Brevet FR2028091A1 — publié le 19701009

La présente invention est relative à un procédé d'usinage et en particulier de coupexde matières au moyen d'un faisceau laser concentré. On connaît un procédé de coupe de métaux au moyen d'un laser jO dans lequel un jet d'un gaz provoquant une réaction exothermique (par exemple de l'oxygène) est dirigé sur le point de l'ouvrage sur lequel est dirigé le faisceau laser. Pour réaliser une coupe dans l'ouvrage, le jet d'oxygène et le faisceau laser sont déplacés ensemble sur l'ouvrage. On a trouvé qu'il était avantageux d'astein-dre l'oxygène à s'écouler en direction de l'ouvrage à partir d'une buse à travers laquelle passe le faisceau laser. Bien que l'invention soit applicable auxprocédés dans lesquels un métal est coupé au moyen d'un laser en présence d'un gaz provoquant une réaction exothermique, l'invention trouvera probàble-20 ment son application principale dans la coupe de matériaux qui ne nécessitent pas une réaction exothermique pour faciliter l'action du laser. Pour quelques uns de ces matériaux il est néanmoins avantageux de faire s'écouler un courant d'air dans la région de la coupe. 2^ Dans le procédé suivant l'invention, une chambre d'aspiration est tout d'abord disposée dans le trajet du faisceau laser de telle sorte qu'une ouverture de la chambre se trouve dans ce trajet; l'ouvrage est ensuite exposé de telle façon que la partie de l'ouvrage qui doit être coupée est adjacente à la chambre d'aspiration, •^0 entre le faisceau laser et cette chambre, lorsqu'une opération de coupe est commencée au moyen du faisceau laser, de l'air ou autre gaz est aspiré à travers la coupure dans la chambre d'aspiration, l'intersection du faisceau laser et de l'ouvrage étant astreinte à suivre un trajet correspondant à celui de la coupure devant 35 être faite sur l'ouvrage par un déplacement relatif de l'ouvrage et du faisceau laser. A'insi, lorsqu'une matière telle qu'un tissu, du bois ou du papier doit être coupée au moyen d'un laser, les produits de la distillation et les fumées sont aspirés à travers la coupure, dans la chambre: Ces produits peuvent être extrait de 40 la chambre au moyen d'un filtre disposé dans la conduite d'aspiration. On évite ainsi la contamination de l'atmosphère qui constituerait autrement un inconvénient sérieux lorsque l'on coupe de telles matières. On obtient un avantage supplémentaire lorsque l'on coupe une 45 matière flexible, par exemple du papier et du tissu, soutenu sur 70 00362 2 2028091 un support constitué par une grille, du fait que la matière est maintenue appliquée à plat contre le support par 11 effet de 11 aspiration et ceci facilite une opération de coupe parfaite. En outre, on peut déplacer plus facilement et plus rapidement un laser ^ pouvant être utilisé sans buse mobile afin de diriger l'air ou autre gaz nécessaire au point de concentration du faisceau sur l'ouvrage; du fait que pour de petits déplacements du faisceau il est seulement nécessaire de dévier un miroir dans le trajet. Pour des déplacements plus grands on déplace ensemble un miroir et une jq lentille entre le laser et l'ouvrage, mais ceci est encore plus facile que de déplacer une tête comportant une liaison avec une source d'alimentation en gaz. Pour des matériaux qui nécessitent une réaction exothermique afin d'obtenir une coupe satisfaisante, par exemple des outorages 2^ en acier, une atmosphère d'oxygène peut être produite au-dessus de la ligne de coupe dans un pot ou sous un capot, et un courant du gaz peut être envoyé à travers la ligne de coupe par une aspiration effectuée au moyen de la chambre sous-jacente, le courant de gaz entraînant avec lui tous les déchets qui proviennent 2q de la coupe. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui vâ suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples : la Fig.l est une vue d'un appareil suivant l'invention pour 2^ couper des matières non métalliques; la Fig.2 montre un procédé de déplacement du miroir de l'appa-r'eil représenté à la Pig.l; la Fig.^ est une variante de l'appareil représenté à la Fig.l utilisée pour couper un métal nécessitant la présence d'un jq gaz provoquant une réaction exothermique; la Fig.4 est une vue d'un support rotatif pour l'ouvrage; la Fig.5 est une vue schématique d'une variante dans laquelle le faisceau laser est stationnairé. Le laser 10 représenté à la Fig.l e'st du type à oxyde carboni-que-azote- hélium , mais on comprend que d'autres types de laser peuvent être également utilisés. Le laser représente a une longueur de dix mètres et un dTametréde trente millimètres et comporte cinq éléments de tube dont deux seulement sont représentés aux dessins. Chaque élément de tube comporte ses propres électrodes 12 et sa propre source 14 d'alimentation électrique. La source d'alimentation 70 00362 3 2028091 fournit une tension de 20kV pour l'excitation et de 9 kV sous 45 mA lorsque le laser est,, en fonctionnement. Le laser comporte un miroir réfléchissant concave 18 en acier inoxydable revêtu • d'or à l'une de ses extrémités et un disque plan 20 semi- réflec-5 teur au germanium à son autre extrémité. Le miroir concave 18 a une longueur focale qui excède légèrement 10 mètres. Le gaz dans lequel s'effectue la décharge passe dans le corps du laser par l'intermédiaire de l'admission 22 et sort du laser par l'orifice de sortie 24. 10 Lorsque le laser est en fonctionnement, un faisceau de lumière cohérente à peu près parallèle est émis par le laser à travers le disque 20. Le faisceau émis 26 est réfléchi au moyen d'un miroir aluminisé 28 à travers une lentille 30 sur un ouvrage 32 qui peut être par exemple une épaisseur de tissu, l'ouvrage est soutenu sur une grille 34 constituée par d'étroites bandes de métal dont les champs soutiennent la matière devant être coupée. La.grille 34 constitue la partie supérieure d'une chambre' 36 qui est reliée au moyen d'une vanne 38 de sectionnement avec un 20 réservoir 40. Le réservoir 40 communique par l'intermédiaire d'un filtre 42 avec une pompe aspirante 44 entraînée par un moteur 45. Une couche 46 de brique réfractaire ^gjvue dans la chambre 36 absorbe l'énergie du faisceau laser/traverse la ligne de coupe. Une vanne 48 permet de vider la chambre 36 de son air lorsque -25 l'opération de coupe est achevée. Avant d'effectuer une opération de coupe, la vanne 48 étant fermée et la vanne 38 étant ouverte, l'ouvrage est disposé sur la grille et la chambre 36 est vidée au moyen de la pompe. Au cours de l'opération de coupe, en raison du fait que la coupe est ^0 étroite, il est relativement facile de vider la chambre avec la vitesse nécessaire. De même, en raison du fait que seul le faisceau laser doit être déplacé sur l'ouvrage, il est alors facile de découper rapidement les formes compliquées. Lorsque la coupe désirée a été effectuée, la vanne de sectionnement 38 est fermée -55 de telle sorte que lorsque l'ouvrage est enlevé, le vide est conservé dans le réservoir 40. Un nouvel ouvrage est alors disposé sur la grille, la vanne 38 est ouverte, la chambre 36 est vidée et l'opération de coupe suivante peut alors commencée. En plus des matières mentionnées ci-dessus, on peut couper i|_0 de façon satisfaisante du plastique et du cuivre au moyen du . 70 00362 4 2028091 procédé suivant l'invention. La Fig. 2 montre schématiquement un procédé pour déplacer le miroir et la lentille, procédé qui donne satisfaction lorsqu'un déplacement limité est seulement nécessaire. Le miroir 28 est 5 fixé sur un support 50 qui est monté au moyen d'un dispositif à cardan 52 comprenant des axes 53 et 56. Une tige de commande 58 est fixée sur le support 50 en un point décalé par rapport aux axes 54 et 56. Un déplacement de la tige de commande provoque un 10 déplacement angulaire du support 50 et. par conséquent, de la lentille 30 et du miroir 28. Comme on l'a indiqué ci-dessus, 1'agençaient de la chambre d'aspiration peut également être utilisé dans des procédés utilisant des gaz provoquant une réaction, exothermique, par exemple, 15 un procédé de coupe dans lequel on utilise de l'oxygène pour faciliter la coupe de plaques en acier au moyen d'un faisceau laser. La chambre d'aspiration est particulièrement avantageuse dans, le cas où lron doit utiliser un gaz nocif provoquant une réaction exothermique, par exemple du chlore. 20 La Pig.3 montre une variante de l'installation représentée à la Pig. 1, dans laquelle un capot stationnaire 60 est disposé au-dessus de la chambre d'aspiration 36. Un ouvrage métallique 32a passe entre la chambre 36 et le capot 60, sur une grille 34. Des joints d'étanchéité 62 sont prévus entre l'ouvrage et le capot 25 et entre l'ouvrage et la chambre d'aspiration, sur les bords du capot et de la chambre. Le capot 60 comporte une liaison 64 avec une source d'alimentation en oxygène. Il est également prévu dans le capot une fenêtre 66 permettant le passage du faisceau laser 26. Le miroir 28 et la lentille 30 sont montés à l'intérieur du 30 capot sur un chariot 68 qui peut être déplacé le long de rails 70 au moyen d'un fil métallique 72 entraîné au moyen d'un cabestan 74 et d'un moteur 76. Ce dispositif permet de déplacer le faisceau laser sur l'ouvrage suivant une direction parallèle à celle des rails. 35 Comme dans l'exemple représenté à la Pig.l, la chambre d'aspi ration 36 est reliée à une vanne de sectionnement. Dans ce cas, la vanne 38a êst une vanne à trois voies comportant une liaison 78 avec la chambre constituée par le capot 60. Lorsqu'un ouvrage a été disposé en place, la vanne de sectionnement 38a est action-40 née dans la position voulue pour permettre de vider le capot 60 70 00362 5 2028091 au moyen de la pompe reliée à la conduite 80. Ensuite, la vanne 38a est placée dans sa position de fonctionnement dans laquelle la chambre 36 est vidée. Une vanne 82 est ouverte afin d'alimenter la chambre constituée par le capot 60 avec de l'oxygène et le procédé de coupe commence alors. Au cours de ce procédé, un courant d'oxygène est aspiré à travers la ligne de coupe faite par le faisceau laser, sous l'action de l'aspiration exercée par la chambre 36. Des pieds filtés 84 permettent un réglage de l'appareil en position verticale. Si la ligne de coupe, devant être effectuée, n'est pas recti-ligne, l'ouvrage peut être déplacé dans une direction perpendiculaire au plan de la Figure. Une couche tampon en une matière .non métallique peut avantageusement être agencée entre un ouvrage métallique et les organes de support de la grille métallique afin d'empêcher tout transfert de métal de l'ouvrage sur la grilleI Dans un autre agencement représenté à la Fig.4, le support constitué par une grille forme une surface circonférentielle 85 d'un organe rotatif constitué par un tambour 86 dont l'intérieur est cloisonné par des cloisons 88, en segments, les cloisons 88 comportant un revêtement 89 en une matière céramique déposée par pulvérisation . Au cours de la rotation du tambour, la surface circonférentielle se déplace progressivement en passant par .le point de travail sous le faisceau laser 26a. Un arbre stationnaire 90 est découpé sur un coté afin de constituer une chambre 92 qui est reliée à une pompe d'aspiration (non représentée). Sur son coté opposé, l'arbre 90 est découpé afin de former une chambre 94 qui est ouverte sur l'atmosphère. Chaque segment de l'organe rotatif comporte un orifice 96 sur sa paroi interne. On comprend que lorsque chaque segment effectue/ûne révolution il se trouve relié par l'intermédiaire de l'orifice 96 et de la chambre 92 à la source de vide pendant le temps durant lequel un point quelconque de ce segment se trouve au-dessous du faisceau laser 26a. Peu avant que le bord arrière dusegment se soit éloigné du point de travail, l'orifice 96 est amené en communication avec la chambre 94 et le segment est rempli d'air. Ceci permet de ..séparer de la périphérie du tambour un ouvrage 32b qui a été transporté avec le \ tambour. Dans cet exemple, les couches 46 de briques réfractaires sont montées dans les segments et tournent avec ces derniers. Avec un faisceau laser stationnaire, on peut effectuer une coupe linéaire sur l'ouvrage, l'air étant aspiré à travers la ligne de coupe 70 00362 6 2028091 dans le segment actif du tambour. Pour effectuer une coupe suivant une forme, le faisceau 26a est déplacé dans une direction perpendiculaire au plan de la Figure. Avec la variante du dispositif représentée à la Fig. 5, la 5 matière 32çï devant être coupée est déplacée de façon continue au cours de l'opération de coupe sur un support 97 constituant la partie supérieure d'une petite chambre d'aspiration 36b stationnaire. Le faisceau laser 26a est également stationnaire et rencontra la matière 32c. devant être coupée au-dessus d'un trou 98 pré-10 vu dans le support 97. La chambre 36b comporte une liaison 80 avec la pompe d'aspiration et comporte également une couche de briques réfractaires 46c. En outre, il est prévu un serpentin 100 de refroidissement au moyen d'une circulation d'eau autour de sa périphérie afin d'extraire une partie de la chaleur engendrée 15 dans la chambre. Dans certains cas, lorsque la matière devant être coupée " est .. .- du papier, du bois ou du tissu il peut être souhaitable en outre, de diriger un jet d'eau sous forme de particules finement divisées sur l'ouvrage dans la région de la ligne de coupe. Ceci aide à empêcher toute carbonisation des bords de 20 l'ouvrage au voisinage de la ligne de coupe et diminue également la quantité de fumée et de déchets devant être enlevée. Bien que le jet d'eau doive être dirigé dans la région de la coupe, il n'est pas nécessaire qu'il soit localisé dans la mesure qui.", serait nécessaire pour un courant de gaz, en l'absence d'une cham-25 bre d'aspiration. On comprend que le procédé suivant l'invention empêche les produits de la distillâtin (avec des ouvrages devant être découpés' tels que du bois, du tissu et du papier) de passer à travers la ligne de coupe et empêche, par conséquent, le dépôt- de ces 30 substances sur le bord de la surface supérieure au voisinage de la coupe. On a également touvé que ces substances ne se déposent pas sur le bord de la surface inférieure adjacente à la coupe. Le procédé suivant l'invention empêche également la contamination de l'atmosphère au-dessus de la coupe et permet d'aplatir la natière 35 devant être coupée, si cette matière est flexible, contre le support. Le support doit être agencé pour procurer une ostruction minimale pour le faisceau et pour permettre l'écoulement maximal du gaz. La chambre d'aspiration doit être agencée afin d'empêcher toute réflection excessive du faisceau laser par les briques ré-40 fractaires ou autre couche de base. 70 00362 7 2028091 L'invention est particulièrement avantageuse pour les coupes fines au moyen d'un faisceâu-laser bien concentré lorsque l'opération de coupe nécessite un gaz produisant une réaction exothermique avec l'ouvrage. Pour ies coupes fines, il peut être diffi-5 cile de forcer le gaz à passer vers le bas dans la coupe, mais un courant d'oxygène peut être obtenu plus facilement si un pot ou un capot, disposé au-dessus de la ligne de coupe est rempli d'oxygène comme dans le cas de l'exemple représenté à la Fig. 3 et que l'oxygène est aspiré à travers la ligne de coupe... 10 70 00362 8 2028091 REVENDICATIONS 1 - Procédé de coupe d'un ouvrage dans lequel un faisceau, laser est dirigé sur l'ouvrage et dans lequel l'ouvrage et le faisceau laser sont déplacés, l'un par rapport à l'autre afin d'astrein-5 dre le point d'intersection du faisceau laser avec l'ouvrage à suivre un trajet devant être coupé sur l'ouvrage, procédé caractérisé en ce que l'on dispose tout d'abord une chambre d'aspiration dans le trajet du faisceau laser afin de présenter une ouverture de la chambre sur ledit trajet, on dispose l'ouvrage de telle 10 sorte que la partie de celui-ci devant être coupée se trouve adjacente à la chambre d'aspiration, entre le faisceau laser et l'ouverture de cette chambre, et lorsque le faisceau laser coupe l'ouvrage, on aspire l'air ou autre gaz à travers la ligne de coupe et à travers ladite ouverture de la chambre d'aspiration. 15 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouvrage et la chambre d'aspiration sont stationnaires, le faisceau laser se déplaçant par rapport à l'ouvrage et à la chambre d'aspiration, l'ouvrage stationnaire étant soutenu.par un côté de la chambre d'aspiration dans lequel est formée ladite ouverture, 20 ce coté de la chambre étant constitué par une grille. 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouvrage et la chambre d'aspiration sont stationnaires, le a faisceau laser se déplaçant par rapport à l'ouvrage etyla chambre d'aspiration, ladite chambre d'aspiration comportant un coté 25 qui sert de support pour l'ouvrage au cours dudit déplaçaient, ledit coté de la chambre comportant une fente.s'étendant le long de la ligne de coupe désirée. 4 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau laser et la chambre d'aspiration sont stationnaires, 30 l'ouvrage étant déplacé afin d'astreindre le point d'intersection du faisceau laser avec l'ouvrage à suivre ledit trajet. 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on engendre sur le côté de l'ouvrage sur lequel est disposé le laser et autour du point de l'ouvrage sur 35 lequel est dirigé le faisceau laser une atmosphère d'un gaz qui est choisi en fonction de la matière de l'ouvrage de telle sorte que ce gaz produit avec l'ouvrage une réaction exothermique, grâce à quoi lorsque l'opération de coupe est commencée, ledit gaz est aspiré à travers la ligne de coupe dans ladite chambre d'aspi- ration et produit une réaction exothermique avec l'ouvrage en pas 70 00362 9 2028091 sant à travers ce dernier. 6 - Procédé suivant la revendication 5.» dans lequel l'ouvrage est en métal, caractérisé en ce que, avant l'opération de coupe, une couche tampon en matière non métallique est disposée entre 5 1'ouvrage en métal et ladite chambre. 7 - Procédé l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'ouvrage est en une matière non métallique1, caractérisé en ce qu'un jet d'un liquide de refroidissement finement divisé est dirigé sur l'ouvrage dans la région de la coupe à partir du 10 côté de l'ouvrage sur lequel est situé le laser. 8 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un laser, un dispositif d'aspiration, une chambre communiquant avec le dispositif d'aspiration, ladite chambre comportant une ouverture et étant 15 agencée de telle sorte que ladite ouverture soit tournée dans la direction d'arrivée d'un faisceau émis par le laser et des moyens pour concentrer le faisceau laser sur un ouvrage disposé au voisinage de ladite chambre d'aspiration. 9 - Appareil suivant la revendication 8, caractérisé en ce 20 qu'il comprend un dispositif pour déplacer le- faisceau laser par rapport à la chambre d'aspiration et à un ouvrage disposé au voisinage de ladite chambre, le côté de la chambre d'aspiration adjacent à l'ouvrage étant constitué par une grille ou autre élément analogue afin de soutenir l'ouvrage au cours d'une opération de 25 coupe. 10 - Appareil suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour déplacer le laser par rapport à la chambre d'aspiration et à un ouvrage disposé au voisinage de la chambre d'aspiration, le côté de ladite chambre d'aspiration 30 adjacent à l'ouvrage comportant des moyens délimitant une fente suivant la ligne de coupe désirée, ledit côté de la chambre constituant un support pour l'ouvrage au cours de l'opération de coupe. 11 - Appareil suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la chambre d'aspiration est constituée par un pot ayant une 35 partie supérieure ouverte, et un dispositif pour déplacer l'ouvrage par rapport au laser et au pot d'aspiration dê telle sorte que le point d'intersection du faisceau laser et de- l'ouvrage suive la ligne de coupe désirée. 12 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend un réseryoir intercalé 70 00362 10 2028091 entre le dispositif d'aspiration et ladite chambre et une vanne . de coupure entre le réservoir et la chambre afin de permettre de conserver le vide dans le réservoir lorsqu'un ouvrage coupé est retiré du support. 5 13 - Appareil suivant la revendication 9* caractérisé en ce qu'il comprend un organe rotatif dont l'intérieur est cloisonné en segments dont chacun constitue une chambre d'aspiration, et des moyens pour entraîner l'organe rotatif en rotation afin d'amener la surface circonférentielle de chaque segment tour à tour 10 dans le trajet du faisceau laser, un dispositif stationnaire étant prévu pour relier le dispositif d'aspiration à chaque segment formant chambre tour à tour lorsque l'organe rotatif tourne, grâce à quoi un vide partiel est établi dans chaque segment formant chambre tour à tour lorsque ce segment approche de son point 15 d'intersection avec le trajet du faisceau laser.