Laser YAG : Comment couper une plaque d'acier doux de 50 mm d'épaisseur avec un N

Nous présentons les résultats d'expériences explorant la faisabilité de l'utilisation d'un Nd couplé à une fibre :laser YAG Pour la découpe de tôles épaisses en acier doux (épaisseur > 15 mm). Les essais ont été réalisés avec un laser Nd:YAG à onde continue de 2,5 kW, dirigé vers la pièce à usiner via une fibre optique à cœur de silice de 0,6 mm de diamètre. Les échantillons d'acier doux utilisés dans l'étude avaient une épaisseur comprise entre 10 et 50 mm. Les effets de divers paramètres de fonctionnement, notamment la taille du foyer, la position de la buse de découpe par rapport à la surface de l'acier, la pression du gaz d'assistance, la puissance laser et la vitesse de découpe, sur la qualité des surfaces découpées ont été étudiés et analysés.

Les résultats préliminaires indiquent qu'il est possible de découper des plaques d'acier doux jusqu'à 50 mm d'épaisseur à des vitesses allant jusqu'à 200 mm/min avec une puissance laser Nd:YAG de seulement 500 W. Les surfaces découpées obtenues étaient lisses et exemptes de scories, ce qui suggère que la technologie laser Nd:YAG offre un potentiel important pour la découpe de plaques d'acier épaisses.

Introduction

Découpe laser dans l'industrie de transformation des matériaux

La découpe laser représente environ un quart de l'industrie de la transformation des matériaux par laser [1]. Au cours des 30 dernières années, depuis la première découpe laser assistée par gaz [2], la méthode fondamentale de découpe laser a peu évolué. Pour la découpe des aciers doux, le faisceau laser est généralement focalisé sur ou à proximité de la surface de la pièce et entouré d'un flux coaxial d'oxygène. Généralement, des puissances laser allant jusqu'à 3 kW sont utilisées pour découper des aciers doux d'épaisseurs comprises entre 12 et 15 mm, tandis que les plaques plus épaisses sont généralement découpées au plasma ou à l'oxycoupage. Bien que les lasers CO2 soient capables de découper des métaux jusqu'à 40 mm d'épaisseur, la qualité et la reproductibilité de la découpe diminuent considérablement avec l'épaisseur [3].

Défis liés à la découpe de matériaux plus épais

Une approche pour découper des plaques d'acier doux plus épaisses consiste à augmenter la puissance du laser. Si cette méthode offre de nombreux avantages, elle présente également des défis importants. À des puissances plus élevées (3,5 kW et plus), la qualité du faisceau peut devenir instable, réduisant la durée de vie des composants optiques, augmentant les coûts d'équipement et d'exploitation, et altérant la précision de découpe. Comme démontré dans [4], bien que l'épaisseur de la saignée reste approximativement constante pour une qualité de finition de surface donnée, la vitesse de découpe ne diminue pas proportionnellement à l'épaisseur du matériau, ce qui suggère une baisse de l'efficacité de découpe à mesure que l'épaisseur du matériau augmente.

Cette diminution de l'efficacité de coupe avec l'augmentation de l'épaisseur du matériau est attribuée à la diminution de la capacité du gaz d'assistance à cisailler le matériau en fusion. À mesure que l'épaisseur augmente, la pression du gaz d'assistance doit également augmenter pour éliminer efficacement le matériau en fusion. Cependant, avec l'oxygène comme gaz d'assistance, la réaction exothermique se produisant dans la saignée nécessite une réduction de la pression d'oxygène à mesure que l'épaisseur du matériau augmente afin d'éviter une combustion excessive et une réaction excessive. Par conséquent, la gestion de la pression d'oxygène devient cruciale pour éviter une combustion incontrôlée en dehors de la zone chauffée. Ceci crée une contradiction dans les exigences : si l'augmentation de la puissance laser peut prolonger les performances de coupe, elle ne suffit pas à surmonter les limites imposées par la nécessité de contrôler la pression d'oxygène. Cela constitue un obstacle à l'obtention d'épaisseurs de coupe plus importantes, malgré le potentiel d'une puissance laser plus élevée.

Méthodes alternatives pour couper l'acier épais

Pour surmonter les limites de l'augmentation de la puissance laser, de nombreuses techniques ont été développées pour maintenir ou améliorer les performances de coupe à mesure que l'épaisseur de l'acier doux augmente. Parmi ces méthodes, on peut citer : l'oxycoupage laser [5], les lentilles à double foyer [6], le sciage par faisceau avec optique adaptative [7], la découpe laser avec buse coaxiale (annulaire) [8], la découpe laser CO2 à double faisceau [9], les faisceaux laser rotatifs [13, 14] et l'oxycoupage assisté par laser (Lasox©) [10 – 12].

Découpe laser Nd:YAG oscillante et dominée par l'oxygène

Français Dans des travaux précédents, nous avons décrit la découpe de plaques d'acier doux plus épaisses à l'aide d'un faisceau laser Nd:YAG rotatif [14]. Dans cette étude, nous examinons l'utilisation d'un laser Nd:YAG délivré par fibre avec un faisceau oscillant (une technique similaire à la rotation du faisceau) et la méthode de découpe laser à dominante oxygène, similaire à la découpe Lasox [10, 11, 12]. Des essais de découpe laser Nd:YAG à dominante oxygène ont été menés d'abord avec de faibles pressions de gaz d'assistance à l'oxygène, puis avec des pressions d'oxygène élevées.

Cette nouvelle approche vise à relever les défis de la découpe d'acier doux épais en améliorant l'efficacité de l'enlèvement de matière tout en gérant les problèmes liés à la pression du gaz d'assistance et à la stabilité du faisceau.

2.2 Découpe des aciers à l'aide d'une approche dominée par l'oxygène assistée par laser

La méthode d'oxycoupage assisté par laser a été mise en œuvre sur des plaques d'acier doux AS3678 d'une épaisseur de 16 à 50 mm. Les pressions du gaz d'oxycoupage ont été maintenues soit à moins de 120 kPa (oxycoupage basse pression – LoPOx), soit à des pressions élevées (oxycoupage haute pression – HiPOx). Les résultats de coupe ont été enregistrés en fonction de la qualité de coupe (striures, forme de la saignée, excès de scories) et de la vitesse de coupe.

Résultats

3.1 oscillation du faisceau laser.

En faisant osciller le faisceau sur la pièce, l'épaisseur de coupe maximale a été augmentée de 12 mm, comme avec une coupe conventionnelle, à 16 mm. Un graphique de la vitesse de coupe maximale pour différentes épaisseurs et puissances laser, présenté à la figure 2, indique que, bien que l'épaisseur de coupe ait été améliorée avec le faisceau oscillant, la vitesse de coupe est similaire à celle de la coupe conventionnelle (CW). Cela indique que le processus de coupe dans la saignée reste inchangé pendant la coupe avec le faisceau oscillant. Des vitesses de coupe similaires ont également été obtenues avec le faisceau rotatif [14].

L'augmentation de l'épaisseur de coupe peut être attribuée à l'augmentation de la largeur de la saignée. Ceci est démontré par la variation de l'amplitude de l'oscillation, comme illustré à la figure 3. Ici, lorsque l'amplitude de l'oscillation est progressivement réduite d'une amplitude maximale de 0,45 mm à zéro, la largeur de la saignée diminue, ce qui correspond à une réduction de la capacité d'évacuation de la matière fondue. Cela démontre clairement la nécessité d'une largeur de saignée adéquate pour permettre l'évacuation des scories. Ce point de vue est également exprimé par d'autres [12], où il est suggéré que la dynamique des fluides et la thermodynamique sont toutes deux limitées par des saignées étroites.

3.2 Découpe des aciers à l'aide d'une approche dominée par l'oxygène assistée par laser

3.2.1 Coupage dominé par l'oxygène à basse pression – LoPOx

Le procédé de découpe LoPOx utilise le même faisceau laser de plus grand diamètre et le même jet d'oxygène étroit et imposant au sommet de la pièce que le procédé Lasox, mais avec des pressions de gaz auxiliaire inférieures à 120 kPa. Les surfaces découpées illustrées à la figure 4 avec le procédé LoPOx démontrent que les faibles puissances laser incidentes ne gênent pas la découpe laser, à condition que l'amorçage primaire et continu de la coupe puisse avoir lieu. En effet, à mesure que la vitesse de coupe augmente, la puissance laser incidente peut apporter une énergie excessive et donc provoquer une striation excessive. Ceci est démontré par l'observation d'une vitesse de coupe de 450 mm/min, où une meilleure surface a été générée par une puissance laser incidente de 533 W qu'à 1420 mm/min. 

W. Ici, la vitesse de réaction exothermique est déterminée par la vitesse de coupe. La puissance laser incidente est uniquement nécessaire pour chauffer la surface supérieure à plus de 1 000 °C [11] et initier le processus de fusion réactive. Une puissance laser incidente excessive réduit la qualité de la coupe. Cela démontre que ce sont les interactions oxygène-fer, et non la puissance laser incidente, qui déterminent désormais principalement la qualité de la coupe. Il s'agit donc d'un procédé de découpe laser à oxygène.

Sur la figure 4, lorsque la puissance diminue à chaque vitesse de coupe, le premier signe d'une puissance incidente minimale est le mauvais démarrage de la coupe, comme on peut le voir à l'extrémité droite. Cela démontre que les besoins en énergie au début de la coupe sont supérieurs à ceux du processus de coupe en cours. Le critère essentiel est la puissance nécessaire à l'établissement rapide d'une coupe stable, et non la puissance nécessaire au processus en cours.

Lors de la découpe LoPOx avec une buse coaxiale de plus petit diamètre pour une épaisseur de matériau identique, les vitesses de coupe sont identiques, mais avec une largeur de trait de scie plus étroite et, par conséquent, un débit d'oxygène réduit. Cependant, la qualité des coupes n'a pas pu être obtenue avec les puissances laser inférieures et le diamètre de buse plus grand utilisé dans la figure 4. Ceci malgré un point laser plus intense dû au passage à travers une buse de plus petit diamètre. Ceci démontre que l'exigence d'un trait de scie suffisamment large pour permettre l'élimination des scories s'applique également au procédé de découpe à dominante oxygène.

Les côtés de la coupe sont plus coniques que ceux rencontrés lors d'une découpe conventionnelle (principalement au laser). L'utilisation d'oxygène dans ce procédé de découpe influence la forme du jet d'oxygène imposant, le sommet de la coupe ayant la même largeur que la buse coaxiale utilisée.

Le jeu entre la buse et la pièce à usiner a été modifié, les résultats typiques de cette variation étant illustrés à la figure 5. Pour différents diamètres de buse, la qualité de coupe a été significativement réduite avec des jeux supérieurs à 25% du diamètre de la buse. L'augmentation du jeu buse-pièce a exposé une plus grande partie du flux de la buse aux gaz atmosphériques ambiants avant d'entrer dans la saignée [8]. La modification du jeu a été effectuée sans modification correspondante du diamètre du spot laser, avec des résultats similaires. Ceci démontre une fois de plus que les modifications apportées au gaz d'assistance, et non à l'intensité de la puissance laser incidente, étaient le facteur affectant la qualité de la découpe laser sur la plage testée. La figure 5 illustre également l'effet d'un jeu trop faible (0,1 mm), lorsque le faisceau convergent ne dépasse pas encore le diamètre du jet de gaz, empêchant ainsi le processus de découpe laser à base d'oxygène de fonctionner.

Une épaisseur de coupe maximale de 32 mm a été obtenue avec la découpe Nd:YAG LoPOx. Une découpe au-delà de cette épaisseur avec les diamètres de buse utilisés a entraîné la formation d'une quantité excessive de scories dans la saignée et une perte de perpendicularité de la coupe. Ceci démontre une fois de plus la relation entre la largeur de la saignée et l'épaisseur de coupe lorsque des pressions de coupe faibles (classiques) sont utilisées.

3.2.2 Découpe laser Nd:YAG à dominante oxygène haute pression – HiPOx

Grâce à des pressions d'alimentation nettement supérieures et à des buses de plus petit diamètre, il a été démontré que des aciers plus épais pouvaient être découpés que ceux obtenus précédemment avec le procédé LoPOx. La capacité de découpe s'est établie entre 32 et 50 mm d'épaisseur avec une plaque d'acier AS 3679. Les vitesses de découpe typiques en fonction de l'épaisseur du matériau et de la puissance laser sont présentées à la figure.

6. La figure montre une continuation des processus de coupe de la région basse pression utilisée pour les matériaux plus minces.

L'utilisation de pressions d'alimentation élevées complexifie l'écoulement du gaz et peut engendrer des chocs internes. L'interaction des structures de choc pendant la coupe se manifeste par des « arêtes » ou des marques plus petites sur la surface de coupe, ainsi que par des lignes perpendiculaires aux stries. De plus, le déplacement de ces arêtes avec le jeu buse-pièce résulte du renforcement ou de l'annulation des chocs internes du gaz d'assistance et du choc caractéristique apparaissant au début de la saignée en forme de « X » [15]. Des travaux [16, 17] indiquent également une interaction complexe et parfois oscillatoire des chocs avec les parois de la saignée. La nature oscillatoire de la coupe se manifeste par le « bourdonnement » régulier que l'on peut entendre dans certaines conditions de coupe.

L'utilisation d'une buse coaxiale de 1,5 mm de diamètre a montré une capacité de coupe satisfaisante pour les tôles de 32 et 40 mm. Les résultats de la découpe de tôles de 40 mm sont illustrés à la figure 7. L'espace buse-pièce a été considérablement augmenté grâce aux pressions élevées du gaz d'assistance, et la forme de la saignée était beaucoup moins conique que celle observée en LoPOx, grâce à un flux de gaz à grande vitesse moins divergent. Ces saignées sont visibles à la figure 8.

La découpe de profils par la technique LoPOx Nd:YAG délivrée par fibre est réalisable, comme le montrent les exemples de la figure 9. Dans ce cas, l'augmentation de la température à l'intérieur des angles entraîne une conicité accrue à ces endroits. Ceci est visible sur la coupe circulaire de la figure 9 (a) et sur la découpe des angles de la figure 9 (b). La meilleure façon de contrer la découpe des angles vifs est d'utiliser des vitesses de coupe réduites, comme illustré sur la figure.

La découpe à l'oxygène haute pression, utilisant un laser Nd:YAG comme celui utilisé avec le CO2 [12], se révèle également excellente en perçage, avec moins d'une seconde nécessaire pour percer une plaque AS3679 de 32 mm. L'élimination des scories éjectées vers le haut reste problématique, leur présence à la surface de la plaque sur le trajet de coupe nuisant à la qualité de la découpe.

Discussion

Les défis de la découpe de plaques d'acier épaisses

Malgré les avancées technologiques en matière de découpe laser et la possibilité de découper des matériaux plus épais, le processus de découpe reste globalement inchangé. Ceci est démontré par la réduction de la vitesse de découpe à mesure que l'épaisseur du matériau augmente, ainsi que par la constance des vitesses de découpe observées avec les méthodes conventionnelles, à faisceau tournant et à faisceau oscillant. Dans tous les cas, les principaux facteurs qui régissent la découpe de tôles d'acier épaisses par fusion réactive, tels que les pertes de chaleur par conduction et les limitations de l'écoulement en fusion dues à la viscosité et à la tension superficielle, continuent de poser des défis importants. Ces facteurs sont difficiles à surmonter, même avec le développement de nouvelles méthodes de découpe.

Le rôle de la largeur de trait de scie et de la consommation d'oxygène

Les largeurs de saignée variables produites par l'oscillation du faisceau laser, ainsi que celles générées par la découpe laser à dominante oxygène avec le laser Nd:YAG, soulignent la nécessité de saignées suffisamment larges à mesure que l'épaisseur du matériau augmente. Cependant, pour des épaisseurs de matériau modérées (~32 mm), il devient impossible d'augmenter la largeur de saignée au-delà de celle produite par la plus grande buse LoPOx en raison de la consommation d'oxygène prohibitive.

Dans ce contexte, l’utilisation de HiPOx (oxygène haute pression) offre une solution prometteuse. Le flux de gaz d'assistance à haute pression et à grande vitesse contribue à réduire le mélange de l'oxygène avec les gaz atmosphériques, libérant ainsi davantage d'oxygène pour le processus de fusion réactive. De plus, cette pression accrue génère des forces de cisaillement nettement plus importantes sur le matériau en fusion, facilitant ainsi son élimination du métal fondu hors de la saignée. Un autre avantage de la technique HiPOx est le grand espace libre entre la buse et la pièce à usiner qu'elle autorise, garantissant ainsi un fonctionnement fiable des buses haute pression, notamment pour la découpe de matériaux épais.

Besoins en puissance laser pour la découpe à l'oxygène

La découpe à l'oxygène repose principalement sur la puissance laser incidente pour initier et maintenir la découpe. Les résultats de cette étude indiquent que la puissance laser requise pour la découpe à l'oxygène est nettement inférieure à celle requise pour la découpe laser conventionnelle. Cependant, si la puissance requise pour maintenir une coupe stable est inférieure, des puissances laser plus élevées sont nécessaires initialement pour établir la découpe. Une fois la découpe initiée, la puissance laser peut être réduite à un niveau permettant de maintenir le processus de découpe. Ceci suggère qu'une augmentation de puissance au début de la découpe pourrait maximiser l'efficacité globale de la découpe, en n'utilisant une puissance plus élevée que lorsque cela est nécessaire pour l'amorçage.

Découpe de profil et dépouille d'angle

La découpe de profilés par laser Nd:YAG à dominante oxygène a été démontrée comme étant réalisable. Cependant, un problème fréquent est la sous-dépouille dans les angles intérieurs du profilé découpé. Ce problème peut être résolu en programmant soigneusement la vitesse de coupe à ces endroits précis afin d'éviter un enlèvement de matière excessif et de garantir des coupes nettes.

Gestion du perçage et des scories

Le perçage de plaques d'acier épaisses avec un laser Nd:YAG est également réalisable, mais l'éjection de scories fondues vers le haut pendant le perçage pose problème. Ces scories peuvent interférer avec l'alimentation en gaz d'assistance lors de la découpe ultérieure, ce qui nuit à la qualité de la coupe. Une solution à ce problème pourrait être l'introduction d'un jet d'air annulaire orienté vers l'extérieur, entourant la buse, ce qui permettrait de diriger les scories loin de la saignée. Une autre solution pourrait être la programmation d'un Commande d'attente CNC Une fois toutes les opérations de perçage terminées, prévoir le temps nécessaire pour éliminer les scories éjectées avant de poursuivre la découpe. Cela permet de maintenir un débit constant de gaz d'assistance et d'améliorer les performances globales de découpe.

Conclusion

La découpe laser à oxygène, associée à des largeurs de trait de scie plus importantes, s'avère une méthode viable pour la découpe de plaques épaisses en acier doux à l'aide d'un laser Nd:YAG à fibre optique de puissance modérée. Cette technique est efficace pour la découpe d'acier doux jusqu'à 32 mm d'épaisseur avec un apport de gaz basse pression. Pour des épaisseurs supérieures, un apport de gaz haute pression permet de découper jusqu'à 50 mm d'épaisseur, tout en permettant un perçage rapide du matériau. Cependant, l'obtention d'une qualité de coupe constante reste problématique, notamment en termes d'artefacts de choc et de contre-dépouille dans les angles, qui peuvent être résolus par une précision accrue. CNC programmation. De plus, le perçage réussi de plaques plus épaisses nécessite de gérer l'élimination des scories éjectées pour garantir que le flux de gaz d'assistance ne soit pas obstrué, maintenant ainsi une qualité de coupe élevée pendant le reste du processus de coupe.