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Lasers pour applications de micro-usinage
Marcel DubeyMarcel Dubey
GMP SAGMP SA
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Plan Plan • Introduction
• Micro-usinage• Sources laser
• Applications de Micro-usinage• Micro-soudure• Micro-découpe• Micro-perçage
• Conclusion
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MicroMicro--usinageusinage• Lasers basse puissance (50-200W) (lasers à fibre, pompés par lampes
ou par diodes) sont généralement utilisés pour les applications de micro-usinage:
– Marquage– Micro-découpe– Micro-soudure– Micro-perçage– Soudure par points
• Épaisseur typique des matériaux : 20 µm à 1 mm
• Diamètre de spot : de 10 µm à 100 µm
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Exigences pour MicroExigences pour Micro--usinageusinage
• Micro-soudure – diamètre de spot de 10um à
100um (soudures très fines) – Zone affectée thermiquement
faible– Stabilité et fiabilité du procédé
(pour des soudures par point)– Vitesse de soudure élevée
(soudure avec tête galvano)– Souder des matériaux
réfléchissants et différents.
• Micro-découpe– Zone affectée thermiquement faible– Pas de débris– Fine largeur de découpe, chute (15-
30µm)– Pas de déformation mécanique
• Micro-perçage– Petit diamètre (30-60µm)– Sans conicité– Trous ronds (entrée et sortie)
• Soudure par points– Pas d’éclaboussure– Stabilité pulse à pulse– Spot circulaire
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Sources LaserSources Laser• Depuis le début du développement du micro-usinage laser, la source
privilégiée était le laser pulsé Nd:YAG
• Les lasers à fibre sont devenus depuis peu une alternative pour le micro-usinage
• Cette présentation va comparer des résultats de micro-soudure, micro-découpe, micro-perçage pour différents matériaux en utilisant un laser pulsé Nd:YAG et un laser à fibre monomode.
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Technologies complTechnologies compléémentairesmentaires• GSI Group Laser Division présente sa nouvelle gamme de lasers à fibre
industriels qui est complémentaire aux lasers Nd:YAG de sa gamme actuelle
Laser Nd: YAG pulsé (100W, 125W)
Laser fibre (50W-400W)
Beam Delivery
Optic
Yb Doped DC FibreFused
Pump Combiner
M2 = 1.06200W CW
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Advantages des lasers Advantages des lasers àà fibre monomodesfibre monomodes
• Les lasers avec une qualité de faisceau proche de la limite de diffraction offrent les avantages :
– Point focal réduit
– Grande densité de puissance àla distance de travail
– Zone affectée thermiquement réduite
– Vitesse d’usinage élevée
Profile de faisceau d’un laser à fibre 100W monomode
Comportement temporel d’un laser àfibre pulsé
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Nd:YAG vs Laser Nd:YAG vs Laser àà fibrefibre• Qualité de faisceau et caractéristiques de pulse
• Laser Nd:YAG pompé par lampe • Pulse long et haute énergie par pulse• Faible qualité de faisceau
• Laser à fibre continu modulé• Laser monomode (excellente qualité de faisceau) et cadence de pulse élevée• Faible énergie par pulse
• Micro-usinage : chaque technologie a des avantages et des inconvénients
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 100 200 300 400 500 600 700Tim e (m s)
Pow
er (W
)
Laser à fibre continu moduléNd:YAG pulsé
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Modulation de PulseModulation de Pulse• Influence fortement la qualité d’une soudure• La modulation de pulse peut optimiser les propriétés et l’apparence des métaux • Important lors de micro-soudures de matériaux de nature différente
•Alliages carbones
•Alliages sensibles aux cracks
•Matériaux avec PF non homogènes
•Matériaux avec coating
•Matériaux peints
•Matériaux haute réflectivité
Forme standard Forme métallurgique
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00.5
11.5
22.5
3
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Material Thickness (mm)
Wel
ding
spe
ed (m
/min
)
60µm spot 150µm spot
0.7mm thick, 60µm spot, 1.7m/min
2.0mm thick, 150µm spot, 0.55m/min
304SS, Ar gaz, pulse 304SS, Ar gaz, pulse standardstandard
Laser Nd:YAG pulsLaser Nd:YAG pulséé (M(M22~ 20)~ 20)
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0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Material thickness (mm)
Wel
ding
spe
ed (m
/min
)
6xxxx Alliage Al, 606xxxx Alliage Al, 60µµm, Ar gaz, pulse rampe m, Ar gaz, pulse rampe ddéécroissantecroissante
Forme de pulse standard Fissure centrale
Pulse rampe décroissante
Laser Nd:YAG pulsLaser Nd:YAG pulséé (M(M22~ 20)~ 20)
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MatMatéériaux diffriaux difféérents, pulse rampe drents, pulse rampe déécroissante, 60croissante, 60µµmm
Inox et bronze
304 SS et Nitinol
Al et Cu
304SS et Kovar
Laser Nd:YAG pulsLaser Nd:YAG pulséé (M(M22~ 20)~ 20)
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Laser Laser àà fibre , 200W, 20fibre , 200W, 20µµm spot, gaz Arm spot, gaz Ar
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La microstructure générée par la micro-soudure est similaire au matériaux adjacent.
Résulte d’un refroidissement rapide dans le cas d’une micro-soudure rapide.
304SS, 304SS, 200W, 20200W, 20µµm spot, 0.5mm m spot, 0.5mm éépaisseur, gaz Arpaisseur, gaz Ar
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MicroMicro--soudure, rsoudure, réésumsuméé
100W
•Idéal pour micro-soudure de 304SS (jusqu’à 1mm)
•Impossible de souder des matériaux à haute réflectivité.
200W
•Possibilité de souder des matériaux à haute réflectivité
•Idéal pour matériaux plus épais•Meilleure pénétration•Soudure plus épaisse
Petite taille de spot → grande vitesse
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MicroMicro--ddéécoupecoupe
Grâce à la petite taille du point focal (12-15um), les lasers à fibre monomode sont les mieux adaptés pour les applications de micro-découpe.
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0
5
10
15
20
25
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Material thickness (mm)
Cut
ting
spee
d (m
/min
)
Oxygen assist Nitrogen assist
Laser Laser àà fibre : vitesse de dfibre : vitesse de déécoupe pour lcoupe pour l’’acier acier inox 304 SS (puissance moyenne 100W)inox 304 SS (puissance moyenne 100W)
Focus @ workpiece
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DDéécoupe de Stentcoupe de Stent
• Stent : exemple de découpe fine
• Acier inox 316L ou alliage Nickel –Titane (Nitinol)
• Diamètre de tube : 1 mm à 10 mmÉpaisseur : 100 µm
• Exigences:• Peu de chute : max 20-30µm• Implique haute qualité de faisceau
et haute stabilité du laser.
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316SS, spot 10um, 50316SS, spot 10um, 50--100 W100 W
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MicroMicro--ddéécoupe, rcoupe, réésumsuméé
• Très bon pour découpe fine• Très utilisé pour la découpe de stent• Peu de chute• Faible zone affectée thermiquement
• Technique de modulation: améliore résultats sur les matériaux à haute réflectivité (Al, Cu, …)
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Alliage de nickel (150µm dia)
304SS (70µm dia)
MicroMicro--perperççage : laser Nd:YAG pulsage : laser Nd:YAG pulséé
Copyright 2007, GSI Group Inc.
Percussion : 0.6mm épaisseur céramique (trou dia 80µm )
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MicroMicro--perperççage : Laser age : Laser àà fibrefibre
• Epaisseur : 0.30 mm, alliage Al
• Diamètre : env. 30 µm• Trous hautes qualités (dia 0.5 mm x prof. 0.63 mm)• Extrêmement parallèle
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• Laser Nd:YAG :
• Percussion
• Matériaux épais
• Laser à fibre:
• Trépannage (matériaux épais)
• Vitesse élevée
MicroMicro--perperççage, rage, réésumsuméé
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ConclusionConclusion• Les lasers à fibre et Nd:YAG sont
complémentaires.
• Laser à fibres pour les découpes fines et micro-soudures
• Laser Nd:YAG pour l’usinage des matériaux plus épais
• L’application détermine le choix du laser idéal
• Possibilité de faire des essais