EP0874712A1 - Procede et dispositif de decoupe laser - Google Patents

Procede et dispositif de decoupe laser

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Publication number
EP0874712A1
EP0874712A1 EP97900222A EP97900222A EP0874712A1 EP 0874712 A1 EP0874712 A1 EP 0874712A1 EP 97900222 A EP97900222 A EP 97900222A EP 97900222 A EP97900222 A EP 97900222A EP 0874712 A1 EP0874712 A1 EP 0874712A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cutting
product
laser
cutting head
box
Prior art date
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Ceased
Application number
EP97900222A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gérard PACARY
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Litech Sarl
Original Assignee
Litech Sarl
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Litech Sarl filed Critical Litech Sarl
Publication of EP0874712A1 publication Critical patent/EP0874712A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/146—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/06—Cast-iron alloys

Definitions

  • the present invention relates to the technique of laser beam cutting of parts in sheets or the like, of relatively large thickness, of iron-carbon alloy (steel or cast iron), or of other materials such as ceramics.
  • thermal energy cutting processes are already known using an oxygen supply to carry out an exothermic reaction for iron oxidation, in particular the long-known processes of oxy-acetylene cutting or similar, of cutting with electric arc and, more recently, cutting by laser beam, plasma, summer, making it possible to obtain significant energy densities at the cutting point.
  • the performance of these processes depends on the nature and density of the energy source, and on the oxygen supply conditions (type and diameter of the gas supply nozzle, pressure and flow rate of the gas).
  • suction means placed on the side of the sheet opposite to the cutting head is already known, in particular in laser sheet cutting methods. These means are intended to evacuate the gases resulting from the cutting and the slag formed during it.
  • the invention relates to a laser cutting method using a cutting head comprising a laser beam source and an oxygen supply nozzle, characterized in that, in order to perform cuts in thick iron-carbon alloy or ceramic products, a coolant is added to the surface of the product to be cut located on the side of the cutting head and a vacuum is generated on the other side of the product existing pressure on the side of the cutting head, greater than or equal to 0.25 bars.
  • a coolant is added to the surface of the product to be cut located on the side of the cutting head and a vacuum is generated on the other side of the product existing pressure on the side of the cutting head, greater than or equal to 0.25 bars.
  • the depression is greater than or equal to 0.01 xe + 0.15 where e is the thickness of the product in mm.
  • the coolant can generally be any fluid, at low temperature.
  • a liquid will be used, having better heat exchange capacities than a gas, such as water, or an aqueous solution or emulsion, such as for example an oil-water emulsion of the type conventionally used in metal machining by cutting tool.
  • the suction carried out on the side opposite to the cutting head in certain known laser cutting processes has the purpose of removing the slag formed during cutting as well as the gases brought in or generated by the cutting, but , even if this suction implicitly causes a certain circulation of gas in the cutting line, the depressions used are not sufficient to cause sufficient cooling of the material, on the two sides of the cutting line, typical of the present invention.
  • the laser used is a gas laser, continuous or pulsed, of the conventional type such as a CO 2 or CO laser.
  • a gas laser continuous or pulsed, of the conventional type such as a CO 2 or CO laser.
  • Such a laser makes it possible to obtain a power density of the order of 1000 KW / cm 2 at the focal point of the laser beam and, in cutting applications, this is assisted, in known manner, by an oxygen supply, under a relatively low pressure (of the order of 1 bar), brought by a nozzle into the orifice from which the laser beam passes. This supply of oxygen is necessary to cause oxygen cutting.
  • the laser focusing device Given the large thicknesses to be cut, the laser focusing device will be adjusted to obtain a long focal distance, of the order of 250 to 350 mm.
  • the flaring effect of the cutting line mentioned above is not so much due to the proper geometry of the laser beam as to the excessive heating of the material caused by the supply of oxygen.
  • FIG. 1 in section, the region of the cutting line in a sheet 1, obtained by a conventional laser cutting process from a thick steel sheet. 10 mm, the groove having a width of about 0.3 mm.
  • the shaded areas 11, which would delimit the parallel flanks of the ideal cutting line, have in fact disappeared by fusion under the effect of the energy supply of the oxygen flow (arrow 12) provided by the nozzle 13 of the cutting head. .
  • these zones are all the more important when the material is less thermally conductive, or when it is already strongly heated by a cut made previously in the vicinity, since the dissipation by conductivity of the thermal energy supplied is then hampered.
  • the flaring of the cutting line is all the more important the thicker the sheet, which has in practice limited until now the use of laser cutting to steel sheets of lower thickness. about 10 mm. From 10 to 20 mm, the geometry of the cutting line is of poor quality, limiting the production of the cut pieces to simple shapes. Beyond 20 mm, cutting is impossible due to an enlargement of the heat affected area, widening such that the molten metal can no longer be removed to make an effective cut.
  • the zones 16 affected thermally whose importance, at the level of the middle zone in the thickness of the sheet, results from the concentration in this area cutting energy.
  • this concentration of heat can cause significant heating of the sheet in the vicinity of the cutting line, which is troublesome for making other cuts nearby.
  • the metal of these zones can be melted and entrained by the flow of the oxygen supplied, causing a digging of the sides of the groove, or even risking closing the latter on the side of the underside in s' resolidifying there.
  • the mechanical characteristics of the heat affected areas are deteriorated (weakening of the edge of the cut parts, reduction in their resistance to wear, summer).
  • the method according to the invention makes it possible, thanks to the supply of cooling fluid to the upper face of the sheet, on the side of the cutting head, and to the forced circulation of this fluid in the cutting line, under the effect of the depression created on the other side of the sheet, effectively cooling the sides of the groove over the entire thickness of the sheet, and therefore limiting the extent of the heat affected zone.
  • the strong depression created between the two faces of the sheet allows better evacuation of the slag from the groove than in the methods according to the prior art.
  • This slag entrainment effect is favorably influenced by the kinetic energy of the fluid molecules passing through the bleeding, energy which is all the higher as the depression, and therefore the speed of the fluid, is high, the kinetic energy also being increased when the coolant is a liquid.
  • the process according to the invention makes it possible, by the cooling effect of the fluid circulating in the bleeding, to keep the cut product at low temperature (for example around 70 to 80 °) and, in combination with an efficient removal of slag, stabilizes the cutting front, even in the case of a narrow width, less than 1 mm and typically of the order of 0.3 mm, when cutting from a sheet of very thick material, for example around 20 mm. It makes it possible to keep the width of the groove practically constant over the entire thickness of the sheet, and consequently allows the production of holes of small section, of dimension significantly less than the thickness of the sheet, for example the production in a sheet metal 20 mm thick, oblong holes in length
  • the method according to the invention allows the successive production without delay of cut lines very close to each other, the production of holes or recesses close to the edge of the sheet metal, and the production of parts with sharp angles, all these cuts being impracticable in thick products by the cutting methods according to the prior art.
  • the method according to the invention reduces the risk of embrittlement of steel by hydrogen by preventing the formation of an austenization zone capable of absorbing hydrogen. .
  • the reduction in the heat affected zone allows cutting into alloys which have already undergone a heat treatment (for example steels of high hardness, hardened and tempered) without altering the mechanical characteristics, in particular the hardness, of the parts thus cut.
  • a heat treatment for example steels of high hardness, hardened and tempered
  • the method according to the invention is for example particularly suitable for the manufacture of sheets perforated and very thick screening grids
  • the invention also relates to a laser cutting device which is particularly suitable for implementing the method mentioned previously.
  • This device is characterized in that it comprises: - a cutting head comprising a laser beam source and an oxygen supply nozzle, - a conduit for supplying a cooling fluid to the surface of the product to cut, opening next to the cutting head, - a suction box connected to a suction group and having an opening located in front of the cutting head and provided at its periphery with a seal intended for be placed against the surface of the product to be cut opposite the cutting head, - means for regulating the vacuum generated in the said box by the said suction group to maintain the said vacuum at a value greater than or equal to 0.25 bars .
  • the means for regulating the vacuum comprise a relief valve connected to the box, to put the inside of the box in communication with the ambient atmosphere and means for regulating the opening of said relief valve in function of the open section of the orifices or cutting lines produced by the cutting in the product.
  • This regulation system has the advantage of being able to let the suction unit operate at its optimum efficiency permanently, by compensating for the increase in fluid flow rate passing through the cut lines or orifices already made in the sheet metal by reducing the flow through the relief valve.
  • a another advantage is that the discharge valve allows, even at the start of cutting, to let enter into the box a quantity of ambient air suitable for ensuring in the suction circuit an oxygen concentration lower than the rate likely to cause the ignition of the gas mixture sucked in by the pumping unit.
  • FIG. 1 and 2 illustrate the problems encountered during laser cutting according to the prior art, already explained previously,
  • FIG. 3 is a schematic representation of the laser cutting installation according to the invention
  • Figure 4 is a simplified representation of a mask system intended to close the grooves or orifices already made, to limit the section of suction of the coolant
  • FIG. 5 is a graph illustrating the field of application of the method, limited by a curve indicating, as a function of the thickness of the sheet to be cut, the value of the absolute pressure to be maintained under the sheet , when the pressure above the sheet on the side of the cutting head is atmospheric pressure.
  • the laser cutting installation shown in FIG. 3, for cutting from a steel sheet 1, comprises a laser cutting head 10 of a type known per se.
  • This cutting head shown diagrammatically in the drawing comprises an oxygen injection nozzle 13 with a diameter of 2 mm, supplied under a relative pressure of 1 bar, at the center of which passes the laser beam F.
  • This beam is generated by a laser continuous gas, for example a C0 2 laser, having a power of 2 to 3 KW, and a focal length set to 250 mm.
  • a suction box 20 open upwards and carrying at the periphery of its opening a seal 21.
  • the box 20 is applied against the underside of the sheet, the seal 21 ensuring the seal between the latter and the box.
  • the sheet 1 and the box can be fixed, and the cutting head is then moved along the outline of the cuts to be made.
  • the cutting head and the box can be fixed, and it is then the sheet which is moved while remaining held in contact with the seal.
  • a pipe 19 for supplying a cooling fluid such as water opens above the sheet to be cut, next to the cutting head, the water flow being sufficient for the water to cover the surface sheet metal in a sufficiently large area around the laser beam.
  • the box 20 is connected by a suction line 22, provided with an isolation valve 23, to an assembly of accumulation tank 24, itself connected to a suction group 25, via a separator filter 26 impurities and liquids.
  • This group is equipped with a suction pump having a large flow rate, for example from 500 to 700 m 3 / h, and making it possible to obtain an absolute pressure at suction of 0.5 bars or less.
  • This suction group makes it possible to obtain in the accumulation tanks 24 and in the box 20 a absolute pressure adjustable for example from 0.7 to 0.5 bars depending in particular on the thickness of the sheet 1.
  • the large volume of the accumulation tanks makes it possible to maintain them there and in the box 20 of a depression substantially constant despite the variations in flow rate that can occur during cutting, and in particular makes it possible to very quickly generate the required vacuum in the box 20 as soon as the isolation valve 23 opens.
  • the accumulation tanks are connected via d valves insulation 27 to a condensate recovery tank 28, to which the filter 26 is also connected.
  • the box 20 is also connected by a valve 29 to a device, not shown, making it possible to inject into the box a cooling fluid, for example a water mist, which is used for cooling the box 20 and the gases resulting from the cutting operation, which also has a moderate cooling effect on the underside of the sheet.
  • a cooling fluid for example a water mist
  • this injection of cooling fluid is in no way similar to the cooling, mentioned in the introduction to this memo, of the cutting zone by jets directed towards this zone from below.
  • the use of such jets of liquid under a vacuum as strong as that according to the invention would lead to having to suck excessively large quantities of liquid.
  • the invention precisely overcomes these problems.
  • Another valve 30 puts the box 20 in communication with the ambient atmosphere, and allows the entry of ambient air into the box under the effect of the vacuum which is generated there by the suction group.
  • the opening of this valve, and therefore the air flow entering the tank can be regulated to maintain the vacuum in the box substantially constant.
  • This regulation can be carried out directly from a pressure measurement in the box. It will be noted that this regulation is necessary, taking into account the constant flow rate of the suction group, to maintain constant during cutting the conditions for circulation of the cooling water in the cut groove, despite the variation in open cross section of the line. cutting holes or holes made in the sheet, resulting from cutting progress.
  • the opening of the valve 30 will be adjusted as a function of the position of the laser relative to the sheet by virtue of a prior programming linking this position to the linear length of the cutting line made, or more generally, in the open section in the sheet by cutting.
  • a typical process for making a cut is divided into two phases.
  • a priming phase is carried out prior to the actual cutting.
  • a priming hole of small diameter for example from 0.5 to 0.6 mm, is made in the sheet.
  • the CO2 laser cutting head is temporarily replaced by a pulse laser, for example a YAG laser capable of providing a very high specific energy (10 3 to 10 4 J / cm 2 ) with a power density of 10 7 to on
  • the cutting phase is then carried out, starting from the priming hole, in accordance with the method according to the invention.
  • the suction unit 25 being in service and creating a vacuum in the suction box 20
  • the valve 30 is opened to obtain the required vacuum in the box, by example 0.5 bars, then, during cutting, the regulating device then gradually closes this valve, depending on the pressure measured in the box or the length of the cutting line produced, as indicated above.
  • the cutting speed is of the order of 0.7 m / min in steel sheets 10 mm thick, 0.5 m / min for a thickness of 20 mm, and 0, 3 m / min for 25 mm sheets.
  • the device comprises around the cutting head masks for covering the product to seal the orifices or cutting lines already made.
  • This embodiment makes it possible to move the cutting head, with respect to the box and to the sheet metal, over great distances, by limiting the open section of the cutting lines or orifices already made in the sheet metal, since all the cutouts distant from the cutting heads are covered by said masks.
  • FIG. 5 schematically illustrates such an embodiment, in which the masks consist of mats 40, for example made of rubber, which are wound or unwound on drums 41 linked to the cutting head 10 as a function of the displacements of the latter .
  • FIG. 6 illustrates the field of application of the method according to the invention as a function of the thickness of the cut product.
  • Curve 60 established experimentally, defines the minimum depression required (the values indicated on the ordinate are the absolute pressure values P under the sheet, considering that the pressure above the sheet is the atmospheric pressure of 1 bar) as a function of the thickness e of prison.
  • the hatched area under this curve is the area of validity of the process.
  • a vacuum of 0.5 bar gives the best results in the case of a steel cut thicker than 15 mm.
  • a vacuum of 0.25 bars i.e. an absolute pressure of 0.75 bars nevertheless makes it possible to make small diameter holes, for example 3 mm, in a steel thickness of 10 mm.
  • the method according to the invention also applies to cutting from other non-planar products, such as tubular or complex shaped parts. . It also applies to cutting in other materials, such as low-alloy steels, manganese steels, coated steels (for example 8 mm thick E36 steel sheet with a layer of 5 mm chromium cast iron ), or ceramics.
  • the method according to the invention has made it possible to produce, in 10, 15 and 20 mm thick sheets of highly alloyed abrasion-resistant steel and of manganese steel, and in composite sheets ( steel sheets reloaded with a layer of chromium cast iron) of thickness 5 + 3 mm, 8 + 4 mm and 10 + 5 mm, the following cuts:

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Abstract

Le procédé de découpe laser utilise une tête de découpe (10) comportant une source de rayon laser (F), par exemple un laser à CO2 et une buse d'apport d'oxygène (13). En vue d'effectuer des découpes dans des produits épais (1), par exemple en alliage fer-carbone ou céramique, on apporte sur la surface du produit à découper située du côté de la tête de découpe un fluide de refroidissement (19) tel que de l'eau, et on génère de l'autre côté du produit une dépression, par rapport à la pression existante du côté de la tête de découpe, supérieure ou égale à 0,25 bars. Cette dépression est créée par exemple par un caisson d'aspiration (20), dans lequel la dépression est régulée, appliqué de manière étanche contre la surface du produit. Application à la découpe laser dans des produits épais, tels que des tôles d'acier d'épaisseur de 10 à 30 mm.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DECOUPE LASER
La présente invention concerne la technique de découpe par faisceau laser de pièces dans des tôles ou similaires, d'épaisseur relativement importante, en alliage fer-carbone (acier ou fonte) , ou en d'autres matériaux tels que des céramiques.
On connaît déjà de nombreux procédés de découpe par énergie thermique utilisant un apport d'oxygène pour mettre en oeuvre une réaction exothermique d'oxydation du fer, notamment les procédés connus de longue date de découpe oxy-acétylénique ou similaire, de découpe à l'arc électrique et, plus récemment, de découpe par faisceau laser, plasma, ete, permettant d'obtenir des densités d'énergie importantes au point de découpe. Les performances de ces procédés dépendent de la nature et de la densité de la source d'énergie, et des conditions d'apport de l'oxygène (type et diamètre de la buse d'amenée du gaz, pression et débit du gaz) .
On notera qu'il s'agit ici de procédés utilisant tous un apport d'oxygène comme agent générateur d'une énergie complémentaire à celle fournie, par exemple dans le cas de la découpe laser, par le rayonnement laser lui- même. Cette énergie complémentaire, résultant de la réaction exothermique provoquée par l'oxygène apportée, est, dans le domaine visé par l'invention, nécessaire pour assurer la découpe souhaitée dans des produits de forte épaisseur. Sont donc exclus du domaine visé par 1 ' invention les procédés ne mettant pas en oeuvre la dite réaction exothermique, tels que par exemple les procédés de découpe laser avec apport d'azote, utilisés par exemple pour la découpe dans les aciers inoxydables.
On connaît déjà, notamment dans des procédés de découpe laser de tôles, l'utilisation de moyens d'aspiration placés du côté de la tôle opposé à la tête de découpe. Ces moyens sont destinés à évacuer les gaz résultant de la découpe ainsi que les scories formées lors de celle-ci.
Les procédés connus, avec apport d'oxygène, évoqués ci-dessus ne sont toutefois pas utilisables en pratique dès lors que la découpe impose un maintien prolongé de la source d'énergie dans une même zone de la pièce à couper.
C'est notamment le cas des découpes effectuées dans des produits d'épaisseur importante, tels que par exemple des tôles d'acier d'épaisseur approchant les 10 mm ou supérieure à 10 mm, et pour la découpe dans de telles tôles de pièces à angles vifs, ou le perçage de trous de petits diamètres ou de faible section, ayant par exemple typiquement une dimension transversale inférieure ou égale à l'épaisseur de la dite tôle. En effet, dans de tels cas, il se produit au niveau du trait de coupe, et dans l'épaisseur de la tôle, une concentration d'énergie qui échauffe excessivement la matière, produit un excès de fusion de celle-ci rédhibitoire pour l'obtention d'une découpe fine et régulière, ou au minimum détruit les caractéristiques mécaniques des matériaux au voisinage du trait de coupe.
Des problèmes similaires apparaissent lorsque 1 ' énergie accumulée par la pièce à couper ne peut pas s'évacuer suffisamment par conductibilité thermique. C'est notamment le cas lors d'une découpe proche d'un bord de la tôle, de découpes dans une telle tôle de pièces dont les bords sont très proches d'une pièce à l'autre {cas typique lors de la recherche d'optimisation de la répartition des pièces à découper dans une tôle pour réduire les chutes de métal) , et d'une manière générale, lorsque deux traits de coupe sont très rapprochés .
Un autre problème résulte spécifiquement de l'épaisseur de la pièce à couper. Plus l'épaisseur de la pièce augmente, plus la largeur de la saignée de coupe doit augmenter pour faciliter la formation du front de coupe et l'évacuation des scories générées par la découpe. Il devient donc quasiment impossible de réaliser des trous de petits diamètre dans des tôles d'épaisseur supérieure au diamètre du trou. Dans un tel cas, outre le problème spécifique de la largeur nécessaire de la saignée, les procédés connus de découpe laser conduisent, du fait de l'excès d'énergie apporté au voisinage de la coupe, à un evasement du trait de coupe vers la face opposée à la tête de découpe. Cet evasement est dû, non pas à l'effet du rayonnement laser en lui-même, mais à la propagation, vers la dite face opposée, de la réaction exothermique initiée dans l'épaisseur de la tôle et qui, du fait de 1 ' autocombustion du fer qui en résulte et de la cinétique de l'oxygène apporté, affecte une zone allant en s ' élargissant dans la direction du jet de gaz.
Il est donc impossible, avec la technique de découpe laser connue, de réaliser des coupes fines et régulières, en maîtrisant l'état de surface et la géométrie des flancs du trait de coupe, dès lors que l'épaisseur de la tôle est importante et que les pièces découpées sont de petites dimensions ou que les traits de coupe sont très rapprochés.
L'invention a pour but de résoudre les problèmes indiqués ci-dessus. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de découpe laser utilisant une tête de découpe comportant une source de rayon laser et une buse d'apport d'oxygène, caractérisé en ce que, en vue d'effectuer des découpes dans des produits épais en alliage fer-carbone ou céramique, on apporte sur la surface du produit à découper située du côté de la tête de découpe un fluide de refroidissement et on génère de l'autre côté du produit une dépression, par rapport à la pression existante du côté de la tête de découpe, supérieure ou égale à 0.25 bars. Préférentiellement, pour un produit d'épaisseur supérieure à 10 mm, la dépression est supérieure ou égale à 0,01 x e + 0,15 où e est l'épaisseur du produit en mm.
L'apport d'un fluide de refroidissement du côté où le rayon laser agit directement sur le produit à découper, combiné avec l'aspiration provoquée par la dépression exercée de l'autre côté du produit, crée dans la saignée réalisée, et notamment à l'arrière du point d'application du faisceau laser, une circulation de fluide à une vitesse et un débit tel qu'il en résulte un refroidissement très efficace de la pièce découpée, directement au niveau du trait de coupe et sur toute la hauteur de celui-ci.
Le fluide de refroidissement peut être de manière générale un fluide quelconque, à basse température. Préférentiellement on utilisera un liquide, possédant de meilleures capacités d'échange thermique qu'un gaz, tel que de l'eau, ou une solution ou une émulsion aqueuse, telle que par exemple une émulsion huile-eau de type classiquement utilisé dans l'usinage des métaux par outil de coupe .
Il est important de noter que l'aspiration réalisée du côté opposé à la tête de découpe dans certains procédés de découpe laser connus a pour but d'évacuer les scories formées lors de la découpe ainsi que les gaz apportés ou générés par la découpe, mais, même si cette aspiration provoque implicitement une certaine circulation de gaz dans le trait de coupe, les dépressions utilisées ne sont pas suffisantes pour provoquer le refroidissement suffisant du matériau, sur les deux flancs du trait de coupe, typique de la présente invention.
Le laser utilisé est un laser à gaz, continu ou puisé, de type classique tel qu'un laser à C02 ou CO. Un tel laser permet d'obtenir une densité de puissance de l'ordre de 1 000 KW/cm2 au point de focalisation du faisceau laser et, dans des applications de découpe, celle-ci est assistée, de manière connue, par un apport d'oxygène, sous une pression relativement faible (de l'ordre de 1 bar) , amené par une buse dans l'orifice de laquelle passe le rayon laser. Cet apport d'oxygène est nécessaire pour provoquer 1 'oxycoupage . Compte tenu des fortes épaisseurs à découper, le dispositif de focalisation du laser sera réglé pour obtenir une distance focale longue, de l'ordre de 250 à 350 mm. On notera que l'effet d'evasement du trait de coupe évoqué précédemment n'est pas tant dû à la géométrie propre du faisceau laser qu'à 1 'échauffement excessif du matériau provoqué par l'apport d'oxygène. Pour illustrer ce phénomène, on a représenté à titre d'exemple à la figure 1, en coupe, la zone du trait de coupe dans une tôle 1, obtenue par un procédé de découpe laser classique d'une tôle d'acier d'épaisseur de 10 mm, la saignée ayant une largeur d'environ 0.3 mm. Les zones ombrées 11, qui délimiteraient les flancs parallèles du trait de coupe idéal, ont en fait disparu par fusion sous l'effet de l'apport énergétique du flux d'oxygène (flèche 12) apporté par la buse 13 de la tête de découpe. On notera que ces zones sont d'autant plus importantes lorsque le matériau est moins conducteur thermiquement, ou qu'il est déjà fortement échauffé par une découpe effectuée préalablement à proximité, puisque la dissipation par conductivité de l'énergie thermique apportée est alors gênée. On notera aussi que 1 'evasement du trait de coupe est d'autant plus important que la tôle est épaisse, ce qui a en pratique limité jusqu'à présent l'utilisation de la découpe laser à des tôles d'acier d'épaisseur inférieure à environ 10 mm. De 10 à 20 mm, la géométrie du trait de coupe est de mauvaise qualité, limitant la réalisation des pièces découpées à des formes simples. Au delà de 20 mm, la découpe est impossible du fait d'un élargissement de la zone affectée thermiquement, élargissement tel que le métal fondu ne peut plus être évacué pour réaliser une découpe effective.
On notera encore sur la figure 1 la présence de bavures de coupage 14, d'une dimension de l'ordre de 0.3 mm, résultant de la resolidification sur la face inférieure plus froide d'une partie du métal fondu provenant de la saignée.
Pour améliorer la géométrie du trait de coupe, et notamment éviter ces bavures, il a déjà été évoqué de diriger un jet de fluide refroidissant vers la saignée, de chaque côté de celle-ci, sensiblement tangentiellement à la surface inférieure de la tôle. La mise en oeuvre d'un tel procédé permet certes de réduire la largeur de 1' evasement, mais s'avère notablement insuffisante dès lors que la tôle est épaisse pour éviter les effets néfastes de l'énergie excédentaire au niveau du trait de coupe, dans l'épaisseur du matériau. Le dessin de la figure 2 illustre ce qui se passerait sur les flancs du trait de coupe, en supposant que le refroidissement de la face inférieure de la tôle puisse être suffisant pour éviter 1 ' evasement du trait de coupe. On y voit de chaque côté du trait de coupe et dans l'épaisseur de la tôle, les zones 16 affectées thermiquement dont l'importance, au niveau de la zone médiane dans l'épaisseur de la tôle, résulte de la concentration dans cette zone de l'énergie de découpe. D'une part, cette concentration de chaleur peut provoquer un echauffement important de la tôle au voisinage du trait de coupe, gênant pour la réalisation d'autres découpes à proximité. D'autre part le métal de ces zones peut être fondu et entraîné par l'écoulement de l'oxygène apporté, provoquant un creusement des flancs de la saignée, ou risquant même de réobturer celle-ci du côté de la face inférieure en s'y resolidifiant. D'autre part encore, et de manière certaine, les caractéristiques mécaniques des zones affectées thermiquement sont détériorées (fragilisation du bord des pièces découpées, diminution de leur résistance à l'usure, ete) .
Le procédé selon l'invention permet, grâce à l'apport de fluide de refroidissement sur la face supérieure de la tôle, du côté de la tête de découpe, et à la circulation forcée de ce fluide dans le trait de coupe, sous l'effet de la dépression créée de l'autre côté de la tôle, de refroidir efficacement les flancs de la saignée sur toute l'épaisseur de la tôle, et donc de limiter l'étendue de la zone affectée thermiquement.
De plus, la forte dépression créée entre les deux faces de la tôle permet une meilleure évacuation des scories hors de la saignée que dans les procédés selon l'art antérieur. Cet effet d'entraînement des scories est favorablement influencé par l'énergie cinétique des molécules de fluide passant dans la saignée, énergie qui est d'autant plus élevée que la dépression, et donc la vitesse du fluide, est grande, l'énergie cinétique étant également accrue lorsque le fluide de refroidissement est un liquide.
Le procédé selon l'invention permet, par l'effet refroidissant du fluide circulant dans la saignée, de maintenir le produit découpé à basse température (par exemple aux environs de 70 à 80°) et, en combinaison avec une évacuation efficace des scories, permet de stabiliser le front de coupe, même dans le cas d'une saignée de faible largeur, inférieure à 1 mm et typiquement de l'ordre de 0.3 mm, lors de découpe dans une tôle de forte épaisseur, par exemple d'environ 20 mm. II permet de conserver pratiquement constante la largeur de la saignée sur toute l'épaisseur de la tôle, et permet en conséquence la réalisation de trous de faible section, de dimension notablement inférieure à l'épaisseur de la tôle, par exemple la réalisation dans une tôle d'épaisseur 20 mm de trous oblongs de longueur
10 mm et de largeur 2 mm, de trous circulaires de 5 mm de diamètre, de trous ayant une section en forme de goutte d'eau ou ovoïde de longueur 18 mm et de largeur variant sur la longueur de 3 à 5 mm, ou encore de trous carrés de
3 mm de côté. L' echauffement de la tôle à proximité des découpes étant faible, le procédé selon l'invention permet la réalisation successive sans délai de traits de coupes très proches l'un de l'autre, la réalisation de trous ou évidements proches du bord de la tôle, et la réalisation de pièces à angles vifs, toutes ces découpes étant irréalisables dans des produits épais par les procédés de découpe selon l'art antérieur.
Par la réduction de l'étendue de la zone affectée thermiquement, le procédé selon l'invention diminue le risque de fragilisation de l'acier par l'hydrogène en empêchant la formation d'une zone d' austénisation susceptible d'absorber l'hydrogène.
En limitant 1 ' échauffement global de la tôle découpée, il réduit fortement les contraintes résiduelles après découpe et favorise le maintien de la planéité des tôles ou pièces découpées dans ces tôles.
En permettant l'obtention d'une géométrie précise du trait de coupe, il autorise l'inclinaison de la tête de découpe par rapport à la surface de la pièce découpée et permet ainsi la réalisation de coupes en chanfrein, sur un contour fermé ou non, en garantissant le respect de la géométrie recherchée.
La réduction de la zone affectée thermiquement permet la découpe dans des alliages ayant déjà subi un traitement thermique (par exemple des aciers à dureté élevée, trempés et revenus) sans altérer les caractéristiques mécaniques, notamment la dureté, des pièces ainsi découpées.
En conséquence des différents avantages évoqués ci- dessus, le procédé selon l'invention est par exemple particulièrement adapté à la fabrication de tôles perforées et de grilles de criblage de forte épaisseur
(de l'ordre de 10 à 30 mm) en acier à haute résistance mécanique trempé et revenu, dans lesquelles sont réalisés de nombreux orifices de faible section, avec ou sans dépouille, et proches les uns des autres.
L'invention a aussi pour objet un dispositif de découpe laser particulièrement adapté pour la mise en oeuvre du procédé mentionné préalablement. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte : - une tête de découpe comportant une source de rayon laser et une buse d'apport d'oxygène, - un conduit d'amenée d'un fluide de refroidissement sur la surface du produit à découper, débouchant à côté de la tête de découpe, - un caisson d'aspiration relié à un groupe d'aspiration et comportant une ouverture située en face de la tête de découpe et pourvue à sa périphérie d'un joint d'étanchéité destiné à être placé contre la surface du produit à découper opposée à la tête de découpe, - des moyens de régulation de la dépression générée dans le dit caisson par le dit groupe d'aspiration pour maintenir la dite dépression à une valeur supérieure ou égale à 0.25 bars.
Préférentiellement, les moyens de régulation de la dépression comportent une vanne de décharge raccordée sur le caisson, pour mettre l'intérieur du caisson en communication avec l'atmosphère ambiante et des moyens de régulation de l'ouverture de la dite vanne de décharge en fonction de la section ouverte des orifices ou traits de coupe réalisés par la découpe dans le produit.
Ce système de régulation présente l'avantage de pouvoir laisser fonctionner le groupe d'aspiration à son rendement optimal en permanence, en compensant 1 ' augmentation de débit de fluide passant par les traits de coupes ou orifices déjà réalisés dans la tôle par une réduction du débit passant par la vanne de décharge. Un autre avantage est que la vanne de décharge permet, même en début de coupe, de laisser entrer dans le caisson une quantité d'air ambiant propre à assurer dans le circuit d'aspiration une concentration d'oxygène inférieure au taux susceptible de provoquer l'inflammation du mélange gazeux aspirés par le groupe de pompage.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite à titre d'exemple d'une installation de découpe laser conforme à l'invention, et de son utilisation pour réaliser des découpes dans une tôle en acier épaisse.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 et 2 illustrent les problèmes rencontrés lors de la découpe laser selon la technique antérieure, déjà expliqués précédemment,
- la figure 3 est une représentation schématique de l'installation de découpe laser conforme à l'invention, la figure 4 est une représentation simplifiée d'un système de masque destiné à obturer les saignées ou orifices déjà réalisés, pour limiter la section d'aspiration du fluide de refroidissement, la figure 5 est un graphique illustrant le domaine d'application du procédé, limité par une courbe indiquant, en fonction de l'épaisseur de la tôle à découper, la valeur de la pression absolue à maintenir sous la tôle, lorsque la pression au dessus de la tôle du côté de la tête de découpe est la pression atmosphérique.
L'installation de découpe laser représentée figure 3, pour la découpe dans une tôle d'acier 1, comporte une tête de découpe laser 10 de type connu en soi. Cette tête de découpe schématisée sur le dessin, comporte une buse d'injection d'oxygène 13 de diamètre 2 mm, alimentée sous une pression relative de 1 bar, au centre de laquelle passe le faisceau laser F. Ce faisceau est généré par un laser à gaz continu, par exemple un laser à C02, ayant une puissance de 2 à 3 KW, et une distance focale réglée à 250 mm.
Sous la tête de découpe 10, est disposé un caisson d'aspiration 20 ouvert vers le haut et portant à la périphérie de son ouverture un joint 21. Lors de la découpe, le caisson 20 est appliqué contre la face inférieure de la tôle, le joint 21 assurant l'étanchéité entre celle-ci et le caisson. Pour des découpes localisées de petites dimensions inférieures à celles de l'ouverture du caisson, la tôle 1 et le caisson peuvent être fixes, et la tête de découpe est alors déplacée en suivant le tracé des découpes à réaliser. Pour des découpes sur des zones de plus grandes dimensions, la tête de découpe et le caisson peuvent être fixes, et c'est alors la tôle qui est déplacée tout en restant maintenue au contact du joint d' étanchéité. Pour des découpes dans des tôles épaisses et de grandes dimensions, par exemple 2 m x 6 m, on préférera garder la tôle fixe reposant sur des supports adéquats, et on déplacera alors simultanément la tête de découpe et le caisson, parallèlement au plan de la tôle. Une conduite 19 d'amenée d'un fluide de refroidissement tel que de l'eau débouche au dessus de la tôle à découper, à côté de la tête de découpe, le débit d'eau étant suffisant pour que l'eau recouvre la surface de la tôle dans une zone suffisamment étendue autour du faisceau laser.
Le caisson 20 est relié par une conduite d'aspiration 22, munie d'une vanne d'isolement 23, à un ensemble de cuve d'accumulation 24, relié lui-même à un groupe d'aspiration 25, via un filtre 26 séparateur d'impuretés et de liquides. Ce groupe est équipé d'une pompe aspirante ayant un débit important, par exemple de 500 à 700 m3/h, et permettant d'obtenir une pression absolue à l'aspiration de 0.5 bars ou moins. Ce groupe d'aspiration permet d'obtenir dans les cuves d'accumulation 24 et dans le caisson 20 une pression absolue réglable par exemple de 0.7 à 0.5 bars en fonction notamment de l'épaisseur de la tôle 1. Le grand volume des cuves d'accumulation permet d'assurer le maintien dans celles-ci et dans le caisson 20 d'une dépression sensiblement constante malgré les variations de débit pouvant survenir lors de la découpe, et permet notamment de générer très rapidement la dépression requise dans le caisson 20 dès l'ouverture de la vanne d'isolement 23. Les cuves d'accumulation sont reliées via des vannes d'isolement 27 à une cuve de récupération des condensats 28, sur laquelle est également raccordée le filtre 26.
Le caisson 20 est également relié par une vanne 29 à un dispositif, non représenté, permettant d'injecter dans le caisson un fluide de refroidissement, par exemple un brouillard d'eau, qui sert au refroidissement du caisson 20 et des gaz résultants de l'opération de découpe, et qui a également un effet modéré de refroidissement de la face inférieure de la tôle. On notera que cette injection de fluide de refroidissement n'est nullement similaire avec le refroidissement, évoqué dans l'introduction de ce mémoire, de la zone de coupe par des jets dirigés vers cette zone par le dessous. L'utilisation de tels jets de liquide sous une dépression aussi forte que celle selon l'invention conduirait à devoir aspirer des quantités de liquide excessivement importantes. L'invention permet justement de s'affranchir de ces problèmes .
Une autre vanne 30 met en communication le caisson 20 avec l'atmosphère ambiante, et permet l'entrée de l'air ambiant dans le caisson sous l'effet de la dépression qui y est générée par le groupe d'aspiration. L'ouverture de cette vanne, et donc le débit d'air entrant dans la cuve peut être régulé pour maintenir sensiblement constante la dépression dans le caisson. Cette régulation peut être réalisée directement à partir d'une mesure de pression dans le caisson. On notera que cette régulation est nécessaire, compte tenu du débit constant du groupe d'aspiration, pour maintenir constantes au cours de la découpe les conditions de circulation de l'eau de refroidissement dans la saignée découpée, malgré la variation de section ouverte du trait de coupe ou des trous réalisés dans la tôle, résultant de la progression de la coupe.
Selon un mode de régulation particulier, le réglage de l'ouverture de la vanne 30 sera effectué en fonction de la position du laser par rapport à la tôle grâce à une programmation préalable reliant cette position à la longueur linéaire du trait de coupe effectué, ou plus généralement, à la section ouverte dans la tôle par la découpe.
Un procédé typique de réalisation d'une découpe se décompose en deux phases.
Une phase d'amorçage est effectuée préalablement à la découpe proprement dite. Au cours de cette phase, on réalise dans la tôle un trou d'amorçage de petit diamètre, par exemple de 0,5 à 0,6 mm. Pour cet amorçage, on remplace provisoirement la tête de découpe à laser CO2 par un laser à impulsion, par exemple un laser Y.A.G. capable de fournir une énergie spécifique très importante (103 à 104 J/cm2) avec une densité de puissance de 107 à o n
10 W/cm , favorisant le perçage du trou d'amorçage en pleine tôle, en limitant 1 'échauffement de celle-ci. Cet amorçage pourrait également être réalisé au moyen d'un laser CO2 en mode impulsionnel, mais on ne pourrait alors réaliser un trou d'aussi petit diamètre.
La phase de découpe est ensuite effectuée, à partir du trou d'amorçage, conformément au procédé selon l'invention. Pour le démarrage de la coupe, le groupe d'aspiration 25 étant en service et créant une dépression dans le caisson d'aspiration 20, on ouvre la vanne 30 pour obtenir la dépression requise dans le caisson, par exemple 0,5 bars, puis, au cours de la découpe, le dispositif de régulation referme alors progressivement cette vanne, en fonction de la pression mesurée dans le caisson ou de la longueur du trait de coupe réalisé, comme cela a été indiqué précédemment. A titre indicatif, la vitesse de coupe est de l'ordre de 0,7 m/min dans des tôles d'acier de 10 mm d'épaisseur, 0,5 m/min pour une épaisseur de 20 mm, et de 0,3 m/min pour des tôles de 25 mm. Selon un mode de réalisation, particulièrement adapté lorsque l'on souhaite éviter de déplacer le caisson par rapport à la tôle, ce qui implique l'utilisation d'un caisson ayant une ouverture de grande dimension, le dispositif comporte autour de la tête de découpe des masques de recouvrement du produit pour obturer les orifices ou traits de coupe déjà réalisés. Ce mode de réalisation permet de déplacer la tête de découpe, par rapport au caisson et à la tôle, sur de grandes distances, en limitant la section ouverte des traits de coupe ou orifices déjà réalisés dans la tôle, puisque toutes les découpes éloignées de la tête de coupe sont recouvertes par les dits masques. La figure 5 illustre schématiquement une telle réalisation, dans laquelle les masques sont constitués de tapis 40, par exemple en caoutchouc, qui s'enroulent ou se déroulent sur des tambours 41 liés à la tête de découpe 10 en fonction des déplacements de celle-ci.
Le dessin de la figure 6 illustre le domaine d'application du procédé selon l'invention en fonction de l'épaisseur du produit découpé. La courbe 60 établie expérimentalement, définit la dépression minimale requise (les valeurs indiquées en ordonnées sont les valeurs de pression absolue P sous la tôle, considérant que la pression au dessus de la tôle est la pression atmosphérique de 1 bar) en fonction de l'épaisseur e de la tôle. Le domaine hachuré situé sous cette courbe est le domaine de validité du procédé.
Une dépression de 0,5 bars donne les meilleurs résultats dans le cas d'une coupe d'acier d'épaisseur supérieure à 15 mm. Une dépression de 0,25 bars (soit une pression absolue de 0,75 bars) permet cependant de réaliser des trous de faible diamètre, par exemple 3 mm, dans une épaisseur d'acier de 10 mm.
Bien que la description qui précède ait été faite relativement à la découpe de tôles d'acier planes, le procédé selon l'invention s'applique également à la découpe dans d'autres produits non plans, tels que des pièces tubulaires ou de forme complexe. Il s'applique également à la découpe dans d'autres matériaux, tels que aciers faiblement alliés, aciers au manganèse, aciers revêtus (par exemple tôle d'acier E36 de 8 mm d'épaisseur avec une couche de fonte au chrome de 5 mm) , ou céramiques .
A titre d'exemples, le procédé selon l'invention a permis de réaliser dans de tôles de 10, 15 et 20 mm d'épaisseur en acier fortement alliés résistant à l'abrasion et en acier au manganèse, et dans des tôles composites (tôles en acier rechargées avec une couche à base de fonte au chrome) d'épaisseur 5 + 3 mm, 8 + 4 mm et 10 + 5 mm, les découpes suivantes :
- trous oblongs de 30 X 15 mm, avec dépouille de 7°, séparés par 8 mm de métal en surface supérieure (côté de la tête de découpe) ; trous oblongs de 30 X 8 mm, sans dépouille, séparés par 4 mm de métal ;
- trous oblongs de 15 X 5 mm, avec dépouille de 7°, séparés par 5 mm de métal en surface supérieure ;
- trous oblongs de 8 X 3 mm et 13 X 3 mm, sans dépouille, séparés par 2 mm de métal ; - trous en forme de goutte d'eau, de longueur 26 mm et de diamètre 5 mm à une extrémité et 3 mm à l'autre extrémité, avec dépouille de 7°, séparés par 6 mm de métal en surface supérieure ;
- trous en forme de goutte d'eau, de longueur 26 mm et de diamètre 5 mm à une extrémité et 3 mm à 1 ' autre extrémité, sans dépouille, séparés par 3 mm de métal ;
- trous de forme carrée de 15 X 15 mm avec angles arrondis de 1,5 mm de rayon, avec dépouille de 7°, séparés par 8 mm de métal en surface supérieure ;
- trous de forme carrée de 15 X 15 mm avec angles arrondis de 1,5 mm de rayon, sans dépouille, séparés par
6 mm de métal ;
- trous de 6 mm de diamètre au pas de 8 mm, sans dépouille ;
- trous de 10 mm de diamètre avec dépouille de 7°, au pas de 17 mm ; ainsi que des trous oblongs de 30 X 15 mm avec dépouille de 7° dans des tôles d'acier fortement alliés résistant à l'abrasion de 30 mm d'épaisseur.

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé de découpe laser utilisant une tête de découpe comportant une source de rayon laser et une buse d'apport d'oxygène, caractérisé en ce que, en vue d'effectuer des découpes dans des produits épais en alliage fer-carbone ou céramique, on apporte sur la surface du produit à découper située du côté de la tête de découpe un fluide de refroidissement et on génère de l'autre côté du produit une dépression, par rapport à la pression existante du côté de la tête de découpe, supérieure ou égale à 0.25 bars.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour un produit d'épaisseur supérieure à 10 mm, la dépression est supérieure ou égale à 0,01 x e + 0,15 où e est l'épaisseur du produit en mm.
3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser est un laser à Œ>2 ou CO, ou YAG.
4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est une solution ou une émulsion aqueuse.
5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, préalablement à la découpe, on réalise un trou d'amorçage au moyen d'un laser à impulsion.
6) Dispositif de découpe laser pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte : - une tête de découpe (10) comportant une source de rayon laser et une buse d'apport d1 oxygène (13 ) , - un conduit (19) d'amenée d'un fluide de refroidissement sur la surface du produit à découper, débouchant à côté de la tête de découpe,
- un caisson d'aspiration (20) relié à un groupe d'aspiration (25) et comportant une ouverture située en face de la tête de découpe et pourvue à sa périphérie d'un joint d'étanchéité (21) destiné à être placé contre la surface du produit (1) à découper opposée à la tête de découpe, - des moyens de régulation de la dépression générée dans le dit caisson par le dit groupe d'aspiration pour maintenir la dite dépression à une valeur supérieure ou égale à 0.25 bars.
7) Dispositif de découpe laser selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de régulation de la dépression comportent une vanne de décharge (30) raccordée sur le caisson, pour mettre l'intérieur du caisson en communication avec l'atmosphère ambiante et des moyens de régulation de l'ouverture de la dite vanne de décharge en fonction de la section ouverte des orifices ou traits de coupe réalisés par la découpe dans le produit .
8) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le caisson (20) comporte une vanne (29) d'entrée d'un fluide de refroidissement.
9) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte autour de la tête de découpe des masques (40) de recouvrement du produit pour obturer les orifices ou traits de coupe déjà réalisés.
10) Application du procédé selon la revendication 1 à la découpe dans des produits épais d'orifices dont la section à une dimension inférieure ou égale à l'épaisseur du dit produit.
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