, et l'objectif est de contrôler le schéma de diffraction. Avec cela, vous pouvez concevoir n'importe quelle distribution de puissance que vous voulez sur la pièce."

C'était Ami Spira, responsable marketing de Civan, décrivant les bases de la technologie de combinaison de faisceaux cohérents (CBC) et de réseau optique en phase (OPA) de l'entreprise, les deux éléments constitutifs de DBL. "Cela permet à l'utilisateur de faire de nombreuses applications qui n'étaient auparavant pas possibles avec un laser."

Sur le stand, les participants pouvaient cliquer sur un motif de grille pour définir un profil de faisceau dans un style de forme libre. "C'est la forme, mais nous pouvons également contrôler la densité", a expliqué Spira. "Par exemple, disons que je veux créer plus d'énergie dans ce domaine." Il désigna une zone légèrement décentrée dans le profil du faisceau. "Je peux juste ajouter un clic ici, et maintenant j'ai beaucoup plus d'énergie dans ce domaine."

Un autre paramètre de contrôle implique le motif de diffraction. "Cela a à voir avec la façon dont nous générons le laser", a-t-il déclaré. "Notre tête optique a plusieurs faisceaux qui émettent de la lumière, et ils se chevauchent pour générer ce motif de diffraction. Et en contrôlant les phases de chaque laser, nous pouvons [changer les caractéristiques du faisceau] dans les directions X, Y et Z."

L'axe Z est particulièrement critique car il donne de nouveaux niveaux de contrôle à la profondeur de champ du faisceau. "Par exemple, en utilisant une distance focale de 1,5 m, nous pourrions avoir une profondeur de champ de près de 30 mm. Et si nous avons 3 m [longueur focale], alors la profondeur de champ serait plus que double."

Une telle profondeur de champ, combinée à d'autres améliorations des paramètres du faisceau, a poussé Civan vers de nouvelles applications. L'une des plus récentes implique le soudage en une seule passe de matériaux extrêmement épais dans une configuration de joints bout à bout. Un partenariat entre Civan et AMET, une société de Rexburg, Idaho, spécialisée dans les systèmes de soudage automatisés, y compris ceux impliquant des joints de soudure très épais, contribue à rendre cela possible.

"[Civan] cherchait un partenaire aux États-Unis pour fournir des systèmes intégrés", a déclaré Don Schwemmer, président de l'AMET, lors d'un entretien à FABTECH. "Nous voulions travailler avec un fournisseur de laser [et] développeur. Et le côté contrôle est vraiment notre force. En étant capable de manipuler la forme du faisceau et les distances focales sur le laser, nous pouvons ajouter cela à notre package [de contrôle]. Nous avons maintenant une énorme boîte à outils avec laquelle travailler, au lieu de seulement quelques clés. C'est vraiment un bon ajustement. "

Le laser à faisceau dynamique utilise la combinaison de faisceaux cohérents et la technologie de réseau de phase optique (illustrée ici) pour créer un faisceau adapté à l'application.

À FABTECH, Civan a exposé des échantillons de travail qui ont montré la capacité du DBL à produire des soudures solides dans des matériaux sensibles aux fissures, à réduire les pores et les éclaboussures grâce à des formes de faisceau qui stabilisent le trou de serrure et à contrôler les propriétés de matériaux différents.

Selon un livre blanc de Civan, la technologie DBL modifie les caractéristiques du faisceau de quatre manières. Le premier est la mise en forme du faisceau, où les utilisateurs conçoivent une forme spécifique pour correspondre à une application spécifique. Cela donne aux ingénieurs la possibilité de tester "plusieurs formes pour optimiser la meilleure forme pour la soudure spécifique. Par exemple, lors du soudage de métaux différents, DBL permettrait l'utilisation de deux spots laser se déplaçant en même temps (imaginez le mouvement d'un mélangeur de cuisine) pour fournir la soudure homogène. "

Une autre variable est la fréquence de la forme, ou la possibilité de créer la forme à différents intervalles. Plus la fréquence est élevée, plus le faisceau se comporte de manière "statique". "Les fréquences rapides comme 50 MHz, par exemple, sont si rapides que le faisceau se comporte de manière quasi statique", indique le livre blanc, ajoutant qu'une fréquence aussi rapide produit des résultats complètement différents des fréquences dans la gamme hertz ou kilohertz.

Le troisième paramètre est le séquençage du faisceau, qui permet au laser de basculer entre les formes de faisceau aussi rapidement qu'une microseconde. "Cela signifie que vous pouvez créer une série de formes différentes et programmer le laser pour les parcourir dans l'ordre, à différentes vitesses, à des intervalles de votre choix."

Le quatrième paramètre est la direction de la mise au point. Encore une fois, selon le livre blanc, "cela signifie que vous pouvez modifier la position focale sur l'axe Z dans le matériau à tout moment et à n'importe quelle vitesse pendant le processus. La direction de la mise au point est particulièrement bénéfique lors du soudage de matériaux plus épais, permettant une soudure plus lisse et plus cohérente. "

Une telle direction de focalisation est utilisée par AMET et d'autres pour le soudage de plaques épaisses en un seul passage. C'est également ainsi que Civan a réalisé cette soudure en un seul passage dans un matériau de 70 mm d'épaisseur dans l'application annoncée plus tôt cette année.

Le soudage des tôles épaisses n'est qu'un des domaines d'application auxquels l'entreprise s'est attaquée ces dernières années. À l'autre extrémité du spectre d'épaisseur, la société a participé au projet Eureka de l'Institut Fraunhofer de technologie laser en Allemagne, travaillant sur le soudage à très haute vitesse d'alimentation de plaques bipolaires dans des piles à combustible - un projet impliquant une feuille de seulement 0,1 mm d'épaisseur et des vitesses de soudage de 1 500 mm/seconde.

Pour ce projet, les chercheurs ont façonné le faisceau de manière à combiner des points à haute intensité avec des zones supplémentaires à faible intensité énergétique, une disposition qui a permis un préchauffage et un postchauffage toujours aussi brefs du matériau. Cela a aidé à contrôler la formation et la solidification du bain de fusion. Ils ont également changé la forme du faisceau (qui peut se produire au milieu du processus) en un ovale pour réduire la vitesse d'écoulement du bain de fusion derrière le trou de la serrure. Cela a permis aux chercheurs d'augmenter la vitesse de soudage sans créer de défauts.

Bien que Civan se soit fortement concentré sur le soudage au laser, il s'est également penché sur d'autres procédés laser industriels. Par exemple, la société s'est associée à Smart Move GmbH en Allemagne pour développer une nouvelle technologie de soudage laser et de fusion laser sur lit de poudre pour la fabrication additive.

La société a également publié quelques articles détaillant les résultats des tests d'une application de découpe laser qui illustrent les avantages de la direction de la mise au point. Plus précisément, l'entreprise a découpé de l'acier inoxydable 304L de 15 mm d'épaisseur avec un laser monomode à haute profondeur de 8 kW. Le faisceau a été façonné en spirale avec deux points dans une orientation verticale. Selon l'article, la direction de la mise au point s'est produite avec les points "positionnés au milieu du matériau et dirigés de haut en bas à ± 8 mm sur l'axe Z. La fréquence de direction de la mise au point a été réglée sur 5,4 à 16 Hz à une vitesse d'alimentation de 15 à 18 mm/seconde... la direction de la mise au point améliore le contrôle sur le matériau fondu et permet une rugosité plus douce avec moins de scories. "

Une interface à FABTECH a permis aux participants de cliquer et de personnaliser un profil de faisceau.

Au-delà de cela, Civan s'est associé à SLTL (Sahajanand Laser Technology Limited), une société indienne, pour créer une machine qui effectue à la fois le soudage et la découpe au laser 3D. Selon un communiqué de presse de Civan, "Ce projet créera un système complet de bout en bout avec des lasers dynamiques de mise en forme de faisceau."

La technologie de Civan pourrait être un signe avant-coureur. Le faisceau laser industriel n'est plus statique. Il a évolué pour devenir un véritable couteau suisse de la fabrication de métaux, capable d'être façonné, séquencé et focalisé de multiples façons et fréquences, le tout optimisé pour l'application à portée de main.

Le laser à faisceau dynamique de Civan peut être personnalisé avec des profils pour correspondre à une application spécifique.