Brevet FR2793179A1 — publié le 20001110

La présente invention se rapporte à une installation de soudage ou de coupage par faisceau laser, en particulier des métaux ou alliages métalliques, comportant un dispositif permettant de concentrer le flux de gaz d'assistance autour du faisceau laser. Une machine ou installation de coupage ou soudage par faisceau laser comporte habituellement un oscillateur laser permettant de générer le faisceau laser et un système de chemin optique permettant de convoyer et de protéger le faisceau laser sur tout le trajet séparant l'oscillateur laser et la tte ou buse de distribution placée à proximité de la pièce à travailler, c'està-dire à souder ou à couper par mise en oeuvre du faisceau laser. En général, le système de chemin optique comprend une ou plusieurs lentilles ou miroirs destinés à guider et à orienter le faisceau laser. En outre, pour éviter que le faisceau laser ne soit perturbé par des impuretés ou des contaminents, telles des poussières, présents dans I'air atmosphérique ambiant, il est d'usage de protéger le faisceau laser par des moyens de protection mécaniques, tels des capotages habituellement de forme tubulaire, et par des moyens de protection chimiques, à savoir un flux gazeux de protection distribué sur tout ou partie du chemin optique du faisceau laser, par exemple un flux d'azote. Des installations laser de ce type ont déjà été décrites notamment dans les documents suivants : EP-A-712346 ou EP-A-148405, auxquels on peut se reporter pour plus de détails. En outre, il est également connu, notamment des documents susmentionnés, d'améliorer l'efficacité du faisceau laser et/ou de seconder faction dudit faisceau laser, notamment en coupage laser, en distribuant aussi un gaz d'assistance, tel I'azote, I'argon, t'oxygène ou leurs mélanges, à I'aide de la buse de distribution placée à proximité de la pièce à travailler et au travers de laquelle passe le faisceau laser. Or, il a été observé, en pratique, des problèmes de focalisation engendrés par une protection gazeuse déficiente ou imparfaite du faisceau laser en sortie de la tte ou buse de distribution, lesquels problèmes de focalisation conduisent à une baisse d'efficacité du faisceau laser et donc à des performances de coupage ou de soudage détériorées. La présente invention, qui s'inscrit dans ce contexte, entend donc résoudre tout ou partie de ces problèmes de focalisation ou au minimum d'améliorer la protection gazeuse habituellement mise en oeuvre pour préserver le faisceau laser en sortie de buse de distribution. La présente invention concerne alors une installation de soudage ou de coupage par faisceau laser des métaux ou alliages métalliques comportant au moins : -des moyens générateur de faisceau laser pour générer au moins un faisceau laser, -une source de gaz d'assistance, -un système de chemin optique dans lequel chemine le faisceau laser entre lesdits moyens générateurs de faisceau laser, situés à une extrémité amont dudit système de chemin optique, et une tte de distribution, située à l'extrémité aval du système de chemin optique et permettant le passage du faisceau laser et d'au moins un flux de gaz d'assistance, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de concentration du flux de gaz d'assistance agencés dans ou à proximité de la tte de distribution, et permettant de concentrer ledit flux de gaz d'assistance autour du faisceau laser. La mise en oeuvre de tels moyens de concentration du flux de gaz d'assistance permet d'obtenir simultanément une concentration du gaz d'assistance autour du faisceau laser de manière à améliorer l'efficacité de protection dudit faisceau en sortie de buse de distribution et l'expulsion par la buse de distribution d'un flux de gaz de plus grande puissance, c'est-à- dire d'une efficacité de gainage accrue et se prolongeant en direction de la pièce à travailler, c'est-à-dire la pièce métallique à couper ou à souder. Selon le cas, I'installation selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -les moyens de concentration du flux de gaz d'assistance comprennent un dispositif concentrateur comportant au moins un passage central au travers duquel est susceptible de passer au moins le faisceau laser, ledit dispositif concentrateur étant inséré à l'intérieur de la tte de distribution. -ledit dispositif concentrateur à une structure cylindrique, de disque, conique, tronconique ou leurs combinaisons, de préférence une structure cylindrique, en particulier de disque. -ledit dispositif concentrateur a une structure de disque ayant une épaisseur (e) et un diamètre (d), tels que : 0 5 mm -ledit dispositif concentrateur comporte au moins un passage central axial au travers duquel est susceptible de passer au moins le faisceau laser et au moins un passage annexe au travers duquel est susceptible de passer au moins une partie du flux de gaz d'assistance, de préférence plusieurs passages annexes axiaux situés autour dudit passage central. -ledit dispositif concentrateur est à structure de disque, ledit disque étant réalisé en moins un matériau ayant un passage central axial et des passages annexes axiaux répartis autour dudit passage central, de préférence ledit matériau est une grille, un treillis ou un tamis, en particulier en métal, en alliage métallique ou céramique. -ledit matériau ayant un passage central axial et des passages annexes axiaux répartis autour dudit passage central est inséré à l'intérieur d'une bague périphérique, de préférence une bague en métal ou en alliage métallique. -ledit dispositif concentrateur est formé d'une pièce-support portant ledit disque ayant un passage central axial et des passages annexes axiaux répartis autour dudit passage central. -les moyens générateur de faisceau laser comportent au moins un oscillateur à faisceau laser, de préférence de type YAG, c'est-à-dire à faisceau laser convoyé par fibre optique, et/ou en ce que le système de chemin optique comprend une ou plusieurs lentilles de guidage du faisceau laser. L'invention va maintenant tre décrite plus en détail à I'aide des figures annexées, données à titre illustratif mais non limitatif. La figure 1 est une vue d'ensemble d'une installation de soudage ou de coupage laser selon l'invention, laquelle se compose : -d'un bâti-support 1 portant une embase 3 sur laquelle est monté un capotage 2 de protection en tôle de forme globalement cylindrique et comportant à son extrémité inférieure une buse 5 ; -d'une source de gaz de soudage, ici une bouteille 21 de gaz, reliée au capotage 2 par une ligne 4 d'amenée de gaz débouchant en partie haute dudit capotage 2 et dotée de moyens de contrôle du débit et/ou de la pression de gaz, tels des manomètres et/ou détendeurs 22 ; et -de moyens générateur 20 de faisceau laser 6 permettant de générer un faisceau laser 6, lequel est ensuite convoyé jusqu'au capotage 2 par une ou des fibres optiques 25 par exemple. La figure 2a est une vue générale de face d'une partie de l'installation laser de la figure 1 où l'on voit que la buse 5 de distribution est située en partie basse du capotage 2, c'est-à-dire en regard de ou des pièces métatiiques 7 à souder ou à couper, et que le faisceau laser 6 traverse axialement la buse 5 et le capotage 2, avant de venir couper ou souder la ou les pièces métalliques 7, par exemple une pièce 7 en aluminium ou en acier inoxydable devant tre coupée. A titre indicatif, le capotage 2 peut avoir une hauteur de 130 cm et un diamètre de 80 cm, et la distance buse 5/pièce 7 peut tre d'environ 8 à 10 mm, ou plus. Comme on peut le voir sur la figure 2b, qui est une vue plus détaillée et éclatée de l'installation de la figure 2a, ou sur la figure 2c qui est une vue simplifiée de la figure 2b, le capotage 2 renferme, en fait, un tube 8'axial, par exemple en acier inoxydable, constituant une partie du système de chemin optique, dans lequel chemine le faisceau laser 6 après avoir été convoyé par la ou les fibres optiques 25, puis focalisé par la lentille focale 26. L'intérieur de ce tube 8'est alimenté en gaz de protection issu de la bouteille 21 par la ligne 4 d'amenée de gaz pour permettre une protection gazeuse du faisceau laser 6 tout au long de son trajet à l'intérieur dudit capotage 2 et jusqu'à la buse 5 de distribution. Plus précisément, au niveau du capotage 2, la ligne 4 d'amenée de gaz comprend une portion 4'd'arrivée de gaz reliée à un diffuseur de gaz 31 en matériau fritte par le biais d'une canalisation souple 32. L'injection du gaz dans le tube 8'se fait grâce à un ou plusieurs orifices 33 d'entrée percés dans la paroi dudit tube 8', de préférence obliquement par rapport à l'axe dudit tube 8'. Dans ce cas, le flux gazeux de protection, par exemple de I'azote, de I'argon, de lthélium ou leurs mélanges, sert aussi de flux de gaz d'assistance, lequel flux d'assistance est délivré ensuite par la buse 5 de distribution. A titre d'exemple, on peut utiliser les gaz lasants commercialisés par la Société L'AIR LIQUIDE sous la dénomination LASALT"'. En outre, des joints toriques ou analogues 10, 34 et 11, respectivement, permettent d'assurer une étanchéité au niveau des liaisons embase 3/châssis-porteur 1, tube 8'/embase 3 et tube 8'/buse 5 de distribution. Par ailleurs, la partie supérieure du capotage 2 comprend aussi des moyens de réglage 28 du parallaxe, par exemple des moyens à vis, protégés, pendant le fonctionnement de l'installation, par une bague 35 de protection coulissante et pouvant venir recouvrir les moyens de réglage 28, ainsi que détaillé sur la figure 5. La figure 5 représente un schéma, en vue de dessus, de la partie supérieure du capotage 2 laquelle comprend les moyens de réglage 28 de parallaxe et la bague 35 de protection recouvrant notamment lesdits moyens de réglage 28 et étant fixée au moyen de vis de blocage, de boulons 36 ou autres moyens de fixation analogues. Si nécessaire, une bague 30 de protection analogue à la bague 35 peut tre disposée à l'extrémité inférieure du capotage 2, c'est-à-dire au niveau du site de jonction entre la buse 5 et le dispositif 8 concentrateur de flux de gaz. Plus précisément, selon la présente invention, pour améliorer t'efficacité du flux de gaz d'assistance, un dispositif 8 concentrateur de flux de gaz d'assistance est agencé en amont ou à l'intérieur de la buse 5 de distribution permettant le passage du faisceau laser 6 et du flux de gaz d'assistance. Ce dispositif concentrateur 8 permet de concentrer et de canaliser tout ou partie du flux de gaz d'assistance autour du faisceau laser 6, c'est-à- dire d'obtenir un gainage efficace dudit faisceau laser 6 par le flux gazeux d'assistance ainsi canalisé. Selon un premier mode de réalisation schématisé sur les figures 3a à 3d, le dispositif concentrateur 8 comprend une pièce-support 60 formée d'une première portion cylindrique 51 et d'une deuxième portion cylindrique 52, et percée d'un passage axial. Comme lustré sur la figure 3a, qui est une vue de côté du dispositif concentrateur 8, la première portion 51 de la pièce-support 60 porte un filetage externe susceptible de venir coopérer avec un taraudage pratiqué à l'extrémité inférieure du tube 8'acheminant le faisceau laser et le gaz de protection, de manière à permettre une fixation dudit dispositif concentrateur 8 sur ledit tube 8'. De manière analogue, la deuxième portion 52 de la pièce-support 60 porte, elle aussi, un filetage externe sur lequel vient se visser la buse 5. Dans le cas représenté ici, le diamètre de la première portion 51 de la pièce-support 60 est inférieur au diamètre de la deuxième portion cylindrique 52. Ainsi que montré sur la figure 3b, qui est une vue en coupe longitudinale de la figure 3a, la pièce-support 60 du dispositif concentrateur 8 porte, à l'extrémité inférieure de la deuxième portion 52, un disque 50 en métal ou en céramique, de diamètre D, doté d'un passage central 15 axial et de plusieurs passages annexes 16 répartis autour dudit passage central 15, c'est-à-dire que les passages annexes 16 forment un tamis autour du passage central 15. Par exemple, le diamètre D peut tre de l'ordre de 18 mm, la hauteur H du dispositif concentrateur 8 de l'ordre de 18 mm et l'épaisseur du disque 50 de l'ordre de 4 mm. En outre, le diamètre d du passage central 15 peut varier selon les besoins, en particulier selon la focale et la puissance du faisceau laser, par exemples de 1.6 mm à 4 mm. Les figures 3c et 3d sont, quant à elles, des vues de dessus et de dessous, respectivement, des figures 3a et 3b. En outre, la figure 4a illustre le cheminement du gaz lasant et du faisceau laser 6 à travers le dispositif concentrateur 8 de la figure 3b. On voit que le flux de gaz entrant 56 chemine à l'intérieur de la piècesupport 60 du dispositif concentrateur 8, qu'une faible porportion de ce flux de gaz est évacué par le passage central 15 par lequel sort égaiement le faisceau laser 6 et que le reste du gaz est canalisé et ressort (en 55) par les orifices ou passages 16 de gaz situés autour dudit passage central 15, lesquels constituent le tamis ou disque 50. La figure 4b illustre le cheminement du gaz lasant et du faisceau laser 6 à travers le dispositif concentrateur 8 de la figure 4a, lorsque la buse 5 est montée par vissage sur le dispositif concentrateur 8. Selon un deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 6a, le dispositif concentrateur 8 est composé uniquement d'un disque 50 formé d'une bague 57 périphérique, par exemple en métal, au sein de laquelle est inséré et fixée une structure à perforations 16 multiples, telle une grille, un treillis, un tamis ou analogue, par exemple en métal, laquelle structure en forme de disque 50 comprend un passage central 15 axial comportant sur son pourtour une bague interne 58, par exemple en métal. A titre d'exemple, le disque 50 des figures 6a à 6d a une épaisseur de l'ordre de 4 mm et un diamètre de l'ordre de 18 mm et le passage central 15 avoir un diamètre de 4 mm. En fait, durant le fonctionnement de l'installation, le faisceau laser 6 traverse, comme montré sur les figures 6c et 6d, le dispositif concentrateur 8 constitué, dans ce cas uniquement du disque 50, en passant par le passage central 15 axial et la majeure partie du gaz d'assistance est canalisée par les perforations multiples ou passages annexes 16, de manière à former un manchon gazeux protecteur efficace autour dudit faisceau laser 6 en sortie de buse 5 de distribution. II n'est pas exclus et mme probable qu'une partie du flux de gaz d'assistance passe par le passage central 15, mais la proportion de gaz d'assistance traversant ledit passage central 15 est considérée comme étant négligeable par rapport à celle traversant les passages annexes 16 aménagés autour dudit passage central 15. Selon le cas, les perforations multiples ou passages annexes 16 peuvent tre d'axes parallèles ou non avec celui du passage central 15. La figure 6d montre, en outre, que le dispositif concentrateur 8 peut tre inséré directement à l'intérieur de la buse 5, laquelle buse 5 porte alors des moyens de fixation, tel un pas de vis, permettant sa fixation à l'extrémité inférieure du tube 8', comme expliqué ci-avant. En outre, il est à noter que le disque 50 porté par la pièce-support 60 conformément aux figures 3a à 3d, 4a et 4b, peut également tre formé d'une bague 57 périphérique portant une structure centrale à perforations 16 multiples entourant un passage central 15 axial sur le pourtour duquel est agencée une bague interne 58. Dans le cadre de l'invention, un flux de gaz d'assistance à un débit de 15 I. min-' et à une pression de 3.105 Pa a été mis en oeuvre avec succès. Toutefois, des débits et pressions supérieurs ou inférieurs à ces valeurs peuvent tre mis en oeuvre ; le choix du débit et de la pression se faisant par exemple en fonction du matériau à travailler et du type de travail à effectuer, c'est-à-dire coupage ou soudage. Les figures 7a et 7b sont analogues aux figures 2a et 2c, respectivement, et représentent un autre mode de réalisation d'une partie de l'installation laser de la figure 1. On voit que, dans le mode de réalisation des figures 7a et 7b, la hauteur de focalisation HF peut tre réglée ou modifiée par l'opérateur. En effet, comme on peut le voir sur la figure 7b, qui est une vue plus détaillée et éclatée de l'installation de la figure 7a, le capotage 2 renferme, comme dans le cas des figures 2c et 2a, respectivement, un tube 8'axial, par exemple en acier inoxydable, constituant une partie du système de chemin optique dans lequel chemine le faisceau laser 6 après avoir été convoyé par la ou les fibres optiques, puis focalisé par la lentille focale 26. Cependant, dans le cas des figures 7a et 7b, d'une part, le capotage 2 comporte deux sous-parties 2a et 2b et, d'autre part, le tube 8'est formé de deux sous-parties 78a et 78b. La première sous-partie 2a du capotage 2 est fixée à 1'embase 3 du bâti-support 1, alors que la deuxième sous-partie 2b est fixée, de manière amovible, à ladite première sous-partie 2a par l'intermédiaire de moyens de fixation 70, tels un ou plusieurs boulons ou analogues. Le démontage de la deuxième sous-partie 2b permet d'accéder aux sous-parties 78a et 78b du tube 8'et aux moyens de réglage 71,77 de la hauteur de focalisation HF. Plus précisément, la deuxième sous-partie 78b du tube 8'peut coulisser (en 71) à l'intérieur de la première sous-partie 78a dudit tube 8' pour permettre, selon le cas, d'approcher ou d'éloigner la buse 5 de distribution de la pièce 7 et donc, par là-mme, de modifier ladite hauteur de focalisation HF. Après réglage de la hauteur de focalisation HF, la deuxième souspartie 78b du tube 8'est maintenue solidaire de la première sous-partie 78a grâce à des moyens de maintien 77, tel un boulon de serrage ou analogue. Les autres parties de l'installation sont inchangées. Par ailleurs, les figures 8a, 8b et 8c représentent encore un autre mode de réalisation d'une installation laser selon l'invention, où l'on voit que la buse 5 de distribution est située, ta encore, en partie basse du capotage 2, lequel est formé de deux sous-parties 82a et 82b télescopiques, c'est-à- dire que la sous-partie 82b peut coulisser à l'intérieur de la sous-partie 82a pour permettre, comme dans le cas des figures 7a et 7b, d'approcher ou d'éloigner la buse 5 de distribution de la pièce à usiner et donc, par làmme, de modifier la hauteur de focalisation HF. Cependant, dans ce mode de réalisation (Fig. 8a à 8c), on constate que le faisceau laser 6 traverse directement le capotage 2, c'est-à-dire sans passer dans un tube axial tel celui référencé 8'sur la figure 2b, par exemple. En effet, le faisceau 6 est ici de forme gaussienne (voir Fig. 8b) à l'intérieur du capotage 2. Comme précédemment, ce faisceau 6 est amené jusqu'au capotage 2 après avoir été convoyé par une ou des fibres optiques, puis focalisé par une lentille focale 26. L'intérieur du capotage 2 est alimenté en gaz de protection par une ligne 4 d'amenée de gaz pour permettre une protection gazeuse du faisceau laser 6 tout au long de son trajet à l'intérieur dudit capotage 2 et jusqu'à la buse 5 de distribution. Dans ce mode de réalisation, les moyens de concentration du flux de gaz, c'est-à-dire le dispositif concentrateur 8 muni d'un disque 50 à passage central pour le faisceau laser et une partie du gaz, sont agencés (en 85) dans la tte de distribution 5 pour permettre de concentrer et de canaliser le flux de gaz autour du faisceau laser 6 sortant de la buse 5. II est à noter que, dans ce cas, la buse 5 de distribution est maintenue en position par vissage sur un support de buse 87 lui-mme vissé (en 88) sur l'extrémité aval du capotage 2, 1'étanchéité de l'ensemble étant obtenue par un ou plusieurs joints 89. Le fonctionnement de ce mode de réalisation étant en tout point analogue à celui des modes de réalisation précédent, celui-ci ne sera pas détaillé davantage. Enfin, l'invention concerne aussi l'utilisation d'une installation telles celles décrites ci-avant dans une opération de soudage ou de coupage par faisceau laser d'au moins une pièce en aluminium, en alliage d'aluminium ou en acier inoxydable. REVENDICATIONS 1. Installation de soudage ou de coupage par faisceau laser (6) des métaux ou alliages métalliques comportant au moins : -des moyens générateur de faisceau laser (20) pour générer au moins un faisceau laser (6), -une source de gaz (21) d'assistance, -un système de chemin optique (25,8') dans lequel chemine le faisceau laser (6) entre lesdits moyens générateurs (20) de faisceau laser (6), situés à une extrémité amont dudit système de chemin optique (25,8'), et une tte de distribution (5), située à l'extrémité aval du système de chemin (25,8') optique et permettant le passage du faisceau laser (6) et d'au moins un flux de gaz d'assistance, et -des moyens de concentration (8, 15,16,50) du flux de gaz d'assistance agencés dans ou à proximité de la tte de distribution (5), et permettant de concentrer et/ou de canaliser ledit flux de gaz d'assistance autour du faisceau laser (6). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de concentration (8,15,16,50) du flux de gaz d'assistance comprennent un dispositif concentrateur (8) comportant au moins un passage central (15) au travers duquel est susceptible de passer au moins le faisceau laser (6), de préférence ledit dispositif concentrateur (8) est inséré, au moins partiellement, à l'intérieur de la tte de distribution. 3. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit dispositif concentrateur (8) à une structure cylindrique, de disque (50), conique, tronconique ou leurs combinaisons, de préférence une structure cylindrique, en particulier de disque (50). 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit dispositif concentrateur (8) a une structure de disque (50) ayant une épaisseur (e) et un diamètre (d), tels : 0 5. Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit dispositif concentrateur (8) comporte au moins un passage central (15) axial au travers duquel est susceptible de passer au moins le faisceau laser (6) et au moins un passage annexe (16) au travers duquel est susceptible de passer au moins une partie du flux de gaz d'assistance, de préférence plusieurs passages annexes (16) axiaux situés autour dudit passage central (15). 6. Installation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit dispositif concentrateur (8) est à structure de disque (50), ledit disque (50) étant réalisé en moins un matériau ayant un passage central (15) axial et des passages annexes (16) axiaux répartis autour dudit passage central (15), de préférence ledit matériau est une grille, un treillis ou un tamis, en particulier en métal, en alliage métallique ou céramique. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit matériau ayant un passage central axial (15) et des passages annexes (16) axiaux répartis autour dudit passage central (16) est inséré à l'intérieur d'une bague périphérique (57), de préférence une bague (57) en métal ou en alliage métallique. 8. Installation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit dispositif concentrateur (8) est formé d'une pièce-support (60) portant ledit disque (50) ayant un passage central (15) axial et des passages annexes (16) axiaux répartis autour dudit passage central (15). 9. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens générateur de faisceau laser comportent au moins un oscillateur à faisceau laser, de préférence de type YAG, et/ou en ce que le système de chemin optique comprend une ou plusieurs lentilles de guidage du faisceau laser. 10. Utilisation d'une installation selon l'une des revendications 1 à 9 dans une opération de soudage ou de coupage par faisceau laser d'au moins une pièce en aluminium, en alliage d'aluminium ou en acier inoxydable.