Principes fondamentaux de la découpe laser et de son système de traitement —Équipement de découpe laser

II. Composition de l'équipement de découpe laser

2.1 Composants et principe de fonctionnement d'une machine de découpe laser

Une machine de découpe laser se compose d'un émetteur laser, d'une tête de découpe, d'un ensemble de transmission du faisceau, d'une table de travail de machine-outil, d'un système de commande numérique (CN), d'un ordinateur (matériel et logiciel), d'un refroidisseur, d'une bouteille de gaz de protection, d'un dépoussiéreur et d'un sécheur d'air.

Générateur laser

Le générateur laser est un dispositif qui produit des sources de lumière laser. Pour les applications de découpe laser, la plupart des machines utilisent des lasers à gaz CO₂ qui se caractérisent par un rendement de conversion électro-optique élevé et une puissance de sortie importante, à quelques exceptions près où l'on utilise des lasers à semi-conducteurs YAG. Tous les lasers ne conviennent pas à la découpe, car cette dernière impose des exigences strictes en matière de qualité du faisceau.
Tête de coupe

Il comprend principalement des composants tels qu'une buse, une lentille de focalisation et un système de suivi de la mise au point.

Le dispositif d'entraînement de la tête de coupe permet de déplacer cette dernière le long de l'axe Z selon des programmes prédéfinis. Il se compose d'un servomoteur et d'éléments de transmission tels que des vis sans fin ou des engrenages.

(1) Buse : Il existe trois principaux types de buses : de type parallèle, de type convergent et de type conique.

(2) Lentille de focalisation : Pour réaliser une découpe au laser, le faisceau initial doit être focalisé par une lentille afin de former un point lumineux à haute densité d’énergie. Les lentilles à focale moyenne et longue conviennent à la découpe de plaques épaisses et sont moins exigeantes quant à la stabilité du système de suivi. Les lentilles à courte focale sont uniquement adaptées à la découpe de plaques minces (moins de 3 mm) ; elles imposent des exigences strictes en matière de stabilité du système de suivi, mais permettent de réduire considérablement la puissance laser requise.

(3) Système de suivi : Le système de suivi de la mise au point d’une machine de découpe laser se compose généralement d’une tête de découpe focalisée et d’un système de capteurs de suivi. La tête de découpe intègre les fonctions de guidage et de focalisation du faisceau, de refroidissement par eau, de soufflage de gaz et de réglage mécanique.

Le capteur est composé d'éléments sensibles et d'une unité de contrôle d'amplification. Les systèmes de suivi varient considérablement selon le type d'éléments sensibles. Il en existe deux principaux : le système de suivi par capteur capacitif, également appelé système de suivi sans contact, et le système de suivi par capteur inductif, également appelé système de suivi par contact.
Ensemble de transmission de faisceau

Trajet optique externe : Des miroirs réfléchissants guident le faisceau laser dans la direction souhaitée. Afin d’éviter tout dysfonctionnement, ces miroirs sont protégés par des écrans et un gaz de protection pur sous pression positive les préserve de toute contamination. Une lentille haute performance permet de focaliser un faisceau non divergent en un point infiniment petit. Une lentille de 12,7 cm (5 pouces) de focale est couramment utilisée, tandis qu’une lentille de 19 cm (7,5 pouces) est réservée à la découpe de matériaux d’une épaisseur supérieure à 12 mm.
Table de travail de machine-outil

Corps principal de la machine : La partie machine-outil de la machinemachine de découpe laseril s'agit de la partie mécanique qui réalise le mouvement des axes X, Y et Z, y compris la plateforme de travail de découpe.
Système de commande numérique

Le système CN contrôle la machine-outil pour réaliser les mouvements des axes X, Y et Z et régule simultanément la puissance de sortie du laser.
Circuit de refroidissement

Groupe frigorifique : Il sert à refroidir le générateur laser. Un laser est un dispositif qui convertit l’énergie électrique en énergie lumineuse. Par exemple, le rendement de conversion d’un laser à CO₂ est généralement de 20 %, l’énergie restante étant convertie en chaleur. L’eau de refroidissement évacue l’excès de chaleur afin de maintenir le bon fonctionnement du générateur laser. Le groupe frigorifique refroidit également les miroirs du chemin optique externe et les lentilles de focalisation de la machine-outil, garantissant ainsi une transmission du faisceau stable et prévenant efficacement la déformation ou la fissuration des lentilles dues à la surchauffe.
Bouteilles de gaz

Les bouteilles de gaz comprennent des bouteilles de gaz de travail et des bouteilles de gaz auxiliaires pour la machine de découpe laser, qui sont utilisées pour compléter les gaz industriels nécessaires à l'oscillation du laser et pour alimenter en gaz auxiliaires la tête de découpe.
Système d'élimination de poussière

Il extrait la fumée et la poussière générées pendant le traitement et effectue un traitement de filtration pour garantir que les émissions de gaz d'échappement respectent les normes de protection de l'environnement.
Sécheur et filtre à air refroidissant

Il fournit de l'air propre et sec au générateur laser et au trajet du faisceau, assurant ainsi le fonctionnement normal du trajet du faisceau et des miroirs réfléchissants.

2.2 Chalumeau de découpe pour découpe laser

Le schéma structurel d'une torche de découpe laser est présenté ci-dessous. Elle se compose principalement d'un corps de torche, d'une lentille de focalisation, d'un miroir réfléchissant et d'une buse à gaz auxiliaire. Lors de la découpe laser, la torche doit répondre aux exigences suivantes :

① La torche peut éjecter un débit de gaz suffisant.

② La direction d'éjection du gaz à l'intérieur de la torche doit être coaxiale avec l'axe optique du miroir réfléchissant.

③ La distance focale de la lampe torche peut être facilement ajustée.

④ Pendant la découpe, les vapeurs métalliques et les projections de métal coupé ne doivent pas endommager le miroir réfléchissant.

Le mouvement de la torche de découpe est ajusté par un système de commande numérique. Trois scénarios sont possibles pour le mouvement relatif entre la torche de découpe et la pièce à usiner :

① La torche reste immobile tandis que la pièce à usiner se déplace via la table de travail — principalement adapté aux pièces à usiner de petite taille.

② La pièce reste immobile pendant que la torche se déplace.

③ La torche et la table de travail se déplacent simultanément.

2.2.1 Tête de coupe

La tête de découpe laser est située à l'extrémité du système de transmission du faisceau et se compose d'une lentille de focalisation et d'une buse de découpe.

Les lentilles de focalisation sont principalement classées selon leur distance focale. La plupart des équipements de découpe laser sont dotés de plusieurs têtes de découpe de distances focales différentes. Prenons l'exemple de la découpe laser CO₂ : les distances focales courantes sont de 127 mm (5 pouces) et 190 mm (7,5 pouces). Une lentille à courte focale produit un point focal réduit et une faible profondeur de champ, ce qui permet de diminuer la largeur de la saignée et d'obtenir des découpes plus fines. Une lentille à longue focale produit un point focal plus large et une plus grande profondeur de champ. Comparées aux lentilles à courte focale, les lentilles à longue focale peuvent fournir un faisceau focalisé avec une densité d'énergie laser suffisante pour le traitement des matériaux à proximité du point focal. Par conséquent, les lentilles à courte focale sont principalement utilisées pour la découpe de précision de plaques minces, tandis que les lentilles à longue focale sont nécessaires pour les matériaux plus épais afin d'obtenir une profondeur de champ adéquate, garantissant une variation minimale du diamètre du point focal et une densité de puissance suffisante dans la plage d'épaisseur de découpe.

Des lentilles de focalisation permettent de concentrer le faisceau laser parallèle incident sur la torche de découpe, réduisant ainsi la taille du spot et augmentant la densité de puissance. Ces lentilles sont fabriquées dans des matériaux transparents à la longueur d'onde du laser. Le verre optique est couramment utilisé pour les lasers à semi-conducteurs, tandis que des matériaux tels que le ZnSe, le GaAs et le Ge sont employés pour les lasers à CO₂ (le verre ordinaire étant opaque aux faisceaux laser CO₂), le ZnSe étant le plus répandu.

Pour la découpe laser, il est souhaitable de minimiser le diamètre du point focal afin d'accroître la densité de puissance et d'obtenir une découpe à grande vitesse. Cependant, une distance focale plus courte entraîne une profondeur de champ réduite, ce qui complique l'obtention d'une surface de coupe perpendiculaire lors de la découpe de plaques épaisses. De plus, une distance focale plus courte diminue la distance entre la lentille et la pièce, augmentant ainsi le risque de contamination de la lentille par des projections de métal en fusion pendant la découpe et pouvant perturber le bon fonctionnement. Par conséquent, la distance focale appropriée doit être déterminée de manière globale en fonction de facteurs tels que l'épaisseur de coupe et les exigences de qualité de coupe.

2.2.2 Miroir réfléchissant

Le rôle du miroir réfléchissant est de modifier la direction du faisceau émis par le laser. Pour les faisceaux issus de lasers à semi-conducteurs, on utilise des miroirs réfléchissants en verre optique. En revanche, dans les dispositifs de découpe laser CO₂, les miroirs réfléchissants sont généralement en cuivre ou en métaux à haute réflectivité. Afin d'éviter les dommages dus à la surchauffe causée par l'irradiation laser pendant le fonctionnement, les miroirs réfléchissants sont généralement refroidis à l'eau.

2.2.3 Buse

La buse sert à pulvériser un gaz auxiliaire dans la zone de coupe, et sa structure influe sur l'efficacité et la qualité de la coupe. La figure 4.11 présente les formes de buses courantes pour la découpe laser ; les orifices de ces buses peuvent être cylindriques, coniques ou convergents-divergents.

Le choix de la buse est généralement déterminé par des essais prenant en compte le matériau et l'épaisseur de la pièce, ainsi que la pression du gaz auxiliaire. La découpe laser utilise généralement des buses coaxiales (où le flux de gaz est coaxial à l'axe optique). Si le flux de gaz et le faisceau laser ne sont pas coaxiaux, des projections excessives risquent de se produire pendant la découpe. La paroi interne de l'orifice de la buse doit être lisse afin de garantir un flux de gaz sans obstruction et d'éviter les turbulences susceptibles d'affecter la qualité de la coupe. Pour assurer la stabilité de la découpe, la distance entre l'extrémité de la buse et la surface de la pièce doit être minimisée, généralement comprise entre 0,5 mm et 2,0 mm. Le diamètre de l'orifice de la buse doit permettre au faisceau laser de passer sans à-coups, en évitant tout contact avec la paroi interne de l'orifice. Plus le diamètre de l'orifice est petit, plus la collimatation du faisceau est difficile. Pour une pression de gaz auxiliaire donnée, il existe une plage optimale de diamètres d'orifice de buse. Un orifice trop petit ou trop grand entravera l'évacuation des produits fondus de la coupe et affectera la vitesse de découpe.

L'influence du diamètre de l'orifice de la buse sur la vitesse de coupe, à puissance laser et pression de gaz auxiliaire constantes, est illustrée par les figures 4.12 et 4.13. On constate l'existence d'un diamètre optimal d'orifice permettant d'atteindre la vitesse de coupe maximale. Cette valeur optimale est d'environ 1,5 mm, que le gaz auxiliaire soit de l'oxygène ou de l'argon.

Des essais de découpe laser d'alliages durs (difficiles à usiner) montrent que le diamètre optimal de l'orifice de la buse est très proche des résultats précédents, comme illustré sur la figure 4.14. Ce diamètre influe également sur la largeur de la saignée et celle de la zone affectée thermiquement (ZAT). Comme le montre la figure 4.15, l'augmentation du diamètre de l'orifice entraîne un accroissement de la largeur de la saignée et un rétrécissement de la ZAT. Ce rétrécissement est principalement dû à l'amélioration du refroidissement du matériau de base par le flux de gaz auxiliaire dans la zone de découpe.

2.3 Paramètres de l'équipement de découpe laser

2.3.1 Équipement de découpe à torche

Dans les équipements de découpe à torche, la torche est montée sur un portique mobile et se déplace horizontalement le long de la poutre du portique (axe Y). Le portique entraîne la torche selon l'axe X, tandis que la pièce à usiner est fixée sur la table de travail. La séparation du laser et de la torche de découpe a des répercussions sur les caractéristiques de transmission du laser, le parallélisme du faisceau et la stabilité des miroirs réfléchissants pendant la découpe.

Les équipements de découpe à torche permettent d'usiner des pièces de grandes dimensions. Ils occupent une surface au sol relativement réduite dans la zone de production et s'intègrent facilement à d'autres équipements pour former une ligne de production. Cependant, leur précision de positionnement n'est que de ±0,04 mm.

La structure typique d'un équipement de découpe à torche est illustrée à la figure 4.19. Une machine de découpe laser CO₂ à onde continue est utilisée, la distance entre le laser et la torche de découpe étant de 18 m. Afin de garantir que la variation du diamètre du faisceau sur cette distance de transmission n'interfère pas avec les opérations de découpe, la combinaison des miroirs oscillateurs doit être soigneusement conçue.

Les principaux paramètres techniques des équipements de découpe à torche sont les suivants :

Puissance de sortie du laser : 1,5 kW (monomode), 3 kW (multimode)
Course de la torche : axe X 6,2 m, axe Y 2,6 m
Vitesse de conduite : 0–10 m/min (réglable)
Course flottante de l'axe Z de la torche : 150 mm
Vitesse de réglage de l'axe Z de la torche : 300 mm/min
Dimensions maximales des plaques d'acier traitées : 12 mm × 2 400 mm × 6 000 mm
Système de commande : Mode de commande NC intégré

2.3.2 Équipement de découpe à table XY

Dans une machine de découpe à table XY, la torche de découpe est fixée sur le bâti et la pièce à usiner est placée sur la table. Cette dernière se déplace selon les axes X et Y, conformément aux commandes CN, à une vitesse réglable généralement comprise entre 0 et 1 m/min ou entre 0 et 5 m/min. La torche restant immobile par rapport à la pièce, l'impact sur l'alignement et le centrage du faisceau laser est minimisé pendant la découpe, garantissant ainsi une performance de découpe uniforme et stable. Équipée d'une table de découpe compacte de haute précision mécanique, la machine atteint une précision de positionnement de ±0,01 mm.excellente précision de coupeElle est donc particulièrement adaptée à la découpe de précision de petites pièces. De plus, des tables de découpe plus grandes, avec une course de 2 300 à 2 400 mm sur l’axe X et de 1 200 à 1 300 mm sur l’axe Y, sont disponibles pour l’usinage de pièces de grandes dimensions.

Les principaux paramètres techniques de l'équipement de découpe à table XY sont les suivants :

Source laser : laser à gaz CO₂ (type à tube droit semi-fermé)
Alimentation laser : tension d’entrée 200 V CA ; tension de sortie 0–30 kV ; courant de sortie maximal 100 mA
Puissance de sortie du laser : 550 W
Course de la table de découpe : axe X 2300 mm, axe Y 1300 mm
Vitesse d'entraînement de la table de découpe (réglable par paliers) : 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Course flottante de l'axe Z de la torche : 180 mm
Dimensions maximales de la plaque traitée : 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Système de commande : Mode de commande numérique (CN)

2.3.3 Équipement de découpe à double entraînement (chalumeau et table)

La machine de découpe à double entraînement (chalumeau et table) se situe, de par sa conception, entre les machines à torche et celles à table XY. Le chalumeau est monté sur un portique et se déplace horizontalement le long de celui-ci (axe Y), tandis que la table de découpe se déplace longitudinalement. Cette conception hybride allie une grande précision de découpe à un encombrement réduit. Avec une précision de positionnement de ±0,01 mm et une vitesse de découpe réglable de 0 à 20 m/min, elle figure parmi les machines de découpe les plus répandues sur le marché. Les modèles de plus grande taille offrent une course de 2 000 mm sur l'axe Y et de 6 000 mm sur l'axe X, permettant ainsi la découpe de pièces de grandes dimensions.

L'oscillateur laser est monté sur le portique à côté de la torche de découpe. Cette configuration garantit une précision exceptionnelle pour la découpe de trous circulaires. La machine affiche également une productivité élevée : elle peut découper 46 trous circulaires (10 mm de diamètre) par minute dans une plaque d'acier de 1 mm d'épaisseur.

2.3.4 Équipement de découpe intégré

Dans unmachine de découpe intégréeLa source laser est installée sur le bâti et se déplace longitudinalement avec celui-ci, tandis que la torche de découpe, intégrée à son mécanisme d'entraînement, se déplace horizontalement le long du bâti. La machine utilise une commande numérique pour découper des pièces de formes variées. Afin de compenser la variation de longueur du trajet optique due au mouvement horizontal de la torche de découpe, un module de réglage de la longueur du trajet optique est généralement installé. Ce module garantit un faisceau laser homogène dans la zone de découpe et assure une qualité de surface constante.

Date de publication : 17 décembre 2025

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