Brevet FR2816227A1 — publié le 20020510

La présente invention concerne un procédé de coupage par faisceau laser à haute vitesse utilisant une lentille pour focaliser le faisceau laser et un gaz d'assistance du faisceau laser. En découpe laser, pour des vitesses faibles de découpe, c'est-à-dire typiquement inférieures à 15 m/min, il est connu que le profil de découpe est simple et l'évacuation du métal fondu se fait dans l'axe du faisceau. Cependant, pour des découpes réalisées à vitesse plus élevée, c'est- à-dire au-delà de 15 m/min, il a été mis en évidence des apparitions de plasma gazeux au niveau de la saignée de coupe en cours de formation, limitant les performances de découpe sur des tôles de fines épaisseurs, c'est-à-dire inférieures à 2 m/min. Ces deux types de phénomènes sont notamment décrits dans les documents US-A-5,578, 228, DE-A-41123716 ou High Speed Laser Cutting of Thin Metal Sheets, KU. Preissig et, Fraunhôfer Institut für Lasertechnik, SPIE Vol. 2207,1996. La formation de ce plasma s'explique par les mouvements induits dans je profil de découpe. En effet, les mouvements hydrodynamiques qui sont générés pendant la coupe provoquent une évacuation du métal fondu sur l'arrière du profil de découpe. Dès lors, le profil de découpe peut être considéré comme étant formé de deux parties, à savoir une partie non débouchante qui s'apparente à un capillaire de vapeur comme dans le cas des procédés de coupe à forte densité d'énergie, et une partie débouchante par laquelle s'effectue l'évacuation du métal fondu. On peut donc faire l'analogie entre le capillaire formé en soudage à forte densité d'énergie, par exemple en soudage plasma en mode keyhole (soudure débouchante) et le capillaire formé en soudage laser à haute vitesse. En effet, du fait des puissances spécifiques élevées, la réalisation de la soudure par faisceau laser repose sur des phénomènes de fusion localisée de la matière au point d'impact du faisceau où Il se forme un capillaire dit"keyhole"rempli de vapeurs métalliques ionisées à haute température. Les parois de ce capillaire sont formées de métal en fusion. Ce capillaire a un rôle important car il permet de transférer l'énergie directement au coeur du matériau. Le bain de fusion ainsi formé et entretenu, et est déplacé entre les pièces à assembler. Le métal se solidifie après le passage du faisceau assurant ainsi l'assemblage des pièces. Dit autrement, l'apparition du capillaire s'accompagne de la formation d'un plasma de vapeurs métalliques, c'est-à-dire d'un milieu gazeux ionisé, électriquement neutre et à températures élevées. Ce plasma de vapeurs métalliques résulte d'un couplage efficace entre le faisceau laser et la pièce. Ce type de plasma absorbe une faible quantité de l'énergie incidente et n'engendre pas de modification notable de la largeur et de la profondeur du cordon de soudure. Dans certaines conditions, notamment de puissance, de vitesse, d'épaisseur, de nature du gaz et de configuration, le plasma de vapeurs métalliques transfert une partie de son énergie au gaz de protection et il y a risque de formation d'un plasma du gaz de protection qui peut, dans certains cas, absorber l'énergie du faisceau laser, ce qui engendre un cordon de soudure plus large en surface et beaucoup moins pénétré dans le matériau. Le problème qui se pose alors est alors d'éviter la formation d'un plasma du gaz de protection. Pour ce faire, il a déjà été proposé d'utiliser de l'hélium qui est réputé être le gaz le plus approprié pour limiter l'apparition de ce type de plasma. Cependant, ce gaz présente l'inconvénient par rapport à d'autres gaz d'avoir une masse volumique relativement faible, ce qui limite l'effet cinétique et conduit à utiliser des pressions de découpe relativement fortes. Dès lors, le but de la présente invention est d'améliorer les procédé de coupage par faisceau laser connus en proposant un procédé de coupage laser, dans lequel l'utilisation un mélange gazeux judicieux permet de limiter la formation dudit plasma indésirable et d'améliorer ainsi l'énergie cinétique du flux gazeux de manière à permettre un coupage par faisceau laser à des vitesses élevées, typiquement supérieures à 15 m/min La présente invention concerne alors un procédé de coupage d'une pièce en métal ou en alliage métallique par mise en oeuvre d'au moins un faisceau laser et d'au moins un gaz d'assistance dudit faisceau laser, caractérisé en ce que le gaz d'assistance est formé d'un mélange d'hélium et d'argon eVou d'azote ou d'azote et d'oxygène et en ce que la vitesse de coupe est supérieure à 15 m/min. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la vitesse de coupe est supérieure à 18 m/min, de préférence supérieure à 20 m/min, préférentiellement supérieures à 25 m/min. - la vitesse de coupe est inférieure à 300 m/min. - le gaz d'assistance est formé d'un mélange d'hélium et d'argon, d'hélium et d'azote ou d'azote et d'oxygène. - le gaz d'assistance est constitué d'un mélange d'hélium et d'argon contenant de 20 % à 80 % (en vol.) d'hélium et le reste étant de l'argon, de préférence 25 à 75 % d'hélium. - le gaz d'assistance est formé d'un mélange d'hélium et d'azote contenant de 20 % à 80 % (en vol.) d'hélium et le reste étant de l'azote, de préférence 25 à 75 % d'hélium. - le gaz d'assistance est formé d'un mélange d'azote et d'oxygène contenant de 0 5 % à 40 % (en vol.) d'oxygène et le reste étant de l'azote, de préférence 1 à 20 % d'oxygène. - l'épaisseur de la pièce à couper est comprise entre 0. 05 mm et 5 mm, de préférence supérieure à 0. 1 mm. - la pièce à couper est choisie parmi les plaques, les tôles et les tubes. -le faisceau laser est délivré par un dispositif laser de type Cm) 2 ou de type Nd : YAG. - on utilise une buse de diamètre interne compris entre 0,5 mm et 10 mm. de préférence entre 1 mm et 3 mm. - le moyen optique permettant de focaliser le faisceau laser est choisi parmi les lentilles, les miroirs et leurs combinaisons, de préférence une lentille. - on utilise une source laser comprise entre 500 et 6000 Watt de puissance. - la pièce à couper est choisie parmi les plaques, les tôles et les tubes. La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce aux explications suivantes, données à titre illustratif mais non limitatif. Dans le cadre de l'invention, il a été mis en évidence que, pour remédier ou minimiser la formation indésirable d'un plasma du gaz de protection, il faut utiliser un gaz à fort potentiel d'ionisation (en eV), c'est-àdire contenant préférentiellement de l'hélium. Les potentiels d'ionisation des différents gaz sont donnés dans le tableau 1 ci-après. Tableau 1 : Potentiels d'ionisation des gaz Gaz Potentiels d'ionisation (en eV) Helium 24, 46 Argon 15,68 Azote 15, 51 Hydrogène 15,43 Oxygène 12,50 Toutefois. en s'arrêtant à ce critère, l'hélium serait effectivement le meilleur des gaz à utiliser. Or. comme susmentionné, cela ne suffit pas car l'hélium présente l'inconvénient d'avoir une masse volumique relativement faible, ce qui limite l'effet cinétique et conduit à utiliser des pressions de découpe relativement fortes. Dès lors, l'inventeur de la présente invention a mis en évidence que l'autre paramètre à prendre en compte pour la découpe laser à haute vitesse est la masse volumique du gaz car, pour de fines épaisseurs (typiquement de 0,1 mm à 2 mm), l'aspect expulsion de métal est prépondérant par rapport à l'aspect exothermique car, du fait des vitesses de coupage relativement élevées, le temps de réaction est limité. En effet, tout d'abord, si l'on considère l'énergie cinétique (Ec) du flux gazeux utilisé crs de la découpe laser, celle-ci est donnée par la formule (1) suivante : Ec=. p. V2 (1) où : p est la masse volumique du gaz (kg/m3) et V2 est le carré de la vitesse dudit gaz (en m/s). Or, la vitesse est fonction du débit (q) et du diamètre de la buse (D) utilisée pour expulser le gaz de coupe, soit : V= q/ (TT. (D/4)) (2) Il en découle alors l'équation (3) suivante : Ec=f (p, q. 1/D4) (3) En d'autres termes, l'énergie cinétique du gaz dépend du débit donc la pression de gaz, du diamètre de la buse et de la masse volumique du gaz. Pour augmenter les vitesses de coupe, il faut donc une masse volumique importante. Les masses volumiques, à 15 C et 1,013 bar, des différents gaz du tableau 1 sont données dans le tableau Il ci-après. Tableau N : Masses volumiques des gaz Gaz Masses volumiques des gaz (en kg/m3) Hélium 0,169 Argon 1,69 Azote 1, 17 Hydrogène 0,085 Oxygène 1,35 Il ressort donc des tableaux I et II que les mélanges particulièrement adaptés au coupage par faisceau laser à haute vitesse ( > 15 m/s) sont les mélanges d'hélium et d'argon et/ou d'azote qui allient le potentiel d'ionisation élevé de l'hélium aux masses volumiques des gaz importantes de l'argon et/ou l'azote. De façon moins préférentielle, des mélanges d'azote et d'oxygène pourraient aussi convenir. Revendications 1. Procédé de coupage d'une pièce en métal ou en alliage métallique par mise en oeuvre d'au moins un faisceau laser et d'au moins un gaz d'assistance dudit faisceau laser, caractérisé en ce que le gaz d'assistance est formé d'un mélange d'hélium et d'argon et/ou d'azote ou d'azote et d'oxygène et en ce que la vitesse de coupe est supérieure à 15 m/min. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse de coupe est supérieure à 18 m/min, de préférence supérieure à 20 m/min. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la vitesse de coupe est inférieure à 300 m/min. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz d'assistance est formé d'un mélange d'hélium et d'argon, d'hélium et d'azote ou d'azote et d'oxygène. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz d'assistance est constitué d'un mélange d'hélium et d'argon contenant de 20 % à 80 % (en vol.) d'hélium et le reste étant de l'argon, de préférence 25 à 75 % d'hélium. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz d'assistance est formé d'un mélange d'hélium et d'azote contenant de 20 % à 80 % (en vol.) d'hélium et le reste étant de l'azote, de préférence 25 à 75 % d'hélium. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz d'assistance est formé d'un mélange d'azote et d'oxygène contenant de 0,5 % à 40 % (en vol.) d'oxygène et le reste étant de l'azote, de préférence 1 à 20 % d'oxygène. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'épaisseur de la pièce à couper est comprise entre 0.05 mm et 5 mm, de préférence supérieure à 0.1 mm, et/ou en ce que la pièce à couper est choisie parmi les plaques, les tôles et les tubes. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le faisceau laser est délivré par un dispositif laser de type CO2 ou de type Nd : YAG. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on utilise une buse de diamètre interne compris entre 0,5 mm et 10 mm, de préférence entre 1 mm et 3 mm.