Principe de fonctionnement
Le faisceau laser généré dans la source de rayonnement est dirigé vers la pièce à usiner à l'aide de systèmes de miroirs ou de fibres optiques, selon le type de laser, puis focalisé sur la pièce à usiner. À la surface de la pièce, la lumière laser est absorbée et transformée en chaleur. En cas de mouvement relatif entre le rayon laser focalisé et la pièce à usiner, celle-ci fond sous l'effet de son énergie et produit ainsi un cordon de soudure.
Toutes les configurations de soudure ne sont pas adaptées au soudage au laser. Il existe quatre types standard:
- Joint bout à bout (soudure en I)
- Joint de recouvrement (soudure d'angle)
- Joint de chevauchement (joint en I)
- Soudure de face
Lors du soudage au laser, il est particulièrement important de serrer et d'aligner correctement les pièces à assembler, si possible sans laisser de fente. Si la fente est supérieure à environ 10 % de l'épaisseur de la tôle, le rayon laser ne peut plus transmettre d'énergie et rayonne simplement à travers le joint. Il en résulte des défauts de soudure. Une structure de surface appropriée est tout aussi importante. Si la surface de la pièce est trop réfléchissante, l'énergie du laser ne peut pas être absorbée par la pièce et celle-ci ne fond donc pas. Cet effet peut par exemple se produire sur de l'aluminium nu.
Variantes de processus
Il existe essentiellement deux manières différentes de souder avec le faisceau laser:
- Soudage par conduction thermique: Par conduction thermique, l'énergie apportée à la surface s'écoule dans la pièce.
- Soudage en profondeur: En formant un capillaire de vapeur, le faisceau laser pénètre profondément dans le matériau.
Le soudage par conduction thermique est typique du soudage avec une faible puissance de faisceau laser (< 500 W), ici l'intensité n'est pas suffisante pour former un capillaire de vapeur. Le cordon de soudure est relativement large et peu profond.
Le soudage profond s'observe lorsque l'intensité du faisceau est d'au moins 105 W/mm2, donc régulièrement lors de l'utilisation de lasers de forte puissance. Le matériau est alors fondu et partiellement vaporisé. La pression de la vapeur déplace la masse fondue, ce qui permet la formation d'un capillaire de vapeur (keyhole en anglais). Le taux d'absorption du rayonnement laser est particulièrement élevé dans le capillaire de vapeur, car le rayonnement laser est réfléchi plusieurs fois sur les parois, l'énergie étant à chaque fois transmise au matériau. Il est ainsi possible de réaliser des soudures profondes et minces pouvant atteindre 20 mm de profondeur, voire plus.
Pendant le soudage profond, le capillaire de vapeur présente parfois des conditions que la physique désigne par le terme de «plasma», par exemple de la vapeur métallique ionisée et des températures élevées dépassant nettement 10 000 K. Le plasma absorbe très bien le rayonnement laser et contribue à transmettre l'énergie du faisceau laser dans le matériau.
La pression élevée qui se forme dans le capillaire de vapeur pousse la vapeur métallique/le plasma vers le haut et forme une torche de plasma ou un nuage de plasma. Selon l'étendue de cette torche ou de ce nuage, le rayonnement laser est absorbé, défocalisé et élargi, ce qui modifie la taille de la tache focale, la position du foyer et l'intensité. Il en résulte une profondeur de soudage réduite et une section de soudure en forme de T en raison de l'apport de chaleur plus élevé par le nuage de plasma sur la face supérieure de la pièce. Si l'absorption par le nuage de plasma est trop forte, le processus de soudage s'interrompt même complètement.
Le nuage de plasma se caractérise par une intense lueur bleue et se compose d'atomes, d'ions et d'électrons métalliques ainsi que de composants de l'atmosphère gazeuse environnante. Un plasma peut également être créé dans une atmosphère gazeuse pure, en particulier si de l'argon est impliqué.
La longueur d'onde plus courte du rayonnement laser Nd:YAG par rapport au rayonnement laser CO2 présente moins d'interaction avec le nuage de plasma au-dessus du capillaire de vapeur au-dessus de la pièce à usiner. Les problèmes de ce type sont donc nettement moins fréquents.
