Brevet FR2779078A1 — publié le 19991203

-1 La présente invention se rapporte à un procédé de coupage au laser, en particulier de l'aluminium et de ses alliages, utilisant, en tant que gaz de coupe, un mélange gazeux contenant de l'azote et de l'oxygène. Actuellement, il est connu d'utiliser des installations laser pour découper des matériaux métalliques, telles des pièces en aluminium ou en alliages d'aluminium. Habituellement, une installation de découpe laser se compose d'un oscillateur laser, d'un faisceau laser, d'un chemin optique doté de miroirs destinés à guider le faisceau laser vers une tête de découpe, laquelle tête de découpe comprend une lentille ou un miroir de focalisation du faisceau laser, de manière à obtenir, au point de focalisation, une densité de puissance assez élevée pour pouvoir fondre le matériau à découper, et des moyens d'alimentation en gaz de coupe et gaz de protection du chemin optique comprenant, en général, une buse de distribution de gaz agencée coaxialement au faisceau laser focalisé. Lorsque l'on utilise une installation laser de type C02 pour découper une pièce en aluminium ou en alliage d'aluminium, il est nécessaire, d'abord, d'amorcer la réaction de manière à obtenir une augmentation de l'absorption du faisceau laser avec l'accroissement de la température, l'absorption à température ambiante, c'est- à-dire de 20 C, n'étant que de 1 à 2% environ en fonction de la composition de la pièce à découper, c'est-à-dire de l'alliage constituant la pièce à découper. Il est connu que le gaz d'assistance ou gaz de coupe mis en oeuvre tient un rôle important, voire essentiel, dans la formation de la saignée au sein de la pièce à découper, étant donné qu'il ajoute à l'effet purement thermique résultant du couplage faisceau laser/matériau à couper, un effet cinétique entraînant une chasse ou expulsion du métal fondu hors de la saignée de coupe. Cependant, certains gaz ou mélanges gazeux sont plus appropriés que d'autres à la découpe laser à l'échelle industrielle, notamment pour des raisons de coûts et/ou de performances. Ainsi, compte tenu de son prix élevé, l'hélium n'est généralement pas utilisé pour de telles applications. A l'inverse, l'utilisation de l'oxygène est très répandue en coupage laser. Toutefois, l'utilisation d'oxygène engendre deux phénomènes qui tendent à s'opposer l'un à l'autre, lors du processus de formation de la saignée de coupe dans le matériau en aluminium ou en alliage d'aluminium, à savoir, d'une part, un fort dégagement thermique dû à la formation d'alumine suivant la réaction: 4 Al + 302 ---> 2 A1203 (1670 kJ), et d'autre part, d'engendrer la formation d'une couche d'oxyde réfractaire très dense empêchant la diffusion correcte et efficace de l'oxygène et freinant donc la réaction de combustion du matériau à couper. En outre, on assiste par intermittence à une rupture ou destruction du film d'oxyde par le faisceau laser, ce qui permet à l'oxygène de diffuser, mais conduit à un phénomène "explosif" du fait de l'allumage, pendant un bref instant d'une réaction de combustion du matériau, principalement en fonction de la teneur en magnésium de celui-ci. A chaque allumage d'une réaction de combustion, se forme une empreinte creuse, de part et d'autre de la saignée de coupe, correspondant à une expansion de la largeur de la saignée. De là, on comprend que si l'oxygène permet d'obtenir des vitesses de coupe relativement élevées, le caractère "explosif" du procédé nuit grandement à la qualité de coupe obtenue, de par la formation d'une rugosité importante et irrégulière. Il est également possible d'utiliser, en tant que gaz de coupe, un gaz inerte, tel l'azote. Cependant, l'utilisation d'un gaz inerte en lieu et place de l'oxygène conduit à une diminution de la vitesse de coupe de 20 à 30% par rapport à celle obtenue en utilisant de l'oxygène ce qui peut s'expliquer par une propagation moins rapide de la chaleur dans la pièce à couper. En outre, l'utilisation d'un gaz inerte conduit à des saignées présentant des bords de coupe ayant un aspect plus mat, mais une rugosité moindre qu'avec l'oxygène. Plus généralement, il n'existe pas de différence notable du point de vue de la vitesse de coupe et de la qualité de coupe par substitution de l'azote par l'argon. Toutefois, l'argon engendre davantages de bavures sur les bords de coupe, étant donné que celui-ci engendre des tensions de surface plus élevées sur le métal fondu. De là, l'azote est généralement préféré à l'argon. Il découle de ce qui précède que, quelque soit le gaz de coupe utilisé en coupage laser, il est très difficile d'obtenir à la fois une excellente qualité de coupe et une grande productivité. En effet, si l'azote donne de meilleurs résultats en terme de qualité de coupe, celui-ci conduit, en outre, à une vitesse de coupe et à une souplesse opératoire médiocre. A l'inverse, l'oxygène permet d'obtenir des vitesses de coupe plus élevée, mais engendre une qualité de coupe moins bonne que celle obtenue avec de l'azote. De là, des mélanges azote/oxygène ont été proposés, de manière à essayer d'obtenir un compromis entre qualité de coupe et vitesse de coupe. On peut citer à ce titre les documents WO-A- 96/23624, DE-A-1903325, JP-A-55130391, JP-A-54131543, US- A-4724297 et WO-A-95/33594. Toutefois, aucun des procédés de coupage laser décrit jusqu'à présent n'est réellement satisfaisant du point de vue industriel. Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé de coupage laser, notamment de l'aluminium et de ses alliages, mettant en oeuvre un mélange gazeux susceptible de conduire à une qualité de coupe et à une vitesse de coupe satisfaisante du point de vue industriel et qui soit, par ailleurs, de coût acceptable. La présente invention concerne alors un procédé de coupage laser, notamment de l'aluminium ou ses alliages, dans lequel on utilise, en tant que gaz de coupe, un mélange gazeux contenant de l'azote et de l'oxygène, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux contient de 15 à 25 % d'oxygène et de 75 % à 85 % d'azote. De préférence, le procédé de coupage laser selon l'invention comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le mélange gazeux contient, en outre, au moins un gaz choisi parmi le CO2, l'argon, et leurs mélanges; - le mélange gazeux contient de 0.5 à 3 % d'argon; - le mélange gazeux contient de 0.02% à 0.05% de dioxyde de carbone; - on règle la pression du gaz de coupe en fonction de l'épaisseur du matériau à couper; - la pression du gaz de coupe est comprise entre 6.105 Pa et 15.105 Pa; le mélange gazeux contient de 18 à 22% d'oxygène, de 76 à 80 % d'azote, le reste étant essentiellement de l'argon et/ou du dioxyde de carbone, de préférence le mélange gazeux est de l'air; - il est choisi parmi les procédés de coupage laser Nd:YAG ou C02, de préférence C02 pulsé ou continu. L'invention concerne en outre un mélange gazeux susceptible d'être utilisé dans un procédé de coupage laser, en particulier, le procédé décrit ci-dessus, lequel mélange gazeux contient de 15 à 25 % d'oxygène et de 75 % à 85 % d'azote, éventuellement de 0.5 à 5 % d'argon et/ou de dioxyde carbone. L'invention va être décrite plus en détail à l'aide d'un exemple donné à titre illustratif mais non limitatif. EXEMPLE Une installation de coupage laser de type C02 classique est alimentée avec un gaz de coupe ou gaz d'assistance constitué d'un mélange contenant essentiellement de l'azote, de l'oxygène, de l'argon et du dioxyde de carbone, à une pression comprise entre 6.105 Pa et 15.105 Pa que l'on règle en fonction de l'épaisseur du matériau à découper, de la valeur de rugosité et de la vitesse de coupe recherchée. Le mélange gazeux utilisé en tant que gaz de coupe contient environ 20% d'oxygène, 78% d'azote, 2% d'un mélange argon/dioxyde de carbone et des impuretés habituelles. Ce mélange gazeux est comprimé par un compresseur jusqu'à la pression désirée, par exemple une pression de 12,5.105 Pa pour une épaisseur de 3 mm. Afin d'éliminer les éventuelles particules solides et/ou gouttelettes d'huile en suspension contenues dans le gaz comprimé, celui-ci est soumis à une filtration subséquente à sa compression. La mise en oeuvre du procédé de coupage laser utilisant un tel gaz a permis d'obtenir, lors de la découpe de pièce en aluminium, un gain de vitesse de coupe de l'ordre de 10 à 20% selon la teneur en aluminium et l'épaisseur des pièces découpées, ainsi qu'une plus grande souplesse opératoire, par rapport à un gaz essentiellement constitué d'azote. En outre, la mise en oeuvre de ce procédé permet également de diminuer la rugosité des bords de saignée de l'ordre de 20 à 25% par rapport à un procédé utilisant de l'oxygène comme gaz de coupe. Avantageusement, le mélange gazeux selon l'invention peut être réalisé directement sur le site d'utilisation, par exemple à partir de l'air ambiant atmosphérique, lequel peut être directement capté à l'atmosphère, puis subséquemment purifié, par exemple au moyen de membranes de filtration, de manière à créer le mélange gazeux recherché. REVENDICATIONS 1. Procédé de coupage laser, notamment de l'aluminium ou ses alliages, dans lequel on utilise, en tant que gaz de coupe, un mélange gazeux contenant de l'azote et de l'oxygène, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux contient de 15 à 25 % d'oxygène et de 75 % à 85 % d'azote. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient, en outre, au moins un gaz choisi parmi le C02, l'argon, et leurs mélanges. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient de 0.5 à 3 % d'argon. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient de 0.02% à 0.05% de dioxyde de carbone. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on règle la pression du gaz de coupe en fonction de l'épaisseur du matériau à couper. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la pression du gaz de coupe est comprise entre 6.105 Pa et 15.105 Pa. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient de 18 à 22% d'oxygène, de 76 à 80 % d'azote, le reste étant essentiellement de l'argon et/ou du dioxyde de carbone, de préférence le mélange gazeux est de l'air. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi les procédés de coupage laser Nd:YAG ou C02, de préférence CO2 pulsé ou continu. 9. Mélange gazeux susceptible d'être utilisé en tant que gaz de coupe dans un procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il contient de 15 à 25 % d'oxygène et de 75 % à 85 % d'azote, et éventuellement de 0.5 à 5 % d'argon et/ou de C02.