Laser CW et laser QCW en soudage

Caractéristiques de la distribution d'énergie

Une caractéristique notable des lasers CW est leur distribution énergétique gaussienne, où la distribution énergétique de la section transversale du faisceau laser diminue du centre vers l'extérieur selon une distribution gaussienne (normale). Cette caractéristique de distribution permet aux lasers CW d'atteindre une précision de focalisation et une efficacité de traitement extrêmement élevées, notamment dans les applications nécessitant un déploiement d'énergie concentrée.

Diagramme de distribution d'énergie du laser CW

Avantages du soudage laser à onde continue (CW)

Perspective microstructurale

L'examen de la microstructure des métaux révèle des avantages distincts du soudage laser à onde continue (CW) par rapport au soudage pulsé à onde quasi continue (QCW). Le soudage pulsé QCW, limité par sa fréquence limite, généralement autour de 500 Hz, doit faire un compromis entre taux de recouvrement et profondeur de pénétration. Un faible taux de recouvrement entraîne une profondeur insuffisante, tandis qu'un taux de recouvrement élevé limite la vitesse de soudage et réduit l'efficacité. En revanche, le soudage laser CW, grâce à un choix de diamètres de noyau laser et de têtes de soudage appropriés, permet un soudage efficace et continu. Cette méthode s'avère particulièrement fiable dans les applications exigeant une étanchéité élevée.

Considérations sur l'impact thermique

Du point de vue de l'impact thermique, le soudage laser pulsé QCW présente un problème de chevauchement, ce qui entraîne un échauffement répété du cordon de soudure. Cela peut entraîner des incohérences entre la microstructure du métal et celle du matériau de base, notamment des variations de taille des dislocations et de vitesse de refroidissement, augmentant ainsi le risque de fissuration. Le soudage laser continu, quant à lui, évite ce problème en assurant un processus de chauffage plus uniforme et continu.

Facilité de réglage

En termes de fonctionnement et de réglage, le soudage laser QCW exige un réglage précis de plusieurs paramètres, notamment la fréquence de répétition des impulsions, la puissance de crête, la largeur d'impulsion, le rapport cyclique, etc. Le soudage laser CW simplifie le processus de réglage, se concentrant principalement sur la forme d'onde, la vitesse, la puissance et le degré de défocalisation, ce qui simplifie considérablement les opérations.

Progrès technologiques dans le soudage laser CW

Si le soudage laser QCW est réputé pour sa puissance de crête élevée et son faible apport thermique, bénéfiques pour le soudage de composants thermosensibles et de matériaux à parois extrêmement fines, les progrès de la technologie de soudage laser CW, notamment pour les applications à forte puissance (généralement supérieures à 500 watts) et le soudage à pénétration profonde basé sur l'effet trou de serrure, ont considérablement élargi son champ d'application et son efficacité. Ce type de laser est particulièrement adapté aux matériaux d'une épaisseur supérieure à 1 mm, permettant d'obtenir des rapports d'aspect élevés (supérieurs à 8:1) malgré un apport thermique relativement élevé.

Soudage laser à onde quasi continue (QCW)

Distribution d'énergie ciblée

QCW (Quasi-Continuous Wave) est une technologie laser où le laser émet de la lumière de manière discontinue, comme illustré à la figure a. Contrairement à la distribution énergétique uniforme des lasers continus monomodes, les lasers QCW concentrent leur énergie de manière plus dense. Cette caractéristique leur confère une densité énergétique supérieure, se traduisant par une meilleure pénétration. L'effet métallurgique qui en résulte s'apparente à un « clou » avec un rapport profondeur/largeur significatif, ce qui permet aux lasers QCW d'exceller dans les applications impliquant des alliages à haute réflectance, des matériaux thermosensibles et le microsoudage de précision.

Stabilité améliorée et interférence réduite du panache

L'un des principaux avantages du soudage laser QCW est sa capacité à atténuer les effets du panache métallique sur le taux d'absorption du matériau, ce qui améliore la stabilité du procédé. Lors de l'interaction laser-matériau, une évaporation intense peut créer un mélange de vapeur métallique et de plasma au-dessus du bain de fusion, communément appelé panache métallique. Ce panache peut protéger la surface du matériau du rayonnement laser, provoquant une alimentation en puissance instable et des défauts tels que des projections, des points d'explosion et des piqûres. Cependant, l'émission intermittente des lasers QCW (par exemple, une salve de 5 ms suivie d'une pause de 10 ms) garantit que chaque impulsion laser atteint la surface du matériau sans être affectée par le panache métallique, ce qui se traduit par un procédé de soudage remarquablement stable, particulièrement avantageux pour le soudage de tôles minces.

Dynamique stable du bassin de fusion

La dynamique du bain de fusion, notamment en termes de forces agissant sur le trou de serrure, est cruciale pour déterminer la qualité de la soudure. Les lasers continus, en raison de leur exposition prolongée et de leurs zones thermiquement affectées plus larges, ont tendance à créer des bains de fusion plus importants remplis de métal liquide. Cela peut entraîner des défauts associés à de grands bains de fusion, comme l'effondrement du trou de serrure. En revanche, l'énergie focalisée et le temps d'interaction plus court du soudage laser QCW concentrent le bain de fusion autour du trou de serrure, ce qui se traduit par une répartition plus uniforme des forces et une incidence moindre de porosité, de fissures et de projections.