Processus de découpe laser - Matériau en acier inoxydable (résolution des défauts de bavure)
Méthodes pour résoudre les défauts de bavure dans la coupe de l'acier inoxydable
1.1 Caractéristiques de la découpe sans oxygène de l'acier inoxydable
Phénomène
Dans le découpage de l'acier inoxydable, l'oxygène, l'azote ou l'air sont généralement utilisés comme gaz d'assistance. Le choix du gaz dépend de l'application de traitement spécifique. Parmi ces gaz, l’oxygène a le taux de consommation le plus faible, tandis que l’azote et l’air en consomment relativement plus. En ce qui concerne la vitesse de coupe, l’air ou l’azote accélèrent la coupe, tandis que l’oxygène ralentit le processus. Le degré d'oxydation sur la surface de coupe augmente dans l'ordre de l'azote, de l'air et de l'oxygène, la charge d'élimination de la couche d'oxyde augmentant en conséquence.
Principe
(1) Vitesse de découpe
La figure 4.1-1 illustre la relation entre l'épaisseur de la plaque et la vitesse de découpe lors de la découpe d'un matériau SUS304 avec un laser de puissance de 3 kW. Lorsque l'épaisseur est inférieure à 3 mm, l'utilisation d'oxygène pour la découpe permet à la réaction d'oxydation d'atteindre des vitesses plus élevées. Cependant, lorsque l'épaisseur dépasse 3 mm, la fluidité du métal fondu est meilleure lors de la découpe à l'azote, ce qui entraîne une découpe sans oxygène plus rapide. La découpe à l'air peut atteindre une vitesse de coupe similaire à celle de l'azote, mais la rugosité de la surface et la fixation des scories dégradent considérablement la qualité du traitement par rapport à la découpe à l'azote.
(2) Traitement de surface du tranchant
La dureté de la couche superficielle du tranchant varie considérablement selon que de l'oxygène ou de l'azote est utilisé pour la coupe (comme le montre la figure 4.1-2). La surface de coupe oxydée a une dureté environ deux fois supérieure à celle du matériau de base, tandis que la surface de coupe sans oxygène a une dureté inférieure et une surface plus lisse, ce qui rend les processus de meulage et de polissage ultérieurs relativement plus faciles. La surface de coupe traitée à l'oxygène a tendance à développer une couche d'oxyde tenace, ce qui alourdit les étapes de traitement ultérieures.
(3) Résistance à la corrosion du tranchant
La figure 4.1-3 montre les résultats d'un test de résistance à la corrosion au brouillard salin sur un matériau SUS304 découpé au laser à l'aide de différents types de gaz d'assistance. Les tranchants traités à l'oxygène et à l'air présentaient des signes de rouille, tandis que les tranchants sans oxygène traités à l'azote ne rouillaient pas. Le type de gaz d’assistance utilisé lors de la coupe a un impact significatif sur la résistance à la corrosion du tranchant.
(4) Qualité de soudage du tranchant
Lors du soudage du tranchant après la découpe au laser, si le bord a été oxydé, des pores peuvent se former dans le cordon de soudure, entraînant une réduction de la résistance du soudage. Cependant, si le tranchant n’est pas oxydé, une soudure de haute qualité peut être obtenue.
1.2 Méthodes pour remédier aux défauts causés par les bavures en forme de moustaches dans la coupe de l'acier inoxydable
Phénomène :
Lors du processus de perçage de l'acier inoxydable, dès que le faisceau laser touche le métal, le métal commence à fondre. Comme le montre la figure 4.2-1, le matériau fondu est expulsé sur la surface du matériau, éclaboussant autour du petit trou et formant des bavures en forme de moustaches. Ces bavures peuvent provoquer des rayures sur la surface de coupe et peuvent également interférer avec l'action de profilage du capteur capacitif.
Cause
Lorsque l'oxygène est utilisé comme gaz d'assistance, le métal fondu s'oxyde pendant le processus de perçage, empêchant ainsi la formation de protubérances en forme de moustaches et réduisant son adhérence à la surface de l'acier inoxydable. Cependant, lorsque l'azote est utilisé comme gaz d'assistance, le métal fondu ne s'oxyde pas, ce qui entraîne une viscosité plus faible. Cela permet au métal fondu de s'étirer sous la forme de moustaches et d'adhérer fortement à la surface du matériau, entraînant une accumulation autour des petits trous.
Solutions
Pour éviter les éclaboussures et l'adhérence du métal en fusion, les méthodes suivantes peuvent être utilisées : (a) réduire la quantité générée ; (b) empêcher l'adhésion ; (c) éliminer l'adhérence après qu'elle se soit produite (comme indiqué sur la figure 4.2-2).
(1) Réduire la quantité de métal en fusion
① Ajuster les conditions de perçage : augmenter la fréquence tout en réduisant la puissance de sortie des impulsions individuelles peut réduire efficacement la quantité de métal fondu produit. La figure 4.2-3 montre les résultats du traitement à des fréquences de 200 Hz et 1 500 Hz. Il est important de noter que l’utilisation de ces conditions de traitement augmentera également l’apport de chaleur, les rendant impropres à la découpe de plaques épaisses.
② Utilisation de gaz d'assistance ou de soufflage latéral pour disperser le métal en fusion
Souffler le métal en fusion éjecté du trou de perçage à l'aide d'un gaz d'assistance ou d'un soufflage latéral peut réduire l'adhérence. La figure 4.2-4 montre les résultats du traitement avec du gaz d'assistance à des pressions de 0,05 MPa et 0,7 MPa. On peut observer que l’utilisation de gaz à haute pression entraîne moins de scories adhérant à la surface.
(2) Prévenir l'adhésion
L'application d'un revêtement protecteur sur la surface du matériau peut également aider à empêcher le métal en fusion d'adhérer. Lorsqu'un revêtement protecteur est appliqué, le métal fondu produit lors du perçage s'accumule sur le revêtement plutôt que d'adhérer directement à la surface du matériau. Le revêtement protecteur peut être un agent de prévention des scories ou un tensioactif facile à éliminer lors des processus ultérieurs (comme le montre la figure 4.2-5).
(3) Suppression
Il existe deux méthodes pour éliminer les bavures : une méthode consiste à découper de très petits trous circulaires à proximité de la perforation ; lors de la découpe du trou circulaire, le métal en fusion est également retiré. L'autre méthode consiste à déplacer le point focal vers le haut après la perforation pour refondre le matériau accumulé et le souffler avec du gaz (voir Fig. 4.2-2(3)).
1.3 Méthodes de résolution des défauts de traitement des plaques épaisses après perforation
[Phénomène]
Comme le montre la figure 4.3-1, lors de la découpe sans oxygène de tôles épaisses en acier inoxydable, le métal en fusion généré lors de la perforation s'accumule au-dessus du trou de perforation, entraînant une mauvaise qualité de traitement lorsque la tête de traitement passe dessus. Le passage du gaz auxiliaire utilisé lors de la perforation à l'oxygène peut réduire l'accumulation de métal en fusion. Cependant, lors de l'utilisation d'oxygène pendant la perforation, il est important de s'assurer que tout oxygène restant dans la conduite de gaz auxiliaire est complètement éliminé avant de passer à l'étape de découpe suivante. Sinon, l'oxygène restant pourrait se mélanger à l'azote et provoquer une oxydation sur la surface de coupe.
[Cause]
(1) Impact du cumul
Comme le montre la figure 4.3-2, l'impact de l'accumulation sur le traitement inclut la tendance à provoquer une réflexion laser et à perturber le flux d'air auxiliaire pendant la découpe. Lors de la découpe sans oxygène, il est courant de régler le point focal près de Z=0 lors de la perforation, puis de le déplacer vers Z=-T (où T est l'épaisseur de la pièce) pendant la découpe. Cependant, cette approche peut réduire la densité d’énergie du laser incident sur la surface du matériau lors de la découpe, conduisant à une mauvaise qualité de traitement.
(2) Impact du changement de gaz
Lors du passage de l'oxygène à l'azote, il est crucial d'éliminer efficacement et complètement le gaz résiduel dans le pipeline. Plus les perforations sont nombreuses, plus les changements de gaz sont fréquents et plus le temps de purge du gaz résiduel est long.
[Solution]
(1) Aborder l’impact de l’accumulation
Comme le montre la figure 4.3-3, utilisez des conditions de densité d'énergie laser élevée pour la partie de coupe initiale où une accumulation de métal fondu est présente. Plus précisément, lors de la découpe, utilisez la même densité d'énergie élevée et la même position du point focal (Z=0) que lors de la perforation. Après avoir traversé le matériau accumulé, déplacez le point focal sur Z=-T (où T est l'épaisseur de la pièce). Lors de la coupe avec le point focal à Z=0, la largeur de saignée sera plus étroite et la quantité de bavures au dos de la pièce augmentera. Par conséquent, la ligne de perforation (le segment de ligne où commence la découpe) doit être éloignée de la pièce. D'autres paramètres de traitement doivent également être réglés sur des conditions de puissance élevée et de vitesse faible. Le but de ces réglages est d'assurer un traitement stable de la partie accumulation.
(2) Réduction du temps de commutation du gaz
Comme le montre la Fig. 4.3-3, effectuez d’abord toutes les opérations de perforation en utilisant de l’oxygène. Ensuite, revenez au point de départ du traitement, passez le gaz auxiliaire à l'azote et purgez soigneusement tout oxygène restant avant de commencer le processus de découpe. En utilisant cette méthode, le gaz ne doit être changé qu'une seule fois, ce qui permet d'économiser le temps nécessaire à la purge de l'oxygène résiduel des conduites de gaz (voir Fig. 4.3-4).
1.4 Méthodes pour réduire les bavures dans les angles vifs lors de la découpe de plaques minces avec de l'air ou de l'azote
[Phénomène]
Lors de la découpe de l'acier inoxydable, lors de l'utilisation d'air ou d'azote comme gaz auxiliaire, des bavures apparaîtront au dos du matériau dans les angles vifs ou à la fin de la forme de traitement, comme le montre la Fig. 4.4-1.
[Cause]
La machine de traitement ou la tête se déplace en fonction de la vitesse réglée par CN (commande numérique), mais dans les angles vifs ou à la fin de la forme de traitement, la vitesse de traitement ralentit en raison des caractéristiques de la machine. Généralement, le réglage de la puissance laser de la machine de traitement reste constant. En conséquence, lorsque la vitesse de traitement diminue, l'équilibre entre la puissance et la vitesse du laser est perturbé (avec une puissance de sortie excessive), conduisant à la formation de bavures (voir Fig. 4.4-2).
[Solutions]
(1) Conditions générales de traitement
Réglez la vitesse de coupe maximale aussi basse que possible pour minimiser la différence entre les vitesses de coupe maximale et minimale tout au long du trajet de traitement. Que ce soit aux vitesses de coupe maximales ou minimales, ajustez la puissance de sortie aux conditions qui génèrent moins de bavures. L’inconvénient de cette méthode est que la vitesse moyenne diminuera, ce qui entraînera un temps de traitement global plus long.
(2) Modifier la trajectoire
Concevez une trajectoire de dépassement pour éviter que la vitesse de coupe ne diminue dans les angles vifs ou à la fin du chemin de traitement. Programmez par exemple un dépassement circulaire aux angles vifs. Lorsque la trajectoire subit un dépassement circulaire, elle change progressivement aux points de transition, évitant ainsi les chutes brusques de la vitesse de coupe. L'utilisation d'un programme de dépassement circulaire à la fin du traitement des trous internes peut également découper des trous internes sans réduire la vitesse de coupe. Cependant, cette méthode ne peut pas être utilisée s'il y a des produits à proximité des angles vifs ou si l'intérieur et l'extérieur du coin sont tous deux des produits.
(3) Contrôle CN
Des fonctions de contrôle correspondantes ont été développées pour résoudre ces problèmes. Cela implique une détection en temps réel de la vitesse de découpe par la machine de traitement, permettant un ajustement automatique de la puissance de sortie du laser en fonction des changements de vitesse de découpe.
Comme le montre la figure 4.4-3, lorsque la vitesse de coupe ralentit dans les angles vifs, la puissance de sortie du laser est également réduite en conséquence. Le même réglage s'applique à la fin du parcours de traitement, où la puissance de sortie diminue automatiquement à mesure que la vitesse de coupe ralentit.
1.5 Méthodes pour résoudre les bavures lors de la découpe à l'azote de tôles épaisses en acier inoxydable
[Phénomène]
Si le métal en fusion n’est pas expulsé efficacement de la saignée, il adhèrera à l’arrière de la pièce et formera des bavures. Si le matériau utilisé est nouveau et a déjà été bien coupé mais présente maintenant des problèmes, le problème peut être dû à des conditions de traitement inappropriées qui nécessitent un ajustement.
[Cause]
L'expulsion en douceur du métal en fusion de la saignée dépend de la pression du gaz auxiliaire appropriée pour pousser le métal en fusion vers le bas, ainsi que de la forme de la saignée et de la continuité du flux de métal en fusion. Les principales causes de formation de bavures, comme le montre la Fig. 4.5-1, comprennent :
- Écart de largeur de saignée : la largeur de la saignée s'écarte de la valeur optimale initiale, devenant soit plus étroite, soit plus large.
- Impact du traitement de la forme : La forme en cours de traitement affecte la continuité du flux de métal en fusion.
[Solutions]
(1) Ajustement de la saignée
La découpe à l'azote de l'acier inoxydable diffère de la découpe de l'acier au carbone dans la mesure où le point focal doit être placé à l'intérieur du matériau (Z<0) pour améliorer la capacité de fusion du laser et augmenter la largeur de saignée. Si le point focal n'est pas réglé de manière optimale, le flux de métal en fusion dans la saignée peut être affecté. Lorsque le point focal est trop peu profond, les bavures ont tendance à être nettes, tandis qu'un point focal plus profond donne des bavures en forme de boule. Ajustez le point focal en fonction de la forme des bavures pour trouver la position optimale.
Si les bavures augmentent progressivement au cours du traitement et que la largeur de la saignée change, cela peut être dû à l'échauffement des éléments optiques par le laser, entraînant un effet de lentille thermique. Dans de tels cas, nettoyez l'objectif ou le miroir PR.
(2) Impact de la forme de traitement
Des bavures sont susceptibles de se former lorsque le flux d'air auxiliaire devient instable après que le laser passe le coin pointu ou lorsque l'équilibre entre puissance et vitesse est perturbé en raison de changements brusques de vitesse de coupe. Pour résoudre ce problème, réduisez le paramètre de vitesse de traitement dans les conditions de traitement (voir Fig. 4.5-2). Plus l’angle du coin aigu est petit, plus les réglages de vitesse lente sont efficaces. De plus, lors de la transition de conditions de vitesse faible à vitesse élevée, définissez la transition de vitesse comme un processus étape par étape.
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