Brevet FR2928570A1 — publié le 20090918

La présente invention concerne un procédé de découpe de métaux ou de plastique, en particulier de coupage de l'aluminium et de ses alliages, par faisceau laser utilisant de l'air comprimé en tant que gaz d'assistance du faisceau et/ou de protection du chemin optique, en particulier utilisable avec un laser de type CO2. Il est possible de réaliser un coupage par faisceau laser de pièces en aluminium de forte épaisseur, c'est-à-dire de plus de 3 mm d'épaisseur, en utilisant de l'air comprimé comme gaz d'assistance du faisceau laser, lorsque le générateur laser utilisé est un générateur de type CO2 de faible à forte puissance, c'est-à-dire pour des puissances typiquement jusqu'à 10 kW. La qualité de ces coupes est moins bonne, en termes d'oxydation, de rugosité de coupe..., comparée à une coupe laser opérée en utilisant de l'azote pur en tant que gaz d'assistance, tel le gaz commercialisé par Air LiquideTM sous la dénomination LASALTM 2001. Par contre, avec de l'air comprimé, la vitesse de coupe est augmentée et les épaisseurs pouvant être découpées sont plus importantes et ce, pour un moindre coût. Dès lors, lorsque la qualité de coupe n'est pas primordiale, il peut y avoir un intérêt à couper avec de l'air comprimé plutôt qu'avec de l'azote. Actuellement, au plan industriel, les découpes laser sous air comprimé sont réalisées en utilisant de l'air comprimé provenant des réseaux de canalisations d'air comprimé existants dans les ateliers, les usines, les lieux de production... alimentés en air par des compresseurs industriels qui aspirent l'air ambiant et le compressent avant de l'envoyer directement dans les réseaux de canalisations. L'air ainsi comprimé est convoyé par les réseaux jusqu'aux dispositifs laser où il est employé en tant que gaz d'assistance du faisceau laser pour réaliser la découpe proprement dite et/ou en tant que gaz d'inertage du chemin optique comprenant les miroirs, lentilles ou analogues servant au convoyage du faisceau laser depuis le générateur jusqu'à la tête de découpe. Or, les réseaux d'air comprimé industriel sont limités en pression, en débit et contiennent en outre des impuretés en teneurs variables, par exemple des impuretés de type vapeur d'eau, vapeurs d'huile, des poussières..., et souvent problématiques pour le faisceau laser. Plus précisément, les limitations en pression et en débit réduisent la gamme d'épaisseurs pouvant être découpées, ainsi que les performances en termes de vitesse de coupe. Par ailleurs, la ventilation du trajet optique jusqu'à la lentille de focalisation est effectuée généralement à l'air comprimé et, de plus en plus, à l'azote dans les chemins optiques équipant les dispositifs laser de puissance supérieure ou égal à 4 kW. Le maintien d'une surpression dans le chemin optique a pour objectif d'éviter l'entrée des particules qui risqueraient d'atténuer l'efficacité du faisceau, notamment perte d'homogénéité, perte de puissance, déviation du faisceau... L'avantage de l'air comprimé est purement économique. Toutefois, l'air comprimé a pour inconvénient de faire varier négativement la qualité du faisceau et l'efficacité du faisceau du fait de la présence d'impuretés et de différence d'indice. En effet, la présence d'impuretés et les variations de teneurs en ces impuretés dans l'air comprimé engendrent des dégradations des caractéristiques du faisceau laser et une usure prématurée de l'ensemble des éléments optiques de transmission au sein du chemin optique, en particulier pour les générateurs de type CO2. Il en résulte des coûts de maintenance plus élevés et une baisse de la rentabilité globale du procédé, malgré les gains engendrés par l'utilisation d'air en lieu et place d'azote. L'azote pur permet de palier ces inconvénients mais engendre une consommation de l'ordre de 1000 m3/mois et par laser, ce qui rend son utilisation peu rentable. En outre, il existe également des solutions intermédiaires utilisant des mélanges d'azote et d'oxygène. Par exemple, il est connu qu'on peut utiliser un mélange gazeux formé de 95% d'azote et de 5% d'oxygène (% en vol.). La qualité obtenue est proche de celle obtenue avec l'utilisation d'azote industriel mais la pression d'utilisation est limitée à 9 bar, ce qui limite les épaisseurs maximales de coupe à 3 mm environ. De plus, la composition du mélange restitué est variable, ce qui influe directement sur les résultats obtenus en termes de vitesse et de qualité de coupe. En particulier, les teneurs plus ou moins élevées en impuretés, notamment en hydrocarbures et en vapeur d'eau, nuisent aux éléments optiques et aux caractéristiques du faisceau laser, ainsi qu'aux performances et qualité de coupe, et à leur stabilité dans le temps. Des problèmes analogues ou identiques existent en coupage laser d'autres matériaux métalliques, tels les aciers, aciers inoxydables, laiton, cuivre, titane, aluminium et alliage d'aluminium, et des matériaux plastiques. De là, un but de l'invention est de pouvoir couper les métaux ou les plastiques, en particulier l'aluminium et ses alliages, par faisceau laser en utilisant de l'air comprimé comme gaz d'assistance, sans détérioration de la rentabilité globale du procédé, c'est-à-dire en surmontant les inconvénients existants avec les réseaux d'air comprimé industriel. En d'autres termes, il existe un besoin pour un procédé de coupage par faisceau laser, notamment de l'aluminium et de ses alliages, permettant de donner des résultats satisfaisants en termes de vitesse de coupe et de gamme d'épaisseurs pouvant être découpées, donc de productivité, mais qui n'engendre pas des coûts de maintenance aussi important et les inconvénients rencontrés avec les procédés actuels utilisant de l'air comprimé provenant des réseaux d'air comprimé industriel. La solution de l'invention est alors un procédé de coupage par faisceau laser d'une pièce en acier, acier inoxydable, laiton, cuivre, titane, aluminium et alliage d'aluminium, ou en plastique, dans lequel : a) on met en oeuvre un générateur laser pour générer un faisceau laser, b) on convoie le faisceau laser généré à l'étape a) entre le générateur laser et une tête laser comprenant une optique de focalisation, c) on focalise le faisceau laser sur la pièce à couper au moyen de l'optique de focalisation, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes successives suivantes : d) on comprime de l'air à une pression comprise entre 7 et 40 bars, e) on traite l'air comprimé à l'étape d) pour en éliminer au moins une partie des impuretés, de la vapeur d'eau et des vapeurs d'huile qu'il contient, f) récupérer de l'air traité ayant un point de rosé comprise entre 0°C et -80 °C, une densité maximum de particules aérosol comprise entre 0.01 et 5 mg/m3, un diamètre maximum des particules compris entre 0.01 et 5 �m, et une teneur maximale en vapeurs d'huile comprise entre 0.001 et 0.1 mg/m3, g) introduire dans la tête laser, de l'air récupéré à l'étape f) à un débit compris entre 5 et 300 m3/h et à une pression comprise entre 7 et 40 bars. L'air sert donc à assister le faisceau laser, c'est-à-dire que la pression de l'air permet d'expulser le matériau fondu hors de la saignée de coupe. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - à l'étape e), le traitement de l'air comprend l'utilisation d'au moins un sécheur par absorption équipé d'un ou plusieurs filtres, de préférence avec purgeur automatique, amont et aval. Le sécheur par adsorption comprend des particules d'un ou plusieurs adsorbants, par exemple de type alumine, gel de silice, charbon actif ou zéolite destinées à éliminer les impuretés, l'eau et les vapeurs d'huile contenues dans l'air. Les adsorbants peuvent mélangés les uns aux autres pour formé un lit composite ou alors disposés en couches successives traversées successivement par l'air à purifier, par exemple une couche d'alumine en entrée pour éliminer l'eau, voire le CO2, suivi d'un ou plusieurs autres adsorbants, disposés en aval, pour éliminer les vapeurs d'huile et/ou les autres impuretés, par exemple d'abord une couche de charbon actif pour éliminer des hydrocarbures ou des composés halogénés, puis une couche (ou plusieurs) de zéolite X pour éliminer d'autres composés. Le choix des différents adsorbants utilisés peut se faire empiriquement et au cas par cas en fonction de la composition de l'air en entrée. Par ailleurs, les filtres servent à piéger les particules, notamment aérosols, pouvant se trouver dans l'air, ainsi que les poussières. - à l'étape e), les impuretés sont choisies dans le groupe formé par 03, NOx, CO, CO2, COS, C3H6O, C2HC13, C2H6O, S02, H2, H2O, C2H2, C2H4, C2H6, C3H8, CH4, C4H6, C4H8, C4H1o, oxyde de fer, oxyde de magnésium, oxyde de silicium, oxyde de chrome, (C502H8)n, polycarbonate et les aérosols. Les aérosols sont des composés organiques volatiles (COV) en général de type hydrocarbures dont la pression de vapeur (Pv) est généralement au moins égale mais souvent supérieure à 0.01 kPa à 293.15 K. Ils peuvent être d'origine anthropique, notamment issu de procédés de raffinage, d'évaporation de solvants, d'imbrûlés de combustion, notamment automobile.. ou d'origine naturelle, par exemple émis par les plantes dans l'air ambiant. - à l'étape e), les vapeurs d'huile sont des hydrocarbures. - à l'étape f), on récupère de l'air ayant une densité maximum de particules aérosol comprise entre 0.01 et 5 mg/m3. - à l'étape f), on récupère de l'air ayant un diamètre maximum de particules aérosols compris entre 0.01 et 5 �m. - il comporte une étape de suivi, de préférence en temps réel, de la teneur en humidité de l'air. - le débit compris entre 20 et 300 m3/h, de préférence 10 à 300 m3/h. - le générateur laser est de type CO2, Nd:YAG ou à fibre, notamment à fibre d'ytterbium. - l'air est comprimé à une pression comprise entre 4 et 40 bars, de préférence 7 et 40 bars. - la pièce a une épaisseur comprise entre 3 mm et 30 mm. - la pièce est en aluminium ou en alliage d'aluminium. - à l'étape b), on convoie le faisceau laser au moyen d'un chemin optique reliant le 20 générateur laser à la tête laser et en ce qu'à l'étape g), on introduit de l'air comprimé dans le chemin optique. L'invention est donc basée sur une maîtrise de la qualité et des caractéristiques de l'air comprimé généré, le rendant compatible avec le coupage par faisceau laser, en particulier d'aluminium et de ses alliages, et la protection du chemin optique du dispositif laser. 25 Dans le cadre de l'invention, on utilise indifféremment et de manière totalement équivalente les termes � générateur laser �, � oscillateur laser �, � machine laser � et � dispositif laser � pour désigner une installation permettant de générer un faisceau laser. En fait, les inventeurs de l'invention ont mis en évidence que les impuretés, leurs proportions et les conditions opératoires (pression, débit, point de rosée) influençaient 30 considérablement le faisceau laser et les performances de production, en particulier la présence d'impuretés de type aérosols, de vapeur d'eau et de vapeurs d'huile générées par le compresseur d'air sont des paramètres très importants à prendre en compte pour obtenir un procédé acceptable au plan industriel. De plus, il est recommandé d'agencer en sortie de la station d'air comprimé, c'est-à-dire en 35 aval du compresseur d'air ou analogue, un système de contrôle en continu de l'hygrométrie du gaz avec alerte lumineuse et/ou sonore en cas de présence d'humidité supérieure à un seuil maximum et ce, pour assurer la constance des performances de production. Exemple Le procédé de l'invention a été testé industriellement avec succès et a apporté un certain nombre d'avantages par rapport à un procédé classique, c'est-à-dire un procédé sans contrôle des teneurs en aérosols, en vapeur d'eau, en vapeurs d'huile et sans ajustage de la pression et du débit de l'air comprimé. Plus précisément, le précédé de l'invention a été testé sur une machine de coupage laser de type CO2 d'une puissance de 2.5 kW. De l'air ambiant a été comprimé à une pression de 20 bar, purifié par filtration et séché par absorption, par exemple par passage au travers d'un lit de gel de silice, de zéolite ou d'alumine, de manière à le débarrasser des impuretés qu'il contient, notamment des aérosols, et des vapeurs d'eau et d'huile qu'il contenait. Ensuite, l'air comprimé et purifié a été introduit à une pression de 17 bar et à un débit 15 maximum de 65 m3/h dans le chemin optique de la machine laser et, par ailleurs, dans la tête de coupe. Il a alors été possible de couper efficacement des pièces d'aluminium de 9 mm d'épaisseur, alors que les essais comparatifs opérés avec un procédé laser selon l'art antérieur n'ont permis de couper que des pièces de 3 mm d'épaisseur, toutes conditions égales par ailleurs. 20 En outre, avec le procédé de l'invention, la vitesse de coupe est augmentée de 15% par rapport celle obtenue avec un procédé standard pour une même épaisseur (3 mm par exemple), toutes conditions égales par ailleurs. Par ailleurs, utiliser de l'air comprimé selon le procédé de l'invention pour effectuer un balayage du trajet optique permet de limiter les dégradations des caractéristiques du faisceau laser 25 et l'usure prématurée de l'ensemble des éléments optiques de transmission. Ceci permet de réduire les opérations de maintenance et on obtient une augmentation des performances du fait de paramètres plus stables. Bien que les essais aient été faits sur de l'aluminium et un laser de type CO2, le procédé de l'invention est applicable à la coupe d'autres matériaux métalliques, tels les aciers, aciers 30 inoxydables, laiton, cuivre, titane, aluminium et alliage d'aluminium, et de matériaux plastiques (acrylique, polyéthylène, polypropylène, polystyrène, nylon, ABS, polycarbonate, PVC...) et ce, avec des machines laser CO2, Nd :YAG ou à fibre. Revendications 1. Procédé de coupage par faisceau laser d'une pièce en acier, acier inoxydable, laiton, cuivre, titane, aluminium et alliage d'aluminium, ou en plastique, dans lequel : a) on met en oeuvre un générateur laser pour générer un faisceau laser, b) on convoie le faisceau laser généré à l'étape a) entre le générateur laser et une tête laser comprenant une optique de focalisation, c) on focalise le faisceau laser sur la pièce à couper au moyen de l'optique de focalisation, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes successives suivantes : d) on comprime de l'air à une pression comprise entre 7 et 40 bars, e) on traite l'air comprimé à l'étape d) pour en éliminer au moins une partie des impuretés, de la vapeur d'eau et des vapeurs d'huile qu'il contient, f) récupérer de l'air traité ayant un point de rosé comprise entre 0°C et - 80 °C, une densité 15 maximum de particules aérosol comprise entre 0.01 et 5 mg/m3, un diamètre maximum des particules compris entre 0.01 et 5 �m, et une teneur maximale en vapeurs d'huile comprise entre 0.001 et 0.1 mg/m3, g) introduire dans la tête laser, de l'air récupéré à l'étape f) à un débit compris entre 5 et 300 m3/h et à une pression comprise entre 7 et 40 bars. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape e), le traitement de l'air comprend l'utilisation d'au moins un sécheur par absorption équipé d'un ou plusieurs filtres, de préférence avec purgeur automatique, amont et aval. 25 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape e), les impuretés sont choisies dans le groupe formé par 03, NOx, CO, CO2, COS, C3H6O, C2HC13, C2H6O, S02, H2, H2O, C2H2, C2H4, C2H6, C3H8, CH4, C4H6, C4H8, C4H1o, oxyde de fer, oxyde de magnésium, oxyde de silicium, oxyde de chrome, (C502H8)n, polycarbonate et les aérosols. 30 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape e), les vapeurs d'huile sont des hydrocarbures. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape f), on récupère de l'air ayant une densité maximum de particules aérosol comprise entre 0.01 et 5 35 mg/m3. 20 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape f), on récupère de l'air ayant un diamètre maximum de particules aérosols compris entre 0.01 et 5 �m. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte 5 une étape de suivi, de préférence en temps réel, de la teneur en humidité de l'air. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit compris entre 20 et 300 m3/h, de préférence 10 à 300 m3/h. 10 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur laser est de type CO2, Nd:YAG ou à fibre, notamment à fibre d'ytterbium. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'air est comprimé à une pression comprise entre 4 et 40 bars, de préférence 7 et 40 bars. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce a une épaisseur comprise entre 3 mm et 30 mm. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce 20 est en aluminium ou en alliage d'aluminium. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape b), on convoie le faisceau laser au moyen d'un chemin optique reliant le générateur laser à la tête laser et en ce qu' à l'étape g), on introduit de l'air comprimé dans le chemin optique. 15