Brevet FR2810913A1 — publié le 20020104

L'invention concerne un procédé de coupage par faisceau laser des aciers alliés, de préférence des aciers faiblement alliés, permettant de diminuer ou éliminer les oxydes se formant sur les faces ou bords de la pièce découpée et une installation de mise en oeuvre de ce procédé. Lors du coupage par faisceau laser de pièces en acier faiblement alliés avec mise en oeuvre d'oxygène en tant que gaz d'assistance du faisceau laser, o0 un problème d'oxydation des bords ou faces de coupe des pièces en acier faiblement alliés se pose actuellement. Cette formation intempestive d'oxydes sur les faces ou bords de coupe nécessite une opération subséquente de brossage avant mise en peinture du fait de la non-adhérence dans le temps de la couche d'oxyde ainsi formée, conduisant à un décollement au fil du temps de la peinture qui recouvre ces couches d'oxydes de par la mauvaise adhérence de ces dernières. Afin de palier ce problème, une solution évidente serait d'utiliser un gaz non-oxydant, tel l'azote, en lieu et place de l'oxygène utilisé en tant que gaz d'assistance du faisceau laser. Or, il a été constaté en pratique que le coupage d'aciers faiblement alliés avec de l'azote donnait de nettement moins bons résultats, en termes de vitesse de coupe notamment, que le coupage sous oxygène, ce qui n'est pas acceptable au plan industriel. Par ailleurs, il a déjà été proposé de protéger les faces de coupe avec un gaz réducteur, tel de l'hydrogène ou du méthane par exemple, ainsi que décrit par les documents EP-A-730 506, JP-A-2 867 158, DE-A-4 123 716, JP-A-0100 5692 et JP-A-0203 0389. Or, cette solution n'est pas idéale car ces gaz peuvent présenter des problèmes de sécurité lors de leur mise en oeuvre. 2 2810913 La présente invention vise donc à résoudre le problème d'oxydation non souhaitée des bords ou faces de coupe en coupage par faisceau laser d'aciers allié, de préférence faiblement alliés, et donc d'améliorer les procédés existants. L'invention concerne alors un procédé de coupage par au moins un faisceau laser d'au moins une pièce en acier allié, en particulier en acier faiblement allié ( le dépôt d'oxydes sur les faces ou bords de ladite saignée de coupe. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le fluide cryogénique est choisi parmi le dioxyde de carbone, I'azote ou l'hélium. - le fluide cryogénique est au moins biphasique, de préférence ledit fluide cryogénique est un mélange biphasique de gaz et de liquide. - ledit fluide cryogénique est envoyé au contact de la surface supérieure et/ou inférieure de la pièce à couper, de préférence la face supérieure. - le faisceau laser est issu d'un laser YAG ou C02. - le jet cryogénique est injecté en direction de la pièce à couper selon un angle 5 à 90 par rapport à la surface de ladite pièce, de préférence un angle de 10 à 80 . - la distance entre la sortie de la buse de distribution dudit jet cryogénique et la pièce à couper est comprise entre 0,05 cm et 70 cm, de préférence de 0,5 à 5 mm. - la vitesse de coupage est comprise entre 0,05 et 100 m/min, de préférence de 0,5 à 10 m/min. 3 2810913 - le débit du fluide cryogénique est de 0,5 à 20 m3/h, - le débit d'oxygène de coupe est de 0,5 à 10 m3/h. - la pression du fluide cryogénique est de 0,5 à 50 bars. - la pression d'oxygène de coupe est de 0,5 à 20 bars. Selon un autre aspect, I'invention porte aussi sur un procédé pour réduire la quantité d'oxydes susceptibles de se déposer sur les faces ou bords de la saignée de coupe obtenue par découpage par faisceau laser d'au moins une pièce en acier allié, en particulier en acier faiblement allié, dans lequel on utilise d'au moins de l'oxygène ou un mélange d'azote et d'oxygène en tant que gaz d'assistance du faisceau laser, dans lequel on crée un choc thermique entre la couche d'oxyde se formant à la surface des faces de coupe et le substrat métallique sur lequel se forme ladite couche d'oxydes s'accroche par mise en ceuvre d'au moins un jet cryogénique mono, bi ou tri-phasique, de préférence du dioxyde de carbone. De préférence, le mélange d'azote et d'oxygène constituant le gaz d'assistance du faisceau laser contient de 3 à 30% en volume d'oxygène, le reste étant essentiellement de l'azote, de préférence de 5 à 15% en volume d'oxygène, le reste étant essentiellement de l'azote. De plus, I'invention a aussi trait à une installation de coupage par faisceau laser de pièce en acier comprenant: - au moins une source de faisceau laser délivrant au moins un faisceau laser par l'intermédiaire d'au moins une buse de sortie, - au moins une source d'oxygène ou d'un mélange azote/oxygène utilisé en tant que gaz d'assistance du faisceau laser alimentant ladite buse de sortie, - au moins une source d'un fluide cryogénique alimentant au moins une buse d'injection délivrant un jet dudit fluide cryogénique, - la buse de sortie délivrant le faisceau laser et le gaz d'assistance et la buse d'injection délivrant le jet de fluide cryogénique étant dirigées vers la saignée de la pièce à couper de façon à injecter le jet de fluide cryogénique en direction de la pièce à couper selon un angle de 5 à 60 par rapport à la 4 2810913 surface de ladite pièce et à délivrer le faisceau laser selon un angle de 70 à par rapport à la surface de ladite pièce. En d'autres termes, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que, de façon surprenante, la mise en oeuvre d'un jet cryogénique mono, bi ou tri-phasique permet de créer un choc thermique entre la couche d'oxyde formée à la surface des faces de coupe et le substrat métallique sur lequel ladite couche d'oxydes s'accroche, conduisant ainsi à une diminution notable de la quantité d'oxydes qui s'y déposent. De préférence, le flux cryogénique est du dioxyde de carbone, io avantageusement sous forme liquide ou sous forme diphasique liquide+ gaz. Le flux cryogénique peut être amené par tout type d'installation spécifiquement adaptée, de façon coaxiale, latérale, en avant, en arrière ou bien sur les côtés par rapport au sens de coupage. Ce système peut être solidaire ou bien dissocié de la buse de coupage laser. L'angle d'inclinaison du système par lequel circule le fluide cryogénique peut varier de 5 à 90 par rapport au plan des matériaux à couper. La distance de la sortie du jet à son impact dans le champs de coupe peut varier de 70 à 0,05 cm. La figure annexée illustre un tel système comprenant un dispositif 7 de coupage laser comportant une lentille 8 de focalisation permettant de concentrer le faisceau lumineux laser 2 en un point de focalisation au niveau de la pièce 3 à couper, ledit faisceau laser 2 étant distribué par une tête ou buse 1 de coupage laser placée en regard de la pièce 3 à couper, Le faisceau laser 2 est assisté par un gaz d'assistance entrant dans la tête 1 par un orifice d'entrée 5. Pour découper une pièce 3 en acier faiblement allié, on utilise de l'oxygène mais les mélanges d'azote et d'oxygène peuvent également convenir en tant que gaz d'assistance de faisceau laser 2. Selon l'invention, une buse 6 ou un moyen de distribution de fluide analogue est disposé(e) à proximité de la tête 1 et de la pièce 3 de manière à distribuer un fluide cryogénique au niveau des bords ou faces 4 de coupe de la 2810913 pièce 3, de façon à éviter ou à minimiser le dépôt d'oxydes sur lesdits bords ou faces de coupe, comme expliqué ci-dessus. Le procédé de l'invention est particulièrement adapté au coupage des aciers faiblement alliés, les compositions de ces aciers étant définies par les s normes EN 10020 et EN 10027-1 et -2. 6 2810913 REVENDICATIONS 1. Procédé de coupage par au moins un faisceau laser d'au moins une pièce en acier allié, en particulier en acier faiblement allié, dans lequel on utilise au moins de l'oxygène ou un mélange d'azote et d'oxygène en tant que gaz d'assistance du faisceau laser, et on réalise au moins une saignée de coupe dans ladite pièce, caractérisé en ce qu'on envoie au moins un jet d'un fluide cryogénique mono, bi ou tri-phasique en direction de la saignée de manière à éviter ou à minimiser le dépôt d'oxydes sur les faces ou bords de o10 ladite saignée de coupe. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide cryogénique est choisi parmi le dioxyde de carbone, I'azote ou l'hélium. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le fluide cryogénique est au moins biphasique, de préférence ledit fluide cryogénique est un mélange biphasique de gaz et de liquide. 4. Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit fluide cryogénique est envoyé au contact de la surface supérieure et/ou inférieure de la pièce à couper, de préférence la face supérieure. 5. Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le faisceau laser est issu d'un laser YAG ou CO2. 6. Procédé selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le jet cryogénique est injecté en direction de la pièce à couper selon un angle 5 à par rapport à la surface de ladite pièce, de préférence de 10 à 80 o. 7. Procédé selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la distance entre la sortie de la buse de distribution dudit jet cryogénique et la pièce à couper est comprise entre 0,05 cm et 70 cm, de préférence de 0,5 à 5 mm. 8. Procédé selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la vitesse de coupage est comprise entre 0,05 et 100 m/min, de préférence de 0,5 à 10 m/min. 9. Procédé selon les revendications 1 à 8, caractérisé en ce que: 7 2810913 - le débit du fluide cryogénique est de 0,5 à 20 m3/h, - le débit d'oxygène de coupe est de 0,5 à 10 m3/h, -la pression du fluide cryogénique est de 0,5 à 50 bars, -et/ou la pression d'oxygène de coupe est de 0,5 à 20 bars. s 10. Procédé pour réduire la quantité d'oxydes susceptibles de se déposer sur les faces ou bords de la saignée de coupe obtenue par découpage par faisceau laser d'au moins une pièce en acier allié, en particulier en acier faiblement allié, dans lequel on utilise d'au moins de l'oxygène ou un mélange d'azote et d'oxygène en tant que gaz d'assistance du faisceau laser, dans lequel on crée un choc thermique entre la couche d'oxyde se formant à la surface des faces de coupe et le substrat métallique sur lequel se forme ladite couche d'oxydes s'accroche par mise en oeuvre d'au moins un jet cryogénique mono, bi ou tri-phasique, de préférence du dioxyde de carbone. 11. Procédé selon les revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le mélange d'azote et d'oxygène constituant le gaz d'assistance du faisceau laser contient de 3 à 30% en volume d'oxygène, le reste étant essentiellement de l'azote, de préférence de 5 à 15% en volume d'oxygène, le reste étant essentiellement de l'azote. 12. Installation de coupage par faisceau laser de pièce en acier comprenant: - au moins une source de faisceau laser délivrant au moins un faisceau laser (2) par l'intermédiaire d'au moins une buse (1) de sortie, - au moins une source d'oxygène ou d'un mélange azote/oxygène utilisé en tant que gaz d'assistance du faisceau laser alimentant (5) ladite buse (1) de sortie, - au moins une source d'un fluide cryogénique alimentant au moins une buse (6) d'injection délivrant un jet dudit fluide cryogénique, - la buse (1) de sortie délivrant le faisceau laser et le gaz d'assistance et la buse (6) d'injection délivrant le jet de fluide cryogénique étant dirigées vers la saignée (4) de la pièce (3) à couper de façon à injecter le jet de fluide cryogénique en direction de la pièce (3) à couper selon un angle de 5 à 60 S 2810913 par rapport à la surface de ladite pièce (3) et à délivrer le faisceau laser (2) selon un angle de 70 à 100 par rapport à la surface de ladite pièce (3).