Processus de découpe laser - matériau en acier au carbone

I. Découpe de matériaux en acier au carbone

1.1 Types de perforations et principes de coupe

Phénomène :
Les types de perforation comprennent principalement le traitement par impulsions et le traitement par ondes continues (CW) (comme le montre la figure 3.1-1). Le processus de perforation commence par l'irradiation et le chauffage par le faisceau laser de la surface du matériau (1), puis s'enfonce progressivement dans le matériau (2)~(4) et termine enfin la perforation (5) de manière continue et ininterrompue.

• Conditions CW : lors de l'utilisation de conditions CW, le point focal doit être placé au-dessus de la surface du matériau (2 > 0) pour agrandir l'ouverture de traitement. Au fur et à mesure que la perforation s'approfondit, le point focal se déplace progressivement vers le bas jusqu'à ce que la perforation soit terminée.

• Conditions d'impulsion : lors de l'utilisation de conditions d'impulsion, cela aide à supprimer l'apport de chaleur, obtenant ainsi l'effet d'un traitement à petite ouverture.

 

 

[Principe]

1. Perforation dans des conditions d'impulsion
   Lorsque l'épaisseur du matériau en acier au carbone dépasse 9 mm, si la perforation est effectuée dans des conditions d'impulsion, le temps de traitement augmentera considérablement. Cependant, le diamètre du trou perforé ne sera que d'environ 0,4 mm, ce qui est plus étroit que le joint coupé, et la zone affectée par la chaleur sera également plus petite. La figure 3.1-2 montre la morphologie lorsque l'irradiation laser est arrêtée à mi-chemin de la perforation, ce qui permet de vérifier la progression de la perforation. La perforation par impulsion est obtenue par l'irradiation et l'arrêt répétés du laser, qui fait fondre (ou évapore) le matériau, évacue le matériau fondu et le refroidit, approfondissant ainsi progressivement la perforation. S'il existe un décalage temporel entre les processus de fusion et de décharge, cela peut entraîner des projections de métal fondu vers le haut ou un temps de perforation prolongé. Lorsque la fréquence est comprise entre 100 et 200 Hz, plus la puissance maximale de l'impulsion est élevée, meilleure est la qualité du trou perforé. Si une fréquence plus élevée est utilisée, seule la capacité de fusion augmente, tandis que l'efficacité de l'évacuation et du refroidissement du métal fondu diminue.

 

2. Perforation dans des conditions CW

Lors d'une perforation dans des conditions d'onde continue (CW), une grande quantité de métal fondu a tendance à éclabousser vers le haut. Si le métal en fusion ne peut pas être évacué par l'ouverture extrêmement petite située au-dessus, une combustion excessive peut se produire. L'inconvénient de la perforation CW est qu'une quantité importante de métal en fusion éclabousse la surface de la pièce, mais l'avantage est qu'elle peut réduire considérablement le temps de traitement. La figure 3.1-3 montre des photos de la surface et du dos du matériau SS400 d'une épaisseur de 12 mm après perforation en utilisant une sortie CW avec différents diamètres de buse. Le diamètre de la buse correspond à la plage d'oxygène pulvérisé sur la zone de perforation. Plus le diamètre de la buse est grand, plus le diamètre du trou perforé est grand.

3. Autres

Dans des conditions normales, les conditions de perforation sont ajustées tout en observant la progression de la perforation dans des conditions d'impulsion ou dans des conditions CW (ou dans les deux conditions). L'effet de perforation idéal se caractérise par une petite ouverture et un temps de traitement court.

 

1.2 Méthodes pour raccourcir le temps de perforation

Phénomène

Les méthodes pour raccourcir le temps de perforation varient en fonction du type de perforation.

1. Perforation de condition d'impulsion

Lors de l'utilisation de conditions pulsées pour la perforation, l'irradiation laser est pulsée. Un bon effet ne peut être obtenu que si la fusion et l'évaporation pendant l'irradiation laser correspondent bien au refroidissement pendant la pause. Si l’accent est uniquement mis sur l’amélioration de la fusion et de l’évaporation, cela peut facilement provoquer une surchauffe ; à l'inverse, si seul l'effet de refroidissement est accentué, le temps de perforation deviendra plus long.

2. Perforation en condition CW

La perforation CW a tendance à provoquer un phénomène de surcombustion. L'avantage de la perforation CW est qu'elle peut raccourcir le temps de perforation, mais à mesure que l'épaisseur de la plaque augmente, la plage de fusion continuera à s'étendre, affectant ainsi la qualité du traitement.

3. Ajustement des conditions en fonction de la progression de la perforation

Lors du traitement de perforation, lorsque la quantité d'irradiation laser est trop élevée ou trop faible, les conditions doivent être ajustées tout en observant la situation de traitement jusqu'à ce que les conditions optimales soient atteintes.

Causes et contre-mesures

1. Perforation en mode impulsion

Pour améliorer la capacité de fusion et la capacité de refroidissement, il est nécessaire d'irradier une grande quantité d'énergie en peu de temps et d'assurer un temps de refroidissement adéquat après l'irradiation. Comme le montrent les figures 3.2-1 et 3.2-2, l’effet de l’irradiation pulsée avec une forme d’onde d’impulsion rectangulaire à pic élevé est idéal. L'énergie nécessaire à la fusion est exprimée comme le produit de l'intensité $E$ et de la durée d'irradiation $T$. Par rapport aux impulsions d'ondes triangulaires, les impulsions d'ondes rectangulaires nécessitent la moitié du temps d'irradiation pour obtenir la même énergie, ce qui entraîne moins d'apport de chaleur dans la pièce, réduisant ainsi le risque de surchauffe. La figure 3.2-3 montre l'effet de la puissance maximale d'impulsion et de la puissance moyenne d'impulsion sur la perforation dans un matériau SS400 de 6 mm d'épaisseur, où une puissance maximale d'impulsion plus élevée entraîne un temps de perforation plus court.

 

 

 

2. Perforation en mode CW

Lorsque l'épaisseur de la plaque dépasse 12 mm, il est conseillé de sélectionner une buse de plus petit diamètre. Pour la découpe de tôles épaisses où la qualité de la surface de découpe est une priorité, des buses séparées doivent être choisies pour la perforation et la découpe.

3. Ajustement des conditions en fonction de la progression de la perforation

Lors du réglage des conditions, la luminosité de l'état fondu dans la partie perforée peut être observée à l'aide de capteurs. Si la plage de fusion a tendance à s'étendre, l'intensité du laser doit être réduite ; à l'inverse, si l'effet de fusion diminue, il convient d'augmenter l'intensité du laser. Cette approche vise à obtenir une perforation de petit diamètre et à grande vitesse.

 

1.3 Méthodes pour résoudre les défauts de perforation

Phénomène
Les principaux facteurs à l'origine des défauts de perforation comprennent le moment d'apparition, le lieu d'apparition, l'heure d'apparition et les facteurs intrinsèques du matériau. Reportez-vous au tableau 3.3-1 pour une analyse des facteurs clés.

Causes et contre-mesures

1. Moment d'apparition du défaut
   Il est essentiel de déterminer quand le défaut se produit, qu'il se produise à mi-chemin du processus de perforation ou juste après la perforation, au début de la découpe. Si le défaut apparaît à mi-chemin, vérifiez s'il se produit dès le début de la perforation ou pendant la transition vers d'autres conditions et ajustez en conséquence. Si le défaut survient juste avant la fin de la perforation, cela peut être dû au passage des conditions de perforation aux conditions de découpe avant que le trou ne soit complètement percé. Dans ce cas, le temps de perforation doit être prolongé. Si le défaut apparaît dès le début de la découpe, cela peut être dû à des débris accumulés autour de la zone de perforation, rendant la découpe instable. Dans de tels cas, les conditions d'impulsion doivent être définies au début de la coupe.

2. Localisation du défaut de traitement
   Si les défauts de perforation sont concentrés dans une zone spécifique de la plate-forme de traitement, cela peut être dû à un désalignement entre le laser et le centre de la buse, nécessitant un ajustement.
   Lorsque les positions de perforation sont denses ou situées à proximité de la ligne de coupe, la zone perforée peut facilement être à température élevée. La figure 3.3-1 montre les résultats du traitement à différentes températures lorsque la température du matériau est augmentée de la température ambiante à 200°C, en utilisant un matériau SS400 de 12 mm d'épaisseur. Les données montrent le taux de surcombustion basé sur 50 perforations à chaque température. On peut observer que les défauts de transformation augmentent avec l'augmentation des températures. Pour réduire les défauts de traitement, l'usinage doit être effectué autant que possible à l'état refroidi du matériau et le parcours de traitement doit être conçu de manière optimale.

 

 

3. Moment d'apparition du défaut

Si les défauts de traitement augmentent à mesure que le temps de traitement progresse, vérifiez si l'augmentation du temps de refroidissement peut rétablir un fonctionnement normal. Si c'est le cas, cela indique qu'un effet de lentille thermique s'est produit dans les composants optiques et qu'une maintenance des composants optiques est requise. Cependant, si l'augmentation du temps de refroidissement ne résout pas le problème, cela peut être dû à un dysfonctionnement de l'oscillateur, provoquant des fluctuations de la puissance de sortie. Dans de tels cas, contactez le service après-vente.

4. Matériau causant des défauts de traitement

Pour déterminer si le défaut provient du matériau, vérifiez d’abord si le matériau a déjà été utilisé. S'il a déjà été utilisé, il n'est pas nécessaire d'ajuster les conditions de traitement, car le défaut est probablement dû à un dysfonctionnement de la machine de traitement ou des composants optiques.

La figure 3.3-2 montre le temps nécessaire pour pénétrer dans un matériau SS400 de 16 mm d'épaisseur produit par divers fabricants lors de la perforation. Si la qualité du matériau change, confirmez le temps de perforation avant le traitement continu ou définissez un temps de traitement global légèrement plus long.

 

II. Méthodes pour résoudre la surchauffe pendant le processus de coupe

 

2.1 Méthodes pour remédier à la surcombustion fréquente lors du traitement de formes carrées de 12 mm d'épaisseur et de 25 mm

[Phénomène]

Lors de la coupe de matériaux en acier au carbone, si la forme à traiter présente des angles vifs, ceux-ci ont tendance à fondre ou à brûler excessivement. La vitesse de coupe diminue à mesure que l'épaisseur du matériau augmente et la chaleur générée lors de la coupe s'accumule dans le matériau, provoquant une augmentation de la température du matériau et entraînant une fusion ou une combustion excessive fréquente au niveau des angles vifs.

[Raison]

Comme le montre la figure 3.4-1, dans un bon processus de découpe, l'énergie thermique produite par le laser et l'énergie thermique générée par la combustion par oxydation sont efficacement dissipées dans le matériau en cours de traitement, qui est également efficacement refroidi. Si le refroidissement est insuffisant, une surchauffe se produit. Les coins pointus ont un volume plus petit et une zone de dissipation thermique plus étroite, de sorte que la température augmente facilement, conduisant à une combustion excessive. De plus, lors du perçage, le laser absorbé par la paroi interne du trou provoque une forte augmentation de la température dans un très petit espace, ce qui conduit également facilement à une combustion excessive.

 

[Solution]

(1) Lors du traitement de plusieurs formes de petite taille, la chaleur continuera à s'accumuler à mesure que le processus progresse, ce qui rend plus susceptible de se produire une combustion excessive au cours de la dernière partie du traitement. La solution, comme le montre la figure 3.4-2, consiste à répartir les chemins de traitement autant que possible pour éviter un mouvement continu dans une direction. Cela permet à la chaleur de se dissiper plus efficacement. Les chemins de traitement doivent être optimisés en fonction de la forme réelle à traiter.

(2) Comme le montre la figure 3.4-3, si la surcombustion est concentrée au niveau des angles vifs, elle peut être efficacement évitée en remplaçant les angles vifs par de petits rayons (R) dans la forme de traitement. Plus le rayon R est grand, plus la prévention est efficace. À mesure que l’épaisseur du matériau augmente, le rayon R doit également être augmenté en conséquence.

 

(3) Les angles vifs ont tendance à fondre à mesure que la température augmente pendant le traitement, car la zone de traitement est déjà à haute température lorsque le faisceau laser le traverse (comme le montre la figure 3.4-4). Si la vitesse d'avancement du faisceau laser est plus rapide que le taux de conduction thermique, le processus de découpe peut être terminé avant que le matériau ne surchauffe, empêchant ainsi sa fusion.

 

Dans des conditions typiques, le taux de conduction thermique provoquant la fusion est d’environ 2 m/min. Si la vitesse de coupe est supérieure à 2 m/min, la fusion ne se produit généralement pas. C’est également la raison pour laquelle les angles vifs des matériaux en acier au carbone d’une épaisseur inférieure à 6 mm fondent moins. Pour les matériaux en acier au carbone d'une épaisseur supérieure à 9 mm, pour obtenir le même effet, il faut utiliser des conditions de traitement avec une puissance de sortie supérieure à 4 kW, ce qui nécessite un oscillateur de puissance de sortie élevé.

(4) Si des gaz auxiliaires tels que l'azote ou l'air sont utilisés, les réactions de combustion par oxydation ne se produiront pas et donc la fusion ou la combustion excessive ne se produiront généralement pas.

2.2 Identification des causes de surcombustion dans les plaques de 16 mm d'épaisseur : causes des pièces à usiner

[Phénomène]

Pour identifier les causes de combustion excessive due à une chaleur incontrôlée, les phénomènes de traitement doivent être décomposés par étapes afin de trouver les raisons sous-jacentes à chaque étape.

Le déroulement du processus de découpe laser est illustré à la figure 3.5-1 :

1. Le laser est dirigé vers la surface du matériau.
2. Le laser est absorbé, provoquant une fusion.
3. La partie fondue brûle grâce au support de combustion du gaz auxiliaire.
4. La combustion s'étend davantage dans le sens de l'épaisseur du matériau.
5. Le métal en fusion est expulsé du joint coupé.

Ces processus se répètent continuellement jusqu'à ce que l'objectif de coupe soit atteint.

 

 

Les causes de combustion excessive peuvent être attribuées à des problèmes liés à la machine de traitement ou à la pièce à usiner. Spécifiquement:

• Les causes liées à la machine se manifestent aux étapes ① et ③.
• Les causes liées à la pièce se manifestent aux étapes ②, ④ et ⑤.

[Causes et contre-mesures]

1. Causes liées à l’absorption du laser

   L'instabilité du processus de découpe laser ② peut entraîner une combustion excessive. Si la couche d'oxydation de surface du matériau (calcaire) est mal adhérée ou inégale, l'absorption du matériau par le laser sera incohérente, ce qui entraînera une génération de chaleur instable. La figure 3.5-2 montre une comparaison des surfaces de découpe lorsque le laser est appliqué sur le haut et le bas du même matériau. Cela démontre que l’état de la couche d’oxydation superficielle du matériau affecte la qualité de la surface de coupe. Lors de la mise en place du matériau, vérifiez soigneusement l'état de la surface et positionnez le côté avec la meilleure couche d'oxydation vers le haut.

 Pour les matériaux dont les surfaces supérieure et inférieure ne peuvent pas être arbitrairement définies, une méthode de découpe secondaire peut être utilisée. Cela implique d’abord d’utiliser l’énergie laser pour égaliser la surface inégale du matériau avant de procéder à la découpe principale. Plus précisément, vous :

1. Traitement de surface initial : Réduisez la densité d'énergie du laser au niveau requis pour faire fondre la surface du matériau. Faites fondre la surface le long du chemin de coupe, en vous assurant que la largeur fondue est légèrement plus large que le joint coupé.

2. Coupe principale : passez aux conditions de coupe standard pour terminer le processus de coupe.

La figure 3.5-3 compare les échantillons coupés selon la méthode de coupe unique et la méthode de coupe secondaire. Il montre que la qualité de la surface de coupe obtenue avec la méthode de coupe secondaire est essentiellement équivalente à celle des matériaux ayant une surface bien entretenue.

 

2. Causes liées à la combustion dans le sens de l'épaisseur ou à l'éjection de métal en fusion

Cette cause conduit à une instabilité dans les processus de découpe laser ④ et ⑤. Les variations dans la composition interne du matériau peuvent affecter la chaleur de la réaction de combustion ou l’état d’écoulement du métal en fusion. Les matériaux fabriqués par des fournisseurs japonais nationaux présentent généralement peu de différences en termes de performances de transformation. Cependant, les matériaux provenant de fournisseurs étrangers peuvent présenter des variations significatives dans leurs performances de traitement. La figure 3.5-4 montre une comparaison de la coupe d'acier au carbone de 16 mm d'épaisseur dans les mêmes conditions de puissance de sortie et de vitesse de coupe. Si vous utilisez des matériaux provenant de fournisseurs étrangers avec une teneur plus élevée en Si ou en Mn, une attention particulière doit être portée à la position de mise au point et aux réglages de pression du gaz auxiliaire lors de la configuration.

 

2.3 Identification des causes de surcombustion dans les plaques de 16 mm d'épaisseur : causes liées à la machine

[Causes et contre-mesures]

1. Problèmes de gaz auxiliaires (Figure 3.6-1)

   (1) Débit d'oxygène irrégulier : Si l'oxygène n'est pas uniformément dirigé autour du métal en fusion, l'efficacité de la combustion et le débit du métal en fusion seront inégaux, conduisant à une combustion excessive en raison des différentes directions de coupe. Des problèmes tels que le désalignement du faisceau laser, les déformations des buses ou l'accumulation de scories peuvent perturber le flux de gaz auxiliaire. L'état de la buse doit être vérifié en premier.

   (2) Faible pureté du gaz : Si toutes les surfaces de coupe sont de mauvaise qualité, cela peut être dû à une faible pureté du gaz dans le réservoir d'oxygène, ce qui entraîne des parties inférieures rugueuses et scories de la surface de coupe. À mesure que l’épaisseur du matériau augmente, l’impact de la pureté du gaz auxiliaire sur la qualité du traitement devient plus important. Lors du diagnostic de ce problème, utilisez un réservoir d’essence dont l’exactitude a été préalablement confirmée.

 

2. Problèmes de laser (Figure 3.6-2)

(1) Problèmes de direction lors de la découpe : Si des incohérences directionnelles sont observées lors de la découpe, cela est probablement dû à des problèmes de rondeur du faisceau laser ou de distribution d'intensité. L'intensité du laser affecte directement sa capacité à faire fondre le métal. S'il y a des problèmes avec la rondeur du faisceau ou la distribution de l'intensité, l'efficacité de la combustion variera en fonction des changements de direction de coupe, conduisant à une combustion excessive. Dans ce cas, la forme du mode du faisceau doit être vérifiée.

(2) Mauvaise qualité globale de la surface de coupe : cela peut être attribué à une mise au point inadéquate de l'objectif. La température dans les zones qui doivent être fondues doit être aussi élevée que possible, tandis que la température dans les zones qui ne fondent pas doit être aussi basse que possible. Les variations d'énergie à ces limites de température peuvent provoquer une combustion excessive. Une mise au point inadéquate peut être causée par des anomalies au niveau de la lentille ou des miroirs PR, ou par des problèmes liés au chemin optique ou aux miroirs réfléchissants.

 

 

3. Autres causes (Figure 3.6-3)

(1) Diminution de la qualité au fil du temps : Si la qualité de la coupe se détériore à mesure que le processus progresse, cela peut être dû à une accumulation de chaleur dans le matériau, provoquant une augmentation de la température du matériau et entraînant une combustion excessive. Dans de tels cas, la trajectoire de coupe doit être définie sur un itinéraire dispersé pour éviter une concentration excessive de chaleur.

(2) Détérioration de la qualité au cours des étapes ultérieures des longs trajets de découpe : si la qualité commence à se détériorer dans la seconde moitié d'un trajet de découpe plus long, cela peut être dû à des contaminants présents sur la lentille ou aux miroirs PR absorbant le laser et provoquant des effets de lentille thermique. Nettoyez l'objectif ou les miroirs PR et autres composants optiques. Si le nettoyage ne résout pas le problème, les composants optiques devront peut-être être remplacés.

(3) Défauts dans des zones spécifiques de la plate-forme de coupe : Si des défauts surviennent dans une zone spécifique de la plate-forme de coupe, la cause peut être un désalignement du chemin optique. Ce désalignement peut entraîner une déviation du centre de la buse par rapport au centre du laser à mesure que la position de coupe se déplace, entraînant une combustion excessive. Dans ce cas, ajustez l’alignement du chemin optique.

 

 

 [Causes]

Comme le montre la figure 3.8-2, le perçage consiste à diriger un laser sur la surface du matériau et à retirer progressivement le métal en fusion pour créer un trou. Si la puissance de sortie est trop élevée pour accélérer le processus de fusion, le petit trou créé lors du perçage risque de ne pas pouvoir expulser le métal en fusion assez rapidement, provoquant ainsi une accumulation de chaleur dans le matériau. De plus, comme illustré sur la figure 3.8-3, lorsque le diamètre du trou est compris entre 0,3 et 0,5 mm, les parois du trou sont très absorbantes pour le laser. Cela entraîne des températures très élevées autour du petit trou, et avec des plaques plus épaisses, la profondeur d'absorption du laser dans les parois internes du trou augmente, provoquant des températures encore plus élevées autour du trou.

 

Lors du perçage de trous d'un diamètre de 0,3 à 0,5 mm, la largeur du joint coupé est généralement de 0,5 à 0,8 mm. Le démarrage immédiat du processus de découpe après le perçage peut entraîner une augmentation du volume de métal en fusion. Dans ce cas, le petit trou peut ne pas être en mesure d’accueillir le métal fondu en expansion rapide, ce qui entraîne un phénomène d’éjection inverse.

 

 

 

3. Mode faisceau et méthodes de traitement pour couper l’acier au carbone

3.1 Mode de faisceau approprié pour couper des plaques d'acier au carbone épaisses

Phénomène :  Pour la découpe à grande vitesse de plaques minces, un mode de faisceau focalisé avec une capacité de fusion élevée est plus approprié. En règle générale, des faisceaux monomodes (TEM) focalisés via des lentilles à courte focale sont utilisés dans la découpe laser. Cependant, dans la découpe de tôles épaisses, la simple augmentation de la capacité de fusion ne suffit pas pour expulser efficacement le métal en fusion de la saignée, et la marge pour obtenir des conditions de découpe de haute qualité est assez étroite. La figure 3.10-1 compare la marge pour les conditions de traitement lors de la découpe d'acier au carbone de 12 mm d'épaisseur à l'aide de poutres monomodes (TEM) et multimodes (TEM). Cela montre que la marge des conditions de traitement est plus large lors de l’utilisation de faisceaux multimodes.

 

  Raison:

Lors de la découpe de tôles épaisses en acier au carbone, le mode de poutre joue un rôle décisif dans la détermination de la forme de la saignée. La figure 3.10-2 montre les deux principaux facteurs liés au mode faisceau

  

 

1. Limiter la plage de fusion et de combustion

La clé pour découper des plaques épaisses est de garantir que la zone qui doit être fondue par irradiation laser atteint une température élevée, tandis que la zone qui n'a pas besoin d'être fondue reste aussi froide que possible. Surtout au point de départ de la coupe, le phénomène de fusion à la surface de la pièce est directement affecté par le mode du faisceau. Au point d'irradiation laser, la fusion commence à partir du centre, là où l'intensité laser est la plus élevée, et se propage vers l'extérieur, s'arrêtant là où la densité d'énergie du mode faisceau est faible. Plus l'angle d'inclinaison $heta$ de la distribution de l'intensité énergétique dans la section inclinée du mode poutre est grand, moins la chaleur sera transférée à la zone entourant la saignée. À l’inverse, si l’angle d’inclinaison $heta$ est petit, il sera difficile pour la fusion dans la saignée de s’arrêter là où elle doit le faire, ce qui entraînera une expansion de la plage de combustion, entraînant une chaleur incontrôlée et une combustion excessive. Si la température à la limite de la largeur de la saignée est trop élevée, la combustion sera difficile à arrêter à la limite de la largeur de la saignée car elle se propage du centre de la saignée vers l'extérieur, entraînant éventuellement une combustion excessive. Comparé à un mode monofaisceau, un mode multifaisceau présente une pente plus raide dans la section inclinée, ce qui impose moins de charge sur la lentille, ce qui la rend plus adaptée à la découpe de plaques épaisses.

2. Réflexions multiples dans le trait de scie

Lorsque le laser irradie la pièce, celle-ci subit de multiples réflexions dans la saignée, facilitant ainsi le processus de découpe. La distance focale de la lentille affecte l'angle auquel le laser irradie la pièce et l'état des réflexions multiples. Plus la distance focale de l'objectif est longue, plus la variation de la largeur de saignée de haut en bas est faible, ce qui est avantageux pour couper des plaques épaisses. Cependant, plus la distance focale de l'objectif est longue, plus l'inclinaison de la pente en mode faisceau est faible, ce qui nécessite de sélectionner la distance focale en conjonction avec le mode faisceau.

3.2 Choix de la buse la plus adaptée pour couper des plaques d'acier au carbone épaisses

Phénomène :
La découpe de tôles épaisses en acier au carbone repose principalement sur une réaction d'oxydation, ce qui rend la gestion de la pureté de l'oxygène auxiliaire extrêmement importante. Cela a déjà été discuté plus tôt. La pureté de l'oxygène diminue non seulement au début du processus de coupe, mais continue également de diminuer pendant le processus de coupe, entraînant une baisse de la qualité de coupe et une réduction de la vitesse de coupe, ce qui nécessite une amélioration.

Raison :
Comme le montre la figure 3.11-1, le gaz auxiliaire est pulvérisé depuis le dessus de la pièce à usiner. Lorsque le flux d’air entre en collision avec la surface du matériau, des turbulences se produisent. Lorsque le flux d'air pénètre dans la saignée, la combustion dans le sens de l'épaisseur de la plaque et le mélange d'air dans la saignée entraîneront une diminution de la pureté du gaz du centre de la saignée vers le bas. Cet effet est particulièrement prononcé à mesure que l’épaisseur de la plaque augmente ou que la vitesse de coupe augmente. La partie inférieure du front de coupe sera en retard dans la direction de coupe et la baisse de la pureté du gaz affectera grandement le traitement.

  

 

 Solution :
Si une buse standard à trou unique est utilisée, le diamètre de la buse peut être augmenté pour améliorer l'effet de protection contre l'oxygène sur la zone de traitement. Cependant, cette approche présente des inconvénients, tels que le rétrécissement de la plage contrôlable et réglable du débit d'air et de la pression du gaz, ce qui facilite l'infiltration des scories et la saleté de la lentille.

La figure 3.11-2 montre l'utilisation d'une buse à double structure. L’utilisation d’une double buse permet non seulement à l’oxygène de protéger la zone de coupe, mais contribue également à maintenir la pureté de l’oxygène dans le sens de l’épaisseur de la plaque. L'oxygène émis par la buse externe assiste le gaz comburant éjecté par la buse centrale. Cependant, le réglage des caractéristiques du débit d'air se fait principalement via la buse centrale.

 

Les rôles de la double buse sont les suivants : L'oxygène émis par la buse centrale fait pénétrer la combustion plus profondément depuis la surface du matériau vers le bas, la pureté du gaz diminuant au cours du processus de combustion. La buse extérieure complète alors le gaz là où la pureté a diminué. De plus, à mesure que la coupe progresse, l'oxygène auxiliaire émis par la buse externe aide à empêcher les gaz externes de s'infiltrer dans la saignée.

Plus le matériau est épais, plus la réaction d’oxydation dans la partie inférieure de la plaque sera en retard. Lorsque la partie inférieure du front de coupe tombe en retard par rapport à la direction de traitement, elle sort de la portée du jet d'oxygène. De même, lorsque la vitesse de coupe augmente, la partie inférieure du front de coupe sera également en retard par rapport à la direction de traitement, s'éloignant ainsi de la portée du jet d'oxygène. Pour remédier à ce phénomène de retard dans la partie inférieure du front de coupe, une double buse peut utiliser efficacement l'oxygène émis par la double buse pour empêcher l'air de s'infiltrer dans la zone de traitement.

3.3 Méthodes pour éviter les dommages dus à la fusion à la fin de la découpe de tôles épaisses

Phénomène :
Lors de la découpe de tôles épaisses en acier au carbone, il est courant que des dommages dus à la fusion se produisent à la fin du processus de découpe. Dans des processus tels que le filetage de trous, en fonction des exigences de qualité, il peut être nécessaire de réparer les zones fondues. Cela est particulièrement vrai dans les cas où le matériau est épais et le diamètre du trou est petit, où l'ampleur des dommages dus à la fusion peut être importante.

Raison :
Comme le montre la figure 3.12-1, la conduction thermique sur le site de traitement est plus rapide que la vitesse de découpe, ce qui fait que la chaleur agit avant le laser. Lorsque le traitement s'approche de la section d'extrémité, la chaleur perd son espace de conduction, laissant la partie d'extrémité dans un état à haute température. Si l'oxygène continue à être fourni à ce stade, cela peut provoquer une combustion excessive, entraînant des dommages dus à la fonte.

 

 

Solution:

Les méthodes permettant d'éviter les dommages dus à la fusion à la fin de la découpe de plaques épaisses comprennent :
(1) Arrêter le traitement avant que les dommages dus à la fusion ne se produisent ;
(2) Réduire l’apport de chaleur ;
(3) Supprimer la réaction d'oxydation ;
(4) Processus avant que la température n'augmente ;
(5) Rémunération.

(1) Arrêtez le traitement avant que des dommages dus à la fusion ne se produisent → Ajouter des micro-joints
Arrêtez le processus de découpe juste avant la fin, en laissant une petite partie non coupée (micro-joints). La quantité de micro-joints doit être déterminée en fonction de facteurs tels que (i) l'épaisseur du matériau, (ii) la forme de la coupe, (iii) le type de matériau et (iv) la largeur de la saignée (position de mise au point, distance focale de l'objectif).

(2) Réduire l'apport de chaleur → Passer aux conditions d'impulsion avec un apport de chaleur plus faible.
Commutez les conditions au niveau de la pièce sujette aux dommages causés par la fusion en conditions d'impulsion avec un apport de chaleur plus faible. Le réglage de paramètres tels que (i) basse fréquence, (ii) faible cycle de service, (iii) faible vitesse et (iv) faible pression de gaz pour les conditions d'impulsion peut supprimer efficacement l'apport de chaleur.

(3) Supprimer la réaction d'oxydation → Utiliser de l'air ou de l'azote.
Bien que la chaleur de la réaction d'oxydation provenant de l'oxygène puisse améliorer les performances de coupe, elle peut également provoquer une accumulation excessive de chaleur à l'extrémité. Le passage du gaz de traitement à l'extrémité à l'air ou à l'azote, même si cela peut provoquer des défauts de scories, peut supprimer efficacement la génération de chaleur de réaction d'oxydation.

(4) Processus avant que la température n'augmente → Augmenter la vitesse de traitement
S'il est possible d'augmenter la vitesse de coupe en ajustant la puissance de sortie, la vitesse de coupe doit être réglée à un niveau plus rapide que la vitesse de conduction thermique. En particulier, la vitesse de coupe doit être réglée au-dessus de 2 m/min.

(5) Compensation → Ajouter un programme de renflement
Dans le programme, ajoutez un renflement de la même quantité que la partie fondue. La partie renflée fondra pendant le traitement, ce qui permettra d'obtenir un équilibre dans le traitement et d'éviter les dommages dus à la fusion.

 

3.4 Raisons et solutions à la difficulté de couper des matériaux rouillés

Phénomène :
lors de la coupe de plaques d'acier au carbone épaisses, même les matériaux qui peuvent généralement être bien coupés peuvent produire des surfaces de coupe rugueuses ou subir une combustion excessive s'il y a de la rouille sur la surface. La figure 3.13-1 montre les résultats de coupe pour un matériau SS400 de 12 mm qui est (a) rouillé et (b) exempt de rouille.

 

 

  

Comme le montre la figure 3.13-3, une autre méthode consiste à utiliser une meule diamantée pour éliminer à la fois la rouille et la couche d'oxyde de la surface du matériau, puis à procéder au traitement une fois le métal de base exposé. Cependant, la conductivité thermique du métal de base (Fe) est supérieure à celle de la couche d'oxyde. Cela signifie que même de légères perturbations dans le laser ou le gaz auxiliaire peuvent augmenter le risque de combustion excessive, et une fois qu'une combustion excessive se produit, sa portée peut être étendue. La couche d'oxyde joue un rôle important dans la découpe laser.

  

3.5 Conditions de traitement pour rendre les marquages ​​laser sur l'acier au carbone plus rugueux

Phénomène :
Pour certains composants tels que ceux utilisés dans les navires et les ponts, qui doivent être recouverts d'une épaisse couche de zinc après traitement laser, les marquages ​​laser ordinaires ne dépassent que d'environ 0,1 à 0,2 mm. Après revêtement, ces marquages ​​peuvent disparaître, nécessitant que les marquages ​​laser soient plus prononcés.

Raison :
Les marquages ​​laser ordinaires sont effectués à l'aide de lasers auxiliaires à azote et de faible puissance avec le point focal placé sur la surface du matériau, complétant le marquage en faisant fondre la couche superficielle du matériau. Dans cet état, augmenter la puissance ou diminuer la vitesse de traitement agrandira la zone fondue sur la surface, mais cela rendra également la surface de la zone fondue rugueuse. Augmenter le point focal pour augmenter le diamètre du faisceau sur la surface irradiée entraînera une répartition inégale de l'énergie du faisceau, rendant le traitement instable.

Solution :
Pour rendre les marquages ​​à la fois grossiers et profonds, comme le montre la figure 3.14-1, utilisez l'effet de combustion de l'oxygène pour élargir la plage de combustion et de fusion au niveau de la zone irradiée par le laser. Simultanément, utilisez des conditions de gaz auxiliaire à haute pression pour souffler rapidement le métal en fusion.

 Lors de l'utilisation d'oxygène auxiliaire à haute pression pour faire fondre et brûler le matériau de traitement, le phénomène de fusion s'étend généralement vers l'intérieur dans la direction de l'épaisseur de la plaque, entraînant finalement une découpe. À ce stade, il devient crucial de contrôler la capacité de traitement de l’oxygène auxiliaire pour obtenir uniquement la profondeur de marquage souhaitée. Cela nécessite de contrôler la largeur et la profondeur de la fusion, ce qui signifie que les conditions des buses doivent être optimisées.

La figure 3.14-2 montre les marquages ​​réalisés sur de l'acier au carbone de 6 mm d'épaisseur dans des conditions de puissance de sortie de 250 W et de vitesse de traitement de 1 000 mm/min. Les buses utilisées avaient un diamètre de 2 mm et 1 mm. Lors de l'utilisation de la buse de 2 mm, le traitement s'est transformé en découpe ; alors qu'avec la buse de 1 mm, cela devenait une gravure profonde. Une buse de plus petit diamètre favorise l'expansion latérale du marquage et supprime sa profondeur verticale.

 L'intrusion d'une quantité modérée d'air pendant le traitement contribue également à supprimer la réaction de combustion. Étant donné que le gaz auxiliaire utilisé est l’oxygène, le métal fondu sera oxydé au cours du processus. De plus, avec l'injection de gaz auxiliaire à haute pression, la surface de la pièce deviendra une pulvérisation de petites particules (comme le montre la figure 3.14-3). Cependant, étant donné que le point focal est placé plus haut et que la buse est positionnée plus loin de l'emplacement de traitement, le métal éclaboussé n'adhèrera pas à la buse.

 

3.6 Performances de traitement de la coupe en angle

Phénomène :
Généralement, la découpe laser implique que le laser irradie la surface du matériau perpendiculairement. Si la pièce à usiner est inclinée par rapport à l'axe du laser ou si le laser est dirigé selon un angle vers la surface du matériau, la surface de coupe devient extrêmement instable. Lors de l'oxycoupage de tôles d'acier au carbone, la surface de coupe subira une combustion excessive à l'angle aigu ; tandis que, lors de la coupe non oxydante de matériaux comme l'acier inoxydable, la coupe en angle peut provoquer des scories au dos de la pièce.

Raison :
La figure 3.15-1(a) montre la saignée sur la surface et le bas d'une plaque SS400 de 12 mm d'épaisseur lorsque la tête de coupe est inclinée. Lorsque le laser est irradié selon un angle, la densité d'énergie sur la surface de la pièce devient inégale par rapport à la direction de coupe. Si le gaz auxiliaire éjecté de la buse est également incliné par rapport à la surface de la pièce, le flux d'air entrant dans la saignée devient turbulent, affectant la qualité du traitement.

Du point de vue des éléments de la pièce à usiner, les arêtes de coupe auront des extrémités pointues (côté A) et émoussées (côté B). L'extrémité pointue (côté A) accumulera un excès de chaleur, ce qui la rendra sujette à une combustion excessive.

Solution :
Comme le montre la figure 3.15-1(a), pour un matériau de 12 mm d'épaisseur, une bonne qualité de coupe est obtenue lorsque l'angle d'inclinaison ne dépasse pas 10°. La figure 3.15-1(b) montre la relation entre l'angle d'inclinaison de la tête de coupe et la vitesse de coupe maximale pour différentes épaisseurs de plaques SS400. Plus l’angle d’inclinaison est grand, plus la vitesse de coupe doit être faible.

 

La surcombustion se produit en raison d’une combustion excessive, et la mesure efficace fondamentale pour y remédier est de supprimer la chaleur de réaction d’oxydation. Pour les matériaux de plus petite épaisseur, la combustion excessive peut être évitée en utilisant de l'air ou de l'azote comme gaz auxiliaire, car cela contribue à supprimer les réactions d'oxydation. Cependant, il existe une tendance à une augmentation des scories au dos de la pièce à usiner.

Lors de la réalisation d'une coupe en angle sur une pièce, la direction de la coupe a également un impact significatif sur la qualité du traitement. Lorsque la direction de coupe est limitée aux directions ascendante et descendante, la direction ascendante est plus sujette à une combustion excessive que la direction descendante.

Pour les matériaux réfléchissants comme les alliages d’aluminium, la découpe en angle est plus difficile. À mesure que la zone d'irradiation du faisceau laser sur la surface du matériau augmente, la densité d'énergie diminue, ce qui rend plus susceptible de provoquer des réflexions. Lors de la découpe laser tridimensionnelle, le laser doit toujours être dirigé perpendiculairement. Si une coupe en angle est nécessaire, des mesures telles que l'application d'absorbeurs de faisceau doivent être prises pour éviter les réflexions.

3.7 Considérations relatives à la découpe de tôles à motifs

Phénomène :
Les tôles à motifs sont généralement fabriquées en acier au carbone, en acier inoxydable ou en alliage d'aluminium. Lors de la découpe d'une tôle à motifs avec le motif en relief tourné vers le haut, les tôles d'acier au carbone sont plus sujettes à fondre. La figure 3.16-1 illustre la relation entre la direction de découpe laser et l'apparition de la fusion. La partie arrière surélevée du sens de coupe est plus susceptible de fondre.

 

Cause :
Lorsque la vitesse de conduction thermique dépasse la vitesse de coupe, la chaleur s'accumule dans les coins surélevés. La relation entre la surface du matériau et la buse ou la lentille de traitement change au niveau des zones surélevées, provoquant des écarts dans la pression du gaz auxiliaire ou dans les conditions de position focale.

Solution :
Pour obtenir une découpe de haute qualité de tôles d'acier à motifs, les méthodes suivantes peuvent être appliquées :

1. Réduisez l'impact des zones surélevées :
   lors du placement de la plaque, positionnez la surface surélevée comme surface arrière de traitement (surface inférieure) et la surface plane comme surface d'irradiation laser. Cela minimise les changements de pression du gaz auxiliaire ou de position focale sur la surface de traitement. Lors de la définition des conditions de traitement, la hauteur des zones surélevées doit être prise en compte et les conditions de coupe doivent être définies pour une épaisseur de plaque maximale de 7 mm. Si la pièce à usiner est une grande plaque, l’effort nécessaire pour la retourner peut être important, mais cela reste une méthode efficace pour réduire la fusion.

2. Supprimer la concentration de chaleur sur les zones surélevées :
   Si la coupe doit être effectuée avec la surface surélevée comme surface de traitement (surface supérieure), réglez la vitesse de coupe pour qu'elle soit supérieure à la vitesse de conduction thermique (par exemple, F = 2 m/min). La position focale doit être définie au sommet de la zone surélevée et la largeur de la surface de saignée doit être aussi petite que possible. Ce sont des facteurs clés pour une bonne qualité de transformation. La quantité de gaz auxiliaire injectée affecte également le degré de fusion. Une buse de plus petit diamètre doit être sélectionnée pour minimiser la consommation de gaz auxiliaire.

   De plus, dans de tels scénarios de découpe, le maintien d'une certaine distance entre la buse et la surface de la pièce peut rendre très difficile le contourage avec un capteur capacitif. Dans ce cas, le contourage doit être effectué à l’aide d’un capteur de contact et le contourage doit être limité au-dessus des zones surélevées.

3.8 Amélioration de la rugosité de surface des coupes de tôles épaisses

Phénomène :
Lors de la découpe de tôles épaisses en acier au carbone, la rugosité de la surface de coupe au point d'incision initial affecte directement la rugosité de la surface de coupe du milieu à la partie inférieure de la tôle. Si la rugosité de la première incision est bonne, la rugosité de la surface de coupe étendue sera également bonne ; si la rugosité de la première incision est mauvaise, la rugosité des parties médiane et inférieure de la surface de coupe sera également mauvaise.

Raison :
Comme le montre la figure 3.17-1, la rugosité de la surface de coupe au niveau de la première incision est déterminée par l'irradiation laser, la plage de combustion qui s'étend à partir du point de contact A du bord avant de coupe et le degré de fusion. Le métal en fusion produit au sommet s'écoulera vers le bas tout en provoquant une réaction de combustion, conduisant à une coupe plus profonde. Le phénomène de fusion laser progresse au fur et à mesure que le laser avance sur la surface de la pièce (découpe) : (a) La combustion démarre au point A et se propage ;
(b) La vitesse de combustion V précède la vitesse d'avancement du laser ;
(c) La combustion s'arrête au point de température inférieur B ;
(d) Le laser atteint le point d'arrêt B.
Ce processus se répète jusqu'à ce que l'objectif de découpe soit atteint. Pour améliorer la rugosité de surface de la coupe, la combustion qui démarre et se propage à l'étape (a) doit être empêchée de se développer.

 

 

De plus, une diminution de la pureté de l'oxygène auxiliaire peut conduire à une aggravation des réactions de combustion par oxydation ou à une fluidité réduite du matériau fondu. Pour trouver des solutions à ce problème, reportez-vous à d’autres sections.

Solution :
Pour minimiser la propagation de la combustion autour du faisceau laser lors de l'incision initiale, l'irradiation laser doit être intermittente pour permettre une fusion et une combustion intermittentes. Cependant, pour les opérations de coupe continues, l'irradiation intermittente doit être répétée à des intervalles très courts.

La figure 3.17-2 compare l'apparence et la rugosité de surface des coupes sur un matériau SS400 de 12 mm d'épaisseur avec des réglages laser dans des conditions d'impulsion haute fréquence (HPW) de 1 300 Hz par rapport à des conditions d'onde continue (CW). On peut observer qu'avec le traitement HPW, les parties supérieure et médiane de la surface de coupe obtiennent une bonne rugosité de surface.

 

 

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