Canunda-hp : une configuration standard et des possibilités multiples

Dans ses conditions nominales, la tête de soudage CANUNDA-HP a démontré ses atouts : qualité de mise en forme, robustesse, facilité d’intégration, etc. Mais que se passe-t-il lorsque l’on place le système hors de sa zone de confort ? A Cailabs, nous avons voulu savoir comment CANUNDA-HP réagissait lorsque la source laser ne respectait pas tout à fait les spécifications préconisées.

Également, nous avons voulu montrer qu’il était possible de changer les dimensions de l’anneau, via des ajustements mineurs sur le produit standard, afin de répondre à des besoins industriels divers. Nous présentons ici des résultats expérimentaux et issus de simulations numériques menés par nos soins, à Cailabs.

Nb : cet article est le quatrième et dernier article de la série consacrée aux procédés de soudage laser.

Le laser change, la forme obtenue non

Les conditions d’utilisation sont déterminantes pour la forme obtenue

Le module CANUNDA-HP forme un anneau de diamètre moyen 800 µm et d’épaisseur 200 µm lorsqu’il est utilisé dans ses conditions nominales. Ces dernières sont définies par une source laser aux caractéristiques précises :

• Puissance : 16 kW
• Longueur d’onde : 1030 nm
• Ouverture numérique : 0.10
• BPP (Beam Parameter Product) : 8 mm.rad
• Diamètre fibre d’entrée : 200 µm

Pour notre étude nous mesurons le diamètre de l’anneau comme le diamètre moyen du cercle, défini par l’intensité maximale le long de l’anneau, et l’épaisseur de l’anneau comme la largeur de l’anneau à mi-hauteur.

Les caractéristiques de la source correspondent en réalité à un laser bien précis : le TRUMPF TruDisk 16002. Mais que se passe-t-il lorsque l’on connecte une autre source laser au module ?

Certains paramètres comme l’ouverture numérique peuvent avoir une grande influence sur le comportement du système optique, de même que le diamètre de la fibre d’entrée et le BPP. Ces paramètres sont des caractéristiques définies par le type de source laser, et varient d’un modèle à l’autre.

Nous avons voulu estimer l’impact de ces paramètres sur notre système, c’est pourquoi nous avons sélectionné quelques lasers, communément utilisés dans l’industrie :

Trumpf TruDisk 8001 

• Laser à disque
• Puissance 8 kW
• Longueur d’onde : 1030 nm
• Ouverture numérique : 0.10
• BPP (Beam Parameter Product) : 4 mm.rad
• Diamètre fibre d’entrée : 100 µm

Coherent-Rofin HighLight FL8000 : 

• Laser à fibre
• Puissance : 8 kW
• Longueur d’onde : 1070 nm
• Ouverture numérique : 0.2 
• BPP (Beam Parameter Product) : 3.3 mm.rad
• Diamètre fibre d’entrée : 100 µm

Résultats de simulation

En premier lieu, des essais par simulations numériques ont été menés, grâce à un programme Python développé par Cailabs. Ils permettent de prendre en compte le contenu modal des sources lasers sélectionnées, le diamètre et l’ouverture numérique de la fibre d’entrée, et ainsi d’estimer la forme du faisceau qui serait obtenue grâce à CANUNDA-HP.

La référence est posée en simulant avec les paramètres nominaux, correspondant au laser Trumpf TruDisk 16002. L’anneau obtenu par simulation équivaut bien à celui obtenu lors des essais à l’Institut Maupertuis.

Simulation results

First, we performed computer simulations using a Python program developed by Cailabs. They took into account the modal content of the selected laser sources, the diameter and numerical aperture of the input fiber, and estimated the beam shape that would be obtained with CANUNDA-HP.

The benchmark was set by simulating using the design operating parameters, corresponding to those of the Trumpf TruDisk 16002 laser. The ring obtained by simulation was equivalent to that obtained during the tests conducted at the Institut Maupertuis.

Trumpf TruDisk 16002 (référence)

Diamètre moyen de l’anneau : 800 µmEpaisseur de l’anneau : 200 µm

Ensuite nous avons réalisé les simulations pour les lasers TruDisk 8001 et Rofin FL8000.

Trumpf TruDisk 8001	Coherent-Rofin HighLight FL8000
Diamètre moyen de l’anneau : 800 µm Epaisseur de l’anneau : 150 µm	Diamètre moyen de l’anneau : 800 µm Epaisseur de l’anneau : 130 µm

On constate tout d’abord que la mise en forme est conservée : on obtient toujours un anneau. On remarque par ailleurs des variations dimensionnelles : le diamètre moyen de l’anneau reste identique (proche de 800 µm) mais son épaisseur varie légèrement passant à 150 µm avec le TruDisk 8001 et à 130 µm avec le Rofin FL8000.

Résultats expérimentaux

Pour compléter ces résultats de simulation, un protocole expérimental a aussi été mis en place afin d’évaluer l’impact d’un changement de fibre sur le système. Pour ce faire, un connecteur haute puissance développé en interne a été utilisé, et permet l’utilisation de fibres ayant différentes ouvertures numériques et diamètres pour les raccorder à un module standard CANUNDA-HP.

Deux fibres basse puissance à saut d’indice avec les caractéristiques suivantes ont été utilisées : diamètre 200 µm et ouverture numérique de 0.1 et 0.2. Dans les deux cas, la forme d’anneau est conservée ainsi que le diamètre de l’anneau, dont on observe un élargissement. Une dernière fibre, celle du laser Rofin, a été connectée, ayant une ouverture numérique de 0.2 et un diamètre de 100 µm, ce qui a permis de confirmer les résultats de simulation.

Ainsi, cette démarche expérimentale nous a permis de montrer qu’il est possible de sortir des conditions nominales d’ouverture numérique et de diamètre de cœur et d’obtenir de bonnes performances en termes de mise forme.

Adapter la tête CANUNDA-HP à tous les besoins

Au-delà de sa configuration nominale qui a démontré ses performances pour la soudure avec un laser Trudisk 16002, il est donc bien possible d’utiliser la tête CANUNDA-HP ring shaper avec d’autres sources, comme le TruDisk 8001 ou le Rofin FL8000.

Qu’en est-il de lasers aux caractéristiques plus éloignées, tels que des lasers de chez IPG ou Laserline ? Par ailleurs, la forme standard ne peut pas nécessairement répondre à tous les besoins de l’industrie. Alors, quelles sont les possibilités de customisation de la tête CANUNDA-HP ?

• Il est possible d’adapter la tête à des lasers présentant des caractéristiques plus éloignées : pour s’adapter à un laser d’ouverture numérique plus élevée, jusqu’à 0.2, il est possible de modifier l’optique de collimation ou d’adapter les dimensions du système pour permettre le transport du faisceau sans perte de puissance.
  
• Il est possible de générer des anneaux aux dimensions variées pour s’adapter à d’autres matériaux à souder, ou d’autres épaisseur de tôles. Par exemple, il est possible de re-concevoir la tête pour obtenir des anneaux plus petits (200 µm de diamètre, 100 µm d’épaisseur) ou plus grands (1 mm de diamètre et 200 µm d’épaisseur).
  
• Il est par ailleurs possible de modifier la dernière optique de la tête, réalisant la focalisation du faisceau, pour avoir des distances de travail différentes, jusqu’à 300 mm.
  
• Les optiques de mise en forme peuvent aussi être modifiées pour générer d’autres motifs sur demande, telles qu’un spot intense entouré d’un anneau pour souder du cuivre typiquement, ou des formes dissymétriques pour de la découpe par exemple !
  
• Enfin, de nombreux accessoires peuvent s’adapter sur la tête grâce aux interfaces prévues à cet effet, tels que des crayons laser pour le positionnement. Cailabs développe sa caméra sur l’axe pour permettre le réglage de la tête en amont du process et peut également concevoir sur demande de nombreux outillages tels que des protections gazeuses coaxiales ou latérales.

Cet article clôture la série sur le soudage laser, elle a d’abord abordé les techniques conventionnelles de manière générale, puis s’est concentrée sur le laser et l’intérêt de la mise en forme du faisceau pour booster ce procédé. Ensuite des arguments ont été avancés pour démontrer la pertinence de la technologie proposée par Cailabs, le MPLC, en comparaison avec d’autres solutions pour le soudage laser.

Le module CANUNDA-HP permet donc d’améliorer la qualité et le rendement du procédé dans un contexte industriel. Enfin, nous avons vu que cette solution standard ouvre aussi le champ des possibles pour des besoins plus personnalisés, et peut s’adapter à différents environnements déjà existants.

Pour plus d’informations concernant CANUNDA-HP vous pouvez consulter la brochure :

Pour voir les résultats d’application, n’hésitez pas à revisionner le webinar en partenariat avec l’Institut Maupertuis. Restez connectés pour les prochains résultats à paraître !

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Par Julien Bayol

Julien Bayol est ingénieur en mécanique INSA, et a suivi un Master en Management à la Toulouse Business School. Son domaine d’intérêt est porté sur les techniques de fabrication de pointe, via l’utilisation de solutions optiques innovantes. A Cailabs, Julien est assistant chef de produit, il contribue au développement et à la commercialisation des gammes produits CANUNDA et TILBA®.