Brevet FR2723018A1 — publié le 19960202

Procédé de coupe de matériaux divers, utilisant l'énergie émise par un laser de puissance. La présente invention concerne un procédé de coupe utilisant l'énergie émise par un laser de puissance, ce procédé étant applicable à La coupe de matériaux divers tels que métaux (acier, cuivre, bronze, aluminium, etc.), matières plastiques, bois, semi-conducteurs, céramiques, cuivre, tissus, etc. IL est connu d'utiliser l'énergie émise par un laser de puissance pour couper des matériaux durs (tels que, par exemple, L'acier et l'aluminium) ou mous (tels que, par exemple, Le caoutchouc). Les lasers de puissance sont déjà Largement utilisés en métaLLurgie pour La coupe industrielLe de divers métaux. Par exemple, il est connu d'effectuer la coupe des aciers à l'aide de lasers à C02, fonctionnant en émission continue ou en mode pulsé. Dans ce cas, les puissances mises en oeuvre sont relativement très élevées, c'est-à-dire de L'ordre de 500 watts à 106 watts. IL est aussi connu d'opérer la coupe de l'aluminium au moyen de lasers au Nd-YAG opérant en mode pulsé à des puissances très élevées, également de l'ordre de 500 watts à 106 watts. Sont également utilisés pour opérer la coupe de divers matériaux, Les lasers à argon opérant aussi à des puissances très étevées, de L'ordre de 103 à 106 watts. Le processus complexe de L'interaction entre le rayonnement Laser et la matière entraînant La fusion et la coupe, est bien connu. On sait que L'énergie émise par un Laser de puissance est mal absorbée par les métaux qui réfléchissent une grande partie de cette énergie. Par exemple, l'émissivité de l'aluminium est de L'ordre de 0.5 pour un laser au Nd-YAG, alors qu'eLLe est sensiblement plus basse pour le cuivre. IL en résulte que la quantité d'énergie absorbée par certains matériaux tels que Les métaux, est relativement faible au début du processus d'interaction, et ce n'est -2 - qu'en utiLisant des énergies importantes que Les pièces métaLLiques peuvent 8tre coupées ou soudées. Par exempLe, si L'on considère L'utiLisation d'un Laser au Nd-YAG pour La découpe d'une pièce d'aluminium, L'énergie Laser appLiquée à cette pièce, provoquera: - dans un premier temps, une modification microstructurelle (microfissuration, microfusion, instabilité des Liaisons interatomiques), due à L'élévation thermique; - dans un deuxième temps, L'éLévation de La température au point d'impact, jusqu'à La température de fusion du métal; ce niveau est utiLisé pour la soudure; - dans un troisième temps, une élévation supplémentaire de La température jusqu'à la température de vaporisation du métaL qui, une fois atteinte, permet La coupe du métal. Les inconvénients de La coupe au laser sont notamment constitués: - par l'importance des puissances nécessaires, ce qui nécessite l'utilisation d'appareils coûteux et volumineux; - par le fait qu'une partie de l'énergie déposée est réfléchie; - par le fait qu'une partie de l'énergie appliquée est diffusée autour de la zone de coupe, ce qui crée une déperdition thermique plus ou moins importante, en fonction de la conduction thermique du métal; - par le fait que pour créer une coupe constante et uniforme, il convient de maintenir, au point d'impact et le long du trait de coupe, en fonction de la vitesse de déplacement, une température supérieure à la température de fusion; de la sorte, les bords de la coupe ont tendance à fondre et à se resolidifier le long du trait de coupe, ce qui crée une coupe irrégulière; - par la vaporisation du métal dans La zone d'interaction, en milieu ambiant, laquelle engendre un nuage d'ionisation qui crée un barrage à L'émission photonique, donc réduit L'efficacité de L'émission Laser; c'est La raison pour LaqueLLe on préconise La coupe Laser sous une émission gazeuse (hélium) qui évite La formation de nuage d'ionisation; - par La création, en raison de l'expansion thermique, autour du point d'impact ou dans les zones situées le long du trait de coupe, d'une modification structurelLe ou changement de La structure cristalline du métal qui peut, de ce fait, subir des microfractures et présenter, par conséquent, des points de faiblesse, à distance du trait de coupe; - par La difficuLté d'obtenir une bonne coupe des semi-conducteurs; outre une modification cristaLLine des semi-conducteurs, iL est difficile d'intervenir sur de faibLes épaisseurs; - par Le fait que La coupe s'accompagne d'une carbonisation importante sur Les berges de La coupe, sur les matériaux organominéraux. Un objet de La présente invention est de remédier aux inconvénients des procédés et installations de coupe de matériaux connus, utilisant l'énergie fournie par Le rayonnement laser. Selon une première disposition caractéristique de L'invention, ce but est atteint grâce à un procédé suivant lequel un mince film ou peLLicule d'eau, est déposée sur le matériau à usiner ou à découper, en même temps que le rayonnement ou émission produit par un laser, au point d'impact dudit rayonnement ou dans La zone de ce point d'impact. SeLon une autre disposition caractéristique de L'invention, La mince pellicule ou fiLm d'eau est déposée sur Le matériau à usiner ou à découper, sous forme d'un jet d'un méLange air/eau. SeLon une autre disposition caractéristique de L'invention, La mince pellicule ou film d'eau a une épaisseur de L'ordre d'une à quelques dizaines de microns et, par exemple, une épaisseur de L'ordre de 10 à microns. PLusieurs cas de figure peuvent se présenter, en fonction du type de laser utilisé. 1.) - L'énergie laser est absorbée par le métal, mais L'émission laser n'est pas absorbée par l'eau (exemple: -4- Laser Nd-YAG ayant une longueur d'onde de 1,06 pm, ou de 0,532 Gm). Dans ce cas, mime à faible énergie, le métal (ou certains autres matériaux) subit une modification structureLLe et une élévation thermique. L'eau pénètre dans Les microfissures créées par L'effet thermique, entre Les impulsions de L'émission laser, et subit une transformation en vapeur à L'intérieur des microfissures, par suite de L'éLévation thermique du métal. 2.) - L'énergie laser est absorbée par le métal et par L'eau (exempLe: Laser YAG-ER à longueur d'onde de 2,60 pm à 3,00 pm, ou Laser à excimère à Longueur d'onde de 200 nm à 300 nm). Dans ce cas, si la pénétration du rayon laser dans L'eau est supérieure à l'épaisseur de la pelLicule d'eau sur le métaL: - a) le métal subit une transformation microstructurelle; - b) L'eau pénètre, pendant les périodes inter-pulsations, à L'intérieur des microfissures; - c) L'eau subit une vaporisation instantanée lors des pulsations suivantes, même sans élévation thermique du métal. Dans Les deux cas de figure susmentionnés, La brutale transformation d'eau en vapeur, provoque une libération d'énergie importante qui s'exerce sous forme de pression sur Les parois des microcavités. Cette soudaine Libération de pression provoque la fracture de microparticules de métal qui sont éliminées et éjectées de La zone d'interaction. Un important avantage de cette méthode de coupe, est que L'énergie nécessaire à la coupe du métal est considérablement réduite et n'entraîne pas, par conséquent, une élévation thermique importante du métal pour atteindre L'effet de coupe recherché. D'autres avantages du procédé de coupe selon L'invention découlent d'une grande amélioration: - dans La netteté de la coupe obtenue; - dans La réduction des modifications morphologiques ou structureLLes des bords de coupe;= -5- - dans La réduction des microfractures au voisinage des bords de coupe. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres encore, ressortiront mieux de la description qui suit et des dessins annexés dans lesquels Les figures 1 et 2 sont des vues à caractère schématique illustrant deux exemptes de mise en oeuvre du procédé de coupe selon L'invention. On décrit ci-après quelques exemples intéressants de coupe, au moyen de L'énergie Laser, d'un métaL recouvert d'une mince pellicule d'eau. 1. - Coupe au moyem d'un Laser Md-TA6 d'une puissance de L'ordre de 40 watts et fonctionnant en mode putsé, Le rayonnement ou émission de ce Laser se caractérisant par Les paramètres suivants: - Longueur d'onde: 1,06 pm; - durée des impulsions: 1 à 100 microsecondes; - taux de répétition des impulsions: au moins 50 Hertz, et plus. Le rayonnement Laser R émis par Le Laser L et qui peut *tre transmis par une fibre optique F équipant un outil à main ou une tète d'émission installée sur une machine automatique, est appliqué sur La pièce ou matériau M à découper ou à usiner. De manière avantageuse, Le laser est régLé de façon que le rayon R présente, au point d'impact, un diamètre de L'ordre de 400 microns. SeLon L'invention, un mince film ou peLLicuLe d'eau et de manière préférée, un film ou peLLicuLe P d'un mélange gaz/eau et, par exemple, d'un méLange air/eau, est déposée sur La pièce ou matériau M, au point d'impact du rayonnement R, par exempLe sous forme d'un jet produit par une buse B aLimentée en air ou autre gaz sous pression et en eau. En fonction du diamètre de La buse, on règle le débit d'air et d'eau pour obtenir une peLLicuLe d'eau présentant une épaisseur de l'ordre de 50 microns. L'utitisation d'un mélange de gaz tel que L'air et L'eau, permet de déposer une peLLicuLe d'eau P très mince - 6 - ayant, par exemple, l'épaisseur susmentionnée, sur La surface de la pièce ou matériau M à découper ou à usiner. Comme cela ressort de L'exposé qui suit, cette peLLicule peut avoir une épaisseur comprise entre une et quelques dizaines de microns et, par exemple, une épaisseur de 10 à 50 microns. Pour améliorer L'efficacité du procédé, L'eau qui est transparente à L'émission Laser, est rendue plus absorbante en y incorporant un colorant soluble dans L'eau. En effet, Les colorants de couleur sombre (par exemple de couleur noire) solubles dans l'eau, permettent d'obtenir une solution absorbante au rayonnement Nd-YAG. La nigrosine, par exemple, permet, à une concentration de 0,1 Z, d'obtenir une coloration et une absorption suffisantes du rayonnement laser et produit une augmentation de L'efficacité de coupe de L'ordre de 20 %, dans L'application à La découpe de L'aluminium. Ce procédé de coupe utilisant L'énergie produite par un Laser Nd-YA6, convient notamment à La découpe des matériaux suivants: aLuminium, acier, plastiques, bois, semi-conducteurs, céramiques. 2. - Caoupe a. moyen d'un Laser à CO2 d'une puissance de L'ordre de 100 watts et plus, et fonctionnant en mode putsé ou en mode super putsé, Le rayonnement ou émission de ce Laser se caractérisant par Les paramètres suivants - Longueur d'onde: 10,6 pm - durée des impulsions: 1 à 100 microsecondes; - taux de répétition des impulsions: de 1.000 Hertz à 10.000 Hertz. L'émission des Lasers C02 à 10,6 pu est très absorbée par L'eau. De manière avantageuse, Le Laser est réglé, de façon que te rayon R présente, au point d'impact, un diamètre de L'ordre de 400 microns. Comme indiqué précédemment, une peLLicuLe d'eau P est formée sur La pièce ou matériau M à découper ou à usiner, à partir d'une émission d'un méLange air/eau, dans La zone -7- d'impact du rayonnement laser. De manière plus spécialement intéressante dans te cas de la coupe réalisé au moyen d'un Laser à C02, le jet J du mélange air/eau est envoyé obliquement par rapport à la surface de la pièce ou matériau M recevant l'émission laser, et non pas dans l'axe de cette émission, ce qui permet d'éviter une vaporisation de l'eau (donc une perte d'énergie) à distance. Le jet J forme, par exemple, un angle de l'ordre de 40 à 60 degrés avec la surface de la pièce ou matériau M. Ce procédé de coupe au laser à C02 convient parfaitement à La découpe des matériaux ci- après: cuivre, bronze, acier, plastiques, céramique, semi-conducteurs. 3. - Coupe aux Lasers dont l'émission se situe dans Linfrar*mge moyen d'une puissance de l'ordre de 25 watts et plus, Le rayonnement ou émission de ces Lasers se caractérisant par Les paramètres suivants - Longueur d'onde: de 2,69 ym à 3 /m; - durée des impulsions: 1 à 100 microsecondes; - Taux de répétition des impulsions: de L'ordre de 30 Hertz et plus. Le rayonnement des lasers dans l'infrarouge moyen est Largement absorbé par l'eau. De manière avantageuse, ces lasers sont réglés de façon que Leur rayon R présente, au point d'impact, un diamètre de L'ordre de 400 microns. Dans ce cas, la pellicule d'eau déposée sur la pièce ou matériau à couper, doit être mince (10 à 40 microns). On obtient le laminage ou réduction de l'épaisseur de la pellicule d'eau, en augmentant le pourcentage de l'air dans le mélange air/eau. Autrement dit, dans tous les cas, L'épaisseur souhaitable de la mince pellicule ou film d'eau P, en fonction du type de Laser utilisé, est obtenue en faisant varier Les pourcentages d'air ou autre gaz et d'eau, dans le mélange air/eau. Le procédé de découpe de matériaux au moyen de l'énergie émise par les Lasers dans l'infrarouge moyen, convient plus particulièrement à la coupe des matériaux - 8 - suivants: semi-conducteurs, bois, plastiques, cuirs, céramiques. On observe que, dans tous Les cas de figure, L'élévation du taux de répétition des impulsions, permet d'augmenter l'efficacité de L'effet de coupe produit par Le rayonnement laser. Le rayonnement laser R peut être acheminé jusqu'à La pièce ou matériau M à découper ou à usiner au moyen d'une fibre optique (figure 1) ou focaLisé au moyen d'une lentille optique convergente O (figure 2). - 9 - R E V E N D I C A T I O N S 1. - Procédé de coupe de matériaux divers, utilisant L'énergie émise par un Laser de puissance, caractérisé en ce qu'une mince peLLicule ou film d'eau (P) est déposée sur Le matériau (M) à usiner ou à découper, en mime temps que Le rayonnement ou émission (R) produit par le Laser (L), au point d'impact dudit rayonnement ou dans la zone de ce point d'impact. 2. - Procédé de coupe selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mince pellicule ou film d'eau (P) est déposée sous forme d'un jet (J) d'un mélange gaz/eau et, de préférence, sous forme d'un jet d'un mélange air/eau. 3. - Procédé de coupe suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pellicule ou film d'eau (P) a une épaisseur de l'ordre d'une à quelques dizaines de microns et, par exemple, une épaisseur de l'ordre de 10 à 50 microns. 4. - Procédé de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le jet (J) du mélange air/eau est envoyé obliquement par rapport à La surface de la pièce ou matériau (M) recevant l'émission Laser. 5. - Procédé de coupe suivant l'une quelconque des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur souhaitable de la pellicule d'eau (P) est obtenue, en fonction du type de laser (L) utilisé, en faisant varier les pourcentages d'air et d'eau dans le mélange air/eau. 6. - Procédé de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un colorant de couleur sombre, soluble dans l'eau, est incorporé dans l'eau utilisée pour La formation de la mince pellicule d'eau (P). - 10 - 7. - Procédé de coupe selon L'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on utilise Le rayonnement Laser émis par un laser Nd-YAG ayant, par exempte, une puissance de l'ordre de 40 watts et fonctionnant en mode pulsé, ce rayonnement se caractérisant par Les paramètres suivants - Longueur d'onde: 1,06 um; - durée des impulsions:1 à 100 microsecondes; - taux de répétition des impulsions: au moins de 50 Hertz; ce rayonnement présentant, au point d'impact, un diamètre de L'ordre de 400 microns. 8. - Procédé de coupe suivant L'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que L'on utiLise Le rayonnement Laser émis par un Laser à C02 ayant, par exmepLe, une puissance de L'ordre de 100 watts ou plus, fonctionnant en mode puLsé ou en mode super puLsé, ce rayonnement se caractérisant par Les paramètres suivants: - Longueur d'onde: 10,6 pm; - durée des impulsions: 1 à 100 microsecondes; - taux de répétition des impulsions: de 1.000 Hertz à 10.000 Hertz. ce rayonnement présentant, au point d'impact, un diamètre de L'ordre de 400 microns. 9. - Procédé de coupe selon L'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que L'on utilise Le rayonnement laser émis par un Laser dans L'infrarouge moyen ayant, par exemple, une puissance d'au moins 30 watts ou plus et fonctionnant en mode puLsé, ce rayonnement se caractérisant par Les paramètres suivants Longueur d'onde: 2,69 Mrm à 3 Mm; - durée des impulsions: 1 à 100 microsecondes; - taux de répétition des impulsions: au moins 30 Hertz, ou plus; ce rayonnement présentant, au point d'impact, un diamètre de L'ordre de 400 microns.