Structure du laser Nd: YAG (avec schéma)
Après avoir lu cet article, vous découvrirez la structure du laser Nd: YAG à l'aide de diagrammes appropriés.
Un laser Nd: YAG se compose d’un résonateur, de miroirs réfléchissants et émetteurs et d’une unité d’alimentation, comme illustré schématiquement à la Fig. 14.26.
Le résonateur ou cavité optique du laser Nd: YAG consiste en une lampe flast, une tige laser, un réflecteur et des miroirs. La tige laser est un grenat d'aluminium yttrium (YAG) constitué d'un cristal isométrique Y 3 A 15 O 12 implanté avec des ions néodyme (Nd) à 1% bien répartis. Ce cristal a été développé par Geusic et al en 1962. Sa conductivité thermique est 10 fois supérieure à celle du verre. Une oscillation continue est possible avec YAG.
Les ions Nd 3+ forment le milieu oscillant pour donner une action laser à quatre niveaux typique des lasers à solide. Les quatre niveaux d'énergie désignés par E 0 à E 3 et une transition laser des ions Nd 3+ sont illustrés à la Fig. 14.27. Même si la concentration en ions Nd 3+ dans le cristal augmente, le spectre de la lumière oscillante ne devient pas large, car la valence et le rayon ionique de Nd 3+ ne sont pas très différents de ceux de Y 3+ .
Parmi les lasers à l'état solide, Nd: YAG est maintenant le plus populaire pour une utilisation en soudage. Les précédents lasers à rubis étaient plus populaires, mais le laser Nd: YAG est plus utilisé dans l'industrie en raison des bonnes caractéristiques thermiques des cristaux YAG. La Fig. 14.28 montre schématiquement les caractéristiques essentielles d'une unité de soudage au laser Nd: YAG.
L’alimentation de l’unité laser Nd: YAG génère des impulsions de courant de l’amplitude et de la durée souhaitées et les transmet à une lampe à arc électrique ou à une lampe flash à spirale. Le premier est utilisé pour les ondes continues oscillantes (CW) et le second pour la lumière à ondes pulsées (PW). La tige et la lampe d’excitation YAG sont installées dans la cavité d’un miroir réfléchissant. La forme de la cavité est un cylindre elliptique ou un double ellipsoïde; Certaines cavités typiques utilisées dans la pratique sont illustrées à la Fig. 14.29.
Une lumière maximale est pompée dans la tige laser à l'aide d'un assemblage réflecteur, ce qui incite les ions Nd à produire un faisceau laser par émission spontanée et stimulée. L'excitation pulsée de la tige laser a pour résultat la génération d'une impulsion de lumière laser ayant essentiellement la même durée d'impulsion que l'impulsion de courant provenant de l'alimentation. Bien que des lasers à onde continue Nd: YAG aient également été développés, ils ne sont pas encore largement utilisés pour le soudage.
La possibilité de contrôler les paramètres d'impulsion actuels permet de contrôler la profondeur de pénétration de la soudure, son profil et son apparence. Les durées d'impulsion typiques pour un laser de soudage Nd: YAG vont de 0, 5 à 20 m et le taux de répétition de 5 à 500 hertz.
Diamètre de tache de faisceau laser et nombre f :
Les diamètres de faisceau de sortie du laser augmentent avec la puissance nominale du laser. Par exemple, les lasers de 1, 5, 10 et 25 kW ont des diamètres de faisceau de l'ordre de 10, 25, 40 et 70 mm respectivement. La densité de puissance moyenne sur les diamètres est de l'ordre de 6 à 13 W / mm 2 ; la concentration réelle de puissance étant répartie en fonction du mode de faisceau (voir Fig. 14.17 A). Pour le soudage en trou de serrure par faisceau laser, des densités de puissance de l'ordre de 10 3 à 10 5 W / mm 2 nécessitent la focalisation du faisceau laser sur un très petit spot de seulement une fraction de mm de diamètre.
La taille du point focalisé est déterminée par les diamètres du faisceau laser, la distance focale de l'optique de focalisation utilisée, le mode du faisceau et l'angle de divergence du faisceau (l'angle de divergence est l'angle auquel le faisceau laser presque parallèle se propage à la sortie du laser).
Les lasers de soudage Nd: YAG ont généralement des angles de divergence de faisceau plus grands que les lasers à CO2 et ne peuvent donc pas être focalisés sur de très petites tailles de spots sans utiliser un collimateur placé devant la lentille de focalisation (c.-à-d. Un télescope en marche arrière).
La taille approximative du point focalisé pour ces lasers est généralement estimée à l'aide de la formule suivante:
Diamètre de la tache focalisée = 2θF… (14.1)
où,
θ = l'angle de divergence (radians) du faisceau laser lorsqu'il quitte le laser ou le collimateur,
F = la distance focale (mm) de la lentille de focalisation utilisée.
Le diamètre du point focalisé est un paramètre important mais, d’un point de vue pratique, le nombre de focalisation est plus utile pour établir des conditions de soudage tolérantes, le nombre f étant défini comme le rapport entre la distance focale de l’optique de focalisation (F) et le diamètre du faisceau laser ( Mourir,
Numéro de mise au point = F / D… (14.7)
Le diamètre du faisceau incident, Fig. 14.30, est établi pour les lasers Nd: YAG en prenant une impression photographique.
À moins que la vitesse de soudage ne soit primordiale, il est préférable de choisir la taille du point focalisé pour le soudage en fonction du nombre f de 4 pour les lasers Nd: YAG et de 7, 5 pour les lasers à CO 2 .
Taille du point focalisé, profondeur de la mise au point et position de la mise au point:
Pour obtenir la densité de puissance requise pour le soudage en trou de serrure (10 3 à 10 5 W / mm 2 ), la sélection et la maintenance de la taille du point focalisé sont primordiales. Cela nécessite une sélection appropriée des optiques de focalisation qui déterminent la taille du point de focalisation.
Lorsque la lumière est focalisée, les rayons convergent vers un très petit diamètre de taille, d, et une longueur, L, Fig. 14.30, avant de diverger à nouveau. Le diamètre minimum exact de la taille et la longueur atteinte dépendent du type d’optique; sa distance focale, F; le diamètre du faisceau D incident sur l'optique, que le faisceau incident soit convergent ou divergent; le numéro TEM du faisceau; la longueur d'onde de la lumière et la puissance du laser.
Gaz de protection :
Un gaz de protection est utilisé en soudage au laser pour protéger le métal en fusion de l’oxydation et pour protéger la transmission du faisceau laser lorsqu’il se concentre sur le travail qui garantit une bonne pénétration en minimisant la dilatation et la dispersion du faisceau pouvant être causées par les vapeurs et les gaz autour du trou de serrure de soudure.
Les gaz de protection couramment utilisés pour le soudage au laser sont l'argon, le CO 2, l'hélium et l'OFN (azote exempt d'oxygène). Assez souvent, cependant, des soudures ponctuelles satisfaisantes peuvent être réalisées avec le laser Nd: YAG sans aucun gaz de protection, car la soudure est fondue pendant une période trop courte pour provoquer des dommages oxydants.
Toutefois, lors de la réalisation de soudures en continu ou en bout avec des points qui se chevauchent, Ar ou OFN est généralement utilisé pour les lasers jusqu’à 300 W. Au-dessus de ce niveau de puissance, le blindage anti-gaz devient plus critique et peut affecter la profondeur de pénétration et l’aspect.
Pour les lasers Nd: YAG fonctionnant dans la plage de puissance de 1 kW, le problème du contrôle de la pénétration est résolu par l’utilisation de Ar + 20% CO 2 ou Ar + (1-2)% O 2 comme gaz de protection, mais une légère oxydation de le métal de soudure peut être causé par eux. L'hélium peut également être utilisé avec le laser Nd: YAG, mais il est signalé qu'il provoque une plus grande porosité de la soudure qu'avec l'utilisation de l'OFN.
Le débit de gaz nécessaire dépend principalement de la puissance du laser. Par exemple, un gaz (faible débit de 10 à 20 lit / min. Suffit pour un laser d’une capacité jusqu’à 3 kW. Lorsqu’un dispositif de protection coaxial ou à tube latéral est correctement positionné. Pour des puissances de 3 à 5 kW, des taux de 15 à 30 litre / min, et pour ceux entre 5 et 10 kW, des taux de 25 à 40 litre / min sont suggérés.
Dispositifs de protection contre les gaz:
Pour le soudage au laser Nd: YAG, on utilise généralement un simple dispositif de protection de tube latéral, comme illustré à la Fig. 14.31, en particulier lorsque des soudures par points placées avec précision sont requises. En effet, le tube latéral offre un bon accès visuel à la zone cible pour le soudage par points.
Lorsque vous effectuez des soudures continues en continu et bout à bout, une protection de jupe annulaire coaxiale au faisceau laser, illustrée à la Fig. 14.32, assure une protection fiable des soudures. Le dispositif de protection de buse coaxial, illustré à la Fig. 14.33, est toutefois plus pratique lorsque le pistolet laser est manipulé par un robot. Il assure également une certaine protection contre les projections de soudure, car la force du flux de gaz coaxial s'opposera partiellement à toute particule se déplaçant le long du trajet du faisceau.
Conditions d'établissement des lasers Nd: YAG:
Le soudage avec des trous de serrure n’est généralement pas possible avec les lasers Nd: YAG avec une puissance de sortie inférieure à 500 W. À des puissances moyennes faibles (400 W) et une synchronisation des impulsions correspondante de 4 à 8 m s, la profondeur de pénétration est généralement limitée à la taille du diamètre du spot, est de l'ordre de 0, 5—1 mm.
Les lasers Nd: YAG à haute puissance (> 800 W) avec une durée d'impulsion de 2 m voir et une fréquence de répétition des impulsions élevée de 500 Hz peuvent produire des soudures de type trou de serrure avec un rapport d'aspect élevé de la profondeur à la largeur. Cependant, à ce niveau de puissance, des soudures plus profondes, avec un facteur de forme réduit, seraient obtenues avec des longueurs d'impulsion et des taux de répétition supérieurs à 25 Hz. Il existe une tendance dans la formation de la soudure qui se produit lorsque la largeur d'impulsion et le taux de répétition sont ajustés en fonction de la puissance du laser, comme indiqué sur la Fig. 14.34.
Il est indiqué qu'une soudure continue de 0, 5 mm de profondeur peut être obtenue à une vitesse de soudage supérieure à 3 m / min. à un taux de répétition des impulsions de 500 Hz avec une puissance moyenne de 1 KW. Pour réaliser des soudures profondes et étroites à des vitesses élevées, des largeurs d'impulsion courtes sont nécessaires. Cependant, des précautions doivent être prises lors de l'utilisation d'impulsions courtes (<1 m, voir) et d'une puissance élevée (par exemple, 1 kW), car une sous-coupe de la soudure peut se produire par suite d'une vaporisation excessive et d'une éjection de matériau.
Configuration conjointe :
Outre les joints illustrés à la Fig. 14.21, le soudage au laser Nd: YAG peut être appliqué à la plupart des configurations d'assemblage de base des plaques et des tuyaux, comme indiqué à la Fig. 14.35, tandis que la Fig. 14.36 montre les assemblages de base en tôle pouvant être réalisés au laser. soudé.
Fig. 14.36 Configuration de base des joints en tôle pouvant être soudés au laser
Certaines configurations de joint typiques qui aident le faisceau laser à accéder au joint et à l'emplacement des pièces sont illustrées à la figure 14.37; ceux-ci sont pratiques à concevoir en épaisseur de 3 mm ou plus. De tels joints se prêtent à la fabrication d’équipements de précision et de machines-outils et, s’ils sont soigneusement appliqués, ainsi que la faible distorsion offerte par le soudage au laser, peuvent permettre de minimiser les surépaisseurs d’usinage après soudage.
Performance de l'équipement:
Il est possible qu'une cavité laser avec un défaut de milieu optique ou laser produise la puissance laser requise mais avec une structure de mode de faisceau déformée ou différente, affectant ainsi la taille du foyer et, par conséquent, la densité de la puissance de soudage. Le vieillissement des lampes flash Nd: YAG peut créer un tel problème.
Les analyseurs de faisceaux laser sont utilisés pour examiner la forme en coupe transversale des faisceaux laser et leurs structures de mode. Un tel dispositif peut être utilisé pour vérifier les caractéristiques du faisceau pendant l'opération de soudage et ainsi fournir une méthode d'assurance qualité vis-à-vis du faisceau laser. Certains analyseurs n’affichent que l’image bidimensionnelle du profil du faisceau. Toutefois, les analyseurs plus récents ont la possibilité d’afficher, à l’aide de graphiques informatiques, une image isométrique tridimensionnelle, comme illustré à la Fig. 14.38.
Manipulation du faisceau laser:
Le laser Nd: YAG est très polyvalent pour la manipulation de faisceaux et lorsqu'un seul laser est nécessaire pour travailler sur plusieurs postes de travail. Ceci est dû au fait que la longueur d'onde courte de 1, 06 mm du laser Nd: YAG peut être transmise via une fibre optique avec une perte de puissance très faible. Cette capacité signifie que le faisceau laser peut être acheminé directement de l'unité laser par un câble flexible vers un pistolet laser monté sur le poignet articulé d'un bras de robot (Fig. 14.39) sans perte de puissance significative.
Le laser Nd: YAG est donc parfaitement adapté à l’automatisation de la production. De plus, le laser peut être positionné à une certaine distance de la chaîne de production et un faisceau laser y est dirigé. Un laser peut utiliser plusieurs postes de travail pour commuter le faisceau laser d’un poste à l’autre, tout en soudant un poste. Le chargement et le déchargement partiel des wagons ont lieu dans d’autres postes. D'autre part, plusieurs stations très différentes peuvent partager dans le temps un laser.
Le faisceau multimode issu d'un laser Nd: YAG peut être divisé (Fig. 14.40 (a)) en insérant des miroirs de pliage de faisceau décalés dans et à travers le trajet du faisceau. Ainsi, le système de fractionnement de faisceau, associé à un système de livraison de faisceau de fibres optiques, peut effectuer plusieurs soudures simultanément sur un ou plusieurs postes de travail. En variante, le faisceau peut être commuté de manière séquentielle, 14.40 (b), en différents points, souvent jusqu’à 30 m.
Il existe des systèmes de soudage micro-points industriels dans lesquels le faisceau est basculé entre huit postes de travail à une fréquence pouvant atteindre 40 fois par seconde. Lorsque le faisceau laser Nd: YAG est divisé, la forme impaire de chaque section transversale est homogénéisée en une forme focalisable en la transmettant par le biais de fibres optiques.
Les systèmes de livraison de faisceaux de fibres optiques sont de loin les plus simples et les plus polyvalents. Le matériau des fibres optiques est du SiO 2 (quartz) et son diamètre est généralement inférieur à 1 mm.
Pour une efficacité maximale de la transmission du faisceau, les extrémités de la fibre doivent être hautement polies, parfaitement carrées et concentriques à l'axe optique des lentilles positionnées à chaque extrémité de la fibre. De plus, la position de focalisation du faisceau entrant doit être précise par rapport à l'extrémité de la fibre.
L'efficacité de la transmission du faisceau est également compromise si la fibre est pliée trop étroitement. Une fibre de SiO 2 de 0, 5 mm de diamètre a un rayon de courbure admissible d’environ 100 mm avant que l’efficacité ne soit altérée, tandis que pour une fibre de 1 mm de diamètre, le rayon de sécurité est au moins deux fois plus grand. En règle générale, la perte totale de puissance laser pour un système laser Nd: YAG et une fibre optique ne dépasse pas 10-15%.
Les assemblages de fibres optiques utilisés pour transmettre les puissances de soudage au laser sont spécifiques et assez différents de ceux utilisés en électronique. Celles utilisées pour le soudage sont protégées par une gaine solide et robuste, qui comprend un tube en acier flexible et une gaine en nylon, comme illustré à la Fig. 14.41. Bien que ces mesures protègent adéquatement la fibre optique, leur fonction principale est de résister aux dommages industriels accidentels pouvant causer une fracture et au dégagement de la lumière laser pouvant entraîner des conséquences dangereuses.
Risques liés au faisceau laser:
Un faisceau laser non focalisé s'échappant accidentellement du trajet de transmission du faisceau est capable de parcourir plusieurs centaines de mètres dans l'air avant de se dilater suffisamment pour être sûr. Si, par contre, un faisceau focalisé tombe accidentellement sur la peau, il peut provoquer des brûlures très profondes, voire graves. Cependant, un faisceau focalisé se dilate beaucoup plus rapidement au-delà du point de focalisation, atteignant généralement un diamètre de sécurité après quelques mètres.
La distance précise dépend du nombre de focus f; plus le nombre est bas, plus le taux d'expansion du faisceau est élevé. Un danger peut également survenir du fait de la réflexion d'un faisceau focalisé depuis la surface de la pièce, en particulier si le faisceau incident est incliné par rapport à la pièce à un angle inférieur à 70 °.
Étant donné que la lumière laser émise par le laser Nd: YAG ou le CO2 est invisible à l’œil humain et qu’elle se déplace à une vitesse extrêmement élevée d’environ 300 000 km / s, tout faisceau laser réfléchi s’échappant frappera instantanément toute personne se trouvant sur son passage, provoquant de graves brûlures de la peau. Un faisceau laser de haute puissance non focalisé de plusieurs mm de diamètre en cas d’incident sur le corps pourrait en mutiler un à vie.
La lumière laser émise par le laser Nd: YAG avec une longueur d'onde de 1, 06 pm est particulièrement dangereuse pour les yeux car le cristallin dans l'œil peut focaliser cette longueur d'onde sur un très petit point sur la rétine et causer de graves brûlures oculaires. Malheureusement, la rétine ne détecte pas la douleur causée par de telles taches aveugles, de sorte que les lésions oculaires peuvent ne pas se produire immédiatement. Des tests oculaires réguliers destinés au personnel laser devraient donc être rendus obligatoires pour détecter au plus tôt un tel dommage.
En plus des dommages causés à la personne, la lumière laser émise peut déclencher des incendies et faire facilement fondre la tuyauterie et les recouvrements de câbles, entraînant ainsi des situations dangereuses non souhaitées en affectant le fonctionnement en toute sécurité des autres installations. Il faut garder à l'esprit qu'un faisceau laser non focalisé provenant d'un laser de plusieurs kilowatts, s'il a le temps voulu, brûlera facilement à travers des plaques d'acier et même des briques à feu.
Étant donné que le verre et l'acrylique sont transparents au faisceau laser d'une longueur d'onde de 1, 06 pm émis par le laser Nd: YAG, ces matériaux ne doivent donc pas être utilisés pour fournir des fenêtres de visualisation, à moins qu'ils ne soient revêtus d'un revêtement spécial en film absorbant.
En raison du risque élevé de lésions oculaires graves causées par un laser Nd: YAG, au lieu d’une fenêtre de visualisation, un système de télévision en circuit fermé convient mieux à la visualisation de l’opération de soudage; avec la caméra et les filtres appropriés, les observations de près peuvent être effectuées en toute sécurité.
