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Tout ce que vous devez savoir sur la découpe des métaux avec des lasers de forte puissance

La découpe laser des métaux présente de nombreux avantages par rapport aux techniques de découpe plus traditionnelles. La vitesse de coupe est plus élevée, la largeur de coupe est plus petite et une machine de découpe laser est généralement plus précise. En outre, la zone affectée par la chaleur est beaucoup plus petite, ce qui limite les contraintes internes ou les modifications du matériau.

Dans cet article, nous allons aborder les différents aspects de la transformation des métaux avec une machine de découpe laser. (Découpage, soudage, traitement de surface, etc…). Nous souhaitons vous donner un aperçu des aspects pratiques de la découpe avec un laser haute puissance.

Introduction

La découpe au laser consiste à focaliser un faisceau laser sur le matériau à découper. Cela provoque la fusion et/ou l’évaporation locale du matériau. Le processus est souvent soutenu par un gaz de coupe qui est soufflé dans la coupe. Cela fait sortir le matériau fondu de la coupe. Dans certaines applications, un gaz réactif est utilisé, de sorte qu’il favorise également l’évaporation/fusion du matériau.

Le principe de la découpe laser. Le faisceau laser doit de préférence frapper perpendiculairement à la surface du produit.
Le principe de la découpe laser. Le faisceau laser
doit tomber de préférence perpendiculairement à la surface du produit tomber sur la surface du produit

Le faisceau laser doit de préférence tomber perpendiculairement à la surface du produit. Le laser et le jet de gaz se déplacent à l’opposé du produit, ce qui permet d’obtenir une coupe presque droite (perpendiculaire). L’arête de coupe présente une certaine rugosité avec un motif de stries, qui augmentera vers le bas de la coupe et deviendra plus graduel à des vitesses plus élevées et avec des matériaux plus épais. Si le processus de coupe est réalisé correctement avec des réglages adaptés au matériau, la rugosité est limitée à quelques dizaines de micromètres (Rz).

Bord de coupe avec des stries typiques de la découpe laser. Le produit est oxycoupé à une vitesse de coupe de 0,4-0,5 m/min.
La pointe de la technologie avec la découpe au laser typique
le motif des plis (stries). Le produit est coupé à l’oxygène
avec une vitesse de coupe de 0,4-0,5 m/min.

 

Par rapport aux techniques de découpe plus conventionnelles, la découpe laser a une vitesse de découpe élevée (environ 15m/min dans certains cas). En outre, la qualité de la coupe est généralement meilleure et il n’est pas nécessaire de procéder à un post-traitement. En effet, la formation de bavures sur la face inférieure de la coupe est très faible, voire inexistante.

La découpe au laser est également plus précise que d’autres techniques de découpe thermique telles que le faisceau d’électrons, l’oxycoupage et la découpe au plasma. La largeur de coupe est plus petite, les angles aigus sont possibles dans les formes à couper et l’influence de la chaleur produite sur le matériau est très faible et localisée.

Par rapport aux techniques de séparation mécanique, telles que la découpe, le poinçonnage et le grignotage, elle est beaucoup plus souple et peut découper des formes autrement impossibles (tant pour les produits 2D que 3D). Seule la découpe au jet d’eau s’approche de la flexibilité d’une machine laser.

Le plus grand inconvénient, cependant, est l’épaisseur limitée qu’un laser peut couper (acier jusqu’à environ 20 mm). Des épaisseurs plus importantes sont possibles, mais elles n’offrent pas la même qualité et ne sont pas économiquement avantageuses. En outre, une machine de découpe laser représente un investissement relativement élevé, même si, dans la plupart des cas, il peut être rentabilisé rapidement en raison des vitesses de découpe plus élevées.

Sources laser pour la découpe au laser

Structure d’une source laser

LASER est l’abréviation de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Plus précisément, il s’agit d’une amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement. Toute source laser dans laquelle un rayonnement laser est généré est constituée de :

  • Une cavité vibrante (ou résonateur). Il s’agit d’un espace composé de matériaux réfléchissants (miroirs). Un milieu actif (gaz CO2 dans le cas d’un laser CO2 et un cristal dans le cas d’un laser Nd:YAG et d’un laser à fibre) est situé entre les deux.
  • Une source d’énergie, qui est responsable de la production d’énergie supplémentaire. Dans le cas du laser CO2, cela se fait au moyen d’une décharge électrique dans un gaz CO2. Avec le laser Nd:YAG, cela se fait au moyen de lampes flash ou de diodes. Le laser à fibre fonctionne exclusivement avec des diodes.

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Cette énergie supplémentaire est ensuite transformée en lumière laser dans la cavité vibrante. Le faisceau laser que nous utilisons pour traiter les matériaux est la lumière qui traverse une petite partie du miroir de découplage. Cette lumière n’a qu’une seule longueur d’onde (ou couleur). Cette longueur d’onde détermine la mesure dans laquelle elle sera absorbée par le matériau à découper. Chaque matériau possède ses propres propriétés optiques. Le choix de votre type de source laser, ou en d’autres termes, le choix de la longueur d’onde délivrée, est donc étroitement lié à son absorption dans la pièce choisie.

L’apport d’énergie laser au matériau à traiter peut être pulsé ou continu. Les lasers CW (continuous wave) fournissent une énergie continue. L’alimentation pulsée est appelée laser en boucle.

Aperçu des propriétés des sources laser adaptées à la découpe laser
Aperçu des sources laser qui sont adapté à la découpe laser

 

Les lasers CO2 ont une puissance disponible élevée et sont utilisés pour la découpe de produits métalliques plus épais. La qualité du faisceau d’un laser Nd:YAG à diode est meilleure que celle d’un laser Nd:YAG à flash. Cela rend le laser Nd:YAG à diode plus adapté à la découpe laser. En outre, les diodes ont une durée de vie beaucoup plus longue que les lampes, mais elles sont plus chères. (Durée de vie de la diode : 10 000 heures, durée de vie de la lampe : 1000 heures).

Propriétés du rayonnement laser et des faisceaux laser

Une source laser est en fait une source de lumière à haute énergie. On pourrait penser qu’il n’y a rien de spécial, mais un laser possède de nombreuses propriétés qui diffèrent de celles d’une source de lumière normale. Une machine de découpe laser utilise ces propriétés au cours du processus de découpe. La faible divergence du faisceau et la forte densité de puissance sont particulièrement importantes pour le processus de coupe.

Densité de puissance

La densité de puissance (I) peut être calculée à l’aide de la formule suivante :

I = P/O = 4P/π d² [W/m2]

Il s’agit de la puissance laser (P) par surface (O) de la section transversale du faisceau. La surface est calculée à partir du diamètre (d) du faisceau laser.

Des densités de puissance allant jusqu’à 1020 W/m2 peuvent être atteintes avec une machine de découpe laser. Cela confère aux lasers une densité de puissance élevée, permettant d’atteindre des vitesses de coupe très élevées. La largeur de coupe (+/- 0,2 mm) est un autre avantage qui rend la précision très élevée. Il garantit également que seule une petite zone est affectée par la chaleur produite.

Divergence des feux de croisement

Aucun faisceau lumineux n’est parfaitement parallèle et il n’en va pas autrement pour un faisceau laser. Le diamètre du faisceau laser augmente avec la distance.

 

Évolution du diamètre du faisceau d le long de l'axe z (axe optique), pour un faisceau laser avec une distribution d'énergie gaussienne
Évolution du diamètre d du faisceau le long de l’axe z
(axe optique), pour un faisceau laser d’une valeur de
Distribution d’énergie gaussienne

Près de la source, on parle d’une petite constriction appelée taille (do [m]). Par la suite, le diamètre du faisceau augmente régulièrement avec un certain angle de divergence (θ(z) [rad]). Cet angle de divergence dépend de la longueur d’onde de la lumière laser et du diamètre de la taille. À une grande distance de la taille, l’angle de divergence atteint une valeur asymptotique θ0 [rad].

La divergence d’une source laser est extrêmement faible par rapport aux sources de lumière normales. L’énergie laser peut donc être transportée sur de grandes distances sans diminution significative de la densité de puissance, et le faisceau peut être très bien focalisé, ce qui permet d’obtenir une très petite largeur de coupure.

Distribution de l’intensité

Un faisceau laser a une certaine surface. On pourrait penser que sur cette surface, l’énergie délivrée serait la même partout. Or, ce n’est pas le cas.

La répartition de l’énergie ou de l’intensité sur la section transversale du faisceau laser dépend principalement de la technique utilisée, de la construction du résonateur et des éléments optiques choisis pour transporter le faisceau laser.

Twee voorkomende energieverdelingen (intensiteitsverdelingen) van laserbundels, voor het lasersnijden. a): Gaussisch I0=8P/(π.d2); b): Top hat I=4P/(π.d2)
Deux distributions d’énergie courantes (distributions d’intensité)
de faisceaux laser, pour le laser
découpe au laser. a) : Gaussien I0=8P/(π.d2) ;
b) : Chapeau haut de forme I=4P/(π.d2)

Avec les lasers CO2, on observe souvent une distribution gaussienne de l’intensité. Le pic d’intensité se situe donc au centre du faisceau laser. En revanche, si l’énergie est transportée à travers une fibre de verre (comme dans le cas d’un laser Nd:YAG), on observe un schéma différent, appelé distribution d’intensité en chapeau.

Pour déterminer la distribution d’intensité d’un laser, il faut laisser le laser brûler sur un plexiglas pendant un court instant à faible puissance (par exemple 0,1 seconde à 100W). Cela ne traverse pas le matériau, mais fait un petit trou dans celui-ci. Là où l’énergie était plus élevée, vous avez évidemment frappé plus profondément. La distribution de l’intensité a une grande influence sur la qualité de la coupe.

Un laser CO2
Brûlage d’un laser CO2 dans du Perspex
rend visible sa distribution d’énergie

Qualité du faisceau

Chaque faisceau laser a un numéro de qualité M².

M²= π/4λ d0 θ0

d0 = plus petite indentation de la poutre

θ0 = la valeur asymptotique de l’angle de divergence

M² est généralement supérieur à 1 pour les différentes distributions d’intensité possibles. Pour une distribution gaussienne de l’intensité, M²=1. Une qualité de faisceau d’environ 1 est très favorable à la découpe laser. Cela signifie que le faisceau laser peut être focalisé sur un très petit point, ce qui permet des vitesses de coupe élevées et une faible largeur de coupe. Par conséquent, la chaleur fournie est également plus faible et donc les effets sur le matériau. La distance entre l’objectif/le miroir et le produit peut également être importante. Cela permet de sécuriser l’optique de la machine de découpe laser (éclaboussures) et d’augmenter l’accessibilité du produit.

Absorption de la radiation laser

La découpe au laser se fait par vaporisation/fusion du matériau. Par conséquent, plus l’énergie du laser pénètre dans le matériau, plus la chaleur est générée et plus la découpe est facile. Dans le cas des métaux, la conversion de l’énergie en chaleur se produit dans une couche superficielle très mince (environ 300 mm d’épaisseur).

Le pourcentage de l’énergie tombant sur la surface qui est absorbée est appelé coefficient d’absorption A [%]. L’énergie qui n’est pas absorbée est réfléchie. Le coefficient d’absorption d’un matériau dépend de ses propriétés optiques.

Coefficient d'absorption A [%] en fonction de la longueur d'onde de la radiation laser de l'aluminium (Al), de l'or (Ag), du cuivre (Cu), du verre et du fer (Fe)
Coefficient d’absorption A [%] en fonction de la longueur d’onde
longueur d’onde du rayonnement laser de l’aluminium (Al)
or (Ag), cuivre (Cu), verre et fer (Fe)
Plus l’énergie absorbée par un métal est importante, plus le coefficient d’absorption est élevé, bien sûr, et plus le matériau peut être travaillé facilement. Pour les métaux, ce coefficient augmente de manière significative lorsque la longueur d’onde de la lumière laser augmente. Le coefficient d’absorption du fer, par exemple, est inférieur à 20 % avec un laser CO2, mais il atteint presque 40 % avec un laser Nd:YAG.

En plus de l’absorption par la surface, l’énergie est également absorbée par les parois de la coupe. Cela peut augmenter encore plus l’absorption.

Aspects liés aux machines

Bien entendu, les composants et la technologie de votre machine déterminent aussi largement le résultat de la coupe.

Composants d'un système de découpe laser basé sur une machine à portique (CNC). Un système de découpe laser basé sur un robot industriel à 6 axes est constitué de composants similaires.
Composants d’une machine de découpe laser basée sur un portique
à partir d’une machine à portique (CNC). Une installation de découpe au laser
basé sur un système industriel à 6 axes
le robot est constitué de composants similaires

Transport de paquets au moyen de miroirs et de fibres de verre

Une fois que la source laser a produit un faisceau laser, celui-ci doit bien sûr être transporté vers le site de traitement via l’optique de focalisation. Avec un laser CO2, cela se fait par le biais de miroirs. Un miroir coulissant ou partiellement transmissif est utilisé pour guider le faisceau laser vers le site de traitement ou pour le diviser en plusieurs faisceaux laser afin qu’il puisse être utilisé à différents endroits.

Ces miroirs sont généralement en cuivre et équipés d’un système de refroidissement à base d’eau. Ils provoquent une perte de puissance. Cela peut représenter jusqu’à 4 % de la puissance totale du faisceau laser. La distance est également un facteur. Plus la distance est grande (par exemple, lors de la découpe de grandes plaques), plus le diamètre du faisceau devient important. Toutefois, ce problème peut être résolu par un prolongateur de faisceau (ou télescope).

Transport (et focalisation) du rayonnement laser au moyen de miroirs. Le système de guidage du faisceau est généralement complètement fermé de l'environnement (tubes). Cela empêche le faisceau de s'échapper. En outre, le blindage empêche les gaz et les particules de saleté de traverser la trajectoire du faisceau.
Transport (et focalisation) du faisceau de rayonnement laser
au moyen de miroirs. Le système de guidage du faisceau
est généralement complètement isolé de
environnement (tubes). Cela empêche le faisceau
de s’échapper. De plus, le blindage empêche
les gaz et les particules de saleté de traverser la trajectoire du faisceau.
la trajectoire du faisceau

Outre l’utilisation de miroirs, les lasers Nd:YAG utilisent également la fibre de verre. En raison des réflexions internes, la lumière laser reste piégée dans la fibre de verre. Ce transport affecte le diamètre du faisceau laser. Plus le diamètre du noyau de la fibre est petit, plus le foyer est petit. Un foyer plus petit augmente la vitesse de coupe. Cependant, avec un diamètre de noyau plus petit, une grande partie de la lumière laser est perdue lors du couplage.

Le rayonnement du Nd:YAG peut être transporté par une fibre de verre de la source laser à la tête de focalisation.
Le rayonnement du Nd:YAG peut être transporté à travers une fibre de verre.
de la source laser à la
tête de focalisation

Mise au point

Une densité de puissance élevée est nécessaire pour couper le métal. Le faisceau laser est donc focalisé au moyen de lentilles et de miroirs. Comparez-la à une loupe et à la lumière du soleil. Plus vous concentrez l’énergie sur un petit point, plus les effets sont importants.

Avec un laser CO2, les lentilles sont généralement en séléniure de zinc. Il y a une perte de puissance d’environ 1% par lentille. Cette perte augmente avec la durée de vie de la lentille (environ 3000 heures). Le ZnSe ne résiste pas à des puissances laser plus élevées, mais avec un refroidissement, ils peuvent être utilisés jusqu’à un maximum de 5kW. Pour les puissances supérieures, on utilise donc des miroirs.

Focalisation du faisceau laser à l'aide d'une lentille. Pour simplifier, le faisceau laser non focalisé est représenté comme un faisceau parallèle sans divergence.
La focalisation du faisceau laser au moyen d’un
lentille. Pour des raisons de simplicité, les
Le faisceau laser est représenté comme un faisceau parallèle
faisceau sans divergence

Les lasers Nd:YAG utilisent davantage les quarts de lentille avec une perte de puissance de 1% par lentille.

Diamètre du foyer

Un point laser a généralement un diamètre d’environ 0,1 à 0,2 mm. Plus ce diamètre de focalisation est petit, plus la densité de puissance de notre faisceau laser est élevée. Cela augmente la vitesse de coupe et réduit la largeur de coupe.

Un petit diamètre de focalisation peut être obtenu avec une source laser de haute qualité ou avec une lentille puissante à faible distance focale. Mais une distance focale plus petite limite également la distance de travail. L’optique doit être protégée des éclaboussures pendant la coupe. Pour une distance de travail sûre, il faut compter 5 à 20 cm.

Profondeur de champ

La profondeur de champ s est définie comme le double de la distance du foyer sur laquelle le diamètre du faisceau est plus grand que le diamètre df du foyer par un facteur de √2. Ainsi, à une distance s/2 du foyer, la densité d’énergie n’est que la moitié de celle du foyer.

Effet de la distance focale sur la profondeur de champ
Influence de la distance focale sur la profondeur de champ
profondeur de champ

Plus la profondeur de champ est grande, plus la coupe sera droite (plus anguleuse). De plus, autour du foyer, il n’y aura pas une grande augmentation du diamètre du faisceau, donc l’intensité ne diminuera pas beaucoup. Par conséquent, le positionnement de la pièce par rapport au foyer est beaucoup moins critique.

En optant pour une longue distance focale, vous pouvez obtenir une grande profondeur de champ, mais une plus grande distance focale augmente le diamètre du foyer.

Optique et/ou manipulation de pièces

La découpe au laser pouvant être effectuée à des vitesses relativement élevées et avec une grande précision, cela signifie que les manipulateurs doivent être très précis. Pour déplacer un point laser avec précision sur le matériau, il est préférable d’utiliser des manipulateurs de produits avec des options fixes.

Optique et manipulation de la pièce(a) Optique volante, dans laquelle l'optique (faisceau laser) est déplacée et le produit est fixe, généralement utilisée pour la découpe de produits lourds ou de grande taille(b) Optique fixe et produit mobile, généralement utilisée pour la découpe de produits légers/petits(c) Manipulateur hybride, dans lequel l'optique et le produit sont tous deux déplacés.
Optique et manipulation de la pièce
(a) Optique volante, dans laquelle l’optique (faisceau laser)
est déplacé et le produit est immobile.
Cette configuration est surtout utilisée pour
la découpe de produits lourds ou de grande taille
(b) Optique fixe et produit en mouvement.
Cette configuration est surtout utilisée pour
Cette configuration est généralement utilisée pour la découpe de produits légers/petits.
(c) Manipulateur hybride, dans lequel à la fois l’optique et le
l’optique et le produit sont déplacés

En fonction des produits à traiter, il est préférable de choisir un système 1D (tubes), un système 2D ou 2½D (matériaux en feuilles) ou un système 3D (produits tridimensionnels). Plus le système occupe d’axes, moins il est précis et plus il est coûteux.

Pour découper les produits 3D, on utilise des manipulateurs CNC et à portique relativement précis. Des robots sont également disponibles. Avec une fibre de verre, un robot est un outil de production très flexible.

Découpe de contours et programmation hors ligne

Une vitesse constante sur le produit est importante pour obtenir une qualité de coupe constante. L’accélération ou la décélération du spot laser entraîne des déviations du contour de coupe. Cela entraîne également un apport de chaleur excessif. Ce problème se pose surtout pour les contours aigus.

Pour augmenter la précision du manipulateur, il est important de réduire la vitesse de coupe au niveau des contours aigus. Dans le même temps, la puissance du laser est réduite ou commutée sur la découpe pulsée pour maintenir la même qualité de découpe.

Effet des variations de vitesse (dues au manipulateur) sur la qualité de la coupe (a). De meilleurs résultats de coupe (b) peuvent être obtenus en réduisant ou en pulsant la puissance du laser cw et en réduisant simultanément la vitesse de coupe.
Effet des variations de vitesse (dues au manipulateur) sur la coupe
sur la qualité de la coupe (a). De meilleurs résultats de coupe
(b) peut être réalisé en réduisant ou en pulsant la
en réduisant ou en pulsant la puissance du laser cw,
avec une réduction simultanée de la vitesse de coupe

Un déplacement rapide peut également être programmé pour éviter ce genre de problème de positionnement.

Introduction d'une boucle (traversée rapide) dans le contour de coupe pour augmenter la précision de la coupe et réduire l'apport excessif de chaleur, parfois appelé
Introduction d’une boucle (traversée rapide) dans le contour de coupe
pour augmenter la précision de la coupe et
et réduire l’apport excessif de chaleur.
Cette boucle est parfois appelée « oreille d’âne ».
appelé

Un apport de chaleur excessif peut se produire pour les produits dans lesquels de nombreux petits contours doivent être découpés de manière rapprochée. Ce phénomène peut être minimisé en programmant la séquence des différents contours de coupe de manière à ce qu’il y ait suffisamment de temps pour le refroidissement entre les coupes.

Il existe de nombreux logiciels de programmation qui en tiennent compte automatiquement. Toutefois, un fichier CAO du produit est nécessaire. Ils sont également capables de fournir des contours de rodage et des trous de départ. Les déplacements rapides et donc le temps de production peuvent également être optimisés.

Un logiciel de programmation hors ligne pour la découpe laser avec un robot
Un logiciel de programmation hors ligne
pour la découpe laser avec un robot

Principes de coupe

On distingue trois principes :

  • découpe par sublimation
  • fusion avec un gaz non réactif
  • fusion avec un gaz réactif

À des vitesses plus élevées, on utilise généralement un gaz.

Découpe par sublimation

Avec la découpe par sublimation, le matériau découpé passe immédiatement de la phase solide à la phase vapeur. Il est ensuite expulsé de la coupe à l’aide d’un gaz. Habituellement, l’azote est utilisé pour éviter l’oxydation.

Les principaux avantages de la découpe par sublimation sont une faible rugosité de l’arête de coupe (pratiquement aucune strie) et un faible effet sinusoïdal de la chaleur. Les inconvénients sont une vitesse de coupe inférieure à celle de la coupe par fusion et une densité d’énergie requise élevée.

La découpe par sublimation est donc principalement destinée aux applications pour lesquelles les exigences de qualité de l’arête de coupe sont très élevées ou pour la découpe de non-métaux, tels que le bois, le papier, la céramique et les plastiques. À cette fin, les lasers CO2 sont principalement utilisés.

Fusion et expulsion avec un gaz non réactif

Dans la fusion au laser, nous faisons fondre le matériau et l’expulsons avec un gaz non réactif (généralement de l’azote). En utilisant un gaz non réactif, nous pouvons garantir une coupe sans oxyde et, si la vitesse du gaz est suffisamment élevée, également une coupe sans bavure.

La découpe par fusion est plus rapide que la découpe par sublimation. La vitesse dépend du matériau, de l’épaisseur et de la puissance. La rugosité de l’arête de coupe est plus importante et la zone affectée par le transfert de chaleur est également plus grande.

Fusion et expulsion avec un gaz réactif

Lorsque l’on utilise un gaz réactif, on parle de découpe laser. Le laser chauffe le matériau à une température supérieure à sa température de combustion. Ensuite, une réaction exothermique se produit avec le gaz réactif (généralement de l’oxygène). Cela provoque une combustion.

Cela génère une énergie beaucoup plus élevée que le faisceau laser lui-même. La vitesse de coupe est donc deux à trois fois plus élevée que lors d’une coupe avec un gaz non réactif.

Les vapeurs produites sont emportées par le flux gazeux, mais une partie des produits d’oxydation reste sur le tranchant.

Influence des paramètres

Il existe plusieurs paramètres qui influencent le relais laser. Nous aborderons ci-dessous les plus importantes d’entre elles.

Puissance et vitesse de coupe du laser

La vitesse de coupe et la puissance du laser sont les principaux paramètres qui déterminent la découpe laser. Il y a une différence entre la découpe cw (une puissance laser constante) et la découpe pulsée.

Avec la découpe cw, beaucoup de chaleur se développe dans les arêtes de coupe à haute puissance, ce qui fait qu’une large zone est affectée par cette augmentation de chaleur. C’est moins le cas avec la coupe pulsée. Toutefois, cette zone reste beaucoup plus petite qu’avec les autres méthodes de découpe thermique.

Avec la découpe laser pulsée, on peut aussi travailler avec des impulsions régulières ou des super-impulsions. Lorsque des super impulsions sont utilisées, il se produit des pics de puissance qui sont supérieurs à la puissance cw maximale que la machine laser peut produire.

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L’avantage de la découpe laser pulsée est que le matériau est fondu, vaporisé et extrudé comme dans la découpe laser cw. Cependant, pendant le temps de sortie, il y a de la place pour se rafraîchir. Il en résulte une charge thermique plus faible. Cependant, les vitesses de coupe sont plus faibles.

Les super-impulsions présentent des avantages pour le perçage de trous de départ et la découpe de matériaux hautement réfléchissants. La haute intensité générée par les impulsions contribue à faire avancer ces processus.

Position focale

Un bon positionnement du faisceau laser est crucial pour réaliser une bonne coupe. Il s’agit du diamètre et de l’orientation par rapport à la surface à découper.

« alt= »La position du foyer zf est définie comme la distance entre le haut du produit et le foyer. Si le foyer est positionné sous la surface du produit, zf est positif (zf>0). Si le foyer est placé au-dessus de la surface du produit, zf est négatif (zf <0) » />.

Une mauvaise position de mise au point entraîne des arêtes de coupe rondes, une grande largeur de coupe, la formation de bavures et une faible vitesse de coupe. Souvent, les arêtes de coupe ne sont pas non plus parallèles. En particulier lorsque vous utilisez des objectifs à courte distance focale, la position de la mise au point est cruciale car la profondeur de champ est plus faible.

La position optimale de la mise au point dépend du type de matériau et de l’épaisseur de la pièce. Il garantit la plus petite largeur de coupe possible. De plus, pour la découpe à l’azote, la position optimale se situe au fond du matériau.

Le fournisseur de la machine fournit généralement des tableaux qui indiquent la position optimale du foyer pour différentes épaisseurs de matériau.

A gauche : position de mise au point sur la face inférieure de la plaque. À gauche : position de mise au point sur la face inférieure de la plaque, au milieu : position de mise au point au milieu de la plaque, à droite : position de mise au point sur la surface du produit.Plus la distance focale de l'objectif utilisé est petite, plus cet effet sera important.
Influence de la position du foyer sur la coupe
la coupe. La coupe a la forme de la
La coupe a la forme du faisceau laser convergent ou divergent.
A gauche : position de la mise au point sur la face inférieure de la plaque, au milieu
plaque, milieu : position de la mise au point au milieu de la
la plaque, à droite : position du foyer sur la surface du produit.
Plus la distance focale est petite
Plus la distance focale de l’objectif utilisé est petite, plus la valeur de l’objectif est élevée.
être plus grand

Gaz de coupe

La découpe au laser est généralement réalisée à l’aide d’un gaz de coupe qui est soufflé dans la coupe. Il chasse le métal fondu ou vaporisé hors de la coupe. Il génère de la chaleur etra et protège les optiques des éclaboussures. Il peut également être utilisé pour refroidir le matériau à côté de la coupe.

Type de gaz

Le choix du meilleur gaz de coupe dépend du type de matériau que vous souhaitez utiliser. L’oxygène fonctionne mieux avec l’acier, mais l’azote est généralement utilisé pour l’acier inoxydable. La vitesse de coupe est nettement inférieure avec l’azote, mais peut être augmentée avec une pression de gaz plus élevée.

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Contrairement à l’acier, où l’oxygène est courant, avec l’acier inoxydable et l’aluminium se forment des produits de réaction qui adhèrent à la face inférieure des coupes. Il en résulte des bavures qui sont parfois difficiles à éliminer.

La découpe des alliages de titane nécessite une approche différente. L’oxygène et l’azote provoquent tous deux une réaction très forte. Par conséquent, l’argon ou l’hélium sont utilisés comme gaz de coupe pour le titane. Cependant, ils sont nettement plus chers.

Pression et consommation de gaz

La meilleure pression de gaz dépend beaucoup du type de gaz, du diamètre de l’ouverture de la buse et de l’épaisseur et du type de matériau.

Plus l’épaisseur de la pièce est importante, plus la vitesse de coupe est faible. Ici, la pression du gaz peut être réduite. En revanche, pour les produits fins, il est nécessaire d’augmenter la pression du gaz. Après tout, la vitesse de coupe est beaucoup plus élevée.

Lors de la découpe avec un gaz non réactif (argon, azote, hélium), une pression élevée est nécessaire pour expulser le métal fondu.

La consommation de gaz dépend de la pression du gaz et du diamètre de l’ouverture de la buse et peut être considérable.

Buse de gaz

Vous ne le pensez peut-être pas tout de suite, mais la géométrie de l’ouverture de la buse, la distance par rapport au produit et la pression du gaz ont une grande influence sur la qualité et la vitesse de coupe. Ceci est principalement dû au petit diamètre qui est coupé. Elle est beaucoup plus petite que l’ouverture de la buse. Dans tous les cas, le gaz ne peut pas être contrôlé aussi bien que la lumière laser. Le gaz ne se retrouvera donc que partiellement dans la coupe.

Le diamètre de l’ouverture de la buse est souvent deux fois plus grand que la largeur de coupe. Plus le diamètre est petit, plus la consommation de gaz est faible, mais plus l’alignement est difficile et important. Une petite buse est également plus sensible aux changements de pression du gaz.

Un diamètre de buse plus grand est beaucoup plus délicat, mais très facile à aligner et moins sensible aux variations de la pression du gaz.

Alignement des buses de gaz

Lorsque la buse accuse un retard d’environ 0,5 mm sur le faisceau laser, il est possible de travailler avec une pression de gaz plus faible. Et cela se traduit, bien sûr, par une moindre consommation de gaz. Une pression de gaz plus faible, en revanche, assure une meilleure qualité de coupe et réduit les risques de bavures.

Distance entre les plaques de buse

La distance entre la buse et la plaque a également un impact. Il est préférable que la distance soit inférieure au diamètre de la buse elle-même. Si les distances sont plus grandes, des tourbillons turbulents seront créés au sein du gaz de coupe. Il s’agit d’un processus indésirable.

Les turbulences, certainement en combinaison avec une petite largeur de coupe, provoquent des fluctuations de pression. Et c’est quelque chose que vous remarquez sur votre surface de coupe. La qualité ne sera pas la même partout.

Un capteur de hauteur et un système de contrôle sont indispensables pour maintenir la position de votre buse constante.

Trou de départ

Pour commencer une coupe, un trou en étoile est percé au laser. Le faisceau laser ne se déplace pas par rapport au matériau tant qu’un trou n’a pas été réalisé. Ce trou de départ peut être réalisé soit sur le contour de coupe, soit à côté.

Vous pouvez percer un trou de départ avec la puissance du laser cw. Cela nécessite une puissance laser continue relativement élevée en combinaison avec une pression de gaz d’environ 4 bars. Souvent, la distance par rapport à la buse de gaz augmente également pendant le forage.

Il est également possible d’effectuer un forage pulsé avec un gaz non réactif à basse pression (1 bar). On obtient ainsi un trou de départ dont le diamètre n’est pas supérieur à la largeur de coupe souhaitée. De cette façon, vous pouvez également commencer par le contour de la coupe.

La méthode du laser cw est deux à trois fois plus rapide, mais présente une forte charge thermique sur le produit. En outre, le diamètre est beaucoup plus grand que la largeur de coupe. Vous ne pouvez donc pas commencer au niveau du contour de coupe. Cela implique également beaucoup d’éclaboussures, qui contaminent l’ouverture de votre buse.

Propriétés des matériaux

Les propriétés du matériau sont importantes dans tout traitement. L’aluminium, l’acier, le plastique, le papier et le bois peuvent tous être gravés au laser. Mais il y a une grande différence dans la manière. Ci-dessous, les propriétés du matériau qui sont importantes :

  • État de la surface du produit
  • coefficient d’absoption
  • la conductivité thermique et le coefficient de diffusion thermique (plus ils sont faibles, mieux c’est)
  • Température de fusion et chaleur de fusion (plus elle est basse, mieux c’est).
  • Température d’évaporation et chaleur d’évaporation (plus elle est faible, mieux c’est).
  • Viscosité de la matière liquide. (plus elle est élevée, plus il y a de risques de formation de bavures)

Le fournisseur de la machine fournit généralement des tableaux indiquant les réglages optimaux de la machine pour différents matériaux.

Autres composants d’un système de découpe laser

Tension

Le produit à découper doit être serré avec précision. Une machine de découpe laser a une profondeur de serrage et une focalisation réduites, de sorte que toute imprécision dans le serrage a des conséquences importantes. Elle est particulièrement critique lorsqu’un capteur de hauteur est utilisé.

Malgré l’apport de chaleur généralement faible, le produit peut être déformé thermiquement. Une séquence de coupe bien équilibrée et/ou un effort adéquat sur le produit sont donc importants.

Prenez en compte les aspects suivants.

  • Les contraintes internes du matériau peuvent entraîner une déformation.
  • Un serrage ponctuel ou des forces de serrage élevées peuvent entraîner une déformation locale autour du collier.
  • Lorsque la pièce se déplace, elle peut se déformer sous l’influence de l’inertie de la masse.
  • Une pression de gaz élevée peut entraîner une déformation
  • La tête optique et le faisceau laser doivent avoir une trajectoire claire le long des montages. Une collision peut causer des dommages.
  • Un support ponctuel minimise la réflexion du faisceau laser. Le jet de gaz a également une trajectoire libre. La qualité de la coupe s’en trouve améliorée.
  • Utilisez des matériaux de serrage résistant à la chaleur et dotés d’un revêtement anti-éclaboussures.
  • L’accès facile aux pinces d’effort est pratique pour l’élimination des scories et des éclaboussures.

Détecteurs

Pour maintenir une distance constante entre la buse et la plaque, un contrôle de la hauteur est utilisé. Cela permet également de maintenir la position de mise au point constante, ce qui est particulièrement important lorsque des objectifs à courte distance focale sont utilisés ou lors de la découpe de produits 3D.

Un contrôle de la hauteur assure une distance constante entre la buse et la plaque, malgré les variations de la géométrie du produit.
Un contrôle de hauteur assure une distance constante entre la buse et la plaque, malgré
la distance buse-plaque, malgré les variations de la géométrie du produit.

Le réglage de la hauteur peut se faire mécaniquement ou électroniquement.

La voie mécanique consiste en une roue (ou une boule). Celui-ci est fixé à la tête de coupe et roule sur la plaque. De cette façon, une distance et une position de mise au point constantes sont garanties. Il convient pour les matériaux en feuille, mais généralement pas pour les pièces en 3D. Le roulage peut également provoquer des rayures et des rainures.

Avec un contrôle électronique de la hauteur, la capacité électrique est mesurée entre la buse et le produit. Cela détermine la distance qui commande un manipulateur pour ajuster la position. Contrairement à la commande mécanique, elle est beaucoup plus souple d’utilisation, mais aussi plus coûteuse. Le contrôle électronique de la hauteur ne convient également qu’aux matériaux conducteurs d’électricité.

 

Nous espérons que cet article vous a permis de mieux comprendre la découpe des métaux avec des lasers de forte puissance. Si vous cherchez plus d’informations, n’hésitez pas à consulter le reste de notre base de connaissances ou à nous contacter. Nous sommes toujours prêts à vous aider.


Références et sources

Références
[1] Römer, G.R.B.E.; Hoogvermogen lasers voor het bewerken van metalen, VM121, Vereniging FMECWM, Zoetermeer, 2002, aangepast in 2009.
[2] R.F. de Graaf; Laser cutting of hybrid laminates. Proefschrift Universiteit Twente, 2002, ISBN 90-365-1703-6.
[3] VDI 2906: Richtlinie Blatt 8: Schnittflächenqualität beim Schneiden, Beschneiden und Lochen von Werkstücken aus Metall; Laserstrahlschneiden.
[4] DIN 2310: Teil 1: Thermisches Schneiden; Allgemeine Begriffe und Benennungen.
Teil 5: Thermisches Schneiden; Laserstrahlschneiden von metallischen Werkstoffen; Verfahrensgrundlagen, Güte, Maßtoleranzen.
[5] NEN-EN 10825: Veiligheid van laserproducten – Apparatuurclassificatie, eisen en gebruikershandleiding.
[6] NEN-EN 12626: Veiligheid van machines – Machines die gebruikmaken van lasers – Veiligheidseisen.
[7] NEN-EN 12254: Afschermingen voor werkplekken met lasers – Veiligheidseisen en beproeving.
[8] NEN-EN 12584: Onvolkomenheden bij brandsnijvlakken, lasersnijvlakken en plasmasnijvlakken.
[9] NEN-EN-ISO 9013: Thermisch snijden; Classificatie van thermische doorsnijdingen; Geometrische productspecificatie en kwaliteitstoleranties.
[10] NEN-EN-ISO 15616 (ontw.): Acceptance tests for CO2-laser beam machines for welding and cutting.
[11] VM 114: Scheidingstechnieken voor metalen. Vereniging FME-CWM, Zoetermeer, 1998.
[12] Tech-Info-blad TI.99.12; IOP Metalen nr. 2.5: Laser- en waterstraalsnijden van gelamineerde en beklede plaat. Vereniging FME-CWM, Zoetermeer, 2000.

Référence de la source

  • Trumpf Laser Nederland
  • Rofin-Baasel Benelux
  • Demar Laser
  • Ahrend
  • Hoek Loos
  • Leerstoel Toegepaste Lasertechnologie van de Universiteit Twente te Enschede.