Brevet FR2830478A1 — publié le 20030411

DISPOSITIF DE DECOUPE LASER DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine technique de l'invention est celui des dispositifs de découpe industrielle par laser de puissance, et plus particulièrement celui des dispositifs de découpe laser comprenant une tête à l'intérieur de laquelle des moyens optiques sont traversés par un faisceau laser du dispositif. Plus spécifiquement, le domaine technique de l'invention se rapporte aux dispositifs de découpe laser aptes à découper des matériaux d'importante épaisseur, notamment des matériaux utilisés dans des installations de l'industrie nucléaire ou de l'industrie navale. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Dans ce domaine, plusieurs réalisations ont déjà été proposées. On connaît des dispositifs de découpe laser comprenant une tête dans laquelle se trouvent des moyens optiques aptes à être traversés par un faisceau laser. Dans ce type de dispositif, la tête se prolonge par une buse comprenant un orifice de sortie au travers duquel passe le faisceau laser pour découper une pièce en formant une saignée, ainsi que du gaz de travail afin d'évacuer les particules métalliques hors de la saignée. Selon l'état de la technique, de fortes pressions de l'ordre de 15 à 30 bars sont requises pour ce gaz de travail, notamment dans le but d'effectuer efficacement l'éjection de ces particules métalliques hors de la saignée. Le tache focale du faisceau laser est préférablement placée à environ un tiers de l'épaisseur totale de la pièce à découper, ce paramètre étant connu de l'art antérieur pour obtenir une découpe de bonne qualité. De manière générale, les dispositifs de découpe laser comprennent des buses dont le profil interne est spécial, la forme de ces buses répondant à un besoin d'optimiser la forme d'un jet et d'en accroître l'énergie cinétique. Selon l'art antérieur, la tache focale émanant du faisceau laser du dispositif doit être de petit diamètre de l'ordre de 0,5 mm, afin de former la saignée la plus étroite possible, la largeur de la saignée étant sensiblement égale au diamètre de la tache focale. Cependant, lorsque l'on utilise de tels dispositifs pour découper des pièces de grande épaisseur, on rencontre des problèmes faisant apparaître des défauts de découpe. En effet, lorsque l'épaisseur de la pièce est supérieure à 10 mm et plus particulièrement lorsque cette épaisseur dépasse les 50 mm pour atteindre une valeur pouvant aller au-delà de 100 mm, on assiste à la subsistance de points d'attaches entre les parties de la pièce à dissocier. EXPOSÉ DE L'INVENTION Le but de la présente invention est donc de remédier à l'inconvénient cité ci-dessus, en proposant un dispositif de découpe laser assurant une qualité de découpe supérieure à celle rencontrée dans l'art antérieur, notamment pour les pièces d'épaisseur importante. Pour ce faire, l'invention a pour objet un dispositif de découpe laser comprenant une tête à l'intérieur de laquelle se situent des moyens optiques traversés par un faisceau laser. Ces moyens optiques ont la particularités de produire une tache focale ayant un diamètre compris entre environ 1,5 et 3 mm. Avantageusement, le fait de prévoir une tache focale d'une telle dimension permet d'obtenir une saignée de largeur sensiblement égale. Cette caractéristique particulière provoque un éloignement des parois de la saignée l'une de l'autre, atténuant alors fortement le problème de viscosité du métal fondu. Les particules métalliques en fusion sont alors susceptibles de s'écouler sans encombre dans une saignée aux dimensions plus grandes, sans laisser subsister de points d'attaches. Les dimensions particulières adoptées pour la tache focale permettent l'introduction d'une plus grande quantité du gaz de travail à l'intérieur de la saignée. Ainsi, en raison de l'augmentation de l'énergie cinétique du gaz de travail, ce dernier aura moins de difficultés à s'introduire jusqu'au fond de la saignée afin d'expulser l'ensemble des particules métalliques en fusion hors de la saignée. De préférence, le faisceau laser du dispositif, en sortie des moyens optiques, comprend un angle de convergence oc inférieur à environ 100. Selon cette réalisation préférée de l'invention, l'avantage découlant consiste en la possibilité de disposer d'un faisceau focalisé se réfléchissant sur les parois de la saignée sur toute l'épaisseur de la pièce, même lors de la découpe de pièces de grandes dimensions. Muni d'un tel dispositif, on peut alors effectuer des travaux de découpe dans un large domaine d'épaisseur de pièce, sans modifier les positions respectives de la tête du dispositif et de la pièce à découper. Enfin, cette disposition particulière permet d'effectuer la découpe de pièces pleines de grande épaisseur, mais également de pièces creuses. La découpe de pièces creuses peut alors s'effectuer sans suivre le contour de cette pièce, mais en réalisant des passages découpant plusieurs faces de la pièce à la fois. A titre d'exemple, un tube creux de section carrée peut être découpé entièrement en faisant passer le dispositif de découpe devant une seul face, alors que selon l'art antérieur, il était nécessaire de faire passer le dispositif de découpe devant chacune des quatre faces de ce tube. Préférentiellement, la tête du dispositif comprend des moyens d'éjection d'un gaz de travail, le gaz de travail étant éjecté à une pression comprise entre environ 1 et 5 bars. En règle générale, on utilise de fortes pressions afin que les particules métalliques en fusion soient éjectées le mieux possible de la saignée, en traversant cette dernière depuis une surface supérieure jusqu'à une surface inférieure de la pièce. Cependant, lors de la découpe d'une pièce d'épaisseur importante, l'irradiation laser ne suffit pas pour maintenir la goutte de métal liquide pendant l'intégralité de la traversée de la saignée. En effet, en utilisant de telles pressions, la goutte se refroidit et bloque la progression de la découpe, alors que si l'on emploie avantageusement des pressions comprises entre environ 1 et 5 bars, on ne crée pas cet effet de refroidissement de la goutte liquide. Les particules métalliques en fusion peuvent ainsi traverser la saignée de la surface supérieure à la surface inférieure de la pièce à découper, sans laisser subsister d'attaches résiduelles. De préférence, pour accroître la qualité de découpe, la tête du dispositif est ajustée de sorte que la tache focale du faisceau laser se situe sur une surface supérieure d'une pièce à découper. De plus, la tête du dispositif comprend une buse ayant un orifice de sortie de diamètre légèrement supérieur ou égal audit diamètre de la tache focale du faisceau laser. Ainsi, le jet laminaire ne déborde pas inutilement de la saignée, et le critère de pression de gaz suffit à caractériser le flux de gaz de travail. De manière avantageuse, la tête du dispositif est de forme sensiblement cylindrique comprenant un diamètre extérieur d'environ 30 mm et une longueur d'environ 250 mm. Cette agencement particulièrement compact permet de limiter l'encombrement du dispositif, et par conséquent le coût de ce dernier. Selon une réalisation préférée de l'invention, la tête du dispositif est couplée à un ensemble mécanique supportant un câble de fibres optiques amenant le faisceau laser en regard des moyens optiques de la tête du dispositif de découpe. Le faisceau laser, à l'intérieur de l'ensemble mécanique, s'étend sur une distance comprise entre environ 40 et 60 mm. Cela participe également à la réduction de l'encombrement et du coût du dispositif. De préférence, le faisceau laser en sortie du dispositif se situe à une distance comprise entre environ 0,5 et 20 mm d'une pièce à découper. Le fait de disposer d'une marge de manoeuvre relativement importante pour positionner la pièce à découper par rapport au dispositif, facilite amplement l'utilisation de ce dispositif et entraîne par conséquent une diminution du temps de réglage, ces réglages étant nécessaires avant d'effectuer le travail de découpe. Les moyens optiques du dispositif comprennent préférablement une lentille de collimation ainsi qu'une lentille de focalisation situées en regard l'une de l'autre. Enfin, la tête est apte à être déconnectée du dispositif à l'aide de moyens pilotables à distance. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée, non limitative, ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La description sera faite au regard de la figure unique annexée, représentant une vue schématique d'un dispositif selon un mode préféré de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ En référence à la figure unique, on voit un dispositif 1 de découpe laser du type laser Nd-YAG, retenu notamment en raison des avantages liés au transport d'un faisceau laser 6 par fibres optiques ou encore en raison des avantages procurés concernant la possibilité de disposer d'une meilleure interaction entre ce faisceau laser 6 et une pièce à découper. Notons cependant qu'il serait tout à fait approprié d'utiliser un laser COz pour mettre en oeuvre l'invention. L'invention est destinée à être utilisée pour des pièces d'épaisseur variée, et plus spécifiquement pour des pièces dont l'épaisseur est supérieure à environ 50 mm et pouvant aller au-delà de 100 mm. En tout état de cause, l'invention propose un dispositif de découpe laser pour des pièces d'épaisseur importante, la limite communément admise par l'homme du métier étant de 10 mm. De même, la puissance délivrée au dispositif 1 se situe entre environ 4 et 6 kW, cet intervalle de valeur correspondant à la puissance habituellement utilisée dans les dispositifs de l'art antérieur. Le dispositif 1 comprend une tête 2 de forme sensiblement cylindrique, comprenant un diamètre extérieur d'environ 30 mm et une longueur d'environ 250 mm, pour une puissance administrée étant de 6 kW. Les valeurs des dimensions sont celles retenues pour un mode préféré de réalisation de l'invention, l'homme du métier étant en mesure de les adapter suivant la puissance fournie au dispositif 1. A l'intérieur de la tête 2 du dispositif 1, se situent des moyens optiques 4,5, de préférence constitués par une lentille de collimation 4 et une lentille de convergence 5, ces lentilles étant situées en regard l'une de l'autre. Les moyens optiques 4,5 sont traversés par le faisceau laser 6, transporté par un câble 18 de fibres optiques. Ce câble 18 est supporté par un ensemble mécanique 16,17 comprenant un connecteur 16 enveloppant le câble 18 et une interface mécanique 17 portant ce connecteur 16. L'interface mécanique 17 est également couplée à la tête 2 du dispositif 1, de manière à positionner le faisceau laser 6 sortant du câble 18 en regard des moyens optiques 4,5. De préférence et en particulier pour limiter l'encombrement du dispositif 1, le faisceau laser 6 s'étend à l'intérieur de l'ensemble mécanique sur une distance d'environ 40 à 60 mm. Bien entendu, cet intervalle de valeur n'est pas restrictif et peut être modifié par l'homme du métier. Selon l'invention, les moyens optiques 4,5 traversés par le faisceau laser 6 produisent une tache focale 8, cette tache focale 8 correspondant approximativement à une largeur d'une saignée effectuée dans une pièce à découper (non représentée) lors de l'utilisation du dispositif 1. Cette tache focale 8 dispose d'un diamètre pouvant aller d'environ 1,5 mm à environ 3 mm. Ceci correspond en effet aux valeurs requises pour assurer une découpe de qualité pour des pièces ayant une épaisseur pouvant aller au-delà de 100 mm. A titre d'exemple, on obtient une découpe de qualité très satisfaisante pour une pièce d'une épaisseur de 60 mm lorsque le diamètre de la tache focale 8 est de l'ordre de 1,5 mm, c'est à dire lorsque la largeur de la saignée atteint cette même valeur. De même, on obtient de très bons résultats pour une pièce d'épaisseur de 100 mm avec une tache focale 8 de l'ordre de 2,5 mm. En d'autre termes, on se place toujours dans une gamme de diamètre de la tache focale 8 étant largement supérieur à 0,5 mm, valeur recommandée et utilisée dans l'art antérieur. La tête 2 du dispositif 1 comprend de plus une buse 12 apte à laisser passer le faisceau laser 6 à travers un orifice de sortie 14, cet orifice de sortie 14 ayant un diamètre légèrement supérieur ou égal au diamètre de la tache focale 8. En d'autres termes, pour des raisons liées aux performances du dispositif 1, le diamètre de l'orifice de sortie 14 de la buse 12 a une valeur voisine du diamètre de la tache focale 8. La tête 2 du dispositif 1 de découpe reçoit le faisceau laser 6 provenant du câble 18 de fibres optiques, ce faisceau laser 6 traversant les moyens optiques 4,5 situés à l'intérieur de la tête 2. Le faisceau laser 6, en sortie de ces moyens optiques 4,5, comprend un angle de convergence ce inférieur à environ 100. La petite valeur de l'angle de convergence oc permet au faisceau laser 6 focalisé de se réfléchir sur des parois de la saignée, sur toute l'épaisseur de la pièce à découper, assurant ainsi une bonne découpe de cette dernière. De préférence, l'angle de convergence oc est compris entre 50 et 90, cette intervalle de valeur se différenciant de l'art antérieur dont les mesures oscillent généralement entre 15 et 30 . Avec un tel angle de convergence, il n'existe quasiment plus de contraintes liées à l'écartement entre la pièce à découper et le dispositif 1. Ainsi, on remarque que l'on obtient une très bonne qualité de découpe pour un écartement compris entre environ 0,5 et 20 mm. De plus, il n'est plus nécessaire d'effectuer des mesures précises en ce qui concerne les positions respectives de la tache focale 8 et de la pièce à découper. La tache focale 8 peut donc se situer comme dans l'art antérieur à environ un tiers de l'épaisseur de la pièce, mais également sur une surface extérieure de cette pièce à découper ou à tout autre endroit se situant à proximité. Il est à noter que l'on entend par surface extérieure, la surface de la pièce à découper la plus proche du dispositif 1, c'est à dire celle rentrant en premier en contact avec le faisceau laser 6. En adoptant une telle disposition, on accroît donc la tolérance de positionnement de l'extrémité de la tête 2 du dispositif 1 par rapport à la pièce à découper. La tête 2 du dispositif 1 comprend en outre des moyens d'éjection 10 d'un gaz de travail, ce gaz de travail étant éjecté à une pression comprise entre environ 1 et 5 bars. Ces valeurs se démarquent considérablement de l'art antérieur où le gaz de travail est éjecté à des pressions beaucoup plus importantes, de l'ordre de 15 à 30 bars. La raison de l'emploie d'une telle pression est d'éviter que des particules métalliques en fusion se situant dans la saignée soient refroidies et bloquées avant leur expulsion de la saignée. Il est donc nécessaire d'appliquer des pressions faibles, permettant tout de même au gaz d'effectuer son rôle d'éjecteur de particules métalliques en fusion. La tête 2 est susceptible d'être déconnectée du dispositif 1. La déconnexion peut s'effectuer à l'aide de moyens pilotables à distance, comme cela est connu de l'art antérieur. De plus, la tête 2 peut être jetée, ce qui est particulièrement intéressant lors de son utilisation pour le démantèlement d'installations nucléaires. Sa spécificité d'être jetable provient du fait que la tête 2 est de conception simple et donc de faible coût, en particulier grâce à l'absence de système de refroidissement et de systèmes de réglages, tels qu'un système de réglage de positionnement ou encore un système de réglage optique. L'invention trouve une pluralité d'applications, dont notamment celles relatives au domaine du nucléaire. En effet, ce dispositif 1 peut être utilisé lors du démantèlement d'installations nucléaires. On peut alors citer comme exemples la découpe d'éléments irradiants et/ou contaminés dans une cellule de casse, le démantèlement d'une cellule avec la phase de découpe de toutes ses installations internes ou encore des interventions très spécifiques sur des réacteurs mis à l'arrêt ou accidentés. En outre, cette invention peut également être utilisée dans l'industrie navale où des tôles épaisses sont largement répandues. L'invention permettrait ainsi de supplanter les techniques de chalumeaux et de torches à plasma traditionnellement employées dans ce domaine. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit, uniquement à titre d'exemple non limitatif. REVENDICATIONS 1. Dispositif (1) de découpe laser comprenant une tête (2) à l'intérieur de laquelle se situent des moyens optiques (4,5) traversés par un faisceau laser (6), caractérisé en ce que les moyens optiques (4,5) produisent une tache focale (8) de diamètre compris entre environ 1,5 et 3 mm. 2. Dispositif (1) de découpe selon la revendication 1, caractérisé en ce que-le faisceau laser (6), en sortie des moyens optiques (4,5), comprend un angle de convergence cc inférieur à environ 100. 3. Dispositif (1) de découpe selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la tête (2) du dispositif (1) comprend des moyens d'éjection (10) d'un gaz de travail, le gaz de travail étant éjecté à une pression comprise entre environ 1 et 5 bars. 4. Dispositif (1) de découpe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête (2) du dispositif (1) est ajustée de sorte que la tache focale (8) du faisceau laser (6) se situe sur une surface supérieure d'une pièce à découper. 5. Dispositif (1) de découpe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête (2) du dispositif (1) comprend une buse (12) ayant un orifice de sortie (14) de diamètre légèrement supérieur ou égal audit diamètre de la tache focale (8) du faisceau laser (6). 6. Dispositif (1) de découpe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête (2) du dispositif (1) est de forme sensiblement cylindrique comprenant un diamètre extérieur d'environ 30 mm et une longueur d'environ 250 mm. 7. Dispositif (1) de découpe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête (2) du dispositif (1) est couplée à un ensemble mécanique (16,17) supportant un câble (18) de fibres optiques amenant le faisceau laser (6) en regard des moyens optiques (4,5) de la tête (2) du dispositif (1) de découpe. 8. Dispositif (1) de découpe selon la revendication 7, caractérisé en ce que le faisceau laser (6), à l'intérieur de l'ensemble mécanique (16,17), s'étend sur une distance comprise entre environ 40 et 60 mm. 9. Dispositif (1) de découpe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau laser (6) en sortie de dispositif (1) se situe à une distance comprise entre environ 0,5 et 20 mm d'une pièce à découper. 10. Dispositif (1) de découpe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens optiques (4,5) comprennent une lentille de collimation (4) ainsi qu'une lentille de focalisation (5) situées en regard l'une de l'autre. 11. Dispositif (1) de découpe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête (2) est apte à être déconnectée du dispositif (1) à l'aide de moyens pilotables à distance.