La tête de focalisation collimatrice utilise un dispositif mécanique comme plateforme de support et effectue un mouvement de va-et-vient à travers celui-ci pour réaliser des soudures selon différentes trajectoires. La précision de la soudure dépendant de la précision de l'actionneur, elle présente des inconvénients tels qu'une faible précision, une lenteur de réponse et une inertie importante. Le système de balayage galvanométrique utilise un moteur pour dévier la lentille. Ce moteur, alimenté par un courant spécifique, offre une grande précision, une faible inertie et une réponse rapide. Lorsqu'un faisceau lumineux éclaire la lentille du galvanomètre, la déviation de cette dernière modifie l'angle de réflexion du faisceau laser. Ainsi, le faisceau laser peut balayer n'importe quelle trajectoire dans le champ de vision grâce au système galvanométrique. La tête verticale utilisée dans le système de soudage robotisé est une application basée sur ce principe.
Les principaux composants desystème de balayage galvanométriqueLe système comprend un collimateur d'expansion de faisceau, une lentille de focalisation, un galvanomètre de balayage XY à deux axes, une carte de contrôle et un logiciel hôte. Le galvanomètre de balayage est principalement constitué de deux têtes de balayage XY, entraînées par des servomoteurs alternatifs à grande vitesse. Le système d'asservissement à deux axes pilote le galvanomètre de balayage XY en envoyant des signaux de commande aux servomoteurs correspondants, afin de le déplacer selon les axes X et Y. Ainsi, grâce au mouvement combiné des lentilles du miroir XY à deux axes, le système de contrôle convertit le signal provenant de la carte galvanométrique en fonction du modèle graphique prédéfini du logiciel hôte et du mode de balayage défini, permettant un déplacement rapide sur le plan de la pièce à usiner.
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Selon la position de la lentille de focalisation et du galvanomètre laser, le mode de balayage de ce dernier se divise en balayage par focalisation avant (figure de gauche) et balayage par focalisation arrière (figure de droite). En raison de la différence de chemin optique induite par la déviation du faisceau laser (la distance de transmission du faisceau varie), le plan focal du laser lors du balayage par focalisation avant présente une surface hémisphérique, comme illustré sur la figure de gauche. Le balayage par focalisation arrière est présenté sur la figure de droite ; l’objectif utilisé est une lentille à champ plat, dotée d’une conception optique particulière.
L'introduction d'une correction optique permet d'aligner le plan focal hémisphérique du faisceau laser. Le balayage par mise au point arrière est particulièrement adapté aux applications exigeant une grande précision de traitement et une faible zone de travail, telles que le marquage laser ou le soudage laser de microstructures. L'augmentation de la zone de balayage requiert une augmentation de l'ouverture de la lentille. Cependant, en raison des limitations techniques et matérielles, le coût des lentilles à grande ouverture est prohibitif, rendant cette solution peu viable. L'association d'un système de balayage galvanométrique placé devant l'objectif et d'un robot six axes constitue une solution intéressante, réduisant la dépendance à l'équipement galvanométrique et offrant une précision système élevée ainsi qu'une bonne compatibilité. Cette solution, souvent appelée soudage volant, est largement adoptée par les intégrateurs. Le soudage des barres omnibus des modules, incluant le nettoyage des pôles, trouve des applications en soudage volant, permettant d'accroître la flexibilité et l'efficacité des processus.
Que ce soit en mode de balayage à mise au point avant ou arrière, la mise au point du faisceau laser ne peut être contrôlée dynamiquement. En mode de balayage à mise au point avant, lorsque la pièce à traiter est petite, la lentille de mise au point possède une certaine plage de profondeur de champ, permettant ainsi un balayage précis sur un petit format. Cependant, lorsque la surface à balayer est grande, les points proches de la périphérie sont flous et la mise au point sur la surface de la pièce est impossible car elle dépasse les limites de profondeur de champ du laser. Par conséquent, lorsqu'une mise au point précise du faisceau laser est requise en tout point du plan de balayage et que le champ de vision est large, l'utilisation d'une lentille à focale fixe ne répond pas aux exigences de balayage.
Le système de focalisation dynamique est un système optique dont la distance focale peut être modifiée selon les besoins. Ainsi, grâce à une lentille de focalisation dynamique qui compense la différence de chemin optique, la lentille concave (extenseur de faisceau) se déplace linéairement le long de l'axe optique pour contrôler la position du foyer, assurant ainsi une compensation dynamique de la différence de chemin optique de la surface à traiter à différents endroits. Par rapport au galvanomètre 2D, le galvanomètre 3D intègre principalement un système optique sur l'axe Z, lui permettant de modifier librement sa position focale pendant le soudage et d'effectuer des soudures sur des surfaces courbes, sans qu'il soit nécessaire d'ajuster la position du foyer en modifiant la hauteur du support (machine-outil ou robot) comme pour le galvanomètre 2D.
Le système de mise au point dynamique permet de modifier le degré de défocalisation, de changer la taille du point, de réaliser un réglage de la mise au point sur l'axe Z et un traitement tridimensionnel.
La distance de travail est définie comme la distance entre le bord mécanique avant de la lentille et le plan focal (ou plan de balayage) de l'objectif. Attention à ne pas la confondre avec la distance focale effective (DFE) de l'objectif. Cette dernière est mesurée entre le plan principal (plan hypothétique dans lequel l'ensemble du système de lentilles est supposé réfracter) et le plan focal du système optique.
Date de publication : 4 juin 2024
