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Quelles sont les propriétés du métal qui influencent le processus de découpe au laser ?

Les métaux font l’objet de recherches continues afin d’améliorer leurs propriétés mécaniques pour diverses applications. Il en va de même pour la découpe laser. Il existe de plus en plus d’alliages dont la surface de coupe est de très haute qualité par découpe laser. Mais, bien que l’alliage ait une influence sur les performances de la machine de découpe laser, c’est loin d’être la seule propriété importante. Il existe également différents types de métaux qui peuvent être découpés au laser.

Dans cet article, nous allons passer en revue les paramètres les plus importants à prendre en compte dans votre recherche du bon métal pour votre pièce laser.

Alliage

La découpe au laser offre toute une gamme de possibilités et de défis, de l’acier doux à l’acier haute résistance en passant par l’acier inoxydable, l’aluminium, le titane et les alliages de nickel ou de cuivre. Tous ces métaux ont des applications et des objectifs différents et sont utilisés pour différents produits. Cependant, ils peuvent tous être découpés au laser.

Voici un aperçu des différents alliages et de leurs possibilités pour le travail du métal avec une machine de découpe laser.

Acier doux

L’acier doux est le métal le plus couramment utilisé pour être découpé au laser en raison de son grand nombre d’applications industrielles. C’est également le métal le plus facile à découper au laser.

L’acier doux se compose principalement de fer avec divers autres éléments d’alliage en petites quantités contrôlables. Il s’agit principalement du carbone (C), du manganèse (Mn), du silicium (Si), du phosphore (P) et du soufre (S).

La plupart des aciers doux ont une faible teneur en carbone (0,05 à 0,4 %). Une plus grande quantité de carbone améliore la résistance à la traction et la dureté du métal, mais le rend également plus fragile et réduit considérablement sa soudabilité. Plus la teneur en carbone est faible, plus la vitesse de coupe est élevée. Les métaux dont la teneur en carbone est proche de 0,4 % ont également tendance à produire de petites microfractures au niveau de l’arête de coupe. Si la teneur en carbone est inférieure à 0,15 %, les microfractures ne se produiront pas. Il est important d’en tenir compte, car ces fractures peuvent ensuite provoquer des fissures ou une fatigue du métal. Cependant, il existe des traitements thermiques pour éviter cela.

Le manganèse (0,25-0,50%) est principalement utilisé car il contribue à la désoxydation de l’acier pendant la production. L’oxydation est préjudiciable à la qualité de l’acier. Il empêche également la formation de sulfure de fer. Cependant, cela rend la découpe laser plus difficile. La vitesse de coupe sera plus faible, tout comme la qualité de l’arête de coupe. Le phosphore (inférieur à 0,035 %), en revanche, augmente la résistance de l’acier aux intempéries.

Le soufre (inférieur à 0,04 %) est généralement considéré comme un contaminant plutôt que comme un élément d’alliage. Il rend l’acier plus fragile et plus difficile à souder, mais en faible quantité, il augmente l’usinabilité. Les métaux ayant une teneur en soufre d’environ 0,4 % sont souvent utilisés dans l’industrie électrique. Le soufre augmente la résistance électrique et la résistance à l’oxydation thermique. Cependant, la vitesse de coupe est jusqu’à 20% inférieure avec une teneur en soufre élevée.

Qu’ils soient minces ou épais, les aciers doux peuvent toujours être lasérisés avec des arêtes de coupe acceptables ou supérieures (notamment par rapport aux autres technologies de découpe thermique). Tous les alliages d’acier doux restent dans les tolérances du processus de découpe laser et ne provoquent pas de différences majeures dans les réglages de la machine. L’alliage n’a pas non plus beaucoup d’influence sur la qualité de l’arête de coupe et la vitesse de coupe.

La machine de découpe laser est donc très adaptée au traitement des types d’acier les plus courants dans l’industrie et en grandes quantités.

Acier inoxydable

Les aciers inoxydables appartiennent à la catégorie des aciers au chrome-nickel. Leurs quantités d’alliage sont jusqu’à 10-20 fois plus élevées que pour les aciers doux. Le chrome (Cr) est l’élément principal et représente environ 18 % de l’acier inoxydable. Le nickel (Ni) représente environ 8% dans les types les plus courants.

L’ajout de nickel et de chrome rend le matériau moins cassant et facilite le soudage. La plupart des aciers inoxydables ne sont pas magnétiques, mais certains types à faible teneur en nickel le sont.

L’acier inoxydable est très résistant à la corrosion en raison de la présence d’un film naturel de Cr2O3 à sa surface lorsqu’il est exposé à l’atmosphère. Ce film constitue un écran de protection contre la corrosion ultérieure.

En raison de cette réactivité avec l’oxygène, des impuretés apparaissent souvent lors de la découpe laser, ce qui donne un aspect très sale à la surface de découpe. Par conséquent, l’acier inoxydable est principalement lasuré avec de l’azote comme gaz non réactif. Cependant, cela augmente considérablement le coût de la coupe. L’épaisseur de coupe est également considérablement plus faible pour l’acier inoxydable. Pour obtenir des résultats de qualité similaire à ceux de l’acier doux, vous pouvez diviser par deux l’épaisseur de coupe.

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Alliages d’aluminium

L’aluminium (Al) est la deuxième nuance d’acier la plus courante dans l’industrie en ce qui concerne la découpe au laser. Comme l’acier inoxydable, l’aluminium s’oxyde très rapidement lorsqu’il est exposé aux éléments. Un film d’Al2O3 apparaît à la surface, empêchant toute corrosion supplémentaire.

Comme pour l’acier inoxydable, ce film réagit fortement avec l’oxygène lors de la découpe, c’est pourquoi, là aussi, on passe souvent à l’azote ou à un autre gaz non réactif.

L’aluminium n’est pas magnétique et ne peut donc pas être déplacé à l’aide de méthodes magnétiques.

Titane et alliages de nickel

Les alliages de titane (Ti) et de nickel (Ni) sont particulièrement populaires dans les secteurs de l’aviation et de l’énergie. Ils présentent de bonnes propriétés mécaniques, une résistance élevée à l’usure, une grande ténacité et un rapport résistance/poids élevé par rapport aux autres métaux (y compris l’aluminium). Certains présentent également une grande résistance à la corrosion dans des environnements chimiques et peuvent supporter une forte élévation de température. Ces avantages doivent toujours être mis en balance avec un coût plus élevé par kilo.

Le titane est utilisé depuis le début des années 1950, mais c’est un métal coûteux utilisé principalement dans l’aviation comme acier de construction. Dans le secteur de l’énergie, sa résistance aux hautes températures et aux hautes pressions est utile, par exemple, dans les turbines à gaz. Il est également biologiquement compatible avec les tissus et les os humains, ce qui le rend très approprié pour l’industrie médicale.

Lors de la découpe au laser, le titane réagit avec l’oxygène dans une réaction hautement exothermique. Il réagit également avec l’azote lorsque la température devient trop élevée. Cela peut entraîner des réactions très violentes, même lors d’une découpe laser à température ambiante.

L’oxydation pendant le processus de coupe crée un aspect bleu encre et provoque une forte augmentation de la dureté dans la zone oxydée. Ceci au point que des fissures apparaissent. Cela rend le matériau très fragile.

Il est donc recommandé d’utiliser un gaz inerte tel que l’argon (Ar) pendant le processus de découpe au laser.

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Alliages de cuivre

Le cuivre peut être gravé au laser sous sa forme pure ainsi que sous forme alliée. Le laiton est constitué de cuivre avec 1/3 de zinc (Zn) et le bronze contient 10% d’étain. Ces trois formes constituent les principaux groupes à usage commercial en matière d’alliages de cuivre.

Le bronze est généralement coulé dans un moule et n’est pas souvent utilisé en place. Par conséquent, il n’est pas souvent lasuré, mais plutôt traité mécaniquement (fraisage, par exemple). Cependant, le cuivre et le laiton sont très souvent traités avec une machine de découpe laser.
Le cuivre est un bon conducteur et convient parfaitement au travail avec le courant électrique. C’est pourquoi vous le trouverez notamment dans l’électronique et les systèmes électriques industriels. Il possède également une très bonne conductivité thermique, ce qui le rend parfait pour les échangeurs de chaleur. Il est généralement non-magnétique.

Les alliages de cuivre ont une forte résistance à la corrosion. L’oxydation du cuivre par l’oxygène est un processus très modéré par rapport à l’acier et au titane. L’oxygène peut donc être utilisé comme gaz laser et permet une vitesse de coupe plus élevée qu’un gaz neutre ou inerte.

Propriétés mécaniques et physiques

Les propriétés mécaniques des métaux, telles que la résistance maximale à la traction, la dureté, le poids spécifique, le coefficient de dilatation, n’ont pas une grande influence sur le processus de découpe laser. La découpe au laser est un processus thermique avec un chauffage et un refroidissement rapides. Cependant, les effets sont limités à une petite zone de coupe. Dans cette zone de coupe, les propriétés du matériau peuvent être sensiblement différentes du reste du matériau.

Pour les métaux à forte teneur en fer, par exemple, la dureté dans la zone de coupe peut augmenter de 50 à 100 %, en fonction des variables d’entrée du laser (longueur d’onde, puissance, cycle et type de gaz). La conductivité est réduite et la résistance à la fatigue du métal diminue.

Cependant, dans la plupart des cas, les effets sont très localisés. Environ la moitié de l’épaisseur du matériau est affectée. Par conséquent, cela n’est généralement pas significatif pour l’ensemble du produit.

Conductivité thermique

Les propriétés des matériaux, telles que la conductivité thermique, ont une influence notable sur la qualité, la productivité, la vitesse de coupe et la sécurité du processus de découpe laser. L’efficacité avec laquelle l’énergie du laser est dissipée par la chaleur dans la pièce peut rendre le processus laser beaucoup moins efficace.

Cela devient encore plus important avec des plaques plus épaisses à une vitesse de coupe plus lente. Et si l’ensemble de la pièce à travailler s’échauffe, cela peut évidemment entraîner des brûlures. Dans ce cas, les huiles ou les lubrifiants peuvent également présenter un risque d’incendie.

Viscosité

La viscosité d’un métal joue également un rôle important. En général, les métaux ont une faible viscosité à leur température de fusion. Toutefois, cela peut entraîner une arête de coupe peu attrayante après la coupe, car la surface de coupe devient fluide. La viscosité augmente également avec la température. L’aluminium, par exemple, a déjà une température de fusion très basse, c’est donc un facteur très important.

Propriétés optiques

La plupart des surfaces métalliques reflètent jusqu’à 80 % de la lumière infrarouge à température ambiante. Les 20 % restants sont convertis en chaleur, ce qui crée un bain de fusion, élément de base du processus de découpe au laser.

Cependant, la réflectivité des métaux peut être radicalement modifiée par des revêtements naturels ou artificiels sur la surface. La surface du métal joue également un rôle – quelle est sa rugosité ? Une surface polie a une réflectivité plus élevée. Même l’angle auquel la coupe est effectuée a une influence.

La façon dont cela vous affecte est relativement complexe, car non seulement les propriétés du matériau ont un effet, mais la longueur d’onde de votre laser est également importante.

Lubrification

Souvent, les tôles reçoivent une fine couche d’huile pour les protéger de la corrosion. Il réduit également la corrosion causée par la friction pendant le stockage et le transport. Le processus de découpe au laser est toutefois rarement affecté par ce phénomène, car la lubrification s’évapore très rapidement.

Cependant, cela peut avoir un effet de ralentissement sur la productivité car la manipulation des matériaux huilés est moins aisée. Il est glissant, les feuilles collent entre elles et il a des implications en matière de sécurité incendie. Cela affecte le chargement et le déchargement de la machine de découpe laser.

Revêtement

Les revêtements à base de zinc sont fréquemment utilisés pour protéger l’acier contre la corrosion. De nombreuses tôles sont galvanisées avec un revêtement à base de zinc. Il aide également à prévenir les rayures et les taches et favorise la possibilité de peindre.

Dans la plupart des cas, les revêtements ont un point de fusion bien inférieur à celui du métal de base. Par conséquent, en théorie, le revêtement de zinc devrait avoir peu d’impact sur le processus de découpe au laser. Dans la pratique, cependant, l’efficacité est considérablement réduite.

En effet, un dépôt se forme sur la surface de coupe, ce qui réduit la qualité. Ce phénomène ne peut être contré que par une réduction drastique de la vitesse de coupe (jusqu’à 20%).

Il n’y a pas de différences notables entre les différents procédés de galvanisation (électrolytique, thermique ou galvanique). Cependant, la texture de la surface peut être différente et cela affecte la réflectivité. Sa vaporisation peut être toxique et doit donc être correctement filtrée.