Brevet FR2897007A1 — publié le 20070810

L'invention porte sur un procédé de coupage par faisceau laser utilisant une source laser de type fibre à base d'ytterbium. Le coupage par faisceau laser en utilisant une source laser de type CO2, pour générer un faisceau laser de longueur d'onde égale à 10.6 pm, d'une puissance allant jusqu'à 6 kW actuellement, est largement répandu dans l'industrie car ce type de source donne de bonnes caractéristiques de faisceau, à savoir un bon facteur de qualité (M2, BPP...) et une bonne répartition spatiale de l'énergie (TEM01*). Il est possible avec ces sources lasers de type CO2 de couper les métaux et leurs alliages, tel l'aluminium et ses alliages, l'acier inoxydable, l'acier carbone, l'acier doux..., ou tout autre matériau non-métallique, tel que le bois, le carton, les céramiques. Cependant, les vitesses de coupe qui peuvent être atteintes et la qualité de coupe qui en résulte sont très variables selon le matériau à couper et, par ailleurs, selon les paramètres du procédé de coupage adoptés, tels que nature du gaz d'assistance, diamètre du faisceau focalisé et puissance du laser incidente. De plus, le chemin optique doit impérativement être maintenu dans une atmosphère inerte pour éviter toute pollution et conserver un milieu d'indice optique constant nécessaire à la bonne propagation du faisceau. Pour tenter de pallier ces problèmes, il a été proposé d'utiliser en découpe laser, des dispositifs laser de type Nd:YAG. Dans ce cas, le résonateur générant le faisceau contient un milieu amplificateur solide, qui est un barreau de néodyme (Nd), et le faisceau ainsi obtenu est ensuite convoyé jusqu'à la tête de focalisation via une fibre optique. Cependant, cette solution n'est pas non plus satisfaisante au plan industriel car elle donne de mauvais résultats en termes de qualité et de vitesse de découpe, non seulement du fait de facteurs de qualité (BPP) du faisceau inadaptés à la découpe laser mais aussi d'une répartition transversale de l'énergie dans le faisceau non gaussienne mais en créneau (appelé top hat en anglais), voire même aléatoire au-delà du point de focalisation. Le problème qui se pose est alors de proposer un procédé de découpe par faisceau laser amélioré, lequel ne présente pas les inconvénients et limitations susmentionnés, et qui puisse permettre d'atteindre, selon l'épaisseur considérée, des vitesses allant jusqu'à 15 à 20 m/min, voire plus élevées, et une bonne qualité de coupe, c'est-à-dire des faces de coupe droites, sans bavure, avec une rugosité limitée. La solution de l'invention est alors un procédé de coupage par faisceau laser, dans lequel on utilise des moyens de génération de faisceau laser comprenant au moins une fibre contenant de l'ytterbium pour générer un faisceau laser servant à fondre la pièce et à ainsi réaliser la découpe proprement-dite. 1 Plus précisément, l'invention porte sur un procédé de coupage par faisceau laser d'une pièce à couper, dans lequel on utilise des moyens de génération de faisceau laser comprenant au moins une fibre contenant de l'ytterbium ayant une longueur d'onde entre 1 et 4 pm pour générer le faisceau laser, caractérisé en ce que ledit faisceau laser est sélectionné de manière à présenter : - une puissance inférieure à 100 kW, - une densité de puissance d'au moins 1 MW/cm2, - un diamètre de faisceau focalisé d'au moins 0,1 mm et - un facteur de qualité (BPP) inférieur à 10 mm.mrad. Selon l'invention, les moyens de génération de faisceau laser comprennent au moins un élément excitateur, de préférence plusieurs éléments excitateurs, coopérant avec au moins un élément excité, encore appelé milieu amplificateur, pour générer le faisceau laser. Les éléments excitateurs sont préférentiellement plusieurs diodes laser, alors que le ou les éléments excités est ou sont des fibres, de préférence en silice, à coeur d'ytterbium. En outre, dans le cadre de l'invention, on utilisera indifféremment les termes moyens de génération de faisceau laser et résonateur . Ce type de source laser est habituellement appelé source laser à fibre puisque leur milieu amplificateur est un réseau de fibres optiques particulières dont le coeur ou noyau est à base d'Ytterbium. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la (ou les) fibre(s) est formée d'un coeur dopé à l'ytterbium recouvert de silice. - le faisceau laser généré par la fibre à base d'ytterbium a une longueur d'onde entre 1.04 et 3 pm, de préférence entre 1.07 et 1.1 pm, préférentiellement égale à 1.07 pm. - le faisceau laser a une puissance comprise entre 0.1 et 40 kW, de préférence entre 0.5 et 15 kW - le faisceau laser est continu ou pulsé, de préférence continu. - la vitesse de coupe est comprise entre 0. 1 et 20 m/min, de préférence de 1 à 15 m/min. - le gaz d'assistance du faisceau laser est choisi parmi l'azote, l'hélium, l'argon, l'oxygène, le CO2 et leurs mélanges, et éventuellement, il contient, en outre, un ou plusieurs composés additionnels choisis parmi H2 et CH4 - plus généralement, la pression de gaz d'assistance est comprise entre environ 0,1 bar et 25 bar, et est choisie en fonction de l'épaisseur à couper. le diamètre de l'orifice d'injection du gaz est compris entre 0,5 et 5 mm, typiquement entre 1 et 3 mm. - le facteur de qualité du laser (BPP) est compris entrel et 8 mm.mrad, de préférence entre 2 et 6 mm.mrad. 2 - le faisceau laser a une densité de puissance entre 1,5 et 20 MW/cm2. - le diamètre de faisceau focalisé est compris entre 0,1 mm et 0,50 mm de préférence entre 0,13 mm et 0,40 mm. - le faisceau laser a une valeur de longueur de Raleigh (Zr) comprise entre 1 et 10 mm, de préférence entre 2 et 7 mm. - l'on met en oeuvre le faisceau selon une ouverture angulaire (0) compris entre 0,25 et 5 , et un angle (a) entre 1,25 et 8 correspondant à l'angle définit par le diamètre du faisceau laser focalisé (2Wo) divisé par l'épaisseur (E) de la tôle, tels que la somme des angles (a + 8 ) soit comprise entre 1,5 et 8 . - la pièce à couper à une épaisseur entre 0.25 et 30 mm, de préférence entre 0.40 et 20 mm. En fait, les principales caractéristiques du rayonnement laser qui interviennent sur le processus de découpe sont la longueur d'onde du laser, le facteur de qualité du faisceau (M2, K, BPP ), le diamètre du faisceau mesuré en sortie de la source, la puissance laser incidente, et son mode de focalisation au voisinage de la surface du matériau à couper La longueur d'onde des sources laser à fibre à ytterbium est généralement proche de celle des laser Nd :YAG, à savoir de l'ordre de 1.07 pm. En général, pour ce type de source laser à fibre à ytterbium, on utilise le paramètre BPP, pour Beam Parameter Product (produit des paramètres de faisceau), pour caractériser la qualité du faisceau. Le BPP est défini comme étant le produit du diamètre du faisceau au diamètre minimal du faisceau (ou waist en anglais) par son angle de divergence. Le BPP est exprimé en mm.mrad. Plus le BPP est petit, plus la qualité du faisceau est bonne. D'un point de vue industriel, ces sources laser à fibre d'ytterbium présentent l'avantage de se propager jusqu'au système de focalisation à travers une fibre optique près de la zone de travail, tout en conservant une bonne qualité de faisceau. Le diamètre du faisceau disponible en sortie de source est alors égale au diamètre utile de la fibre optique qui le transporte. Les puissances et les facteurs de qualité de ces faisceaux sont satisfaisants pour le processus de découpe laser, en particulier en termes de vitesse et de qualité de coupe. Les puissances disponibles avec ce type de source sont comprises entre 100 W et 40 kW et leurs facteurs de qualité (BPP) varient entre 0.3 mm.mrad et 15 mm.mrad. En outre, le diamètre de la fibre optique de propagation change avec la puissance laser qu'elle doit délivrer. Plus la puissance est élevée, plus le diamètre de fibre est grand. Ainsi, par exemple, pour une puissance de 2 kW, la fibre utilisée aura un diamètre de 50 pm et un BPP de 2 mm.mrad, alors que pour 4kW, son diamètre sera de 100 pm et son BPP de 4 mm.mrad. 3 Par ailleurs, quel que soit le type source utilisée, le faisceau laser issu de la source doit être focalisé par des moyens de focalisation, tel qu'une lentille ou un système optique particulier, par exemple des miroirs. Suivant les propriétés de la lentille utilisée, les caractéristiques du faisceau focalisées changent, entraînant une modification des performances de découpe laser. Il s'ensuit qu'un faisceau laser focalisé possède toujours une ouverture angulaire (20) qui est définie comme suit : tan(9) _ F où : D est le diamètre du faisceau incident à la surface de la lentille et F sa longueur focale, comme schématisé sur la Figure 2. Les performances du processus de découpe laser sont directement dépendantes de l'absorption de l'énergie laser par le matériau. Cette absorption est fonction de la nature du matériau à couper, des caractéristiques du faisceau laser notamment de la longueur d'onde, comme expliqué précédemment, mais aussi de l'angle d'incidence entre le faisceau, le matériau à couper et sa polarisation. Ainsi, la figure 5 présente l'évolution de l'absorption d'un faisceau laser CO2 ou Nd :YAG en fonction de son angle d'incidence et de sa polarisation, comme expliqué par Laser with different wavelength -implication for various application ; F. Dausinger ; Universitàt Stuttgart, ECLAT 90 ; Vol. 1: 3rd Conference on Laser Treatment of Materials ; p 1-14. La longueur d'onde de 1.07 pm du laser à fibre d'ytterbium très voisine de celle de 1.06pm du laser Nd :YAG laisse présager d'une absorption d'énergie similaire au Nd:YAG, maximale avec un angle d'incidence différent de celui d'un laser CO2. Lors du processus de découpe, il s'établit une zone frontière stationnaire entre le métal solide et le métal liquide, appelée `front avant' de découpe. Ce front avant s'établit, en fonction de la vitesse d'avance et des caractéristiques du faisceau avec un angle a invariant tout au long de la coupe. On définit l'angle a maximal, schématisé dans la figure 3, comme une grandeur théorique correspondant à l'angle atteint par le front avant de métal en fusion pendant la découpe et ce, à la vitesse de coupe maximale choisie, telle que : tan(a) = 2W E où : (2.W )correspond au diamètre minimum du faisceau focalisé et E à l'épaisseur de la pièce à couper. 4 Plus la tôle à couper est épaisse (E), pour un faisceau laser donné, plus la valeur de l'angle a est faible. Plus la tache focale est grande, pour une épaisseur de matériau à couper donnée, plus la valeur de l'angle a est élevée. L'angle maximal d'incidence du faisceau par rapport au front avant est donc défini par l'angle (a + 0) . Cet angle correspond en quelque sorte à l'angle du rayon extrême du faisceau laser avec le front avant de découpe. Un autre aspect important dans le processus de découpe est la capacité de distribuer, sans grande variation, l'énergie laser au coeur de l'épaisseur du matériau. La longueur de Raleigh, ou profondeur de champ, est la distance du waist dans l'axe de propagation du faisceau dans laquelle le diamètre du faisceau n'augmente pas plus de 5%. On considère que, dans cette région, la distribution d'énergie n'évolue pas de manière significative et que cette valeur doit être reliée à l'épaisseur du matériau à découper. La distance de Raleigh Zr peut être reliée au facteur de qualité du faisceau BPP par la relation suivante : W 2 Zr = BPP dans laquelle c est le diamètre du faisceau au waist . Il est donc primordial de prendre en compte le facteur de qualité et donc la longueur de Raleigh si l'on souhaite améliorer le procédé de découpe. On comprend alors qu'il convient également de prendre en compte le diamètre du 20 faisceau laser focalisé 'P pour pouvoir espérer améliorer le processus de découpe car ce paramètre influe directement sur l'angle a et par conséquent sur l'absorption du faisceau au travers de la somme a + O. Partant de là, en s'intéressant tout particulièrement à ces différents paramètres, on a réalisé les essais comparatifs consignés ci-après en adoptant notamment les paramètres et 25 conditions donnés dans le Tableau ci-dessous. Durant ces essais, on a utilisé l'installation schématisée sur la Figure 1 pour réaliser le coupage par faisceau laser 3 d'une pièce 10 en acier inoxydable. Cette installation comprend une source laser 1 de 2kW à résonateur 2 ou moyens de génération de faisceau laser comprenant une fibre en silice à coeur dopé à l'ytterbium pour générer un faisceau laser 30 3 de longueur d'onde de 1.07 pm. Le faisceau 3 se propage à travers des moyens de convoyage de faisceau 4, telle qu'une fibre optique en silice fondue de diamètre de 50 pm ou 100 pm, selon le cas, jusqu'à la zone d'interaction 11 entre le faisceau 3 et la pièce 10 où le faisceau va frapper la pièce à couper et fondre le matériau constitutif de ladite pièce en formant ainsi progressivement la 35 saignée de coupe par déplacement du front avant. 5 En sortie de cette fibre 4, le faisceau laser 3 possède des caractéristiques optiques particulières et un facteur de qualité (BPP) de 2 ou 4,2 mm.mrad, respectivement ( 0.2mm.mrad) selon le diamètre de fibre considéré. Le faisceau 3 est ensuite collimaté avec un collimateur optique 5 équipé d'un doublet de collimation en silice fondu revêtue de manière à limiter la divergence du faisceau en sortie de fibre et le rendre le faisceau laser parallèle. Le faisceau 3 parallèle selon le principe schématisé sur les Figures 2 et 3, est ensuite focalisé sur ou dans la pièce 10 à couper d'épaisseur E par une lentille 6 en silice fondue revêtue de longueur focale comprise entre 5 mm et 7,5 mm, comme donné dans le Tableau ci-après. Avant de venir frapper la pièce 10, le faisceau 3 traverse axialement la tête laser 5 équipée d'une buse 7 comprenant un orifice 8 de sortie axial situé en regard de la pièce à couper 10 par lequel passent le faisceau 3 et le gaz d'assistance. L'orifice de la buse peut être compris entre 0.5 mm et 5 mm, de préférence entre 1 mm et 3 mm. La tête laser 5 est alimentée, quant à elle, en gaz d'assistance via une entrée 9 de gaz, par exemple un gaz inerte tel l'azote, l'argon, l'hélium ou un mélange de plusieurs de ces gaz, ou alors un gaz actif, tel l'oxygène par exemple, voire des mélanges de gaz actif et de gaz inerte ; le choix du gaz à utiliser se faisant en fonction du matériau à couper. Le gaz d'assistance sous pression sert à évacuer le métal en fusion hors de la saignée 12 de coupe se formant dans la pièce 10, lors du déplacement relatif de la pièce par rapport à la tête laser 5 selon la trajectoire de coupe désirée. La solution inverse consistant à bouger la tête de coupe en conservant la pièce statique conduit au même résultat. Les valeurs des autres paramètres (Zr, BPP, angles...) sont données dans le Tableau suivant. Tableau Epaisseur E Longueur Diamètre A a a +0 diamètre du Zr Densité de BPP focale de fibre spot focalisé puissance (mm) (mm) (Pm) ( ) ( ) ( ) (mm) (mm) (MW/cm2) (mm.mrad) 1.5 127 50 1.5 5.7 7.2 0.15 2.8 11.5 2 2 127 50 1.5 4.6 6.1 0.16 3 10 2.1 2 190.5 50 1 5.9 6.9 0.21 5.8 6 1.8 4 95.25 100 2.2 3.2 5.4 0.22 2.9 5.2 4.3 4 127 100 1.7 4 5.7 0.28 4.8 3.2 4.1 4 190.5 100 1.4 4.9 6.3 0.34 6.9 2.1 4.3 6 228.6 100 1.2 3.9 5.1 0.40 9.8 1.5 4.2 6 Les essais de découpe ont été réalisés sur des pièces en acier inoxydable ayant des épaisseurs comprises entre 1,5 mm et 6 mm. Le gaz utilisé est de l'azote et est injecté dans la zone d'interaction du faisceau avec la pièce à des pressions variables comprises entre 0.6 et 25 bar, à travers une buse de découpe laser présentant une orifice de diamètre de 1.5 pour les épaisseurs 1.5 et 2 et de 2 mm pour les épaisseurs 4 et 6 mm. Les résultats obtenus ayant donnés de bons résultats en termes de qualité de coupe ont été positionnés sur la Figure 4. On voit que la courbe extrapolée à partir des points de résultats obtenus met en évidence qu'il existe une relation étroite entre la somme des angles (a +8) (en ordonnées) et l'épaisseur (E) de la pièce à couper (en abscisses). Dit autrement, les résultats obtenus montrent que la découpe avec une source de faisceau laser de type à fibre en ytterbium, de longueur d'onde de 1.07pm, ne sont satisfaisants que si tout ou partie des conditions suivantes sont réunies : - la puissance du faisceau est de 1 à 100 kW. - la densité de puissance focalisée est d'au moins 1 MW/cm2, de préférence comprise entre 1 MW/cm2 et 100 MW/cm2, avantageusement d'au moins 3 MW/cm2, voire d'au moins 3,2 MW/cm2. - le diamètre du faisceau laser focalisé cp est d'au moins 0,1 mm, de préférence de 0.15 à 0.3 mm. -le facteur de qualité (BPP) est inférieur à 10 mm.mrad, de préférence de 1.5 à 6 mm.mrad. - la somme des angles (a +8 ) doit suivre la courbe d'évolution suivante, à savoir un angle compris entre 1' et 8 , pour des plaques d'épaisseurs comprises entre 1 mm et 15 mm. - la longueur de Raleigh Zr est comprise entre 0.1 mm et 40 mm, avantageusement, on choisit une valeur pour Zr correspondant au moins à la moitié de l'épaisseur E de la tôle à couper Ainsi, à titre d'exemple, on peut citer les deux derniers jeux de paramètres présentés dans le tableau qui ont donnés des coupes présentant des bavures. L'analyse montre qu'ils ne vérifient pas les critères susmentionnés, en particulier une non-correspondance entre l'angle (a +8 ) et l'épaisseur coupée, et une densité de puissance trop faible. 7 Revendications 1. Procédé de coupage par faisceau laser d'une pièce à couper, dans lequel on utilise des moyens de génération de faisceau laser comprenant au moins une fibre contenant de l'ytterbium ayant une longueur d'onde entre 1 et 4 pm pour générer le faisceau laser, caractérisé en ce que ledit faisceau laser est sélectionné de manière à présenter : - une puissance inférieure à 100 kW, - une densité de puissance d'au moins 1 MW/cm2, - un diamètre de faisceau focalisé d'au moins 0,1 mm et - un facteur de qualité (BPP) inférieur à 10 mm.mrad. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre est formée d'un coeur dopé à l'ytterbium recouvert de silice. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le faisceau laser généré par la fibre à base d'ytterbium a une longueur d'onde entre 1.04 et 3 pm, de préférence de 1.07 pm. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le facteur de qualité du laser (BPP) est compris entrel et 8 mm.mrad, de préférence entre 2 et 6 mm.mrad. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le faisceau laser a une puissance comprise entre 0.1 et 40 kW, de préférence entre 0.5 et 15 25 kW. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le faisceau laser a une densité de puissance entre 1,5 et 20 K1W/cm2. 30 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le diamètre de faisceau focalisé est compris entre 0,1 mm et 0,50 mm de préférence entre 0,13 mm et 0,40 mm. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le 35 faisceau laser a une valeur de longueur de Raleigh (Zr) comprise entre 1 et 10 mm, de préférence entre 2 et 7 mm. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre le faisceau selon une ouverture angulaire (0) compris entre 0,25 et 5 , et un angle a entre 1,25 et 8 correspondant à l'angle définit par le diamètre du faisceau laser focalisé (2Wo) divisé par l'épaisseur E) de la tôle, tels que la somme des angles (a + 0 ) soit comprise entre 1,5 et 8 . 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le gaz d'assistance du faisceau laser est choisi parmi l'azote, l'hélium, l'argon, l'oxygène, le CO2 et leurs mélanges, et éventuellement, il contient, en outre, un ou plusieurs composés additionnels choisis parmi H2 et CH4. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la pièce à couper à une épaisseur entre 0.25 et 30 mm, de préférence entre 0.40 et 20 mm. 9