Brevet FR2956337A1 — publié le 20110819

L'invention concerne le domaine du soudage, du coupage ou analogue par faisceau laser et plus précisément, une installation d'usinage au laser avec oscillateur laser, chemin optique et tête laser alimentés par une même et unique source de gaz, en particulier d'azote. Comme illustré sur les Figures 1 et 2, pendant du fonctionnement d'une machine laser de type CO2, c'est-à-dire avec oscillateur laser 1 générant le faisceau laser, chemin ou cavité optique 2 convoyant le faisceau et tête laser 3 focalisant le faisceau sur la ou les pièces, l'alimentation en gaz se fait de deux manières, à savoir : - d'une part, le ou les gaz dits « de procédé » qui sont utilisés en coupage laser, par exemple l'azote , l'oxygène ou leurs mélanges, ou en soudage laser, tel l'argon, l'hélium, l'azote ou leurs mélanges, proviennent habituellement d'une source ou alimentation de type « vrac », c'est-à-dire d'un réservoir 9 de stockage de grande capacité, ou de type conditionné, c'est-à-dire de récipients de conditionnement de gaz de capacité limitée, typiquement les bouteilles de gaz. Ces gaz de «procédé » alimentent principalement la tête de focalisation mais éventuellement aussi le chemin optique du laser, Il est à noter toutefois que le chemin optique peut également être alimentée avec de l'air comprimé. - d'autre part, les gaz dits « lasant », tel l'azote, qui alimentent la l'oscillateur 1 du dispositif laser et qui sont donc utilisés pour générer le faisceau laser, proviennent toujours d'une alimentation ou source de type conditionné, c'est-à-dire de bouteilles 11 de gaz car ces gaz lasant doivent présenter des puretés très élevées, à savoir généralement d'au moins 99,999% en volume. Le problème qui se pose au plan industriel est qu'actuellement, lorsque le gaz utilisé en tant que gaz de procédé et gaz lasant est de même nature, par exemple de l'azote, deux alimentations distinctes du même gaz sont utilisées, comme schématisé sur les Figures 1 et 2, afin de prendre en compte certaines préconisations de pureté, à savoir une alimentation obligatoirement de type « conditionné » pour le gaz lasant et une autre alimentation de type « vrac » pour le gaz de procédé. Or, cela se traduit par une complexification de l'installation laser et donc pour l'utilisateur par un surcoût direct et une perte en temps de manipulation. Par ailleurs, cela oblige également à disposer de bouteilles de gaz dédiées qui sont immobilisées sur site et ne servent qu'à alimenter l'oscillateur laser 1. La présente invention entend proposer une solution à ce problème. Plus précisément, l'invention porte sur une installation d'usinage laser comprenant un oscillateur laser pour générer un faisceau laser, une tête laser traversée par le faisceau laser, un chemin optique pour convoyer le faisceau laser entre l'oscillateur laser et la tête laser, une source de gaz reliée fluidiquement à la tête laser par l'intermédiaire d'une canalisation principale de gaz, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une canalisation secondaire reliant fluidiquement ladite source de gaz à l'oscillateur laser. En d'autres termes, selon la présente invention une source de gaz commune et de grande capacité, tel un réservoir de stockage de gaz sous forme gazeuse ou liquide, alimente à la fois la tête laser servant à l'usinage et l'oscillateur laser servant à générer le faisceau laser. Il est à souligner que par «usinage laser », on entend une opération de soudage, de coupage, de marquage ou de tout autre travail par faisceau laser. Selon le cas, l'installation de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la source de gaz est un réservoir de stockage ayant une capacité d'au moins 900 litres, avantageusement d'au moins 3000 litres, de préférence d'au moins 7500 litres. - elle comporte un dispositif de détente de gaz, agencé sur la canalisation secondaire, permettant de réduire la pression du gaz provenant de la source de gaz, préalablement à son introduction dans l'oscillateur. - la source de gaz est un réservoir de stockage d'azote liquide. - la source de gaz est reliée fluidiquement à la tête laser et au chemin optique par l'intermédiaire de la canalisation principale. - elle comporte un vaporiseur de gaz agencé entre la source de gaz et la canalisation principale ou la canalisation secondaire. En d'autres termes, un échangeur thermique, encore appelé vaporiseur, est agencé en sortie de réservoir et permet de vaporiser l'azote liquide provenant du réservoir et d'obtenir ainsi de l'azote gazeux qui est ensuite acheminé dans les canalisations principale et secondaire. - un dispositif de purification de gaz comprenant un filtre ou un adsorbant apte à et conçu pour éliminer au moins une impureté choisie parmi la vapeur d'eau, les hydrocarbures et l'oxygène est agencé sur la canalisation secondaire et/ou sur la canalisation principale. Un tel dispositif peut faire office de dispositif de sécurité permettant de garantir que la pureté du gaz est toujours respectée. - l'oscillateur est alimenté par ailleurs avec au moins du CO2 et de l'hélium ou un mélange CO2/He provenant d'une ou plusieurs bouteilles de gaz. - l'oscillateur laser est de type CO2. - l'oscillateur laser, le chemin optique et la tête laser sont situés dans un bâtiment, et la source de gaz est située à l'extérieur dudit bâtiment. L'invention porte aussi sur un procédé pour alimenter une installation d'usinage laser comprenant un oscillateur laser, une tête laser, un chemin optique pour convoyer le faisceau laser entre l'oscillateur laser et la tête laser, avec un gaz provenant d'une source de gaz, dans lequel : a) on véhicule une partie du gaz provenant de la source de gaz au sein d'une canalisation principale reliant ladite source de gaz à ladite tête laser et d'une canalisation secondaire reliant la source de gaz à l'oscillateur, et b) on alimente ladite tête laser avec du gaz provenant de ladite canalisation principale, caractérisé en ce qu'on alimente l'oscillateur avec du gaz provenant de ladite canalisation secondaire. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - on introduit dans le chemin optique du gaz issu de la canalisation principale. - le gaz est de l'azote, préférentiellement stocké sous forme liquide. - on ajuste la pression du gaz avant son introduction dans le chemin optique, dans l'oscillateur et/ou dans la tête laser, voire dans le chemin optique. En particulier, on réduit la pression du gaz préalablement à son introduction dans l'oscillateur ou le chemin optique. - la source de gaz est un réservoir de stockage d'au moins 900 litres, de préférence d'au moins 3000 litres. - l'oscillateur est alimenté en outre par de l'hélium et du CO2 ou d'un mélange CO2/He provenant d'une ou plusieurs bouteilles de gaz. - on élimine éventuellement au moins une partie des impuretés de type oxygène, hydrocarbures et vapeur d'eau susceptibles d'être présentes dans le gaz de manière à garantir une pureté élevée du gaz introduit dans l'oscillateur notamment. - l'azote introduit dans l'oscillateur a une pureté d'au moins 99,999% en volume. - l'azote est soutiré de la source de gaz sous forme liquide, puis vaporisé. L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante d'un mode de réalisation donné en références aux Figures annexées parmi lesquelles : - les Figures 1 et 2 schématisent des installations laser de type CO2 selon l'art antérieur, et - les Figures 3 et 4 schématisent des installations laser selon l'invention. Les Figures 1 et 2 représentent le schéma d'une installation de travail par faisceau laser de type CO2, par exemple de coupage ou de soudage par laser, selon l'art antérieur. Comme on le voit, un générateur ou oscillateur laser 1 de type CO2 permet de générer un faisceau laser qui est ensuite véhiculé par un chemin ou cavité optique 2 jusqu'à une tête laser 3 où il est focalisé par une lentille de focalisation 4 ou un miroir de focalisation (en soudage laser, un miroir a comme rôle de diriger et focaliser le faisceau) ou similaire dans l'épaisseur ou à proximité de la surface d'une ou plusieurs pièces 6 à usiner. Dans un but de simplification, on considère ci-après que le dispositif optique de focalisation est une lentille 4. La lentille 4 peut être à focale unique, c'est-à-dire monofocale, ou multifocale, par exemple à bifocale, c'est-à-dire focalisant le faisceau en deux points de focalisation distincts. La lentille 4 permet d'isoler mécaniquement et fluidiquement le chemin optique 2 de la tête laser 3 car les pressions qui y règnent ne sont généralement pas identiques. L'oscillateur laser 1 est alimenté par 3 bouteilles 11 de gaz lasant, par exemple de l'azote référencé LASAL 1, du CO2 référencé LASAL 2 et de l'hélium référencé LASAL 4 ; les gaz référencés LASAL sont commercialisés par la société L'Air Liquide. Dans certains cas, l'oscillateur peut aussi être alimenté avec un prémélange gazeux contenant de l'azote (N2), de l'hélium et du CO2, voire d'autres constituants, tel le CO. Par ailleurs, un réservoir 9 de stockage d'azote liquide de type «vrac » dont la sortie est reliée fluidiquement à un vaporiseur ou échangeur de chaleur 10 permet d'alimenter, via une ou plusieurs canalisations de gaz 8 et des entrées dédiées 13, 12, respectivement, la tête laser 3 et le chemin optique 2 avec de l'azote gazeux. Les entrées 13, 12 sont généralement localisées au niveau d'une armoire d'alimentation 5 en gaz, comme illustre en Figure 2. Comme visible sur la Figure 2, la tête laser 3 est habituellement portée par une poutre mobile 14 par rapport à une table d'usinage 7 sur laquelle est ou sont disposées la ou les pièces à usiner, l'ensemble étant agencé dans une enceinte de protection 15. Ce type d'installation classique pose le problème de sa complexité au niveau des alimentations en gaz. Selon l'invention, on propose de simplifier l'architecture de l'installation des Figures 1 et 2 de la manière illustrée sur les Figures 3 et 4. Il est à préciser que les parties de l'installation non modifiées ne seront pas nécessairement détaillées ci-après et pour toute précision à leur propos, on se reportera aux Figures 1 et 2 et aux explications données ci-avant. Comme illustré en Figure 3, le générateur ou oscillateur laser 1 de type CO2, couramment appelé source laser CO2, qui est utilisé pour générer le faisceau laser grâce à des gaz lasants sous pression, à savoir de l'azote, de l'hélium et du CO2 , est alimenté, conformément à l'invention, avec de l'azote provenant non plus d'une bouteille 11 de gaz lasant, comme sur les Figures 1 et 2, mais directement du stockage 9 d'azote liquide. L'alimentation avec les autres gaz lasants, à savoir CO2 et hélium, se fait comme précédemment à l'aide des bouteilles 11 contenant chacun de ces gaz ou de bouteilles contenant des prémélanges gazeux, la composition du mélange final étant fonction du laser utilisé. Les bouteilles 11 sont par ailleurs équipées d'organes régulateurs de débit et/ou de pression, en particulier de robinets à détendeurs intégrés, et de manomètres, voire aussi de capotages de protection servant à protéger lesdits organes de régulation. Il s'ensuit que, conformément à l'invention, le réservoir de stockage 9 d'azote liquide permet non seulement d'alimenter la tête laser 3 mais aussi l'oscillateur 1, et éventuellement le chemin optique 2 avec de l'azote «vrac » provenant dudit réservoir de stockage 9 qui en est soutiré sous forme liquide, vaporisé dans le vaporiseur 10 avec d'être convoyé, d'une part, vers la tête laser 3 par l'intermédiaire de la ligne 8 qui se ramifie et, d'autre part, vers l'oscillateur laser 1 via une ligne supplémentaire 18 qui vient se brancher sur la ligne 8, c'est-à-dire une dérivation de la ligne 8. Eventuellement, une partie de l'azote peut également être envoyé dans le chemin optique 2 qui sert à récupérer le faisceau laser en sortie du générateur laser 1, puis à le convoyer jusqu'à la tête laser 3 comprenant une buse laser et un dispositif de focalisation 4, tel qu'une lentille ou un miroir de focalisation. Le faisceau laser traverse donc la tête laser 3 en y étant focalisé, avant d'aller frapper la ou les pièces 6 à souder ou à couper par exemple, la tête 3 étant par ailleurs alimenté en azote provenant du réservoir 9. Le chemin optique 2 est typiquement formé d'un passage muni d'optiques, tels des miroirs et/ou des lentilles. La source ou réservoir de gaz 9 est préférentiellement un réservoir de stockage de grande capacité, c'est-à-dire ayant une capacité d'au moins 900 litres, de préférence d'au moins 3000 litres en azote. Typiquement, ce réservoir 1 est situé à l'extérieur du bâtiment au sein duquel est installé le reste de l'installation, à savoir principalement le générateur 1 laser, le chemin optique 2 et la tête laser 3, ainsi que la table support 7 sur laquelle reposent la ou les pièces 6 à usiner et l'enceinte de protection 15. En effet, il est ainsi plus facile de remplir le réservoir 9 de grande capacité lorsque celui-ci est vide ou presque, soit par remplissage du réservoir 9 avec de l'azote amené sur site par un camion citerne, soit par échange du réservoir 1 vide par un autre réservoir plein, en particulier si le réservoir est un réservoir mobile de type « ranger ». Etant donné que les pressions d'utilisation du gaz au sein du chemin optique 2, de la tête laser 3 et de l'oscillateur laser 1 sont généralement différentes, il est préférentiel de prévoir un ou des dispositifs de détente de gaz 20, tel des détendeurs de gaz, sur la canalisation principale 8 et/ou sur la canalisation secondaire 18. Un dispositif détendeur 20 doit être conçu pour et apte à réduire la pression du gaz circulant dans la canalisation principale 8 ou secondaire 18, préalablement à son introduction dans le chemin optique 2, la tête 3 ou l'oscillateur 1. Typiquement, le gaz véhiculé par la canalisation principale 8 est à une pression comprise entre 15 et 32 bar relatif, par exemple de l'ordre de 25 bar, alors que dans le chemin optique, le gaz est en surpression pour éviter que les particules dans l'air ne pénètre à l'intérieur. L'alimentation de l'oscillateur laser a une pression relative comprise entre 1 et 15 bar. Par ailleurs, la Figure 4 est similaire à la Figure 3, à l'exception du fait que l'installation comprend également un dispositif de purification 21, tel un filtre, agencé sur la canalisation secondaire 18, de préférence entre le détendeur 20 et l'entrée de l'oscillateur 1, de manière à pouvoir garantir une pureté élevée donnée du gaz lasant, à savoir l'azote, introduit dans l'oscillateur 1. Revendications1. Installation d'usinage laser comprenant : - un oscillateur (1) laser pour générer un faisceau laser, - une tête laser (3) traversée par le faisceau laser, - un chemin optique (2) pour convoyer le faisceau laser entre l'oscillateur (1) laser et la tête laser (3), - une source de gaz (9) reliée fluidiquement à la tête laser (3) par l'intermédiaire d'une canalisation principale (8) de gaz, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une canalisation secondaire (18) reliant fluidiquement ladite source de gaz (9) à l'oscillateur laser (1). 2. Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la source de gaz (9) est un réservoir de stockage ayant une capacité d'au moins 900 litres, de préférence d'au moins 3000 litres. 3. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de détente de gaz (20), agencé sur la canalisation secondaire (18), permettant de réduire la pression du gaz provenant de la source de gaz (9), préalablement à son introduction dans l'oscillateur (1). 4. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source de gaz (9) est un réservoir de stockage d'azote liquide. 5. Installation selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que la source de gaz (9) est reliée fluidiquement à la tête laser (3) et au chemin optique (2) par l'intermédiaire de la canalisation principale (8). 6. Installation selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un vaporiseur (10) de gaz agencé entre la source de gaz (9) et la canalisation principale (8) ou la canalisation secondaire (18). le dispositif de purification de gaz (11) comprend un filtre ou un adsorbant apte à et conçu pour éliminer au moins une impureté choisie parmi la vapeur d'eau, les hydrocarbures et l'oxygène. 7. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'oscillateur (1) est alimenté par ailleurs avec au moins de du CO2 et de l'hélium ou un mélange CO2/He provenant d'une ou plusieurs bouteilles (11) de gaz. 8. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'oscillateur laser (1) est de type CO2. 9. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'oscillateur laser (1), le chemin optique (2) et la tête laser (3) sont situés dans un bâtiment, et la source de gaz (9) est située à l'extérieur dudit bâtiment, de préférence les bouteilles sont dans le bâtiment. 10. Procédé pour alimenter une installation d'usinage laser comprenant un oscillateur laser (1), une tête laser (3), un chemin optique (2) pour convoyer le faisceau laser entre l'oscillateur (1) laser et la tête laser (3), avec un gaz provenant d'une source (9) de gaz, dans lequel : a) on véhicule une partie du gaz provenant de la source de gaz (9) au sein d'une canalisation principale (8) reliant ladite source (9) de gaz à ladite tête laser (3) et d'une canalisation secondaire (18) reliant la source (9) de gaz à l'oscillateur (1), et b) on alimente ladite tête laser (3) avec du gaz provenant de ladite canalisation principale (8), caractérisé en ce qu'on alimente l'oscillateur avec du gaz provenant de ladite canalisation secondaire (18). 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on introduit dans le chemin optique (2) du gaz issu de la canalisation principale (8). 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le gaz est de l'azote. 13. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'on ajuste la pression du gaz avant son introduction dans le chemin optique (2), dans l'oscillateur (1) et/ou dans la tête laser (3). 14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la source de gaz est un réservoir de stockage (9) d'au moins 900 litres, de préférence d'au moins 3000 litres. 15. Procédé selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que l'oscillateur (1) est alimenté en outre par de l'oxygène et du CO2 ou d'un mélange CO2/He provenant d'une ou plusieurs bouteilles (11) de gaz.