Brevet FR2936968A1 — publié le 20100416

L'invention porte sur un procédé de coupage par faisceau laser, à une puissance laser d'au moins 2 kW, des aciers au carbone utilisant de l'azote comme gaz de coupe. La découpe par faisceau laser est majoritairement mise en oeuvre pour des applications de coupe d'aciers au carbone non et faiblement alliés. Ces aciers peuvent être revêtus ou non. On entend par aciers au carbone non et faiblement alliés, des aciers dont les éléments d'alliage sont inférieurs à 5% en poids ; l'acier inoxydable ne fait pas partie de cette catégorie car il contient au mois 11% de chrome. La Figure 1 représente un schéma de principe d'une installation de coupage par faisceau laser. Elle comprend une source laser 1, par exemple un dispositif laser de type CO2, comportant un résonateur 2 servant à générer un faisceau laser en utilisant plusieurs gaz. Un chemin optique 3 comprenant un gaz sous pression, tel de l'air ou de l'azote, permet de véhiculer le faisceau laser depuis la source 1 jusqu'à une tête de découpe 4 servant à réaliser une focalisation du faisceau, au moyen d'une optique de focalisation, par exemple une lentille ou un miroir, de manière à pouvoir fondre le métal grâce à l'énergie par ledit faisceau et couper la pièce métallique 5, telle une tôle. Afin de chasser le métal fondu hors de la saignée de coupe, un gaz d'assistance sous pression, encore appelé gaz de coupe, est habituellement introduit dans la tête de découpe 4, via un (ou plusieurs) orifice d'entrée 6, situé en aval des moyens de focalisation. Il est canalisé et injecté dans l'axe du faisceau par l'intermédiaire de la buse laser 7. Plus précisément, le gaz de coupe, dont le rôle principal est d'accroitre les performances de découpe, a deux actions : - une action chimique : le gaz utilisé réagit avec les matériaux à découper. L'exemple le plus connu est l'utilisation de l'oxygène pour la découpe des aciers au carbone où la réaction exothermique de combustion du fer dans l'oxygène augmente les performances. - une action mécanique : le gaz, par sa pression, expulse le matériau en fusion hors de la saignée de coupe. La nature du gaz de coupe à utiliser dépend du matériau à travailler ainsi que des résultats recherchés, à savoir qualité de coupe, vitesse de coupe... Pour la découpe des aciers au carbone avec un dispositif laser de type CO2, il est commun d'utiliser de l'oxygène qui permet de découper rapidement ces aciers avec une consommation de gaz assez faible. La vitesse de coupe sous oxygène est d'autant plus élevée que la pureté de l'oxygène utilisé en tant que gaz de coupe est élevée. Toutefois, l'oxygène a un coût non négligeable qui est proportionnel à sa pureté. Par ailleurs, l'oxygène étant un gaz oxydant, les faces de coupe sont oxydées et doivent subir un parachèvement. En outre, dans certains cas, l'oxygène engendre de fortes turbulences dans le bain de métal en fusion qui sont la cause d'apparition d'affouillements. Enfin, la pression de l'oxygène est parfois délicate à choisir car une pression excessive d'oxygène peut provoquer des coupes irrégulières. Tout cela nuit à la productivité globale du procédé de coupage laser sous oxygène. Un problème est donc de pouvoir couper par laser des aciers au carbone sans utiliser d'oxygène tout en obtenant une qualité de coupe équivalente à celle obtenu sous oxygène, voire même une qualité de coupe supérieure, et en améliorant par ailleurs la productivité globale du procédé, notamment en termes de vitesse de coupe et/ou de rentabilité globale du procédé. La solution de l'invention est un procédé de coupage laser d'une pièce en acier au carbone mettant en oeuvre un faisceau laser et un gaz d'assistance, caractérisé en ce que la puissance du faisceau laser est d'au moins 2 kW et le gaz d'assistance est de l'azote. En d'autres termes, la présente invention est basée sur l'utilisation d'azote en tant que gaz de coupe combiné à une puissance laser supérieure ou égale à 2 kW pour couper des aciers au carbone. En effet, il est important de veiller à avoir une puissance d'au moins 2 kW car c'est à partir de cette puissance que l'invention devient économiquement rentable. De préférence, la puissance laser est comprise entre 2 et 100 kW. De même, selon l'invention, le gaz contient essentiellement de l'azote. L'azote utilisé est de préférence de l'azote de haute pureté, par exemple d'une pureté de 99.999% en volume, ou bien de l'azote de pureté moindre, par exemple d'au moins 99.5% en volume est aussi utilisable dans le cadre du procédé de l'invention. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la pièce a une épaisseur comprise entre 0.1 et 100 mm, de préférence entre 0.5 et 50 mm. - la pièce en acier au carbone est revêtue d'une couche surfacique d'aluminium et/ou de zinc ou de peinture. - la pièce en acier au carbone est galvanisée ou électro-zinguée. - la pièce en acier au carbone est non revêtue. - la puissance du faisceau laser est entre 2 et 100 kW. En fait, plus la puissance du laser est élevée, plus la plage de gain est importante par rapport à une coupe faite sous oxygène. - le faisceau laser est généré par un dispositif laser de type CO2, YAG ou à fibres, en particulier à fibres d'ytterbium. - la pression du gaz de coupe est supérieure ou égale à 8 bars, de préférence entre 8 et 50 bars, en particulier entre 8 et 40 bars. - le diamètre de l'orifice de sortie de la buse de focalisation traversée par le faisceau laser et distribuant le gaz de coupe est supérieur ou égal à 1 mm, de préférence entre 1.2 et 6 mm. - le faisceau laser est focalisé à proximité de la surface inférieure de la pièce, dans l'épaisseur de la pièce ou en dessous de la pièce à couper. - l'azote a une pureté supérieure ou égale à 99.5% en volume. Le procédé de l'invention va maintenant être illustré par l'exemple illustratif mais non limitatif suivant. Exemple Un mode de réalisation du procédé de l'invention a été testé industriellement sur des pièces en acier au carbone d'épaisseurs comprises entre 1.5 et 3 mm. L'installation laser utilisée est analogue à celle de la Figure 1. La coupe est réalisée avec de l'azote commercialisée sous la référence LASAL 2001 par L'Air Liquide et, à titre comparatif, de l'oxygène de haute pureté commercialisé sous la référence LASAL 2003 par L'Air Liquide. Le laser utilisé est de type CO2 et délivre un faisceau laser d'une puissance de 4 kW. La focalisation du faisceau est opérée par une lentille de focalisation de manière légèrement différente selon le gaz utilisé. Ainsi : - la Figure 2a schématise la manière de focaliser le faisceau lorsque le gaz d'assistance est de l'oxygène de haute pureté (art antérieur). Comme on le voit, le point focal (PF) est focalisé sur la surface supérieure de la pièce à couper ou proche de la surface supérieure de ladite pièce. - la Figure 2b schématise la manière de focaliser le faisceau lorsque le gaz d'assistance est de l'azote selon l'invention. Dans ce cas, le point focal (PF) est focalisé dans l'épaisseur de la pièce à couper à proximité de la surface inférieure de ladite pièce ou en dehors de celle-ci, c'est-à-dire sous la pièce. En effet, sous azote, il est important de focaliser le faisceau de cette manière car il nécessaire d'amener l'énergie sur l'ensemble de l'épaisseur. Pour chaque essai, la longueur coupée sous 02 est égale à la longueur coupée sous N2 de manière à pouvoir comparer les résultats obtenus, notamment en termes de productivité. Les autres paramètres de procédé et les résultats sont consignés dans le Tableau ci- après. Tableau comparatif Epaisseur 1.5 mm 2 mm 2.5 mm 3 mm d'acier coupée Gaz de 02 N2 02 N2 02 N2 02 N2 coupe (invention) (invention) (invention) (invention) Pression du 5 7 5 14 5 14 5 16 gaz (en bar) Diamètre 1 mm 1.7 mm 1 mm 2 mm 1 mm 2 mm 1 mm 1.7 mm de sortie de la buse Débit 3.2 12.3 3 32.1 3 32.1 3 26.3 (en m3/h) Longueur 34214 34214 35259 35259 16700 16700 20528 20528 coupée (en ni) Vitesse de 6 14.5 5.3 9.8 4.9 7.3 4 4.7 coupe m/min m/min m/min m/min m/min m/min m/min mn/min atteinte Gain / + 57% / + 40% / + 26% / + 8% économique global par mètre Comme on peut le voir, l'utilisation d'azote combiné à une puissance laser de plus de 2 kW, à savoir ici de 4 kW, permet d'obtenir une augmentation notable de la vitesse de coupe par rapport à l'oxygène de haute pureté, donc forcément aussi par rapport à de l'air comprimé ou à de l'oxygène industriel, en particulier pour les plus faibles épaisseurs. Ainsi, on voit qu'avec l'azote, la vitesse est plus que doublée lors du coupage des pièces de 1,5 mm d'épaisseur. Par ailleurs, un examen visuel des pièces coupées confirme également une amélioration de la qualité de coupe, en particulier pour ce qui concerne l'absence d'oxydes sur les faces de coupe, la faible déformation des pièces, et le respect des côtes et des angles. Comme on le voit, avec le procédé sous azote de l'invention, on réalise une économie globale par mètre coupé (productivité) allant jusqu'à 57% dans le cas de la découpe d'acier de 1.5 mm. Ce gain est net, il intègre la surconsommation qu'impose la solution de coupe laser sous azote plutôt que sous oxygène. Toutefois, il est à noter que cette surconsommation n'est pas rédhibitoire quant à la productivité et la rentabilité globale du procédé car le fait de réaliser la coupe plus rapidement permet de produire davantage sur une période de temps donnée, ce qui compense largement la surconsommation de gaz engendrée par les augmentations de débit et de pression avec l'azote. Revendications1. Procédé de coupage laser d'une pièce en acier au carbone mettant en oeuvre un faisceau laser et un gaz d'assistance, caractérisé en ce que la puissance du faisceau laser est d'au moins 2 kW et le gaz d'assistance est de l'azote. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce a une épaisseur comprise entre 0.1 et 100 mm. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce en acier au carbone à découper est revêtue d'une couche surfacique d'aluminium et/ou de zinc ou de peinture. 15 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce en acier au carbone à découper est non-revêtue. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la puissance du faisceau laser est comprise entre 2 et 100 kW. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le faisceau laser est généré par un dispositif laser de type CO2, YAG ou à fibres, en particulier à fibres d'ytterbium. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pression du gaz 25 de coupe est supérieure ou égale à 8 bars, de préférence entre 8 et 50 bars. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le diamètre de l'orifice de sortie de la buse de focalisation traversée par le faisceau laser et distribuant le gaz de coupe est supérieur ou égal à 1 mm, de préférence entre 1.2 et 6 mm. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le faisceau laser est focalisé à proximité de la surface inférieure de la pièce, dans l'épaisseur de la pièce ou en dessous de la pièce à couper. 35 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'azote utilisé en gaz d'assistance a une pureté supérieure ou égale à 99,5% en volume. 20 30