Brevet FR2803549A1 — publié le 20010713

La presente invention concerne un procédé et une installation de coupage aciers de construction ou aciers doux par faisceau laser utilisant une lentille ou un miroir bifocales pour focaliser le faisceau laser au moins deux points de focalisation distincts l'un de l'autre et situés sur même axe, de l'azote ou un mélange azote/oxygène en tant que d'assistance faisceau laser. La découpe des aciers de construction ou aciers doux par faisceau laser est couramment réalisée en mettant en ceuvre de l'oxygène en tant que gaz d'assistance, encore appelé gaz de coupe. En effet, l'emploi d'oxygène permet, de par la réaction chimique en présence d'oxygène, d'obtenir des vitesses de coupe élevées associées à des débits de gaz de coupe réduits, ce qui conduit à l'obtention de pieces découpées de faible coût, Cependant, l'utilisation d'oxygène en tant que gaz d'assistance faisceau laser pose un problème majeur, à savoir le problème d'oxydation des faces de coupe. En effet, il est connu que, lors du coupage par faisceau laser des aciers de construction ou aciers doux, l'oxygène génère une pellicule d'oxydes sur la face de coupe qui empêche l'adhérence sur celle-ci d'éléments de protection, comme la peinture par exemple. Afin d'obtenir une meilleure adhérence de tels éléments de protection, une opération subséquente de brossage est alors nécessaire pour supprimer cette couche d'oxydes. Cependant, une telle opération de post-traitement de ou des faces de coupe augmente considérablement le coût de la pièce et d'autant plus que le contour de celle-ci sera complexe. Dès lors, pour éviter ou minimiser ce problème d'oxydation et ce, bien que l'oxygène soit le gaz le plus adapté à la découpe par faisceau laser en termes de performances, il a déjà été proposé de découper les aciers de construction en utilisant de l'azote ou un mélange azote/oxygène. Le fait d'utiliser de l'azote ou un mélange azote/oxygène permet, en effet, de réduire la teneur en oxygène dans le gaz d'assistance et donc la présence d'oxydes sur les faces de coupe de la pièce ainsi découpée. Cependant, avec de l'azote ou un mélange azote/oxygène, les vitesses de coupe sont considérablement limitées et les consommations de gaz sont augmentées par rapport à l'oxygène. L'utilisation d'azote ou d'un mélange azote/oxygène en lieu et place d'oxygène n'est donc pas idéale car engendre une baisse des performances du procédé de coupage laser. lors, le but de la présente invention est d'améliorer les procédé de coupage par faisceau laser des aciers de construction ou aciers doux, c'est-à dire de proposer un procédé de découpe au laser de pièce en acier conduisant à une oxydation faible, voire quasi-nulle, des faces de coupe en augmentant les performances de découpe d'environs 40% comparaison avec procédé de coupage laser utilisant de l'azote un mélange azoteloxygène. La présente invention concerne alors un procédé de coupage d'une piece en acier de construction ou en acier doux par mise en oeuvre d'au moins un moyen optique transparent ou réfléchissant pour focaliser au moins faisceau laser et d'au moins un gaz d'assistance dudit faisceau laser, dans lequel le moyen optique est de type multi-focale et le gaz d'assistance est de l'azote ou un mélange azote/oxygène contenant au moins d'azote.- Dans le cas de la présente invention, par moyen optique est de type multi-focale, on entend que le moyen optique, par exemple une lentille, permet focaliser le faisceau laser en plusieurs points focalisation distincts uns des autres, le plus souvent un premier un deuxième points de focalisation distincts, lesquels sont généralement situes sur un axe sensiblement coaxial à l'axe de la buse du dispositif laser, -à-dire de la tête laser laquelle sort le ou les faisceaux laser. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs caractéristiques suivantes - moyen optique est choisi parmi les lentilles, miroirs et leurs combinaisons, de préférence une lentille, par exemple une lentille bifocale. - gaz d'assistance est de l'azote contenant moins 150 ppm en vol. d'oxygène en tant qu'impuretés, de préférence moins 100 ppm en vol. - le gaz d'assistance est un mélange azoteloxygène contenant une teneur en oxygène supérieure à 0 % en vol. et inférieure à % en vol., de préférence comprise entre 150 ppm en vol. et 5 % en vol. - le moyen optique est agencé de manière à obtenir au moins un premier point de focalisation se positionnant à proximité de la surface supérieure de la pièce à découper, de préférence en coïncidence avec ladite surface supérieure, ou dans l'épaisseur de la pièce à découper dans une région voisine de ladite surface supérieure et au moins un deuxième point de focalisation se positionnant à proximité de la surface inférieure de la pièce à couper et dans l'épaisseur de celle-ci ou en dehors celle-ci. - l'épaisseur de la pièce à couper est comprise entre 1 mm et 5 mm, et on utilise alors, pour ces épaisseurs, une source laser de 800 Watt de puissance par exemple. - la pièce à couper est choisie parmi les plaques, tôles et les tubes. - le mélange azote/oxygène obtenu directement sur site d'utilisation à partir d'air atmosphérique traité par un système à membrane. En d'autres termes, comme thématisé sur la figure 1, l'invention repose sur l'utilisation en combinaison d'une part, d'une ou plusieurs optiques 1 transparentes ou réfléchissantes, tels des lentilles ou des miroirs, permettant d'obtenir plusieurs points focalisation PF1, PF2 distincts du faisceau laser 3, approximativement dans le même axe et, d'autre part, d'azote ou d'un mélange azote/oxygène tant que gaz d'assistance, c'est- à-dire de gaz de coupe. Une installation de coupage d'une pièce en acier de construction ou en acier doux conforme à l'invention schématisée sur la figure 2. Celle-ci comprend au moins genérateur laser 4 pour générer au moins un faisceau laser 3,au moins une buse 2 de sortie traversée par ledit faisceau laser 3, au moins un moyen optique 1 transparent ou réfléchissant pour focaliser ledit faisceau laser 3, et au moins une source 5 de gaz d'assistance dudit faisceau laser 3 alimentant ladite buse 2 de sortie en en gaz d'assistance, l'introduction du gaz d'assistance dans la buse 2 se faisant par un ou plusieurs orifices 6 d'entrée de gaz traversant par la paroi périphérique de la buse 2. Selon l'invention, le moyen optique 1 est de type multi-focale, de préférence une lentille multi-focale, et source 5 de gaz d'assistance alimente la buse 2 en azote ou en un mélange azote/oxygène. De préférence, le laser est de type C02, mais dans certains cas, il peut être de type YAG. Des optiques 1 transparentes ou réfléchissantes à plusieurs points de focalisation utilisables dans le cadre de la présente invention sont décrites dans le document WO-A-98114302 ou encore dans les documents DE-A- 2713904, DE-A-4034745, JP-A-01048692 ou JP-A-56122690. Comme détaillé sur la Figure 1, le premier point focalisation PF1 issus de l'angle de convergence le plus grand, ici l'angle se positionne à proximité de la surface supérieure de la pièce 14 à découper, de préférence en coïncidence avec ladite surface supérieure ou dans l'épaisseur du matériau dans une région voisine de ladite surface supérieure. Le deuxième point de focalisation PF2 issus de l'angle de convergence le plus petit, ici l'angle P, se positionne à proximité de la surface inférieure de la pièce 14 dans l'épaisseur du matériau ou en dehors de celle-ci. Ce principe permet, par rapport à l'utilisation d'une optique standard employée à la découpe d'acier de construction sous azote d'utiliser des diamètres de buse inférieurs et donc de diminuer les consommations en gaz. En effet, l'utilisation d'une optique standard, c'est-à-dire ayant un seul point de focalisation, implique de positionner son seul point de focalisation, donc celui pour lequel l'angle de convergence est le plus grand, à la face inférieure du matériau, voire en dessous. De ce fait, afin de laisser passer le faisceau laser, il convient d'utiliser des buses de fort diamètre, typiquement d'au moins 2 mm de diamètre, celui-ci étant d'autant plus important que l'épaisseur augmente, et donc augmente d'autant les consommations de gaz. Au contraire, selon la présente invention, en associant une optique 1 bifocale, c'est-à-dire à au moins deux points de focalisation PF1 et PF2 distincts l'un de l'autre, à de l'azote ou un mélange azote/oxygène, d'une part, on diminue les consommations de gaz ainsi que susmentionné et, d'autre part, on supprimer ou on réduit nettement la présence d'oxyde sur les faces de coupe, en particulier dans le cas de la découpe des aciers de construction ou des aciers doux. Dit autrement, le procédé de l'invention permet d'augmenter les performances de découpe et de limiter la consommation de gaz de coupe tout obtenant un bilan économique favorable par rapport à l'oxygène en incluant le gain sur le parachèvement. Lorsque l'on souhaite obtenir une coupe quasiment exempte d'oxyde, il convient d'employer de l'azote gazeux dont la teneur en oxygène n'excède pas 1 ppm en volume. Toutefois, si la suppression totale ou quasi-totale des oxydes n'est pas impérative ou pas souhaitée, c'est-à-dire qu'une limitation de la présence de ces oxydes sur les faces de coupe suffit, un mélange d'azote d'oxygene dont la teneur en oxygène est préférentiellement inférieure égale à 5 % en volume convient parfaitement. Un mélange azote/oxygène utilisable dans le cadre de l'invention peut être obtenu, par exemple, directement sur site d'utilisation à partir d'air atmosphérique traité par un système à membrane de manière à diminuer sa teneur en oxygène jusqu'à une valeur souhaitée. Un système à membrane de ce type est commercialisé par la Société L'AIR LIQUIDE sous la dénomination FLOXALTM. Toutefois, le mélange azote/oxygène peut également être réalisé plus classiquement par mélange d'azote et d'oxygène en proportions souhaitées. Le procédé de coupage laser de l'invention conduit à des vitesses coupe élevées, c'est-à-dire de l'ordre de 0,9 mlmin à environ 5,9 mlmin fonction des épaisseurs, associées à des débits de gaz de coupe réduits typiquement pas plus de 19 m3/h, et à l'obtention de pièces découpées faible coût, en particulier pour une source laser de 1800 Watt de puissance par exemple. Revendications 1. Procédé de coupage d'une pièce en acier de construction ou en acier doux par mise en oeuvre d'au moins un moyen optique transparent ou réfléchissant pour focaliser au moins un faisceau laser et d'au moins un d'assistance dudit faisceau laser, dans lequel le moyen optique est de type multi-focale et le gaz d'assistance est de l'azote ou un mélange azote/oxygène contenant au moins 90% d'azote. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen optique est choisi parmi les lentilles, les miroirs et leurs combinaisons, préférence une lentille. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen optique est une lentille bifocale. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz d'assistance est de l'azote contenant moins de 150 ppm en vol. d'oxygène en tant qu'impuretés, de préférence moins de 100 ppm en vol. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz d'assistance est un mélange azote/oxygène contenant une teneur en oxygène supérieure à 0 % en vol. et inférieure à 8 % en vol., de préférence comprise entre 150 ppm en vol. et 5 % en vol. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moyen optique est agencé de manière à obtenir au moins un premier point de focalisation se positionnant à proximité de la surface supérieure de la pièce â découper, de préférence en coïncidence avec ladite surface supérieure, ou dans l'épaisseur de la pièce à découper dans une région voisine de ladite surface supérieure et au moins un deuxième point de focalisation se positionnant à proximité de la surface inférieure de la pièce à couper et dans l'épaisseur de celle-ci ou en dehors de celle-ci. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caracterisé en ce que l'épaisseur de la pièce à couper est comprise entre 1.5 mm 5 mm. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caracterisé en ce que la pièce. à couper est choisie parmi les plaques, les tôles et tubes. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caracterisé en ce que le mélange azoteloxygène est obtenu directement sur site d'utilisation à partir d'air atmosphérique traité par un système à membrane. 10. Installation de coupage d'une pièce en acier de construction ou en acier doux comprenant au moins un générateur laser pour générer au moins un faisceau laser, au moins une buse de sortie traversée par ledit faisceau laser, au moins un moyen optique transparent ou réfléchissant pour focaliser ledit faisceau laser, et au moins une source de gaz d'assistance dudit faisceau laser alimentant ladite buse de sortie en en gaz d'assistance, caractérisée en ce que le moyen optique est de type multi-focale, et la source de gaz d'assistance alimente la buse en azote ou en un mélange azote/oxygène contenant au moins 90% d'azote.