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Une technologie d'avenir.
Traitement des matériaux au laser avec les gaz techniques de Westfalen.
Dans la technologie laser, les gaz sont surtout nécessaires dans le traitement des matériaux. Du point de vue de la fabrication, l'usinage laser des matériaux se caractérise par une grande flexibilité en termes de procédés, de produits et de quantités par rapport aux méthodes conventionnelles. Les gaz permettent d'atteindre des taux de production plus élevés et une meilleure qualité d'usinage tout en réduisant les coûts.
| Mélanges de gaz | Gaz ultra-purs |
|---|---|
| Gaz Laser II | CO2 4.5 |
| Gaz Laser V | Azote 5.0 |
| Gaz Laser VII | Hélium 4.6 |
| Gaz Laser VIII |
| Gaz de soudage | Gaz de découpe |
|---|---|
| Argon 4.6 | Oxygène 3.5 |
| Azote 5.0 | Azote 5.0 |
| Hélium 4.6 | Argon 4.6 |
Jusqu’ici, le laser au CO2, le laser à solide et le laser à excimère se sont imposés en raison de leur grande puissance. La diode laser à haut rendement (HRDL) joue aussi un rôle de plus en plus important. Des gaz techniques sont requis pour travailler avec des lasers au CO2 et à excimère.
En raison de leur puissance élevée, les lasers CO2, les lasers à solide et les lasers à excimère se sont jusqu'à présent imposés. Le laser à diode haute puissance (HLDL) gagne également en importance. Les lasers à CO2 et les lasers à excimère nécessitent l'utilisation de gaz.
Le laser CO2 nécessite généralement trois gaz de fonctionnement différents pour produire le faisceau laser. La molécule de CO2 est le composant actif qui donne son nom au laser et qui détermine également la longueur d'onde du rayonnement. La molécule de CO2 est excitée une fois directement par un courant continu ou une haute fréquence et indirectement par les molécules de N2 excitées. Après l'excitation, il y a une émission spontanée puis stimulée de rayonnement. C'est ce que l'on appelle la transition laser. Comme ce processus libère beaucoup de chaleur, il doit être refroidi et stabilisé à l'aide d'hélium. L'hélium est un petit gaz rare qui a l'avantage d'absorber et de libérer très rapidement la chaleur.
Le laser CO2 nécessite généralement trois gaz de fonctionnement différents pour produire le faisceau laser. La molécule de CO2 est le composant actif qui donne son nom au laser et qui détermine également la longueur d'onde du rayonnement. La molécule de CO2 est excitée une fois directement par un courant continu ou une haute fréquence et indirectement par les molécules de N2 excitées. Après l'excitation, il y a une émission spontanée puis stimulée de rayonnement. C'est ce que l'on appelle la transition laser. Comme ce processus libère beaucoup de chaleur, il doit être refroidi et stabilisé à l'aide d'hélium. L'hélium est un petit gaz rare qui a l'avantage d'absorber et de libérer très rapidement la chaleur.
Des gaz de haute pureté sont nécessaires pour un fonctionnement sûr. Les unités de gaz CO2 4.5 (99,995%), He 4.6 (99,996%) et N25.0 (99,999%) sont nécessaires car des puretés inférieures contamineraient les optiques du laser, la cavité. Cela entraînerait une baisse des performances et une augmentation de la fréquence de maintenance. D'autres impuretés peuvent être introduites dans le système lors du trajet entre la bouteille et le résonateur. Dans ce cas, il faut veiller à ce que les détendeurs correspondent également aux niveaux de pureté. Ces détendeurs doivent être dotés d'une membrane en acier inoxydable, car celle-ci garantit la pureté élevée nécessaire, même sur une longue période.
En outre, ces détendeurs doivent être conçus à deux niveaux. Les détendeurs à un étage n'ont pas une pression arrière constante au cours de la vidange de la bouteille. C'est pourtant important pour le laser, car si la pression aval est dépassée, le pressostat émet un message d'erreur qui peut entraîner l'arrêt de la machine. Des tuyaux courts ou des tuyauteries fixes en acier inoxydable ou en cuivre de haute qualité doivent être utilisés entre le détendeur et l'équipement laser. Si des tuyaux sont utilisés, ils ne doivent pas laisser l'humidité ou l'air ambiant se diffuser à travers eux. D'autres facteurs de perturbation pourraient être la diffusion de solvants à partir des tuyaux. Les tuyauteries doivent être formées et brasées, puis soumises à des tests d'étanchéité et de résistance.
Parmi les lasers à solide les plus connus aujourd'hui, on trouve les lasers à disque et à fibre. Grâce aux progrès réalisés en matière d'optimisation des processus, de qualité de coupe et de rendement, ils prennent de plus en plus d'importance et sont en train de supplanter le laser CO2. Aujourd'hui, un rendement de 30 % est réalisable pour une puissance supérieure à 10 kW et les parts de marché par rapport au laser CO2 dépassent désormais 60 %.
L'œil humain est plus sensible aux courtes longueurs d'onde et la rétine doit être protégée avec soin. Des cabines de protection adaptées sont ainsi une condition préalable à l'utilisation de ce type de laser. Le laser à l'état solide original pour le traitement des matériaux est le laser Nd:YAG en forme de barre. Le milieu actif du laser est ici un cristal YAG qui a été dopé avec des ions Nd. Les lasers Nd:YAG fonctionnent à une longueur d'onde de 1,06 μm et peuvent être utilisés en continu ou en mode pulsé.
Avec un rendement de quatre pour cent, le laser à l'état solide sous forme de barreau classique n'atteint pas le rendement d'environ dix pour cent du laser CO2. C'est pourquoi il n'a pas pu s'imposer dans les applications de découpe 2d classiques. Il en a résulté le développement d'une nouvelle forme de corps solide : le laser à disque et le laser à fibre. Ces deux types de construction sont disponibles sur le marché avec une puissance élevée. Ainsi, les avantages économiques et techniques du laser à solide peuvent être utilisés pour le traitement des matériaux.
Au départ, le laser à fibre ne disposait que d'une très faible puissance, suffisante pour les exigences typiques du secteur. Grâce au développement et au couplage des sources de rayonnement sous forme modulaire, des lasers à fibre de haute puissance et à très haut rendement ont vu le jour.
Un autre laser utilisé pour le traitement des matériaux est le laser à diode haute puissance (HLDL), dont les capacités de puissance sont de six kW et plus. L'avantage particulier du HLDL est son rendement très élevé, supérieur à 40%. Avec un volume de construction nettement plus faible, les appareils HLDL sont en outre moins encombrants que tous les autres types de laser pour le traitement des matériaux.
L'optimisation continue de la qualité du faisceau ouvre de plus en plus de possibilités d'utilisation : la technologie a fait ses preuves dans le soudage des plastiques ainsi que dans le brasage et la trempe au laser. Les bons résultats obtenus dans le domaine du soudage par conduction thermique témoignent également de la puissance du laser.
Les lasers à excimère fonctionnent en mode pulsé avec une puissance de sortie moyenne de 200 W maximum. Ils sont principalement utilisés pour l'usinage fin et le micro-usinage et peuvent fonctionner avec différents mélanges de gaz rares et d'halogènes.
Les excimères (excited dimers) sont des molécules instables de gaz rare et d'halogène avec une courte durée de vie qui sont générées dans le laser. Celui-ci émet dans la gamme de longueurs d'onde UV comprise entre 190 et 350 mm. Le rendement est de deux pour cent maximum. La dissipation de la chaleur perdue se fait également par circulation de gaz.
Dans le domaine du traitement des matériaux par laser, la haute intensité et la netteté de la focalisation du rayonnement laser sont utilisées pour la découpe, le perçage, le soudage, la structuration, le marquage et le traitement de surface des matériaux les plus divers.
Dans la découpe laser classique, le rayonnement laser est focalisé sur ou dans la pièce à découper à l'aide d'une lentille ou d'un miroir.
Selon l'énergie de rayonnement appliquée, le matériau fond, brûle ou s'évapore. Un flux de gaz coaxial au faisceau laser élimine le matériau de la ligne de coupe. Lorsque des gaz de traitement inertes sont utilisés, on parle de découpe laser par fusion. Le tronçonnage à l'oxygène est appelé oxycoupage laser.
L'usinage peut être optimisé grâce à des paramètres modifiables tels que la puissance du laser, la vitesse d'avance, la position du foyer, la distance focale de la lentille, le type et la pression du gaz de traitement. Tous les matériaux qui absorbent suffisamment le rayonnement laser peuvent être découpés.
Lors de la découpe laser, le gaz de traitement a pour fonction d'expulser le matériau à découper hors du trait de coupe de la pièce. Il protège également la lentille de focalisation contre les projections de matière et les vapeurs ascendantes.
Lors de la découpe par fusion laser, l'ensemble du canal de coupe doit être chauffé par le faisceau laser au moins à la température de fusion et maintenu à ce niveau, puis soufflé par un gaz inerte ou inerte. En raison de l'absence de réaction exothermique, les vitesses de coupe de la découpe par fusion sont inférieures à celles de la découpe par oxycoupage.
Pour la découpe laser par fusion de l'acier inoxydable, on utilise de l'azote 5.0 (99,999 % en volume) afin d'éviter l'oxydation du trait de coupe. Des couleurs de ternissement sont possibles à partir d'une teneur en oxygène de seulement 30 ppm dans le gaz de coupe. L'azote inerte garantit toutefois une fusion sans oxyde. Le résultat est une surface de coupe nue qui ne nécessite aucune retouche.
Au début, la découpe laser par fusion était réalisée à des pressions de 8 bars maximum. Aujourd'hui, la technologie améliorée permet d'atteindre des pressions de 12 à 20 bars, c'est pourquoi la découpe par fusion laser est également appelée découpe haute pression. Ces pressions plus élevées permettent de compenser en partie la vitesse de découpe plus lente que celle de l'oxycoupage.
Pour les matériaux très fins, on obtient même des vitesses presque identiques. En général, contrairement à l'oxycoupage, la pression de coupe et la consommation nécessaires pour la découpe sans oxyde augmentent avec l'épaisseur du matériau. Outre la découpe de l'acier inoxydable, le découpage par fusion est également utilisé pour découper l'acier. Cela permet d'éviter les opérations de finition avant les étapes de traitement ultérieures (par exemple, le revêtement en poudre). L'azote est également utilisé pour la découpe par fusion de l'aluminium. L'argon ou l'hélium sont plus rarement utilisés comme gaz de traitement.
Le soudage laser est un procédé de soudage atmosphérique. Il permet le soudage par points et le soudage de joints, généralement sans fluide supplémentaire. On distingue le soudage par conduction thermique et le soudage profond.
Dans le cas du soudage par conduction thermique, le faisceau laser est guidé dans le matériau par conduction thermique. Il en résulte une soudure plate et large. L'effet de soudage profond ne se produit qu'avec des intensités de faisceau plus élevées : Le faisceau laser est réfléchi en profondeur dans le plasma généré dans le joint de soudure, créant ainsi un joint de soudure particulièrement profond. Afin de garantir la qualité élevée de la soudure et d'augmenter la vitesse, un gaz de protection est généralement utilisé. Celui-ci isole la pièce à souder de l'air ambiant et a également une influence positive sur le plasma de soudage.
Les gaz de traitement remplissent deux fonctions importantes dans le soudage au laser : D'une part, ils ont une influence positive sur le plasma dans le cordon de soudure et, d'autre part, ils protègent le matériau de soudage des influences indésirables de l'air ambiant. L'hélium et l'argon avec des puretés à partir de 4,6 (99,996 % en volume) sont idéaux pour cela.
Le flux de gaz est directement dirigé vers le lieu d'usinage. Si la pression du gaz est trop faible, la fonction de gaz de protection n'est pas garantie. Si la pression est trop élevée, la force exercée sur la matière en fusion peut influencer la géométrie du joint de manière incontrôlée. L'optimum est atteint lorsqu'une cloche de protection fermée de gaz inerte se forme. Les effets de plasma générés lors du soudage doivent être contrôlés par le choix du type de gaz, surtout si l'on utilise unlaser CO2. La plupart du temps, les meilleurs résultats sont obtenus avec de l'hélium, mais l'argon et les gaz mixtes sont également souvent utilisés.
Le traitement de surface au laser (trempe, refusion, revêtement) est encore peu répandu. La trempe s'effectue en dessous de la température de fusion par auto-trempe sans agent de refroidissement externe et est utilisée sur des parties de pièces complexes. La refusion a lieu au-dessus de la température de fusion et est principalement utilisée pour les matériaux coulés.
Le revêtement est réalisé en appliquant le matériau étranger, généralement sous forme de poudre, au-dessus de la température de fusion. La résistance à l'usure du matériau traité peut ainsi être considérablement augmentée.
Le traitement de surface au laser ne nécessite généralement pas de gaz de traitement lorsque le processus se déroule en dessous du point de fusion du matériau traité (par exemple, pour la trempe au laser). Pour la refusion et le revêtement au laser, on utilise souvent de l'azote 3.0 (99,9 % en volume), mais aussi de l'argon et de l'hélium 4.6 (99,996 % en volume) afin d'éviter toute réaction avec l'air ambiant.
Le perçage laser permet de réaliser des trous d'un diamètre compris entre environ 10 μm et 1 mm. Ce procédé est intéressant pour réaliser des trous de buse, des trous de refroidissement, des trous d'huile à des fins de lubrification ainsi que des trous obliques dans des surfaces de guidage d'air. Il est également possible de réaliser des diamètres d'alésage extrêmement petits.
En savoir plus sur les procédés, les applications et les services liés aux gaz de soudage, de coupage et laser.
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