Comprendre le soudage laser : principe de fonctionnement d'un soudeur laser

Un laser est un faisceau d'énergie lumineuse concentrée généré à une longueur d'onde spécifique. Dans la nature, la lumière existe sur un spectre de longueurs d'onde, allant des plus courtes (rayons X et gamma) aux plus longues (ondes radio). L'œil humain ne perçoit que la lumière visible ou « lumière blanche » autour de 430-690 nanomètres (nm). Un faisceau laser est une concentration amplifiée d'énergie lumineuse à une longueur d'onde précise. C'est une lumière cohérente, ce qui permet de la focaliser sur un point très serré et de maintenir un faisceau étroit sur de longues distances. Le mot « laser » est un acronyme signifiant Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de la lumière par émission stimulée de radiation).

Principe de fonctionnement du soudeur laser

Un faisceau laser est produit à l'intérieur d'un cristal de rubis. Ce cristal est composé d'oxyde d'aluminium avec du chrome dispersé à travers lui, formant environ 1/2000 du cristal, soit moins que dans un rubis naturel. Des miroirs argentés sont installés à l'intérieur des deux faces du cristal. L'un des miroirs possède un minuscule trou par où sort le faisceau.

Un tube à flash est placé autour du cristal de rubis, rempli de xénon, un gaz inerte. Ce tube est spécialement conçu pour produire un taux de flash de plusieurs milliers par seconde.

L'énergie électrique est convertie en énergie lumineuse par le tube à flash. Un condensateur stocke l'énergie électrique et fournit la haute tension nécessaire au tube à flash pour fonctionner correctement.

L'énergie électrique déchargée par le condensateur et le xénon transforment l'énergie en flashs lumineux blancs à un taux de 1/1000 par seconde.

Les atomes de chrome du cristal de rubis sont excités et pompés vers un niveau d'énergie élevé. Une partie de cette énergie est perdue sous forme de chaleur. Mais une partie de l'énergie lumineuse est réfléchie de miroir en miroir, excitant à nouveau les atomes de chrome jusqu'à ce qu'ils perdent simultanément leur énergie excédentaire pour former un faisceau cohérent et étroit. Ce faisceau sort par le minuscule trou du miroir du cristal.

Ce faisceau étroit est focalisé par une lentille optique de focalisation pour produire un petit faisceau laser intense sur la pièce à travailler.

Interaction du faisceau laser avec la matière

L'absorption de l'énergie laser par un matériau varie selon plusieurs facteurs : longueur d'onde, épaisseur du matériau, structure cristalline, additifs, structure moléculaire, etc. Le processus tire parti de ces propriétés matérielles et du laser pour créer une liaison entre deux matériaux plastiques — l'un qui transmet l'énergie laser et l'autre qui l'absorbe.

Lorsqu'un faisceau laser rencontre un matériau tel que du plastique, il est soit transmis, soit réfléchi, soit absorbé, selon la longueur d'onde et la composition du matériau. La plupart des matériaux présentent une certaine mesure des trois effets, mais dans des proportions variables. Un matériau peut être optiquement clair pour la lumière visible et très absorbant pour un laser infrarouge, ou opaque à nos yeux mais transparent au laser infrarouge.

Mécanique du soudage laser

Le soudage laser est un processus qui produit la coalescence des matériaux grâce à la chaleur obtenue par l'application d'un faisceau de lumière cohérent concentré sur les surfaces à assembler.

Il s'effectue à travers les phases suivantes :

1. Interaction du faisceau laser avec le matériau de la pièce.
2. Conduction thermique et élévation de température.
3. Fusion, vaporisation et assemblage : Lors de l'utilisation du faisceau laser pour le soudage, le rayonnement électromagnétique frappe la surface du métal de base avec une telle concentration d'énergie que la surface fond et se vaporise, et le métal en dessous fond également.