Découpe laserapplication
Les lasers CO2 à flux axial rapide sont principalement utilisés pour la découpe laser des métaux, notamment grâce à la qualité de leur faisceau. Bien que la réflectivité de la plupart des métaux aux faisceaux laser CO2 soit relativement élevée, la réflectivité de la surface métallique à température ambiante augmente avec la température et le degré d'oxydation. Une fois la surface métallique endommagée, sa réflectivité se rapproche de 1. La découpe laser des métaux requiert donc une puissance moyenne plus élevée, condition que seuls les lasers CO2 de forte puissance remplissent.
1. Découpe laser des matériaux en acier
1.1 Découpe laser CO2 continue Les principaux paramètres de processus de la découpe laser CO2 continue comprennent la puissance du laser, le type et la pression du gaz auxiliaire, la vitesse de coupe, la position focale, la profondeur focale et la hauteur de la buse.
(1) Puissance du laser : La puissance du laser influe considérablement sur l’épaisseur de coupe, la vitesse de coupe et la largeur d’incision. Toutes choses égales par ailleurs, la vitesse de coupe diminue avec l’épaisseur de la plaque et augmente avec la puissance du laser. Autrement dit, plus la puissance du laser est élevée, plus la plaque à découper est épaisse, plus la vitesse de coupe est rapide et plus la largeur d’incision est importante.
(2) Type et pression du gaz auxiliaire. Lors de la découpe d'acier à faible teneur en carbone, le CO₂ est utilisé comme gaz auxiliaire afin d'exploiter la chaleur de la réaction de combustion fer-oxygène et d'accélérer le processus de coupe. La vitesse de coupe est élevée et la qualité d'incision est bonne, notamment grâce à l'absence de scories collantes. Lors de la découpe d'acier inoxydable, le CO₂ est également utilisé. Cependant, les scories ont tendance à adhérer à la partie inférieure de l'incision. On utilise alors fréquemment un mélange gazeux CO₂ + N₂ ou un flux de gaz à double couche. La pression du gaz auxiliaire a une influence significative sur la qualité de la coupe. Une augmentation appropriée de la pression du gaz permet d'accroître la vitesse de coupe tout en évitant l'accumulation de scories collantes, grâce à l'augmentation de la quantité de mouvement du flux gazeux et à une meilleure évacuation des scories. Néanmoins, une pression trop élevée engendre une surface de coupe rugueuse. L'influence de la pression d'oxygène sur la rugosité moyenne de la surface d'incision est illustrée dans la figure ci-dessous.
La pression exercée par le corps de l'appareil dépend également de l'épaisseur de la plaque. Lors de la découpe d'acier à faible teneur en carbone avec un laser CO2 de 1 kW, la relation entre la pression d'oxygène et l'épaisseur de la plaque est illustrée dans la figure ci-dessous.
(3) Vitesse de coupe. La vitesse de coupe influe considérablement sur la qualité de la coupe. Pour une puissance laser donnée, il existe des valeurs critiques supérieures et inférieures pour une vitesse de coupe optimale lors de la découpe d'acier à faible teneur en carbone. Si la vitesse de coupe dépasse ou est inférieure à la valeur critique, des adhérences de laitier se produisent. À faible vitesse de coupe, le temps d'action de la chaleur de la réaction d'oxydation sur l'arête de coupe est prolongé, la largeur de la coupe augmente et la surface de coupe devient rugueuse. Lorsque la vitesse de coupe augmente, l'incision se rétrécit progressivement jusqu'à ce que la largeur de la partie supérieure soit équivalente au diamètre du point d'impact. À ce stade, l'incision a une forme légèrement cunéiforme, large en haut et étroite en bas. Si la vitesse de coupe continue d'augmenter, la largeur de la partie supérieure de l'incision continue de diminuer, mais la partie inférieure s'élargit relativement et prend la forme d'un coin inversé.
(5) Profondeur de mise au point
La profondeur de champ influe sur la qualité de la surface de coupe et la vitesse de coupe. Pour la découpe de plaques d'acier relativement grandes, il convient d'utiliser un faisceau à grande profondeur de champ ; pour la découpe de plaques fines, il est préférable d'utiliser un faisceau à faible profondeur de champ.
(6) Hauteur de la buse
La hauteur de la buse correspond à la distance entre l'extrémité de la buse d'alimentation en gaz auxiliaire et la surface supérieure de la pièce à usiner. Une buse trop haute engendre des fluctuations importantes du débit d'air auxiliaire, ce qui affecte la qualité et la vitesse de découpe. C'est pourquoi, en découpe laser, la hauteur de la buse est généralement réduite au minimum, généralement entre 0,5 et 2,0 mm.
① Aspects laser
a. Augmenter la puissance du laser. Développer des lasers plus puissants est un moyen direct et efficace d'augmenter l'épaisseur de coupe.
b. Traitement par impulsions. Les lasers pulsés possèdent une puissance de crête très élevée et peuvent pénétrer des plaques d'acier épaisses. L'application d'une technologie de découpe laser pulsée à haute fréquence et à faible largeur d'impulsion permet de découper des plaques d'acier épaisses sans augmenter la puissance du laser, et la taille de l'incision est inférieure à celle obtenue par découpe laser continue.
c. Utiliser de nouveaux lasers
② Système optique
a. Système optique adaptatif. Contrairement à la découpe laser traditionnelle, il ne nécessite pas de positionner le foyer sous la surface de coupe. Lorsque la position du foyer fluctue de quelques millimètres verticalement dans l'épaisseur de la plaque d'acier, la distance focale du système optique adaptatif varie en fonction de ce déplacement. Ces variations verticales de la distance focale coïncident avec le mouvement relatif entre le laser et la pièce, entraînant ainsi un déplacement vertical du foyer en fonction de la profondeur de coupe. Ce procédé de découpe, où la position du foyer s'adapte aux conditions extérieures, permet d'obtenir des coupes de haute qualité. Son principal inconvénient réside dans la profondeur de coupe limitée, généralement à 30 mm maximum.
b. Technologie de découpe bifocale. Une lentille spéciale est utilisée pour focaliser le faisceau en deux points distincts. Comme illustré sur la figure 4.58, D représente le diamètre de la partie centrale de la lentille et Dp le diamètre de sa partie périphérique. Le rayon de courbure au centre de la lentille est supérieur à celui de sa périphérie, formant ainsi une double focalisation. Lors de la découpe, le foyer supérieur est situé sur la surface supérieure de la pièce, et le foyer inférieur près de sa surface inférieure. Cette technologie de découpe laser bifocale présente de nombreux avantages. Pour la découpe d'acier doux, elle permet de maintenir un faisceau laser de haute intensité sur la surface supérieure du métal, condition nécessaire à son amorçage, et un faisceau de haute intensité près de sa surface inférieure, garantissant ainsi des découpes nettes quelle que soit l'épaisseur du matériau. Cette technologie élargit la gamme des paramètres pour l'obtention de découpes de haute qualité. Par exemple, avec un laser CO2 de 3 kW… Avec un laser conventionnel, l'épaisseur de coupe ne peut atteindre que 15 à 20 mm, tandis qu'avec une technologie de coupe à double focalisation, elle peut atteindre 30 à 40 mm.
③Débit d'air de la buse et auxiliaire
La conception de la buse permet d'optimiser les caractéristiques du flux d'air. Le diamètre de la paroi interne de la buse supersonique se contracte puis s'élargit, générant ainsi un flux d'air supersonique à la sortie. La pression d'alimentation en air peut être très élevée sans générer d'ondes de choc. L'utilisation d'une buse supersonique pour la découpe laser offre une qualité de coupe optimale. La pression de coupe étant relativement stable sur la surface de la pièce, cette buse est particulièrement adaptée à la découpe laser de tôles d'acier épaisses.
Date de publication : 18 juillet 2024
