Brevet FR2855084A1 — publié le 20041126

La présente invention concerne un élément optique, telle une lentille asphérique particulière, utilisable pour la découpe laser d'un matériau, en particulier de métaux ou alliages métalliques, et un procédé de coupage laser utilisant un tel élément optique. Le coupage par faisceau laser est un procédé de découpe de matériaux, en particulier de métaux ou alliages métalliques, largement répandu dans l'industrie. En résumé, la mise en ceuvre de ce procédé implique, comme schématisé sur la figure 1, un faisceau laser 2, par exemple issu d'un laser CO2 (X=10,6 pm) ou Nd-YAG (X=1,06 pm), focalisé par au moins un élément optique 3, du type lentille ou miroir, de 15 longueur focale 1 donnée, jusqu'à une pièce à découper 6. Un gaz d'assistance est injecté dans la saignée de découpe de manière à évacuer le métal fondu 7, ladite saignée étant crée par déplacement relatif de la tête de découpe par rapport à la pièce 6 à couper. La tête de découpe comprend l'élément optique de focalisation 3 et une buse 5 de 2 0 découpe munie d'au moins une entrée 4 de gaz permettant l'injection du gaz de coupe dans la buse 5. Le gaz introduit dans la tête 5 de coupe en ressort par un ou plusieurs canaux ou orifices d'éjection situés en regard de la pièce 6 à couper, un des dits canaux ou orifices étant généralement aussi traversé par le faisceau laser 2 focalisé, en amont, par l'optique 3 de 25 focalisation. Différentes formes d'orifices d'éjection du gaz d'assistance, telles les tuyères de Laval ou les tuyères convergentes divergentes à longueur minimum, ainsi que les tuyères à jets coalescents et les dispositifs à double flux de gaz, peuvent être utilisées pour améliorer les performances. Les optiques de focalisation transmissive, c'est-à-dire les lentilles optiques, sont les éléments optiques les plus couramment utilisés pour la découpe laser, dans la mesure o elle permettent de créer une cavité étanche sous pression dans la tête découpe dans laquelle le gaz d'assistance peut être injecté et sortir ensuite par une tuyère 5 coaxiale au faisceau laser. Une lentille de focalisation comporte deux dioptres, c'est-à-dire deux faces, sur lesquelles est déposé un revêtement ou traitement antiréfléchissant de manière à limiter les pertes de puissance par réflexion. Le matériau du coeur de la lentille est souvent du séléniure de zinc (ZnSe) pour les lasers C02et du verre type "bk7" pour les laser Nd-YAG. Les différentes formes de lentille principalement utilisées dans l'industrie sont: - les lentilles plano-convexes composées d'un dioptre sphérique et d'un dioptre plan. - les lentilles ménisques, composées de deux dioptres sphériques. Cette forme ayant l'avantage de minimiser les aberrations de sphéricité par rapport aux lentilles plano-convexes, elles sont très largement utilisées en découpe laser. - les lentilles asphériques pour lesquelles la forme du premier dioptre de ces lentilles, qui n'est plus une sphère de rayon constant, est optimisée de manière à réduire encore les aberrations géométriques par rapport à la lentille ménisque à dioptres sphériques et obtenir ainsi de plus grandes densités de puissance au point de focalisation, en particulier dans le cas des longueurs focales courtes, c'est-à-dire inférieures à 95,25 mm (3,75"). Le dioptre de 2 0 sortie des lentilles asphériques est généralement plan et ce, principalement pour réduire leur coût de fabrication. Toutes ces lentilles tendent à focaliser le faisceau laser en un point de focalisation unique de taille minimale. Par ailleurs, un concept d'optiques à plusieurs points de focalisation améliorant les 2 5 performances du procédé de découpe laser a été présenté dans le document WO 98/14302. La forme de ces optiques, de type lentille ou miroir, est telle que le faisceau incident n'est plus focalisé en un seul point mais en deux points de focalisation ou plus, comme schématisé en Figure 2. Selon ce document, lorsqu'on utilise une lentille à double focale 15, la partie du 30 faisceau incident 16 située à l'extérieur d'un diamètre 11 est focalisée en un premier point 12 focal situé à une longueur focale principale 13, alors que la partie du faisceau incident située à l'intérieur du diamètre 1l 1 est, quant à elle, focalisée en un deuxième point focal 14, situé à une distance 17 après le premier point focal 12 dans le sens de la propagation de la lumière du faisceau. Cette lentille à double point de focalisation est réalisée avec un rayon de courbure d'un des dioptres, celui de la face convexe par exemple, différent à l'intérieur et à l'extérieur du diamètre 1l1. Ce type d'optique de focalisation permet d'obtenir des gains de vitesse et/ou de qualité de coupe, voire de tolérance du procédé par rapport aux variations de la distance 10 entre la lentille et la pièce et/ou de capacité à couper des matériaux plus épais que les lentilles conventionnelles à un seul point de focalisation. Cependant, les caractéristiques du champ de densité de puissance donné par une lentille bifocale restent encadrés par le choix discret du nombre de points de focalisation. Les rayons de courbures du premier dioptre étant constants par intervalles, les 15 lentilles et miroirs bi- ou multi-focaux actuels ne permettent pas un ajustement optimisé de la lentille aux caractéristiques du faisceau et à l'application du client. Les gains de productivité obtenus par rapport aux lentilles monofocales, c'est-à-dire les lentilles classiques selon la Figure 1, sont liés à une répartition de la puissance et de la densité de puissance dans la saignée de découpe qui présentent deux ou plusieurs maxima 20 le long de l'axe optique mais cette répartition de l'énergie n'est pas optimale car elle n'est pas continue sur toute l'épaisseur de la pièce. D'autre part, les optiques bifocales ou multifocales utilisées en découpe laser sont sensibles aux variations de diamètre du faisceau car la répartition de la puissance entre les différents points de focalisation dépend du diamètre du faisceau. Les optiques monofocales sont aussi sensibles aux variations de faisceau car une modification de la divergence du faisceau incident peut engendrer une modification de la position du point de focalisation, ce qui rend le procédé peu tolérant et entraîne des difficultés à maintenir la qualité de la découpe constante, par exemple lorsque la tête de découpe se déplace et que la longueur du chemin optique entre le laser et la tête est variable. Le problème qui se pose alors, est de proposer une optique de focalisation améliorée de manière à permettre, lors de son utilisation dans un procédé de coupage par faisceau laser, une meilleure répartition de l'énergie apportée à la pièce à découper, c'est-à-dire dans la saignée de coupe, et donc de permettre aussi des gains de productivité par rapport aux optiques monofocales et multifocales classiques. La solution de l'invention est alors un élément optique, utilisable pour la découpe laser d'un matériau, comportant au moins un dioptre asphérique conformé pour focaliser les rayons du faisceau incident sur un segment de droite situé sur l'axe optique de l'élément optique. Dans le cadre de l'invention: - par segment de droite, on entend que le faisceau laser se focalise en une zone constituée d'une infinité de points alignés de manière à former une zone linéaire continue de focalisation, c'est-à-dire une portion de droite, d'une longueur pouvant aller de 0.01 mm à 50 mm, délimitée par deux points à ses extrémités. - par axe optique, on entend l'axe de symétrie de la lentille et celui du faisceau laser incident, généralement alignés et formant une seule droite de l'espace appelée axe optique. Selon le cas, I'élément optique de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques données ci-après: - il est de type transmissif ou réfléchissant. - le segment de droite sur lequel se focalise le faisceau a une longueur de 0.01 à 50 mm, de préférence de l'ordre de 1 à 20 mm selon l'épaisseur et la nature du matériau. - il est formé d'une lentille dont le dioptre asphérique (i.e. côté incident, c'est-à-dire le dioptre qui est impacté en premier par le faisceau) est défini par un rayon de courbure continûment variable en fonction de la distance à l'axe optique de la lentille. 2 5 - il est formé d'une lentille dont le dioptre de sortie est plan. - il est formé d'une lentille ayant un diamètre compris entre 4 mm et 60 mm. L'invention porte aussi sur un procédé de coupage par faisceau laser d'un matériau, dans lequel on met en oeuvre au moins un élément optique selon l'invention pour focaliser ledit faisceau laser. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques données ci-après: - l'élément optique focalise le faisceau laser sur un segment de droite situé sur l'axe optique dudit élément optique et dans l'épaisseur du matériau à couper. - le segment de droite a une longueur égale ou approximativement égale à l'épaisseur du matériau à découper, - le rayon du faisceau incident arrivant au centre de la lentille est focalisé à proximité de la face inférieure du matériau à découper et le rayon arrivant à la périphérie de la lentille est focalisé à proximité de la face supérieure du matériau à découper. En procédant ainsi, on 10 peut obtenir une focalisation dans toute l'épaisseur du matériau à couper, le segment de droite sur lequel se focalise les rayons du faisceau laser étant alors confondu avec l'axe de l'élément optique et a une longueur égale à toute l'épaisseur de la pièce à couper. - le lieu des points d'intersection des rayons du faisceau incident avec l'axe optique forme un segment de focalisation sur lequel l'énergie du faisceau laser est distribuée de 15 manière continue sur ledit segment. - on assiste le faisceau laser au moyen d'un gaz d'assistance contenant au moins un composé choisi parmi l'azote, l'oxygène, I'hélium, I'argon et leurs mélanges, par exemple des mélanges binaires, ternaires, quaternaires ou autres, tels des mélanges azote/oxygène, argon/hélium, azote/hélium, azote/argon/oxygène..., lesquels peuvent comprendre d'autres 20 constituants, en particulier de l'hydrogène, du C02... ledit gaz à utiliser étant choisi en fonction de la nature du métal ou de l'alliage à découper. Autrement dit, l'invention concerne un élément optique pour la découpe laser des matériaux qui peut être transmissif, telle une lentille, ou réfléchissant, tel un miroir, et qui comporte au moins un dioptre asphérique focalisant les rayons du faisceau incident sur un 2 5 segment de droite situé sur l'axe optique. Dans le cas d'une optique transmissive comme la lentille 21 schématisée sur la Figure 3, le dioptre 22 est défini par un rayon de courbure 24 continûment variable en fonction de la distance à l'axe 29 optique de la lentille de manière à focaliser les rayons incident arrivant sur la lentille sur un segment de droite 25 situé sur l'axe optique 29 de la lentille. Ce segment peut être d'une longueur proche de l'épaisseur du matériau à découper 26. Pour ce faire, le rayon 29 du faisceau incident arrivant au centre de la lentille peut avantageusement être focalisé à proximité de la face inférieure 27 de l'élément à découper et le rayon 30 arrivant à la périphérie de la lentille pourra être focalisé à proximité de la face supérieure 28 de la pièce à découper. Le lieu des points d'intersection des rayons du faisceau incident avec l'axe optique forme un segment de focalisation 25 sur lequel l'énergie du faisceau est distribuée de manière continue. Le dioptre de sortie 32 de la lentille présentée dans l'exemple de la figure 3 peut être 10 plan pour réduire les coûts de fabrication. On notera que l'optique à focalisation linéaire selon la présente invention est distincte des optiques à dioptres asphériques connues dans la mesure o l'objectif poursuivi n'est pas de focaliser le faisceau sur une surface la plus faible possible, limitée seulement par la diffraction ou par la qualité du faisceau, mais bien de répartir le faisceau incident de manière 15 continue sur un segment de focalisation situé sur l'axe optique. La répartition de l'énergie apportée à la pièce à découper est de cette façon mieux répartie dans la saignée et permet des gains de productivité par rapport aux optiques monofocales et multifocales. De même, la présente invention diffère aussi des optiques multi-focales présentées 2 0 dans le document WO-A-98/14302, dans la mesure o elle génère un segment de focalisation sur lequel l'intensité du faisceau laser est répartie de manière continue, et non pas un nombre discret de points de focalisation successifs. Selon l'invention, la distribution du faisceau incident sur le segment de focalisation est déterminée par la forme du dioptre asphérique et en particulier par la fonction (continue) de 25 son rayon de courbure en fonction de la distance à l'axe optique. Cette fonction peut être adaptée à l'épaisseur et à la nature du matériau à découper, ainsi qu'au profil de distribution de la densité de puissance lumineuse du faisceau incident. On peut en particulier définir ce dioptre asphérique de sorte que le rayon de courbure du dioptre soit une fonction de la répartition radiale de la densité de puissance du faisceau 3 0 incident de manière à obtenir: "7 une densité de puissance homogène sur le segment de focalisation. - une densité de puissance sur le segment de focalisation présentant un maximum à proximité de chacune des faces supérieure et inférieure de la pièce. Les faisceaux laser utilisés dans l'industrie sont fréquemment de diamètre et de divergence variables. En particulier, dans le cas des têtes de focalisation mobiles, la longueur du chemin optique, donc le diamètre et la divergence du faisceau, dépendent de la position de la tête sur la table de découpe. Un avantage de l'optique de l'invention schématisée en Figure 3 est que les variations du diamètre du faisceau influent moins sur la répartition de la puissance et de la densité de 10 puissance dans la saignée de découpe que les systèmes bi-focaux ou multi-focaux connus. En effet, la variation du diamètre du faisceau engendre une variation continue de la fonction de distribution de la puissance sur le segment de focalisation et permet d'obtenir une plus grande tolérance vis à vis de cette variable. Les variations de la divergence du faisceau incident influencent aussi moins la qualité 15 de la découpe que dans le cas des lentilles monofocales. En effet, l'énergie étant distribuée continûment sur un segment vertical, le déplacement sur l'axe optique de ce segment de focalisation par rapport à la pièce, lorsque la divergence du faisceau incident varie, a moins de conséquences sur la densité de puissance transmise à la pièce que lorsque l'énergie est concentrée en un unique point focal dont la 20 position par rapport à la pièce est un paramètre prépondérant pour l'obtention de bonnes performances. L'utilisation d'une optique à rayon de courbure progressif selon l'invention permet donc d'augmenter les gains de productivité, par exemple la vitesse de découpe, jusqu'aux limites du procédé de coupage sans craindre une perte brutale de la qualité de coupe, voire 2 5 une perte totale de la découpe comme il arrive avec l'utilisation d'optiques monofocales, et dans une moindre mesure bi ou multi-focale. De façon générale, l'élément optique de l'invention peut être formé d'une lentille 21 dont le dioptre 22 asphérique est défini par une équation comprenant un terme dépendant de la distance à l'axe optique (29 de manière logarithmique, à titre d'exemple non limitatif, par 30 l'équation B2Cr =AInA+Bz-Aln(A+Bz) o les couples (r,z) vérifiant l'équation forment l'ensemble des coordonnées des points définissant le dioptre dans un repère d'axes orthonormés r z, o r est le vecteur radial unitaire perpendiculaire à l'axe optique, o z est le vecteur axial unitaire colinéaire à l'axe optique et o A,B et C sont des constantes dépendantes du faisceau incident, du matériau et de l'application. De façon alternative, l'élément optique de l'invention peut aussi être formé d'une lentille 21 dont le dioptre 22 asphérique est défini par l'équation d'une conique, à titre d'exemple non limitatif par l'équation r2 + Pz2 -2Rz = 0 o les couples (r,z) vérifiant l'équation forment l'ensemble des coordonnées des points définissant le dioptre dans un repère d'axes orthonormés r, z, o r est le vecteur radial unitaire perpendiculaire à l'axe optique, o z est le vecteur axial unitaire colinéaire à l'axe optique et o P et R sont des constantes dépendantes du faisceau incident, du matériau et de l'application. Dans tous les cas, on choisit des valeurs numériques résolvant l'une ou l'autre des équations ci-avant telles que le dioptre asphérique conduise à obtenir une focalisation d'un segment continu selon l'invention. Dans le cadre de l'invention, on peut utiliser les gaz ou mélanges donnés dans le tableau suivant pour couper les matériaux indiqués en vue notamment d'obtenir un effet positif sur la vitesse de coupe ou la qualité de la coupe. Tableau: Associations gaz/matériau à couper Matériaux Oxygène Azote Argon Hélium Aciers faiblement alliés OUI / vitesse OUI / qualité Possible Possible Aciers inoxydables OUI / vitesse OUI / qualité Possible Possible Alliages d'aluminium OUI / vitesse OUI / qualité Possible Possible Alliages au nickel OUI/vitesse OUI/qualité Possible Possible Alliages de titane déconseillé déconseillé OUI / qualité OUI /qualité Bien entendu, certains mélanges de gaz pourront aussi être utilisés en lieu et place des gaz listés dans le Tableau ci-dessus de manière à tirer partie des propriétés des composés du mélange ainsi obtenu, par exemple pour couper un acier inoxydable, on peut utiliser un mélange d'oxygène et d'azote lorsqu'on souhaite accroître la vitesse et la qualité de coupe par rapport à de l'azote seul ou à de l'oxygène seul. De même, les gaz donnés dans le tableau ci-avant pourront être associés à d'autres composés gazeux dont l'action peut être bénéfique pour la découpe d'un matériau particulier, par exemple des mélanges d'azote ou d'argon additionnés d'hydrogène (à moins de 30% en volume) pourront être mis en oeuvre pour couper de l'acier inoxydable de manière à obtenir 10 des faces de coupe exemptes de bavures et brillantes (sans oxydes déposés) , c'est-à-dire de bonne qualité. Dans le cadre de l'invention, I'ensemble des différents modes de distribution du gaz d'assistance utilisés pour améliorer les performances de coupe et décrits précédemment peuvent être utilisés. Exemple de réalisation Dans l'exemple suivant, une lentille selon la présente invention est utilisée pour 2 0 découper une tôle d'aluminium de nuance AUG4 et d'épaisseur 6 mm avec faisceau laser de type C02 de puissance 4 kW dont le mode transverse de répartition d'intensité est Gaussien (Mode transverse électromagnétique 00) avec un diamètre incident sur la lentille de 14 mm à 86% de la puissance. La lentille a un dioptre de sortie plan et un dioptre d'entrée asphérique dont la surface 25 est un ellipsoïde de révolution focalisant le faisceau incident sur un segment de droite de l'ordre de 5 mm de longueur. L'extrémité inférieure de ce segment se situe à environ 127 mm du dioptre de sortie de la lentille de diamètre égal à approximativement 38,1 mm et d'épaisseur aux bords d'environ 7,6 mm. 3 0 Les faces de la lentilles sont recouvertes d'un traitement antiréfléchissant conforme à l'état de l'art. o10 Le gaz utilisé pour la découpe est de l'azote injecté sous une pression relative de 15 bars dans une buse de 2 mm de diamètre. L'utilisation de cette lentille comparée à celle d'une lentille monofocale de longueur focale classique 190 mm permet d'obtenir une vitesse de coupe de l'ordre de 2,4 mlmin, soit 5 un gain d'environ 33 % par rapport à la vitesse de 1,8 m/min obtenue avec une lentille monofocale. Par rapport à une lentille bi-focale de diamètre extérieur 38,1mm (focalisant le faisceau en 2 points distincts espacés l'une de l'autre), de longueur focale principale 190 mm et de distance entre les deux points focaux de 7,5 mm, pour laquelle la vitesse de coupe 10 obtenue est de 2, 15 m/min, les gains de vitesse sont d'environ 12%. Revendications 1. Elément optique (21), utilisable pour la découpe laser d'un matériau, comportant au moins un dioptre asphérique (22) conformé pour focaliser les rayons (30) du faisceau incident sur un segment de droite (25) situé sur l'axe optique (29) de l'élément (21) optique. 2. Elément optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est de type transmissif (21) ou réfléchissant. 3. Elément optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le segment de droite (25) a une longueur de 0.01 à 50 mm. 4. Elément optique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est formé d'une lentille (21) dont le dioptre (22) asphérique est défini par un rayon de courbure 15 (24) continûment variable en fonction de la distance à l'axe optique (29) de la lentille. 5. Elément optique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est formé d'une lentille (21) dont le dioptre de sortie (32) est plan. 2 0 6. Elément optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est formé d'une lentille (21) ayant un diamètre compris entre 4 mm et 60 mm 7. Procédé de coupage par faisceau laser d'un matériau, dans lequel on met en oeuvre au moins un élément optique selon l'une des revendications 1 à 6 pour focaliser ledit 2 5 faisceau laser. 8. Procédé de coupage selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément optique (21) focalise le faisceau laser sur un segment de droite (25) situé sur l'axe optique (29) dudit élément optique (21) et dans l'épaisseur du matériau (26) à couper. 30 9. Procédé de coupage selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le segment de droite (25) a une longueur égale ou approximativement égale à l'épaisseur du matériau (26) à découper. 10. Procédé de coupage selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le rayon du faisceau incident arrivant au centre (29) de la lentille (21) est focalisé à proximité de la face inférieure (27) du matériau (26) à découper et le rayon (30) arrivant à la périphérie de la lentille (21) est focalisé à proximité de la face supérieure (28) du matériau (26) à découper. 11. Procédé de coupage selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le lieu des points d'intersection des rayons du faisceau incident avec l'axe optique (29) forme un segment de focalisation (25) sur lequel l'énergie du faisceau laser est distribuée de manière continue sur ledit segment (25). 12. Procédé de coupage selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'on assiste le faisceau laser au moyen d'un gaz d'assistance contenant au moins un composé choisi parmi l'azote, l'oxygène, I'hélium, l'argon et leurs mélanges.