Brevet FR2909020A1 — publié le 20080530

L'invention porte sur une machine de coupage ou soudage par faisceau laser mettant en oeuvre une fibre de transport de faisceau de diamètre contrôlé. Les procédés actuels de découpe par faisceau laser peuvent utiliser des sources ou générateurs de faisceau laser dont la longueur d'onde est proche du spectre visible. Le transport du faisceau entre la machine et la tête laser est effectué par l'intermédiaire d'une fibre optique, comme par exemple en soudage Nd :YAG ou en soudage ou coupage via un laser à diodes. Actuellement, les fibres de transport de faisceau sont de diamètre en général supérieur à 180 à 200 m pour permettre une qualité de coupe satisfaisante. Or, le convoyage du faisceau avec de telles fibres de transport conduit à un diamètre du point de focalisation important, par exemple au moins 0,2 mm et, par conséquent, à une densité d'énergie faible, ce qui pénalise l'efficacité de l'opération de coupage ou de soudage mise en oeuvre. Particulièrement en coupage laser, cet inconvénient majeur confine donc la découpe laser des matériaux à des types de sources laser dont la longueur d'onde est loin du spectre visible et dont le faisceau laser est manipulé par des jeux de miroirs, tel que les laser de type CO2. Un problème à résoudre est donc d'améliorer les procédés de coupage ou de soudage par faisceau laser mettant en oeuvre des fibres de transport de faisceau qui habituellement réduisent de manière importante les performances de coupe par laser des matériaux, en particulier des métaux. En d'autres termes, la présente invention vise à proposer un procédé et une machine de soudage ou de coupage par faisceau laser mettant en oeuvre une ou plusieurs fibres de transport de faisceau conduisant à un diamètre du point de focalisation plus faible que dans les procédés et machines classiques, par exemple inférieur à 0,2 mm et donc à une densité d'énergie plus importante que dans ces procédés classiques. Une solution selon l'invention est une machine de coupage ou soudage laser comprenant une source laser permettant de générer un faisceau laser au moyen d'une ou plusieurs fibres d'ytterbium, et au moins une fibre de transport de faisceau connectée à ladite source laser et permettant de convoyer le faisceau laser généré par ladite source laser, 2909020 2 caractérisée en ce que la fibre de transport de faisceau a un diamètre de fibre inférieur ou égal à 150 m. Selon le cas, la machine de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 5 - la fibre de transport de faisceau a un diamètre de fibre compris entre 10 et 150 m. - la fibre de transport de faisceau a un diamètre de fibre inférieur à 140 m, de préférence inférieur à 130 m. - la fibre de transport de faisceau a un diamètre de fibre supérieur à 10 m, de préférence supérieur à 20 m. 10 - la fibre de transport de faisceau a un diamètre de fibre de l'ordre de 45 à 55 m, par exemple de l'ordre de 50 m. - la fibre de transport de faisceau a un diamètre de fibre de l'ordre de 95 à 105 m, par exemple de l'ordre de là0 m. - la fibre de transport de faisceau est reliée à la source laser au moyen d'un connecteur 15 opto-mécanique. - la fibre de transport de faisceau permet de convoyer le faisceau entre la source laser et la tête de focalisation laser. - elle comporte plusieurs fibres de transport de faisceau agencées en parallèle, de préférence les fibres de transport de faisceau agencées en parallèle ont des diamètres 20 différents les uns des autres. L'invention porte aussi sur un procédé de coupage ou soudage laser dans lequel : a) on génère un faisceau laser au moyen d'une source laser renfermant une ou plusieurs fibres d'ytterbium servant à générer ledit faisceau laser, et b) on convoie le faisceau laser généré par ladite source laser au moyen d'au moins une 25 fibre de transport de faisceau connectée à ladite source laser, caractérisée en ce qu'à l'étape b), on utilise une fibre de transport de faisceau ayant un diamètre de fibre inférieur à 150 m. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 30 - à l'étape b), on convoie le faisceau laser jusqu'à une tête de focalisation laser et on opère un soudage ou un coupage d'au moins une pièce à souder ou à couper. - à l'étape b), on utilise une fibre de transport de faisceau ayant un diamètre de fibre compris entre 10 et 120 m. 2909020 3 L'invention va maintenant être décrite plus en détail grâce à la description illustrative suivante, faite en références à la Figure annexée. La Figure annexée schématise une machine de coupage laser selon l'invention comprenant un générateur de faisceau ou source laser 1 permettant de générer un faisceau 5 laser au moyen d'une ou plusieurs fibres 2 d'ytterbium. Plus précisément, l'amplification et le pompage optique sont obtenus par réflexion sur les faces internes d'une fibre optique, l'excitation étant effectuée par un réseau de lasers à diode. Comme on le voit, une fibre optique 3 de transport de faisceau est connectée à la sortie aval de la source laser 1 de manière à pouvoir recueillir puis véhiculer le faisceau laser généré 10 par la source laser 1 jusqu'à une tête de focalisation 5 positionnée face à une pièce 10 à couper, par exemple une tôle en acier au carbone, en acier inoxydable, en aluminium ou autre. La connexion de la fibre 3 de transport de faisceau à la source 1 se fait par l'intermédiaire d'un connecteur opto-mécanique permettant d'injecter le faisceau sortant de la source dans la fibre 3 de transport. Ce connecteur est agencé au niveau de la source laser 1. 15 Selon l'invention, on utilise une (ou plusieurs) fibre 3 de transport de faisceau ayant un diamètre de fibre inférieur à 150 m. En effet, l'utilisation d'une fibre 3 de transport de très faible diamètre, à savoir inférieur à 150 m, combinée à un générateur de faisceau laser à fibres 2 d'ytterbium servant à générer le faisceau permet d'obtenir un diamètre de faisceau laser suffisamment petit pour pouvoir être introduit dans la fibre de transport 3 de faible 20 diamètre, c'est-à-dire de diamètre inférieur à 150 m, préférentiellement entre 10 et 150 m, en étant convoyé ainsi jusqu'à la tête de focalisation 5. La ou les fibres de transport utilisées sont par exemple de type à coeur en quartz, revêtement en silice fondue, gaine plastique et métallique. En d'autres termes, une fibre 3 de transport de diamètre inférieur à 150 m selon 25 l'invention ne peut être utilisée que lorsque le faisceau a été généré par une source laser dit à fibres d'ytterbium . La ou les fibres dopée à l'ytterbium servant à la génération du faisceau laser de puissance sont de structure analogue à celle des fibres de transport ci-dessus, à la différence que le coeur de la fibre est dopé avec de l'ytterbium qui est un élément optiquement actif lorsqu'il est excité de façon optique, c'est-à-dire par pompage, par injection 30 de faisceau de laser à diode, par exemple 19 diodes par injection pour un total de 380 W/module ; en général, plusieurs modules sont utilisés simultanément. La machine selon l'invention est préférentiellement agencée sur une installation de coupage laser automatisée comprenant un bâti porteur 7 avec poutre mobile 8 sur laquelle est 2909020 4 fixée la tête 5 de focalisation. La tête 5 peut se déplacer sur la poutre 8, alors que la poutre 8 peut elle-même se déplacer sur le bâti 6. Les déplacements de la tête 5 sont préférentiellement opérés au moyen d'actionneurs 6 linéaires ou rotatifs, permettant par l'intermédiaire de systèmes numérisés, d'automates et de 5 commandes numériques d'obtenir des formes programmées. Des essais comparatifs réalisés ont montré qu'en soudage, à caractéristiques métallurgiques équivalentes, à savoir même matériau et mêmes conditions mécaniques, et à puissance de source laser identique, les profondeurs de pénétration du cordon de soudure utilisant une source dite à fibre selon l'invention sont supérieures de 30% aux profondeurs 10 de pénétration du cordon de soudure utilisant une source de type Nd :YAG selon l'art antérieur mettant en oeuvre une fibre de transport de diamètre d'au moins 180 m. En outre, d'autres essais opérés en découpe, à caractéristiques métallurgiques équivalents, à savoir même matériau et mêmes épaisseurs coupées, et à puissance de source laser identique, les vitesses de découpe utilisant une source dite à fibre selon l'invention 15 sont supérieures de près de 30% aux vitesses de découpe utilisant une source classique de type YAG mettant en oeuvre une fibre de transport de diamètre d'au moins 180 m, et sont supérieures de près de 50% aux vitesses de découpe utilisant une source classique de type CO2 avec un chemin optique à miroirs. 20 25 Revendications 1. Machine de coupage ou soudage laser comprenant : - une source laser (1) permettant de générer un faisceau laser au moyen d'une ou 5 plusieurs fibres (2) d'ytterbium, et - au moins une fibre (3) de transport de faisceau connectée à ladite source laser (1) et permettant de convoyer le faisceau laser généré par ladite source laser (1), caractérisée en ce que la fibre (3) de transport de faisceau a un diamètre de fibre inférieur ou égal à 150 m. 10 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la fibre (3) de transport de faisceau a un diamètre de fibre inférieur à 140 m, de préférence inférieur à 130 m. 3. Machine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la fibre (3) de 15 transport de faisceau a un diamètre de fibre supérieur à 10 m, de préférence supérieur à 20 m. 4. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la fibre (3) de transport de faisceau a un diamètre de fibre compris entre 10 et 150 m. 5. Machine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la fibre (3) de transport de faisceau est reliée à la source laser (1) au moyen d'un connecteur optomécanique. 25 6. Machine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la fibre (3) de transport de faisceau permet de convoyer le faisceau entre la source laser (1) et la tête de focalisation laser (5). 7. Machine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte 30 plusieurs fibres (3) de transport de faisceau agencées en parallèle, de préférence les fibres (3) de transport de faisceau agencées en parallèle ont des diamètres différents les uns des autres. 20 2909020 6 8. Procédé de coupage ou soudage laser dans lequel : a) on génère un faisceau laser au moyen d'une source laser (1) renfermant une ou plusieurs fibres (2) d'ytterbium servant à générer ledit faisceau laser, et b) on convoie le faisceau laser généré par ladite source laser (1) au moyen d'au moins une fibre (3) de transport de faisceau connectée à ladite source laser (1), caractérisée en ce qu'à l'étape b), on utilise une fibre (3) de transport de faisceau ayant un diamètre de fibre inférieur à 150 m. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'à l'étape b), on convoie le faisceau laser jusqu'à une tête de focalisation (5) laser et on opère un soudage ou un coupage d'au moins une pièce (10) à souder ou à couper. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'à l'étape b), on 15 utilise une fibre (3) de transport de faisceau ayant un diamètre de fibre compris entre 50 et 120 m. 20