Alors que laser à fibre est la principale source laser pour le soudage, mais sa longueur d'onde proche de l'infrarouge (IR) est fortement réfléchie par certains métaux, en particulier le cuivre, ce qui limite son efficacité pour le traitement de ces matériaux. Par conséquent, les lasers verts à l'état solide de haute puissance sont apparus comme une alternative potentielle pour le soudage du cuivre, car ces longueurs d'onde sont plus facilement absorbées par le cuivre. Toutefois, ces lasers verts présentent plusieurs limites pratiques, qui se traduisent en fin de compte par des coûts d'exploitation plus élevés.

Cet article présente des essais récents sur le soudage du cuivre à l'aide d'un nouveau type d'appareil de soudage. laser à fibre avec un faisceau central à haute luminosité et un mode annulaire réglable (ARM). Par rapport aux lasers verts de classe kilowatt disponibles dans le commerce, le mode ARM laser à fibre a obtenu une qualité de soudage supérieure, une meilleure pénétration à différentes vitesses de soudage et des avantages en termes de coût pour les tâches de soudage du cuivre. Ces résultats démontrent comment lasers à fibre offrent un faible coût, une grande fiabilité et une grande praticité pour les applications exigeantes de soudage du cuivre.

Fabrication de véhicules électriques

L'essor de l'industrie des véhicules électriques a considérablement stimulé la demande de solutions de soudage en cuivre. Comparé à d'autres métaux, le cuivre possède des propriétés électriques, thermiques, mécaniques et financières idéales, ce qui le rend largement utilisé dans les véhicules électriques pour des composants tels que les stators, les batteries et les systèmes de distribution d'énergie. Bon nombre de ces composants et systèmes impliquent le soudage du cuivre.

Cependant, si la conductivité et les propriétés thermiques élevées du cuivre en font un matériau idéal pour ces applications, elles posent également des problèmes lors de l'utilisation des technologies traditionnelles de l'information et de la communication (TIC). lasers à fibre pour le soudage. Plus précisément, ses propriétés électroniques se traduisent par une réflectivité élevée à la longueur d'onde proche de l'infrarouge de lasers à fibre. En outre, l'excellente conductivité thermique du cuivre nécessite une quantité importante d'énergie laser pour faire fondre le matériau et lancer le processus de soudage.

Ainsi, l'utilisation des lasers à fibre nécessite souvent une puissance extrêmement élevée pour atteindre la densité de puissance nécessaire à la fusion du matériau. Cependant, cette méthode de “force brute” peut rendre le processus de soudage instable et extrêmement sensible aux changements mineurs de la surface. Plus précisément, l'oxydation localisée de la surface ou les petites irrégularités de la surface peuvent provoquer une instabilité du processus, entraînant des soudures incohérentes, une mauvaise qualité de la surface et des porosités. En outre, les éclaboussures sont un problème courant, qui nécessite un traitement ultérieur fastidieux ou entraîne une réduction du rendement.

Lasers verts à l'état solide

Le cuivre absorbe la lumière verte beaucoup plus efficacement que la lumière proche infrarouge, mais seulement à température ambiante. L'énergie des lasers verts se couple plus efficacement avec la pièce à usiner, ce qui permet un processus plus stable et moins sensible que les lasers traditionnels. lasers à fibre. C'est pourquoi certains fabricants utilisent des lasers verts à semi-conducteurs de haute puissance, tandis que d'autres évaluent leur potentiel.

Cependant, le déploiement de lasers verts à haute puissance pour la fabrication de véhicules électriques pose d'importants problèmes pratiques. Certains problèmes découlent des propriétés et de la structure inhérentes à ces lasers verts.

Les lasers verts peuvent être générés en doublant la fréquence de la lumière laser proche de l'infrarouge, ce qui permet d'obtenir des lasers verts à l'état solide. lasers à fibre ou des lasers à disque. Bien que cette technologie soit largement utilisée dans les applications à faible puissance (inférieure au kilowatt), elle rencontre des difficultés dans la plupart des tâches industrielles de soudage du cuivre qui nécessitent une puissance de l'ordre du kilowatt. Plus précisément, le processus de doublement de la fréquence a une efficacité d'environ 50%. Ainsi, un laser infrarouge monomode de 4 kW est nécessaire pour produire une lumière verte de 2 kW. L'énergie non utilisée se transforme en chaleur, qui doit être dissipée par des systèmes de refroidissement à eau. Ces lasers sont donc inefficaces sur le plan énergétique, ce qui entraîne des coûts d'exploitation plus élevés et nécessite de grandes quantités d'eau de refroidissement. En outre, en raison de la puissance élevée, les cristaux doubleurs de fréquence se dégradent au fil du temps, ce qui peut entraîner des problèmes de fiabilité et de temps d'arrêt sans une surveillance constante.

HighLight™ ARM Laser à fibre

Lasers à fibre sont beaucoup plus économes en énergie que les lasers verts à l'état solide. En d'autres termes, ils nécessitent moins d'énergie pour fournir la même puissance nominale, produisant moins de chaleur résiduelle. Cela permet de réduire les coûts d'exploitation et de simplifier le refroidissement. En outre, les lasers verts sont plus efficaces sur le plan énergétique que les lasers à semi-conducteurs, lasers à fibre sont très fiables et transmettent efficacement la lumière infrarouge à travers les fibres optiques. Cependant, malgré ces caractéristiques idéales, lasers à fibre n'ont pas été largement utilisés pour le soudage du cuivre en raison des difficultés mentionnées précédemment.

Haute puissance lasers à fibre sont utilisés avec succès dans la production automobile depuis un certain temps. Cependant, les tâches de soudage les plus difficiles dans la production de véhicules électriques, en particulier pour les matériaux légers, nécessitent plus qu'une énergie de base et une puissance élevée. Dans la pratique, de nombreuses applications incluent :

Matériaux très fins ou sensibles à la chaleur

“Matériaux ”difficiles" à souder tels que l'aluminium, le cuivre et les aciers à haute résistance

Joints impliquant des matériaux différents

Pour répondre à ces tâches plus difficiles, le laser doit assurer deux fonctions principales. Tout d'abord, il doit offrir une énergie suffisante pour assurer le rendement requis. Pour les pièces plus épaisses, une puissance élevée est également nécessaire pour obtenir une pénétration adéquate du matériau. Deuxièmement, le laser doit contrôler avec précision la manière dont la puissance est distribuée sur la surface de travail, à la fois en termes de densité d'énergie par unité de surface et de densité d'énergie par unité de temps.

Coherent a introduit la série HighLight de modes d'anneaux ajustables (ARM). lasers à fibre, Le coût et les avantages pratiques de ces sources lumineuses sont ainsi appliqués à des applications que les technologies traditionnelles ne permettent pas de traiter entièrement. Dans ces tâches, il est essentiel de contrôler soigneusement la distribution et la densité de puissance sur la surface de travail pour produire des soudures de haute qualité (réduction des éclaboussures, minimisation des fissures et réduction de la porosité). Parmi les exemples typiques, citons le soudage sans écart de l'acier galvanisé, le soudage à faible éclaboussure des composants du groupe motopropulseur et le soudage sans fil d'apport des pièces de suspension en aluminium sans fissure.

Ce contrôle précis de la distribution spatiale de la puissance est obtenu grâce à la sortie unique du faisceau du laser ARM, qui se compose d'un spot central et d'un faisceau annulaire concentrique supplémentaire. La puissance des faisceaux central et annulaire peut être réglée indépendamment et personnalisée pour obtenir un contrôle précis de la dynamique du bain de fusion.

Résultats du soudage du cuivre avec le laser à fibre ARM

Les ingénieurs d'application de Coherent ont effectué une série de tests de soudage du cuivre à l'aide de l'ARM laser à fibre avec un faisceau central à haute luminosité de 22 µm et un faisceau annulaire d'un diamètre intérieur/extérieur de 100 µm/170 µm. Le matériau de soudage était du cuivre pur. Tous les essais ont utilisé une puissance laser de 4 kW, avec 1,5 kW pour le faisceau central et 2,5 kW pour le faisceau annulaire. Les expériences ont montré qu'en réglant la position focale à 1,5 mm au-dessus de la surface du matériau, on obtenait la meilleure qualité de soudage. Cette position offre un bon équilibre entre la profondeur et la qualité de la pénétration de la soudure.

Efficacité du soudage

L'efficacité de soudage de l'ARM laser à fibre a été mesurée et comparée aux résultats publiés pour un laser vert de 2 kW. Les deux essais de soudage ont utilisé de l'azote comme gaz de protection. Le laser vert avait une section de soudure constante de 0,5 mm² et une profondeur de pénétration d'environ 1 mm. Pour obtenir des résultats similaires avec le laser ARM, il fallait une puissance de sortie de 3,5 kW et une vitesse de soudage de 300 mm/s, contre 200 mm/s pour le laser vert.

Qualité de la surface

La qualité de la surface est un autre élément clé. Les méthodes traditionnelles lasers à fibre peuvent souder le cuivre mais sont très sensibles aux changements de qualité de la surface. L'ARM laser à fibre a maintenu une qualité de soudage stable sur les surfaces de cuivre poncées et polies.

Conclusion

Ces tests démontrent que la technologie unique de haute luminosité ARM laser à fibre est une solution pratique pour les applications exigeantes de soudage du cuivre dans les véhicules électriques. La profondeur de pénétration de la soudure et la vitesse de traitement répondent aux exigences de production actuelles, voire les dépassent. Historiquement, la sensibilité de la qualité de la surface et l'instabilité du processus ont limité l'utilisation de la soudure au cuivre. lasers à fibre pour le soudage du cuivre, mais les lasers ARM surmontent ces problèmes. Ce nouveau laser ARM, grâce à sa rentabilité, à sa fiabilité et à ses avantages pratiques, se positionne sur le marché de la soudure. laser à fibre comme le choix privilégié pour de nombreuses applications industrielles, en apportant finalement tous ces avantages aux tâches exigeantes de soudage du cuivre.