Découpe d'une plaque d'acier doux de 50 mm d'épaisseur avec un laser Nd: YAG

Abstrait

Nous rapportons les résultats d'expériences examinant la faisabilité de la découpe de tôles d'acier doux épaisses (> 15 mm) avec un laser Nd: YAG couplé à des fibres. Les expériences ont été réalisées avec un laser Nd: YAG à onde continue de 2,5 kW livré à la pièce à travers une fibre optique à noyau de silice de 0,6 mm de diamètre. Les échantillons d'acier doux ont une épaisseur de 10 à 50 mm. Les effets d'une gamme de paramètres de fonctionnement tels que le point focal et la position de la buse de coupe par rapport à la surface de l'acier, la pression du gaz d'assistance, la puissance et la vitesse du processus, sur la qualité de la surface de coupe sont présentés et discutés. Les résultats obtenus à ce jour montrent qu'il est possible de couper des plaques d'acier doux jusqu'à 50 mm d'épaisseur à des vitesses allant jusqu'à 200 mm / min avec aussi peu que 500 W de puissance laser Nd: YAG. La surface de coupe est lisse et il n'y a pas d'écume. Ces résultats sont prometteurs pour l'application de la technologie laser Nd: YAG pour la découpe de tôles d'acier épaisses.

1. Introduction

La découpe laser représente environ un quart de l'industrie de traitement des matériaux par laser [1]. En plus de 30 ans depuis la première découpe laser assistée au gaz [2], peu de choses ont changé dans la méthode de découpe laser. Pour la coupe des aciers doux, un faisceau laser est focalisé sur ou près de la surface de la pièce et entouré par un courant coaxial plus large de gaz d'assistance à l'oxygène. En règle générale, des puissances laser allant jusqu'à 3 kW sont utilisées pour couper des aciers doux jusqu'à une épaisseur de 12 à 15 mm avec des plaques plus épaisses coupées principalement avec des systèmes plasma ou oxy-combustible. Bien qu'il soit possible de couper des métaux avec le laser CO2 jusqu'à 40 mm d'épaisseur, il y a une baisse significative de la qualité de coupe et de la reproductibilité [3].

Une solution pour couper une plaque d'acier doux plus épaisse consiste à augmenter la puissance du laser. Si cette approche présente un certain nombre d’avantages, elle présente également des défis importants. À des puissances plus élevées (3,5 kW et plus), la qualité du faisceau devient instable, la durée de vie des composants optiques est réduite, les coûts d'équipement et de fonctionnement sont élevés et la précision de coupe se détériore. Il a été démontré dans [4] que pour une qualité de finition de surface donnée, bien que l'épaisseur du trait de scie reste approximativement constante, la vitesse de coupe ne diminue pas proportionnellement à elle, indiquant une réduction de l'efficacité de coupe avec l'augmentation de l'épaisseur du matériau. La réduction de l’efficacité de coupe lorsque le matériau s’épaissit est attribuée à une réduction de la capacité du gaz d’assistance à cisailler la masse fondue. Avec la découpe de matériaux plus épais, la pression doit augmenter pour permettre l'élimination de la matière fondue. Cependant, lors de l'utilisation d'un gaz d'assistance à l'oxygène, la nature exothermique de la réaction signifie que la pression d'oxygène doit être réduite avec une épaisseur croissante pour arrêter une réaction excessive se produisant dans la saignée. Un contrôle étroit de la pression d'oxygène est essentiel pour éviter de brûler de manière incontrôlable loin de la zone chauffée. Cela représente une contradiction dans les exigences pour une coupe réussie d'acier doux épais. Il limite l'épaisseur de coupe maximale, malgré la possibilité d'étendre les performances de coupe en augmentant la puissance du laser. Pour surmonter cette limitation et pour étendre la capacité d'épaisseur de la coupe par fusion réactive, des méthodes alternatives et nouvelles sont nécessaires.

De nombreuses techniques ont été développées pour surmonter la réduction des performances de coupe lorsque l'épaisseur de l'acier doux augmente. Sont inclus: l'oxycoupage au laser [5], les lentilles à double foyer [6], le sciage par faisceau avec optique adaptative [7], la découpe laser à l'aide d'une buse coaxiale (annulaire) [8], la découpe laser CO2 à double faisceau [ 9], faisceau laser rotatif [13, 14] et découpage à l'oxygène assisté par laser (Lasox ©) [10 - 12].

Nous avons rapporté précédemment [14] la découpe de tôles d'acier doux plus épaisses en utilisant le faisceau laser Nd: YAG de filage. Voici les résultats de la découpe de tôles épaisses en acier doux (> 15 mm) à l'aide d'une fibre livrée au laser Nd: YAG en oscillant le faisceau laser (une méthode analogue à la rotation du faisceau) et par la méthode de découpe laser dominée par l'oxygène comme celle-ci de découpe Lasox [10, 11, 12]. Des essais de découpe au laser Nd: YAG à dominante oxygène ont été menés en utilisant d'abord des pressions de gaz auxiliaires d'oxygène faibles puis élevées.

2. Osciller le faisceau laser

2.1 Détails expérimentaux

L'oscillation du faisceau laser a été produite par rotation partielle (oscillation) d'une fenêtre optique d'un angle comme le montre la figure 1 (a). Cela a abouti à un décalage maximal de la tache focale de 0,45 mm à une fréquence maximale de 20 Hz. Une piste résultante, ici avec une longueur d'onde exagérée pour montrer un mouvement oscillatoire, est représentée sur la figure 1 (b). Il était possible de faire varier l'amplitude d'oscillation de la fenêtre pour effectuer des changements de largeur de saignée afin d'étudier l'effet de l'élargissement de la saignée sur le processus de coupe.

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

La méthode de découpe assistée par laser à dominante oxygène a été mise en œuvre sur des plaques d'acier doux AS3678 d'épaisseur 16 à 50 mm. Les pressions de gaz d'assistance à l'oxygène ont été maintenues soit à moins de 120 kPa (coupage à l'oxygène à basse pression - LoPOx), soit à des pressions élevées (coupure à l'oxygène à haute pression - HiPOx). Les résultats de coupe ont été enregistrés en fonction de la qualité de coupe (striation de coupe, forme de saignée, écume excessive) et de la vitesse de coupe.

3. Résultats

3.1 Osciller le faisceau laser.

En faisant vaciller le faisceau sur la pièce à usiner, l'épaisseur de coupe maximale a été augmentée de 12 mm, rencontrée avec une coupe conventionnelle, à 16 mm. Un graphique de la vitesse de coupe maximale pour différentes épaisseurs et puissances laser, visible sur 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 la coupe processus se produisant dans le trait de scie restent inchangés pendant la découpe du faisceau oscillant. Des vitesses de coupe similaires ont également été obtenues avec la poutre de filage [14].

L'augmentation de l'épaisseur de coupe peut être attribuée à l'augmentation de la largeur de saignée. Ceci est démontré en faisant varier l'amplitude de l'oscillation comme le montre la figure 3. Ici, comme l'amplitude d'oscillation est séquentiellement réduite d'une amplitude maximale de 0,45 mm à zéro, la largeur de la saignée est réduite, ce qui correspond à une réduction de la capacité à effacer la fonte. Cela démontre clairement la nécessité d'avoir une largeur de saignée adéquate pour permettre à l'écume de se dégager. Ce point de vue est également exprimé par d'autres [12], où il est suggéré que la dynamique des fluides et la thermodynamique sont contraintes par des rainures étroites.

3.2 Découpe des aciers en utilisant une approche dominée par l'oxygène assisté par laser

3.2.1 Coupe à basse pression dominée par l'oxygène - LoPOx

Le processus de coupe LoPOx utilise le même faisceau laser de plus grand diamètre et le même jet d'oxygène imposant et étroit au sommet de la pièce comme on le voit dans le processus Lasox, mais avec des pressions de gaz d'assistance inférieures à 120 kPa. Les surfaces de coupe illustrées à la figure 4 à l'aide du processus LoPOx démontrent que de faibles puissances laser incidentes n'entravent pas la découpe au laser tant que l'initiation primaire et continue de la coupe peut avoir lieu. En effet, à mesure que la vitesse de coupe augmente, la puissance laser incidente peut apporter trop d'énergie et donc provoquer une striation excessive. Ceci est démontré sur la figure en observant la vitesse de coupe de 450 mm / min, où une meilleure surface a été générée par une puissance laser incidente de 533 W par rapport à 1420

W. Ici, la vitesse de réaction exothermique est déterminée par la vitesse de coupe. La puissance du laser incident n'est nécessaire que pour chauffer la surface supérieure à plus de 1000 ° C [11] et lancer le processus de fusion réactive. Une puissance laser incidente excessive réduit la qualité de la coupe. Cela démontre que les problèmes d'interaction oxygène-fer, et non la puissance incidente du laser, régissent désormais principalement la qualité de la coupe. Il s'agit donc d'un processus de découpe laser dominé par l'oxygène.

Sur la figure 4, lorsque la puissance est réduite pour chaque vitesse de coupe, les premières indications de la puissance incidente minimale sont le mauvais début de coupe comme on le voit à l'extrémité droite. Cela démontre que les exigences de puissance au début de la coupe sont plus élevées que celles du processus de coupe en cours et que la puissance requise pour l'établissement rapide d'un processus de coupe stable et non la puissance pour le processus en cours est le critère essentiel.

Lors de la découpe LoPOx utilisant un diamètre de buse coaxial plus petit pour le même matériau d'épaisseur, les mêmes vitesses de coupe sont obtenues mais avec une largeur de saignée plus étroite et par conséquent un débit d'oxygène réduit. Cependant, les coupes de haute qualité n'ont pas pu être obtenues aux puissances laser inférieures avec le diamètre de buse plus grand utilisé sur la figure 4. Ceci malgré un point laser plus intense en raison du passage à travers une buse de plus petit diamètre. Ceci démontre que l'exigence d'une saignée suffisamment large pour permettre à l'écume de s'éclaircir s'applique également au processus de coupe dominé par l'oxygène.

Les côtés de la coupe sont plus effilés que ceux rencontrés dans la coupe conventionnelle (dominée par le laser). La nature dominée par l'oxygène du processus de coupe signifie que le trait de scie est influencé par la forme de l'imposant jet d'oxygène, le sommet du trait étant de la même largeur que la buse coaxiale utilisée.

Le jeu entre la buse et la pièce a varié avec les résultats typiques de cette variation montrés sur la figure 5. Pour divers diamètres de buse, la qualité de coupe a été réduite de manière significative avec des jeux supérieurs à 25% du diamètre de la buse. L'augmentation du jeu buse-pièce exposait davantage le débit de la buse aux gaz atmosphériques ambiants avant d'entrer dans la saignée [8]. Le changement de clairance a été entrepris sans changements correspondants du diamètre du spot laser avec des résultats similaires. Cela démontre en outre que les changements apportés 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 montre également l'effet d'un jeu trop petit (0,1 mm) où le faisceau convergent ne dépasse pas encore le diamètre du jet de gaz, ne permettant donc pas au processus de découpe laser dominé par l'oxygène de fonctionner.

Une épaisseur de coupe maximale de 32 mm a été obtenue en utilisant la coupe Nd: YAG LoPOx. La coupe au-delà de ces épaisseurs avec les diamètres de buse utilisés a provoqué la formation de crasse excessive dans la saignée et une perte de perpendicularité de la coupe. Ceci démontre en outre la relation entre la largeur de saignée et l'épaisseur de coupe lorsque de faibles pressions de coupe (conventionnelles) sont utilisées.

3.2.2 Découpe laser Nd: YAG à haute pression dominée par l'oxygène - HiPOx

En utilisant des pressions d'alimentation beaucoup plus élevées et des buses de plus petit diamètre, il s'est avéré possible de couper des aciers plus épais que ceux obtenus précédemment par le procédé LoPOx. La capacité de coupe s'est avérée être comprise entre 32 et 50 mm d'épaisseur en utilisant une plaque d'acier AS 3679. Les vitesses de coupe typiques en ce qui concerne l'épaisseur du matériau et la puissance du laser sont indiquées sur la figure

6. La figure montre une suite des processus de coupe à partir de la zone de basse pression utilisée pour les matériaux plus minces.

L'effet de l'utilisation de pressions de refoulement élevées signifie que l'écoulement du gaz est complexe et peut donner lieu à des caractéristiques de choc interne. La preuve de l'interaction des structures de choc lors de la coupe peut être considérée comme des «crêtes» ou des marques moindres dans la surface coupée et comme des lignes perpendiculaires aux stries. En outre, le décalage de ces arêtes avec 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]. Le travail [16, 17] indique également une interaction complexe et parfois oscillatoire des chocs avec les parois de saignée. La preuve de la nature oscillatoire de la coupe se trouve dans le «bourdonnement» constant qui peut être entendu dans certaines conditions de coupe.

En utilisant une buse coaxiale de 1,5 mm de diamètre, la capacité de coupe s'est avérée satisfaisante pour les plaques de 32 et 40 mm avec les résultats de coupe de plaque de 40 mm illustrés à la figure 7. Le jeu buse-pièce a été considérablement augmenté avec les pressions de gaz d'assistance élevées et la la forme de la saignée était beaucoup moins effilée que celle observée dans LoPOx en raison du flux de gaz à haute vitesse moins divergeant. Ces traits sont visibles sur la figure 8.

La découpe de profil à l'aide de la technique Nd: YAG LoPOx livrée par fibre est réalisable avec les exemples illustrés à la figure 9. Ici, les augmentations de température à l'intérieur des coins entraînent un effilement accru en ces points. Ceci est visible sur la coupe circulaire de la figure 9 (a) et le dégagement des coins sur la figure 9 (b). La contre-dépouille des angles vifs est mieux surmontée par l'utilisation de vitesses de coupe réduites comme indiqué sur la figure.

La découpe à haute pression dominée par l'oxygène utilisant le laser Nd: YAG comme celui utilisé avec le CO2 [12] se révèle également excellente pour le perçage avec moins d'une seconde nécessaire pour percer une plaque AS3679 de 32 mm. L'enlèvement des scories éjectées vers le haut reste un problème, sa présence sur la surface de la plaque dans le chemin de coupe nuisible à la qualité de coupe

4. Discussion

Malgré les nouveaux procédés de découpe laser et l'augmentation de l'épaisseur de coupe, le processus de découpe lui-même reste inchangé. Ceci est mis en évidence par la réduction de la vitesse de coupe avec l'épaisseur de coupe et la similitude de la vitesse de coupe pour les coupes conventionnelles, à poutre tournante et à poutre oscillante. Par conséquent, malgré les changements d'approche, les facteurs fondamentaux qui régissent la coupe de tôles d'acier épaisses par fusion réactive, tels que les pertes de conduction et la restriction de l'élimination de la fluidité à chaud en raison de la viscosité et de la tension superficielle, subsistent.

Les largeurs de saignée plus grandes et variables produites par l'oscillation du faisceau ainsi que les différentes largeurs de saignée générées en utilisant la découpe laser dominée par l'oxygène avec le laser Nd: YAG démontrent le besoin de saignées suffisamment larges à mesure que l'épaisseur de coupe augmente. Cependant, à des épaisseurs modérées (~ 32 mm), l'augmentation du trait de scie au-delà de celle produite par la plus grande buse LoPOx, devient impraticable car la consommation d'oxygène devient prohibitive. Pour cela, l'utilisation de HiPOx prend tout son sens. L'utilisation d'un flux de gaz d'assistance à haute pression et par conséquent à haute vitesse permet à l'oxygène d'être moins combiné avec les gaz atmosphériques et donc d'être plus facilement disponible pour la fusion réactive. En outre, il fournit des forces de cisaillement considérablement accrues sur la face de fusion pour surmonter la résistance à son dégagement de la saignée. Une caractéristique supplémentaire du procédé HiPOx est le grand jeu entre les buses et la pièce. Cela garantit la fiabilité des buses haute pression.

Les coupes à dominante oxygène reposent uniquement sur la puissance du laser incident pour initier puis maintenir la coupe. Les résultats montrent que ces puissances sont bien inférieures à celles requises pour une coupe conventionnelle équivalente. Cependant, des puissances plus élevées sont nécessaires pour l'initiation d'une coupe régulière que celles nécessaires pour que le processus de coupe global soit maintenu. Par conséquent, une puissance accrue pourrait être utilisée au début de la coupure uniquement pour maximiser l'efficacité énergétique.

La découpe de profil s'est avérée réalisable avec l'inconvénient de dégager l'intérieur des coins coupés. Ceci peut être surmonté par une programmation appropriée de la vitesse de coupe à ces positions. Le perçage d'une plaque épaisse est réalisable, mais il existe des problèmes de crasse éjectée vers le haut qui interfèrent plus tard avec la distribution du gaz d'assistance pendant la coupe ultérieure. Cela pourrait être réglé soit par la présence d'un jet d'air annulaire tourné vers l'extérieur entourant la buse, soit par le nettoyage de l'opérateur par l'utilisation d'une commande d'attente CNC après que tout le perçage ait été initialement effectué.

5. Conclusions

L'utilisation de la découpe laser dominée par l'oxygène ainsi que l'utilisation de traits de coupe plus larges démontrent la faisabilité d'utiliser le laser Nd: YAG à fibres optiques modérément puissantes pour couper des plaques d'acier doux épaisses. Cela peut être fait en utilisant une alimentation à basse pression pour des tôles d'acier doux jusqu'à 32 mm d'épaisseur. La distribution de gaz à haute pression a montré que des épaisseurs de coupe allant jusqu'à 50 mm sont facilement réalisables avec la possibilité de percer rapidement le matériau. Il existe des problèmes continus de qualité de coupe associés aux artefacts de choc et également des problèmes de sous-coupe des coins qui nécessitent une programmation CNC minutieuse. Pour réussir à percer, il faut ensuite enlever les crasses éjectées vers le haut du chemin de coupe pour garantir que la qualité de coupe de la pièce sous-jacente est maintenue.

6. Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier le CRC pour Intelligent Manufacturing Systems and Technologies Limited pour leur financement du projet Spinning Beam sans lequel les recherches et les résultats ci-dessus ne pourraient être rassemblés.