Brevet FR2923168A1 — publié le 20090508

La présente invention concerne le domaine des machines de coupage ou de soudage par faisceau laser et plus particulièrement la tête de focalisation du faisceau laser. La découpe par outil laser nécessite l'emploi d'une tête de focalisation comprenant des moyens de focalisation du faisceau laser, en particulier une lentille ou un dispositif de focalisation similaire. Au cours de la découpe de matériaux métalliques, par exemple de l'acier inoxydable, de l'aluminium et des dérivés ou alliages d'aluminium, de l'acier revêtu, notamment galvanisé ou électro-zingué, ou d'autres métaux ou alliages métalliques, il est préférable d'utiliser un gaz neutre sous haute pression pour assister le faisceau laser, tel que de l'argon, de l'hélium, de l'azote ou leurs mélanges à des pressions allant de 5 bar à 30 bar, idéalement de 10 à 20 bar (i.e. de 1 à 2 MPa). Cette protection gazeuse est nécessaire pour obtenir des coupes non affectées thermiquement et non oxydées par l'air ambiant. Comme illustré sur la Figure 1, lorsque la tête 15 de focalisation est sous haute pression dans la chambre 4 située en amont de la buse de sortie 2 du faisceau laser, il est pratiquement impossible de faire bouger la lentille 1 de focalisation par rapport à la buse 2. En effet, l'étanchéité gazeuse de la tête 15 étant assurée par un système de joint 3, la pression du gaz exerce une force F très importante dans la chambre 4, pouvant atteindre plusieurs tonnes au mètre carré. Il est donc obligatoire de réduire cette pression gazeuse à une valeur plus faible, par 25 exemple au moins de 3 bars, si l'on souhaite modifier la distance buse 2 par rapport à la lentille 1. Or, la possibilité de permettre une variation de la distance de la buse 2 par rapport à la lentille 1 pendant qu'une pression élevée s'exerce dans la chambre 4, permet un gain de temps considérable et une augmentation de la qualité du perçage des matériaux. En effet, pendant les 30 séquences de perçage préalable à toute découpe de contour, le changement de la position du point de focalisation par rapport à la matière permet de diminuer de manière très importante, les temps nécessaires à cette opération. Pour tenter d'y remédier, une solution connue est de doter la machine d'une motorisation de très forte puissance, c'est-à-dire d'une puissance suffisante pour contre- balancer la force s'exerçant dans la chambre, de manière à pouvoir modifier la distance buse/lentille sans avoir à réduire la pression dans la chambre. Toutefois, cette solution n'est pas idéale car elle engendre un surcoût important du fait de l'utilisation d'une motorisation de forte puissance, c'est-à-dire supérieure à environ 150 W. Le problème à résoudre est donc de pouvoir changer aisément la distance entre la buse et la lentille, lors du perçage, même lorsque la pression de gaz qui s'exerce dans la chambre de la tête de focalisation d'une machine laser est élevée, typiquement supérieure à 10 bars. Autrement dit, le problème est de pouvoir changer la position du point de focalisation par rapport à la matière à couper, notamment au moment du perçage, et ce, sans avoir à faire diminuer notablement la pression du gaz envoyé à la tête et/ou sans utiliser une motorisation de forte puissance. La solution de l'invention est une tête de focalisation de faisceau laser comprenant un dispositif de focalisation de faisceau, des moyens d'amenée de gaz sous pression, une buse avec orifice de sortie pour le faisceau laser et le gaz sous pression, une chambre de pression située entre le dispositif de focalisation et la buse, ladite buse étant mobile en translation par rapport à la chambre de pression, et ladite chambre de pression étant alimentée en gaz sous pression véhiculé par les moyens d'amenée de gaz sous pression, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, une chambre de compensation de pression alimentée en gaz sous pression et agencée de manière à équilibrer, au moins en partie, la force (F) pneumatique exercée par le gaz sous pression sur la buse. Selon le cas, la tête de focalisation de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la chambre de compensation de pression est de volume interne variable. - la chambre de pression et la chambre de compensation de pression sont indépendantes l'une de l'autre et alimenté en gaz sous pression par les moyens d'amenée de gaz sous pression. - les moyens d'amenée de gaz sous pression comprennent au moins un passage d'amenée de gaz, de préférence le passage d'amenée de gaz débouche dans la chambre de pression et/ou dans la chambre de compensation de pression. -elle comporte un dispositif motorisé apte à et conçu pour déplacer la buse, en rapprochement ou en éloignement, par rapport à la chambre de pression et/ou au dispositif de focalisation de faisceau, de préférence le dispositif motorisé comprend un moteur électrique. - au moins une surface interne de la chambre de compensation de pression correspond à la surface interne de la paroi interne ou d'une expansion de la paroi interne de la buse mobile, et au moins une surface interne de la chambre de pression correspond à la surface inférieure du dispositif de focalisation située en regard de la buse. - la pression gazeuse dans la chambre de compensation de pression s'exerce au moins sur la surface interne de la chambre de compensation de pression pour s'opposer à la pression gazeuse s'exerçant sur la surface inférieure du dispositif de focalisation bordant la chambre de pression de manière à exercer une force de rappel pneumatique sur la buse dans le sens tendant à la rapprocher de la chambre de pression et/ou du dispositif de focalisation. - la surface interne de la chambre de compensation de pression est approximativement égale à la surface inférieure du dispositif de focalisation. - le dispositif de focalisation est une lentille optique. - des moyens d'étanchéité sont agencés de manière à assurer une étanchéité pneumatique entre la chambre de compensation de pression et la chambre de pression, de préférence les moyens d'étanchéité comprennent un ou plusieurs joints d'étanchéité. L'invention concerne aussi une machine laser comprenant une tête de focalisation selon l'invention. Dans cette machine, la tête de focalisation est reliée, via au moins une fibre de transport de faisceau ou via un chemin optique libre, c'est-à-dire que le faisceau laser se propage dans un gaz, par exemple de l'air ou un gaz inerte type azote, et est dirigé grâce à des miroirs de renvoi inclinables, à un générateur laser à une ou plusieurs fibres ou à un générateur laser classique à gaz ou solide, par exemple des générateurs laser de type CO2 ou Nd:YAG, à diodes ou à fibre d'ytterbium. Par ailleurs, l'invention porte également sur un procédé pour compenser la pression gazeuse s'exerçant dans la chambre de pression située entre le dispositif de focalisation, en particulier une lentille optique, et la buse mobile d'une tête de focalisation alimentée en gaz sous pression, en particulier une tête de focalisation selon l'invention, dans lequel : a) on alimente la chambre de pression avec du gaz sous pression, b) on équilibre, au moins en partie, la force pneumatique exercée par le gaz sous pression dans la chambre de pression et sur la buse en alimentant une chambre de compensation de pression avec du gaz sous pression de manière à pouvoir déplacer la buse en direction du dispositif de focalisation sans réduire notablement la pression dudit gaz au sein de la chambre de pression. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la pression gazeuse dans la chambre de compensation de pression est dirigée vers au moins une surface interne de la chambre de compensation de pression pour s'opposer à la pression gazeuse s'exerçant sur la surface inférieure du dispositif de focalisation bordant la chambre de pression de manière à exercer une force de rappel pneumatique sur la buse dans le sens tendant à la rapprocher de la chambre de pression et/ou du dispositif de focalisation. - la pression gazeuse dans la chambre de compensation de pression est comprise entre 1 et 30 bar, de préférence 10 et 20 bars L'invention va être mieux comprise au vu de la description suivante donnée à titre illustratif, en références à la Figure 2, d'un mode de réalisation d'une tête de focalisation 15 laser selon l'invention. La tête de focalisation 15 de la Figure 2 comprend un dispositif de focalisation 1 de faisceau, telle une lentille optique, permettant de focaliser le faisceau laser dans l'épaisseur de la pièce à couper ; des moyens d'amenée de gaz sous pression, tel un passage ou une ligne d'amenée de gaz servant à alimenter la tête 1 en gaz d'assistance ou de protection du faisceau laser ; une buse 2 munie d'un orifice 12 de sortie traversé par le faisceau laser et par le gaz sous pression ; et une chambre de pression 4 située entre la lentille 1 et la buse 2. La buse 2 est mobile en translation, en rapprochement ou en éloignement, par rapport à la chambre de pression 4 de manière à pouvoir ajuster la position de la buse 2 durant l'opération de perçage ou de coupage ou soudage. Le déplacement de la buse en rapprochement de la lentille 1 est opéré via un dispositif motorisé adapté comprenant un moteur électrique par exemple. La chambre de pression 4 est alimentée en gaz sous pression véhiculé par les moyens d'amenée de gaz sous pression, typiquement à une pression d'au moins 5 bar. Selon l'invention, pour équilibrer, au moins en partie, la force F pneumatique exercée par le gaz sous pression sur la buse 2, on prévoit une chambre de compensation de pression 5 elle-même alimentée en gaz sous pression. L'étanchéité pneumatique est obtenue via des joints 14 ou analogues. Le passage du gaz dans la chambre de compensation 5 permet d'équilibrer les forces appliquées à la buse 2 et donc de permettre, par l'intermédiaire d'une motorisation de plus faible puissance que les motorisations classiquement utilisées, de modifier la distance buse 2/lentille 1 sans avoir à réduire la pression dans la chambre 4. En effet, la pression gazeuse dans la chambre de compensation de pression 5 s'exerce notamment sur la surface interne 6 de la chambre de compensation de pression 5 pour s'opposer à la pression gazeuse s'exerçant sur la surface inférieure 7 de la lentille 1 bordant la chambre de pression 4 de manière à exercer une force de rappel pneumatique sur la buse 2 dans le sens tendant à la rapprocher de la chambre de pression 4 et de la lentille 1. La surface interne 6 de la chambre de compensation de pression 5 est de préférence approximativement égale à la surface 7 inférieure de la lentille 1. La surface développée 6 en opposition de pression sera donc équivalente à la surface 7 de la partie inférieure de la lentille. En procédant de cette façon, on peut déplacer la buse 2 sans avoir à utiliser une motorisation de puissance importante, même si la pression gazeuse exercée dans la chambre 4 est élevée. Plus précisément, en utilisant la chambre de compensation 5 de pression, il est possible et aisé de déplacer la buse 2 ou le bloc de buse 2 à expansions latérales, donc de faire varier la distance entre la buse 2 et la lentille 1, y compris lors du perçage, c'est-à-dire même lorsque la pression de gaz qui s'exerce dans la chambre 4 de la tête de focalisation est élevée, typiquement supérieure à 15 bar. Revendications 1. Tête de focalisation (15) de faisceau laser comprenant : - un dispositif de focalisation (1) de faisceau, 5 - des moyens d'amenée de gaz sous pression, - une buse (2) avec orifice (12) de sortie pour le faisceau laser et le gaz sous pression, - une chambre de pression (4) située entre le dispositif de focalisation (1) et la buse (2), ladite buse (2) étant mobile en translation par rapport à la chambre de pression (4), et ladite chambre de pression (4) étant alimentée en gaz sous pression véhiculé par les moyens 10 d'amenée de gaz sous pression, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, une chambre de compensation de pression (5) alimentée en gaz sous pression et agencée de manière à équilibrer, au moins en partie, la force (F) pneumatique exercée par le gaz sous pression sur la buse (2). 15 2. Tête de focalisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre de compensation de pression (5) est de volume interne variable. 3. Tête de focalisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la chambre de pression (4) et la chambre de compensation de pression (5) sont indépendantes 20 l'une de l'autre et alimenté en gaz sous pression par les moyens d'amenée de gaz sous pression. 4. Tête de focalisation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens d'amenée de gaz sous pression comprennent au moins un passage d'amenée de 25 gaz, de préférence le passage d'amenée de gaz débouche dans la chambre de pression (4) et/ou dans la chambre de compensation de pression (5). 5. Tête de focalisation selon les des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif motorisé apte à et conçu pour déplacer la buse (2), en 30 rapprochement ou en éloignement, par rapport à la chambre de pression (4) et/ou au dispositif de focalisation (1) de faisceau, de préférence le dispositif motorisé comprend un moteur électrique. 20 6. Tête de focalisation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que : - au moins une surface interne (6) de la chambre de compensation de pression (5) correspond à la surface interne de la paroi interne ou d'une expansion de la paroi interne (13) 5 de la buse mobile (2), et - au moins une surface interne (7) de la chambre de pression (4) correspond à la surface inférieure du dispositif de focalisation (1) située en regard de la buse (2). 7. Tête de focalisation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que 10 la pression gazeuse dans la chambre de compensation de pression (5) s'exerce au moins sur la surface interne (6) de la chambre de compensation de pression (5) pour s'opposer à la pression gazeuse s'exerçant sur la surface inférieure (7) du dispositif de focalisation (1) bordant la chambre de pression (4) de manière à exercer une force de rappel pneumatique sur la buse (2) dans le sens tendant à la rapprocher de la chambre de pression (4) et/ou du dispositif de 15 focalisation (1). 8. Tête de focalisation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la surface interne (6) de la chambre de compensation de pression (5) est approximativement égale à la surface (7) inférieure du dispositif de focalisation (1). 9. Tête de focalisation selon la revendication 1 à 8, caractérisée en ce que le dispositif de focalisation (1) est une lentille optique. 10. Tête de focalisation selon la revendication 1 à 9, caractérisée en ce que des 25 moyens d'étanchéité (14) sont agencés de manière à assurer une étanchéité pneumatique entre la chambre de compensation de pression (5) et la chambre de pression (5), de préférence les moyens d'étanchéité (14) comprennent un ou plusieurs joints d'étanchéité. 11. Machine laser comprenant une tête de focalisation (15) selon l'une des 30 revendications 1 à 10. 12. Machine laser selon la revendication 11, caractérisée en ce que la tête de focalisation (15) est reliée, via au moins une fibre de transport de faisceau ou via un chemin optique, à un générateur laser. 13. Procédé pour compenser la pression gazeuse s'exerçant dans la chambre de pression (4) située entre le dispositif de focalisation (1), en particulier une lentille optique, et la buse (2) mobile d'une tête de focalisation (15) laser alimentée en gaz sous pression, en particulier une tête de focalisation selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel : c) on alimente la chambre de pression (4) avec du gaz sous pression, d) on équilibre, au moins en partie, la force pneumatique exercée par le gaz sous pression dans la chambre de pression (4) et sur la buse (2) en alimentant une chambre de compensation de pression (5) avec du gaz sous pression de manière à to pouvoir déplacer la buse (2) en direction du dispositif de focalisation (1) sans réduire notablement la pression dudit gaz au sein de la chambre de pression (4). 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la pression gazeuse dans la chambre de compensation de pression (5) est dirigée vers au moins une surface interne 15 (6) de la chambre de compensation de pression (5) pour s'opposer à la pression gazeuse s'exerçant sur la surface inférieure du dispositif de focalisation (1) bordant la chambre de pression (4) de manière à exercer une force de rappel pneumatique sur la buse (2) dans le sens tendant à la rapprocher de la chambre de pression (4) et/ou du dispositif de focalisation (1). 20 15. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que la pression gazeuse dans la chambre de compensation de pression (5) est comprise entre 1 et 30 bar, de préférence 10 et 20 bars