Brevet FR2928286A1 — publié le 20090911

La présente invention concerne un procédé d'oxycoupage d'un paquet de tôles empilées les unes sur les autres, de préférence avec une buse de coupe à rideau d'oxygène. Actuellement, le coupage des tôles fines, c'est-à-dire ayant une épaisseur allant jusqu'à environ 10 mm, est effectué au plan industriel par faisceau laser, plasma d'arc ou jet d'eau. Cependant, ces procédés de découpe présentent des inconvénients. Ainsi, le coupage laser nécessite un investissement important, est limité en épaisseur 10 maximum de coupe, à savoir environ 20 mm pour l'acier, et ne permet généralement pas d'avoir plusieurs têtes de coupe fonctionnant en parallèle. De même, le coupage plasma nécessite un investissement important, engendre des problèmes de qualité de coupe sur les épaisseurs supérieures 40 mm, en particulier des angles de dépouille, et avoir plusieurs têtes de coupe fonctionnant en parallèle est, là aussi, 15 difficilement réalisable du fait de l'investissement important que cela représente. Par ailleurs, le coupage au jet d'eau, outre l'investissement également important qu'il requiert, ne permet pas non plus d'avoir plusieurs têtes de coupe fonctionnant en parallèle, conduit à des vitesses de coupe faible et des problèmes de recyclage des abrasifs contenus dans l'eau de coupe. 20 De là, ces procédés ne peuvent être rentables industriellement que pour les entreprises produisant de grandes séries de pièces, en particulier pour le coupage par laser ou par jet d'eau, notamment du fait de l'investissement important qu'ils engendrent pour la mise en place d'une telle installation. Par ailleurs, l'oxycoupage permet de rivaliser avec les performances de ces procédés 25 sans nécessiter un lourd investissement. D'abord utilisé pour la découpe des aciers, l'oxycoupage est un procédé qui s'est développé et qui est désormais mis en oeuvre en utilisant 1 ou 2 chalumeaux sur les installations les plus simples, et de 6 à 12 chalumeaux fonctionnant en parallèle, pour les installations les plus complexes. 30 En fait, l'oxycoupage est un procédé de découpe par combustion localisée et continue du métal par un jet d'oxygène pur. Le procédé est d'abord initié avec une flamme oxy-combustible à haute température, pendant la phase dite d'amorçage, typiquement de l'ordre de 1300°C, puis cette réaction de combustion est entretenue par le jet d'oxygène, durant la coupe proprement dite, tout au long de la trajectoire de coupe désirée. Ce procédé est bien connu dans l'industrie. Les matériaux pouvant être oxycoupés sont principalement ceux contenant du fer, en particulier les aciers faiblement alliés ou non alliés, notamment les aciers au carbone. Les principaux paramètres influençant les performances de coupes sont le matériel de coupe, en particulier le choix de la buse de coupage, la qualité des gaz (combustible et oxygène), le matériau à découper et le savoir-faire de l'opérateur. Toutefois, l'oxycoupage est principalement utilisé pour la découpe d'acier d'épaisseur supérieure à 10 mm car sur des épaisseurs inférieures, les limites du procédé sont atteintes, à savoir une qualité et des performances de coupe non acceptables au plan industriel. En effet, oxycouper une pièce d'épaisseur inférieure à 10 mm conduit à des défauts bien connus qui sont une déformation inacceptable de la pièce du fait de la forte densité de puissance mise en oeuvre par le flux d'oxycoupage ; l'apparition d'une fusion d'arrête en partie supérieure de la pièce qui est rédhibitoire ; et une présence de scories d'oxyde de fer solidifié adhérentes en bas de saignée de coupe, nécessitant un parachèvement de la pièce pour éliminer ces scories. De là, il est habituel d'avoir recourir aux autres procédés susmentionnés pour couper les pièces de faible épaisseur, c'est-à-dire de moins de 10 mm, en particulier le coupage laser ou plasma, malgré les inconvénients qu'ils engendrent, notamment en termes d'investissement, et malgré le fait que ces procédés ne permettent que le coupage d'une seule pièce à la fois, ce qui est pénalisant en termes de productivité, en particulier lorsque de grandes séries de pièces doivent être découpées. Le but de l'invention est dès lors de proposer un procédé d'oxycoupage amélioré permettant de rendre possible et compétitif l'oxycoupage des tôles fines, c'est-à-dire ayant une épaisseur entre 2 et 10 mm, tant au niveau de l'investissement et du prix de revient qu'au niveau des performances, notamment de la vitesse de coupe, et de la qualité de coupe. La solution est alors un procédé d'oxycoupage de pièces en un métal contenant du fer, mettant en oeuvre une buse de coupe délivrant un flux gazeux contenant au moins de l'oxygène, dans lequel : a) on superpose, les unes aux autres, les pièces à couper ayant chacune une épaisseur comprise entre 2 et 10 mm de manière à obtenir un paquet de pièces ayant une épaisseur totale supérieure à 15 mm, et b) on opère un oxycoupage dudit paquet de pièces au moyen du flux gazeux délivré par la buse de coupe. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -l'épaisseur totale du paquet est supérieure à 20 mm, en particulier supérieure à 25 mm. - l'épaisseur totale du paquet est inférieure à 100 mm, en particulier inférieure à 80 mm. - l'épaisseur totale du paquet est comprise entre 20 et 60 mm, de préférence comprise entre 25 et 50 mm. -l'étape b) comprend au moins une phase d'amorçage de coupe durant laquelle la buse délivre un flux gazeux contenant de l'oxygène et au moins un gaz combustible, en particulier de l'acétylène, et une phase de coupage durant laquelle la buse délivre un flux d'oxygène. - la buse comprend un corps allongé comprenant : un passage central d'oxygène apte à délivrer un jet central d'oxygène, un ou plusieurs passages de gaz combustible apte à délivrer, pendant la phase d'amorçage de coupe de l'étape b), un ou plusieurs jets périphériques de gaz combustible, et un ou plusieurs passages internes supplémentaires, en communication fluidique avec le passage central d'oxygène, lesdits passages internes supplémentaires étant aptes à dévier une partie du flux central d'oxygène et de le distribuer autour du jet central d'oxygène de manière à créer un rideau ou gainage d'oxygène autour du jet central d'oxygène. - les pièces sont en acier. - la pièce située sur le dessus du paquet, immédiatement en regard de la buse de coupe, a une épaisseur supérieure à celle d'au moins une autre pièce du paquet, de préférence la pièce située sur le dessus du paquet à une épaisseur supérieure à 4 mm et les autres pièces du paquet ont une épaisseur inférieure à 3 mm. - le paquet comprend de 5 à 25 pièces à découper, en particulier des plaques ou des tôles. - il met en oeuvre plusieurs buses de coupe fonctionnant simultanément pour réaliser concomitamment un oxycoupage dudit paquet de pièces. En effet, comme mentionné précédemment, le coupage de tôles fines ( Ensuite, l'entretien de la réaction de combustion du métal se fait par envoi uniquement l'oxygène sous pression, durant toute la coupe de la pièce (Fig. lb). Selon l'invention, on utilise préférentiellement une buse dite à �rideau d'oxygène �, telle que schématisée en Figure 2, car une telle buse permet d'obtenir des vitesses de coupe supérieure à celles obtenues avec une buse classique sans rideau d'oxygène, comme le montre la figure 3. Plus précisément, une buse 4 dite à �rideau d'oxygène � est formée d'un corps de buse allongé classique comprenant un passage (perçage) central 1 pour véhiculer l'oxygène et un ou plusieurs passages 2 périphériques pour véhiculer le gaz combustible et l'oxygène de chauffe utilisé durant l'amorçage de la réaction (Fig. la) et qui se mélange avec l'oxygène en sortie de buse. Toutefois, cette buse 4 comporte aussi un ou plusieurs passages internes supplémentaires 3 permettant de dévier une partie du flux central d'oxygène et de distribuer cet oxygène, via lesdits passages internes supplémentaires 3, autour du flux central d'oxygène de manière à créer un rideau ou gainage d'oxygène autour du jet central d'oxygène de coupe, dont le rôle est de protéger le jet de coupe des produits de combustion et des vapeurs métalliques dégagées lors de la combustion des oxydes de fer du matériau à couper. Le jet d'oxygène de coupe est alors d'une plus grande pureté, ce qui permet d'augmenter les vitesses de coupe. Plus le jet de coupe est pur, plus la vitesse de coupe est élevée. Utiliser une telle buse à � rideau d'oxygène � permet d'améliorer les performances du procédé d'oxycoupage de l'invention par rapport à une buse classique puisque, comme illustré en Figure 3, une telle buse à rideau d'oxygène permet d'améliorer de 30 à 40% les vitesses de coupe (mm/min) par rapport à une buse d'oxycoupage conventionnelle, en particulier pour les épaisseurs inférieures à 40 mm. Il s'ensuit qu'une même buse à � rideau d'oxygène � peut être utilisée, selon l'invention, pour couper toutes les épaisseurs des paquets de tôles jusqu'à environ 40 mm La mise en oeuvre du procédé de l'invention se fait comme illustré en Figure 4. Une buse 4 de coupe, préférentiellement du type à rideau d'oxygène, est alimentée en oxygène (passage centrall et dérivations internes non visibles) et, durant la phase d'amorçage, en gaz combustible (passages périphériques 2), par exemple l'acétylène. Avant de commencer le processus de découpe, les tôles à couper 10, 11, 12 sont superposées les unes aux autres, c'est-à-dire empilées les unes par-dessus les autres et maintenues en paquet 20, par exemple par bridage, soudage ou analogue. On réalise ensuite un oxycoupage du paquet 20 de pièces au moyen du flux gazeux délivré par la buse 4 de coupe, comme expliqué ci-dessus. Les pièces à couper 10, 11, 12, par exemple en acier, ont chacune une épaisseur comprise entre 2 et 10 mm et le paquet 20 de pièces a une épaisseur totale supérieure à 10 mm, typiquement entre 30 et 40 mm. Les pièces 10 à 12 peuvent être de même épaisseur ou d'épaisseurs différentes. Toutefois, l'oxycoupage d'un paquet 20 formé de tôles empilées d'épaisseurs inférieures à 3 mm peut poser problème dans certains cas. En effet, pendant la phase d'amorçage (Fig. la), la densité de puissance importante de la flamme déforme et endommage le paquet 20 stoppant la réaction d'oxycoupage, en particulier déforme et endommage les tôles situées sur le dessus du paquet 20, en vis-à-vis immédiat de la buse 4 de coupe délivrant le jet d'oxycoupage. Une solution technique pour couper un paquet de tôle d'épaisseur inférieure à 3mm est de placer sur la surface supérieure du paquet 20, une tôle d'épaisseur supérieure à 3 mm, par exemple d'au moins 5 mm, pour absorber sans déformation pendant la phase d'amorçage, la densité de puissance engendrée par la flamme de coupe, permettant ainsi le démarrage de la réaction d'oxycoupage (Fig. la). De là, si les tôles 10, 11 du paquet 20 ont des épaisseurs inférieures à 3 mm, par exemples des tôles 11 de 2.5 mm et des tôles 10 de 2 mm (ou alors toutes de même épaisseur), alors on superposera au paquet 20, une tôle 12 de 5 mm ou plus par exemple, comme illustré en Figure 4. Les pièces de 5 mm d'épaisseur découpées dans la pièce du dessus pourront être utilisées ou rebutées. Les essais consignés dans les Exemples ci-après ont été opérés pour montrer les performances du procédé de l'invention que ce soit avec buse traditionnelle (Exemples 1 et 2) ou avec buse à rideau d'oxygène (Exemple 3). Exemple 1 Le procédé de l'invention a été mis en oeuvre pour oxycouper un paquet constitué de 30 6 tôles d'acier au carbone type 355 identiques empilées les uns aux autres ayant chacune une épaisseur de 5 mm, soit un empilement de 30 mm d'épaisseur au total. La coupe est réalisée avec une buse traditionnelle donnée pour une vitesse de coupe maximale de 0,33 m/mn. Le comburant est de l'oxygène pur et le combustible est de l'acétylène. Les pressions de gaz mis en oeuvre sont de 0,5 bars pour l'acétylène, de 2 bars pour l'oxygène de chauffe et de 7 bars pour l'oxygène de chauffe. Les résultats obtenus en termes de vitesse de coupe pour 1, 2 ou 3 chalumeaux 5 fonctionnant simultanément sont : - 1 chalumeau : 6 pièces coupées en 55 secondes pour une longueur de coupe de 300 mm, soit l'équivalent d'une coupe à 1,98 m/mn, - 2 chalumeaux : 12 pièces coupées, soit l'équivalent d'une coupe à 3,96 m/mn, - 3 chalumeaux : 18 pièces coupées, soit l'équivalent d'une coupe à 5,94 m/mn. 10 Comme on le voit, pour une épaisseur de tôle de 5 mm chacune et un paquet constitué de 6 tôles, le procédé d'oxycoupage selon l'invention permet d'obtenir 6 pièces découpées en une seule phase de coupe, à une vitesse équivalente à la coupe d'une épaisseur de 30 mm. Si l'installation est équipée de X chalumeaux, le nombre de pièces obtenues est alors de X fois 6 pièces. Ceci reste vrai dans les Exemples 2 et 3 ci-après. 15 Exemple 2 Le procédé de l'invention a été mis en oeuvre pour oxycouper un paquet constitué de 12 tôles d'acier au carbone type 355 empilées les uns aux autres ayant chacune une épaisseur de 2 mm environ, lequel empilement est recouvert d'une tôle de 5 mm posées sur le dessus du paquet pour empêcher les déformations des tôles de 2 mm, comme expliqué ci- 20 dessus. L'empilement a une épaisseur d'environ 29 à 30 mm au total. La coupe est réalisée avec une buse traditionnelle donnée pour une vitesse de coupe maximale de 0,33 m/mn, comme dans l'Exemple 1. Les autres conditions opératoires sont également comme dans l'Exemple 1. 25 Les résultats obtenus en termes de vitesse de coupe pour 1, 2 ou 3 chalumeaux fonctionnant simultanément sont : - 1 chalumeau : 12 pièces coupées soit l'équivalent d'une coupe à 3,96 m/mn, -2 chalumeaux : 24 pièces coupées en 1 minute, soit l'équivalent d'une coupe à 7,92 m/mn, 30 - 3 chalumeaux : 36 pièces coupées en 1 minute, soit l'équivalent d'une coupe à 11,88. m/mn. Exemple 3 Les conditions d'essai de l'Exemple 3 sont identiques à celles de l'Exemple 1, mis à part que la coupe est réalisée avec une buse à rideau d'oxygène donnée pour une vitesse de coupe maximale de 0,55 m/mn. Les résultats obtenus en termes de vitesse de coupe pour 1, 2 ou 3 chalumeaux fonctionnant simultanément sont : - 1 chalumeau : 6 pièces coupées en 33 secondes pour une longueur de coupe de 300 mm, soit l'équivalent d'une coupe à 3,30 m/mn, - 2 chalumeaux : 12 pièces coupées, soit l'équivalent d'une coupe à 6,60 m/mn, - 3 chalumeaux : 18 pièces coupées, soit l'équivalent d'une coupe à 9,90 m/mn. Que ce soit dans l'Exemple 1, 2 ou 3, le procédé d'oxycoupage de tôles empilées de l'invention a permis d'obtenir une qualité de coupe sans fusion d'arête supérieure, sans scories adhérentes et sans déformation de tôle. De plus, les pièces obtenues ont des caractéristiques géométriques (angle vif par exemple), comparables aux pièces obtenues avec les autres procédés de découpe thermique. Les meilleurs résultats sont obtenus dans l'Exemple 3, en associant une buse à rideau d'oxygène au coupage de tôles fines (épaisseur Les courbes 2C à 5C de la Figure 5 représentent les performances de coupe obtenues, ramenées à la vitesse de coupe équivalente d'une pièce, en fonction de l'épaisseur des tôles constituant le paquet et du nombre de chalumeaux (i.e. de 2 à 5) de l'installation de coupage. Par ailleurs, comme on le voit sur la Figure 6, pour un paquet de tôles de 40 mm d'épaisseur, les vitesses de coupe ramenées à une pièce sont d'autant plus élevées que le paquet est composé d'un nombre élevé de tôles. Ainsi, pour un paquet composé de tôles d'épaisseur 2 mm (courbe le de la Figure 6), le paquet peut être constitué de 18 tôles d'épaisseurs 2 mm et d'une tôle d'épaisseur 4 mm positionnée sur la surface supérieure du paquet afin de faciliter la phase d'amorçage. Dans ce cas, la vitesse de coupe équivalente par pièce coupée sera alors proche de 9,9 m/mn avec un seul chalumeau (1C). Dans les mêmes conditions, si on considère que l'installation est équipée de 6 chalumeaux (courbe 6C de la figure 6) et que le paquet est constitué de 18 tôles d'épaisseurs 2 mm et d'une tôle d'épaisseur 4 mm positionnée sur la surface supérieure, alors la vitesse de coupe équivalente par pièce coupée sera alors proche de 59 m/mn. Les courbes 2C à 5C de la Figure 6 représentent les performances de coupe ramenées à la vitesse de coupe équivalente d'une pièce, en fonction de l'épaisseur des tôles constituant le paquet et du nombre de chalumeaux (i.e. de 2 à 5) de l'installation de coupage. Les performances obtenues par avec le procédé d'oxycoupage selon l'invention sont équivalentes, voire supérieures à celles obtenues avec les autres procédés de découpe thermique. Toutefois, pour une bonne efficacité avec le procédé d'oxycoupage de l'invention, l'épaisseur des paquets à couper doit être préférentiellement comprise entre 25 et 55 mm, typiquement de l'ordre de 30 à 40 mm environ. Revendications 1. Procédé d'oxycoupage de pièces (10, 11, 12) en un métal contenant du fer, mettant en oeuvre une buse de coupe (1, 2, 3, 4) délivrant un flux gazeux contenant au moins de l'oxygène, dans lequel : a) on superpose, les unes aux autres, les pièces à couper (10, 11, 12) ayant chacune une épaisseur comprise entre 2 et 10 mm de manière à obtenir un paquet (20) de pièces ayant une épaisseur totale supérieure à 15 mm, et b) on opère un oxycoupage dudit paquet (20) de pièces au moyen du flux gazeux délivré par la buse de coupe (1, 2, 3, 4). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur totale du paquet (20) est supérieure à 20 mm. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur (20) totale du paquet est inférieure à 100 mm. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur totale du paquet (20) est comprise entre 20 et 60 mm, de préférence comprise 20 entre 25 et 50 mm. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape b) comprend au moins : - une phase d'amorçage de coupe durant laquelle la buse (1, 2, 3, 4) délivre un flux 25 gazeux contenant de l'oxygène et au moins un gaz combustible, en particulier de l'acétylène, et - une phase de coupage durant laquelle la buse (1, 2, 3, 4) délivre un flux d'oxygène. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la 30 buse (1, 2, 3, 4) comprend un corps allongé (4) comprenant : -un passage central (1) d'oxygène apte à délivrer un jet central d'oxygène, - un ou plusieurs passages (2) de gaz combustible apte à délivrer, pendant la phase d'amorçage de coupe de l'étape b), un ou plusieurs jets périphériques de gaz combustible, et - un ou plusieurs passages internes supplémentaires (3), en communication fluidique avec le passage central (1) d'oxygène, lesdits passages internes supplémentaires (3) étant aptes à dévier une partie du flux central d'oxygène et de le distribuer autour du jet central d'oxygène de manière à créer un rideau ou gainage d'oxygène autour du jet central d'oxygène. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces (10, 1l, 12) sont en acier. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce (12) située sur le dessus du paquet (20), immédiatement en regard de la buse de coupe (1, 2, 3, 4), a une épaisseur supérieure à celle d'au moins une autre pièce du paquet (10, 11), de préférence la pièce (12) située sur le dessus du paquet à une épaisseur supérieure à 4 mm et les autres pièces (10, 11) du paquet ont une épaisseur inférieure à 3 mm. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le paquet (20) comprend de 5 à 25 pièces à découper (10, 11, 12), en particulier des plaques ou des tôles. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre plusieurs buses (1, 2, 3, 4) de coupe fonctionnant simultanément pour réaliser concomitamment un oxycoupage dudit paquet de pièces (10, 11, 12).25