Brevet FR2798085A1 — publié le 20010309

présente invention concerne un procédé de coupage ou de soudage faisceau laser ou par jet de plasma des aciers non alliés et alliés, aciers inoxydables, de l'aluminium et de ses alliages, utilisant en tant de coupe de l'oxygène généré in situ par électrolyse d'eau. technologie laser et celle du plasma sont bien connues et largement utilisées, à l'échelle industrielle, pour découper ou souder des matériaux métalliques, telles des pièces en aciers non alliés et alliés, en aciers inoxydables, en aluminium ou en alliages d'aluminium. D'une façon classique, une installation de coupage laser comprend un oscillateur laser solide ou à gaz produisant un faisceau monochromatique cohérent haute énergie, un chemin optique équipé de miroirs de renvois afin d'amener le faisceau vers une tête de découpe ou, le cas échéant, une fibre optique acheminant ledit faisceau laser. Cette tete de découpe comprend une lentille ou un miroir de focalisation, de façon à focaliser le faisceau laser en un point, dans le but d'avoir localement suffisamment de densité puissance pour fondre le matériau métallique découper. De plus, la tete de découpe comprend habituellement un dispositif permettant l'alimentation en un gaz de découpe, couramment appelé d'assistance, et ceci l'intermédiaire d'une buse de distribution gaz placée coaxialement au faisceau laser . L'importance du gaz d'assistance utilisé a déjà été soulignée à de nombreuses reprises, celui-ci intervenant complémentairement à l'effet thermique faisceau laser focalisé. En effet, le gaz d'assistance, de part son action cinétique, permet de chasser le métal fondu hors de la saignée de coupe en cours de réalisation. A l'echelle industrielle, certains gaz ou mélanges gazeux sont plus utilisés d'autres, du fait notamment de considérations techniques et/ou économiques. Ainsi, il est connu de l'homme du métier que l'oxygène gazeux présente des caractéristiques de découpe intéressantes. Dans le cas aciers doux, la réaction exothermique de l'oxygène avec le fer contenu dans la tôle est la suivante 2 Fe + 1.5 02 > Fe203 ( + 824 KJ ) De manière analogue, dans le cas des aciers inoxydables, les réactions exothermiques entre l'oxygène et le fer contenu dans la pièce sont les suivantes 2 Fe + 1.5 02 --> Fe203 ( + 824 KJ ) 2 Cr + 1.5 02 ---> Cr203 ( + 1137 KJ ) Pour l'aluminium et ses alliages, la réaction exothermique à prendre en compte est la suivante 4 AI + 3 02 ---> 2 A1203 ( + 1670 KJ ) Au vu des réactions ci-dessus, on constate que, pour ces différents matériaux, il se produit fort dégagement de chaleur permettant d'accroître les performances découpe. Toutefois, ' l'oxygène est quasi indispensable pour optimiser les performances de découpe, il apparaît que les faciès de coupe, c'est-à-dire les bords de la saignée découpe, sont généralement oxydés. Dans le but limiter cette oxydation superficielle, il est possible d'utiliser de l'hélium de l'argon . Néanmoins, à l'échelle industrielle, ces gaz sont très peu utilisés pour ce genre d'application du fait de leurs coûts relativement élevé. II est également possible d'utiliser d'autres gaz inertes, tel que l'azote. Toutefois, l'azote conduisant pas à une réaction exothermique, les performances opératoires sont plus limitées, c'est-à-dire de 20 à 40 inférieures à celles obtenues avec de l'oxygène, mais, par contre, les faces de coupes sont exemptes d'oxyde. D'une maniere générale, le conditionnement du ou des gaz de découpe se fait de façons différentes suivant les critères de productivité. Ces critères sont induits par l'application, la nature et l'épaisseur du matériau à découper, et déterminent le débit donc la consommation ainsi que la pression du gaz d'assistance . Ainsi, pour de très faibles débits , on utilise préférentiellement un conditionnement en bouteille unitaire, le gaz étant comprimé, par exemple, à une pression initiale 200 bars, pour un volume initial de 10,3 m3. Toutefois, cette configuration présente l'inconvénient de devoir remplacer la bouteille relativement fréquemment dans le temps et d'autant plus souvent que la consommation en gaz du procédé est élevée. l'utilisation, pour des consommations superieures, toujours de bouteilles de gaz comprimé mais regroupées en cadre de plusieurs bouteilles. Dans ce cas, il est important de surveiller la quantité de gaz restante soit par des moyens classiques de relevés visuels, soit par des moyens électroniques couplés à des liaisons téléphoniques, de façon à ce que le ne fasse pas défaut lors de périodes de production, c'est-à-dire de découpe laser d'un matériau. Lorsque la quantité de gaz restante nécessite d'être remplacée, le client utilisateur ou le système automatique de surveillance déclenche au niveau de la société de distribution une commande de remplacement du conditionnement en question. Pour de fortes consommations de gaz, il est indispensable d'utiliser un conditionnement de type liquide à des températures cryogéniques délivrant après réchauffement approprié un gaz à une certaine pression . En fonction des types de conditionnements pour atteindre les pressions voulues, il est parfois nécessaire de coupler ce type conditionnement à une pompe cryogénique, un surpresseur de gaz tout autre moyen d'alimentation en gaz à haute pression. Bien évidement, ce genre de conditionnement doit être également surveillé de la même façon manuellement ou automatiquement pour ne jamais atteindre le niveau minimum conseillé par le constructeur. Dans l'ensemble, tous ces types de conditionnements présentent l'inconvénient de devoir être surveillés d'une façon attentive et permanente pour ne pas entraver la production de pièces découpées. L'usager est donc dépendant de fournisseurs externes et contraint de gérer physiquement un ou plusieurs type(s) de conditionnement(s) . Le problème qui se pose alors est celui de proposer un procédé de coupage ou soudage laser ou plasma, de préférence un procédé de coupage laser, mettant en #uvre un gaz d'assistance ou un gaz plasmagène produit, de manière simple et efficace, directement sur site d'utilisation, de façon à s'affranchir des problèmes surveillance de la quantité de gaz et dépendance vis-à-vis du fournisseur de gaz, qui ont été exposés ci-dessus. La présente invention concerne alors un procède de coupage ou de soudage par faisceau laser ou par jet de plasma d'au moins un matériau métallique, dans lequel on utilise un gaz contenant majoritairement de l'oxygène en tant que gaz d'assistance dudit faisceau laser ou en tant que gaz plasmagène pour générer ledit jet de plasma, caractérisé en ce que le gaz contenant majoritairement de l'oxygène est produit par électrolyse d'eau. Selon le cas, le procédé selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - l'électrolyse d'eau est effectuée sur site d'utilisation, de préférence l'oxygène produit par électrolyse est stocké dans moins une capacité tampon. - le gaz contenant majoritairement de l'oxygène contient plus de 80% d'oxygène, de préférence de 95% à 99.995% d'oxygène, le reste étant principalement de l'hydrogène et/ou de la vapeur d'eau. - le matériau métallique est en acier allié non allié, en acier inoxydable, en aluminium ou en un alliage d'aluminium. - le gaz contenant majoritairement de l'oxygène obtenu par électrolyse d'eau subit au moins une étape de séchage pour éliminer au moins une partie de l'humidité résiduelle qu'il contient. - le gaz contenant majoritairement de l'oxygène obtenu par électrolyse d'eau distillée, de préférence d'un mélange d'eau distillée d'au moins un composé basique, par exemple de la soude. on récupère et on stocke, en outre, un gaz contenant majoritairement de l'hydrogène produit par électrolyse d'eau. Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi installation de coupage ou soudage par faisceau laser de matériaux métalliques, comprenant un dispositif laser pour générer un faisceau laser, des moyens d'alimentation dudit dispositif laser au moins un gaz d'assistance contenant majoritairement de l'oxygène, et des moyens générateur électrolytique pour produire au moins une partie dudit gaz d'assistance contenant majoritairement de l'oxygène par électrolyse d'eau. Selon le cas, le dispositif laser est de type C02, continu ou pulsé, ou de type Nd:YAG. Selon encore un autre aspect, l'invention porte aussi une installation de coupage ou soudage par jet de plasma de matériaux métalliques, comprenant au moins une torche à plasma pour générer au moins un jet de plasma, des moyens d'alimentation de ladite torche à plasma en au moins un gaz plasmagène contenant majoritairement de l'oxygène, - des moyens générateur électrolytique pour produire au moins une partie dudit gaz d'assistance contenant majoritairement l'oxygène par électrolyse d'eau. L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide de la figure annexée, donnée à titre illustratif mais non limitatif. La figure annexée représente un schéma d'une installation de coupage par faisceau laser selon l'invention mettant ceuvre un générateur 7 à électrolyse de l'eau permettant de produire directement sur site, d'une part, de l'oxygène gazeux utilisable en tant que gaz de coupage laser, c'est-à-dire en tant que gaz d'assistance, @et, d'autre part, de l'hydrogène gazeux utilisable soit dans le procédé de coupage laser, soit à d'autres fins. Le principe de fonctionnement de l'électrolyseur 7 peut être résumé comme suit, De l'eau distillée est mélangée (en 6) à un composant basique, par exemple de la soude ou analogue, dans des proportions appropriées, et introduite ensuite dans la cellule électrolytique de l'électrolyseur Sous l'action d'un courant électrique régulier et stabilisé (en 8), l'eau est dissociée et se sépare par électrolyse, avec un rendement élevé, en hydrogène et oxygène gazeux. Les deux gaz, à savoir l'hydrogène et l'oxygène, entrent dans des circuits séparés 9 et 10, respectivement, qui assurent refroidissement, le séchage et un juste équilibre entre les pressions, en fonction des besoins du client . Une unité 11 de contrôle et de gestion du système se charge de redresser le courant alternatif à la sortie du transformateur 12, de façon à fournir à la cellule électrolytique de l'électrolyseur 7, une tension optimisée pour assurer un rendement correct, par exemple une tension comprise entre 120 V et 380 V. L'unité 11 de contrôle et de gestion du système assure automatiquement le fonctionnement optimal de l'électrolyseur 7 au moyen d'un relevé continuel des paramètres physiques fondamentaux (en 13). L'oxygène produit sur site correctement séché (en 14) pour éliminer les traces de molécules d'eau restantes, a une pureté comprise entre 95 et 99,995 %, le reste étant principalement de l'hydrogène. Optionnellement, toute ou partie de l'oxygène peut être stocké dans une capacité tampon en vue d'une utilisation ultérieure. En outre, l'hydrogène produit est soit stocké 15) avec toutes les précautions d'usage, soit évacué à l'air libre avec egalement toutes les précautions d'usage. L'oxygène ainsi produit est utilisé pour effectuer des découpes par faisceau 1 laser de type CO= continu ou pulsé, ou de type Nd:YAG. Classiquement, un tel laser 2 comprend une tête de laser 5 alimentée en oxygène en tant que gaz de coupe (en 4) et munie d'une lentille optique 3 servant à concentrer le faisceau laser 1 pur réaliser la coupe dans pièce. Par exemple, dans le cas d'une installation de coupage laser alimentée par un gaz de coupe constitué d'oxygène généré sur site, d'une pureté de 99,95 %, le reste étant de l'hydrogène et des impuretés habituelles. Ce gaz est délivré sous une pression variable entre environ 0,2 bars et 8 bars, la valeur étant réglée en fonction de l'épaisseur la tôle à découper. En d'autres termes, la mise en oeuvre d'un procédé de coupage laser selon l'invention permet d'obtenir des résultats similaires, dans des conditions opératoires identiques, à une installation équipée d'un conditionnement classique. Toutefois, l'installation selon l'invention rend flexible le processus de production de gaz d'assistance, tout libérant l'utilisateur de la dépendance des fournisseurs externes, ainsi que la gestion physique des bouteilles de gaz ou de l'approvisionnement de liquide cryogénique. Dès lors, sont concernées par l'invention, toutes les applications de découpe laser utilisant de l'oxygène ou des mélanges oxygène, mais également les applications de découpe plasma avec oxygène et/ou hydrogène, ou des mélanges avec d'autres gaz. De plus, toutes applications de soudage à l'arc, soudage laser faisant intervenir au niveau de la protection gazeuse de l'oxygène et/ou de l'hydrogène seul ou avec d'autres gaz, ainsi que les applications de projection thermique, traitement de surface et traitement thermique utilisant de l'oxygène et/ou de l'hydrogène, ou leurs mélanges. Revendications 1. Procédé de coupage ou de soudage par faisceau laser ou par jet de plasma d'au moins un matériau métallique, dans lequel on utilise un gaz contenant majoritairement de l'oxygène en tant que gaz d'assistance dudit faisceau laser ou en tant que gaz plasmagène pour générer ledit jet de plasma, caractérisé en ce que le gaz contenant majoritairement de l'oxygène est produit par électrolyse d'eau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrolyse d'eau est effectuée sur site d'utilisation, de préférence l'oxygène produit par électrolyse est stocké dans au moins une capacité tampon. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz contenant majoritairement de l'oxygène contient plus de 80% d'oxygène, de préférence de 95 % à 99.995% d'oxygène, le reste étant principalement de l'hydrogène et/ou de la vapeur d'eau. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau métallique est en acier allié ou non allié, en acier inoxydable, en aluminium ou en un alliage d'aluminium. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz contenant majoritairement de l'oxygène obtenu électrolyse d'eau subit au moins une étape de séchage pour éliminer moins une partie de l'humidité résiduelle qu'il contient. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le gaz contenant majoritairement de l'oxygène obtenu électrolyse d'eau distillée, de préférence d'un mélange d'eau distillée et d'au moins un composé basique, par exemple de la soude. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on récupère et on stocke, en outre, un gaz contenant majoritairement de l'hydrogène produit par électrolyse d'eau. 8. Installation de coupage ou soudage par faisceau laser (1) de matériaux métalliques, comprenant - un dispositif laser (2) pour générer un faisceau laser ( 2, 3, 5), - des moyens d'alimentation (4) dudit dispositif laser ( 2, 3, en au moins un gaz d'assistance contenant majoritairement de l'oxygène, - des moyens générateur électrolytique (7) pour produire moins une partie dudit gaz d'assistance contenant majoritairement de l'oxygène par électrolyse d'eau. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif laser ( 2, 3, 5) est de type C02, continu ou pulsé, ou de type Nd:YAG. 10. Installation de coupage ou soudage par jet de plasma de matériaux métalliques, comprenant - au moins une torche à plasma pour générer au moins un jet de plasma, - des moyens d'alimentation de ladite torche à plasma en au moins un gaz plasmagène contenant majoritairement de l'oxygène, et - des moyens générateur électrolytique pour produire au moins une partie dudit gaz d'assistance contenant majoritairement de l'oxygène par électrolyse d'eau.