FR2469975A1 - Procede et dispositif pour couper des materiaux a l'aide d'un faisceau laser - Google Patents

Abstract

PROCEDE ET DISPOSITIF PERMETTANT, A L'AIDE D'UN FAISCEAU LASER, DE COUPER, SOUDER, PERCER, USINER, ETC., DES MATERIAUX, LE DISPOSITIF COMPRENANT UNE LENTILLE CONCENTRANT LE FAISCEAU LASER SUR LA SURFACE DE LA PIECE A FACONNER ET UNE BUSE POUR AMENER AU FOYER OU POINT DE CONVERGENCE AINSI PRODUIT, COAXIALEMENT AU FAISCEAU LASER, UN GAZ INERTE OU REACTIF. LE FOYER 4 PEUT ETRE DEPLACE RIGOUREUSEMENT DANS LA DIRECTION DE L'AXE DU FAISCEAU LASER 1, PAR RAPPORT A UN POINT DE REFERENCE FIXE. LA SURFACE DE LA PIECE 5 EST REFROIDIE AU NIVEAU ET AU VOISINAGE IMMEDIAT DU FOYER 4 PAR UN AGENT DE REFROIDISSEMENT 17 DIRIGE SOUS LA FORME D'UN COURANT DE GAZ OU LIQUIDE CONCENTRIQUEMENT SUR CE FOYER. L'INVENTION EST APPLICABLE AU FACONNAGE DE METAUX, DE MATIERES SYNTHETIQUES, DU BOIS, ETC.

Description

La présente invention concerne un procédé permettant de couper des

matériaux à l'aide d'un faisceau laser, par fusion et par ignition, de les souder, couper par sublimation, percer,

marquer ou soumettre à un usinage de précision, le procédé con-

sistant à produire un faisceau laser, à le diriger, le concen- trer par une lentille et le projeter sur la surface de la pièce devant être traitée, et à fournir en même temps un gaz inerte

ou réactif au foyer ou point de convergence ainsi obtenu, coa-

xialement au faisceau laser. L'invention a également trait à

un dispositif, permettant à l'aide d'un faisceau laser de cou-

per des matières par fusion et par ignition, de les souder, cou-

per par sublimation, percer, marquer et soumettre à un usinage

de précision, comprenant une lentille convergente pour le fais-

ceau laser et une buse pour l'amenée d'un gaz.

Le façonnage de pièces en majeure partie planes au moyen d'un faisceau laser occupe dans le domaine de la fabrication une place de plus en plus importante en ce qui concerne la mise en forme de métaux, de matières synthétiques, du bois, etc.

Il s'agit là, dans une certaine mesure à l'instar de la techni-

que classique de soudage autogène et d'oxycoupage au chalumeau, de concentrer sur la surface de la pièce un faisceau laser guidé dans un système optique et de permettre ainsi à la matière à façonner d'être chauffée localement de façon qu'elle fonde, se

vaporise ou soit brûLlée. Généralement, la concentration du fais-

ceau laser est réalisée par un miroir concave ou par une lentill et on dispose coaxialement au cène du faisceau une buse le plus souvent également conique pour amener du gaz inerte ou réactif sur la surface de la pièce. Des procédés et dispositifs de ce genre sont décrits dans diverses publications (voir par exemple la revue VDI-Z 119 (1977) NI 20, octobre, pages 967 et suivantes

Pour que le procédé à faisceau laser fonctionne correc-

tement, il faut essentiellement que, d'une part, il existe la plus grande liberté possible en ce qui concerne la position du

foyer ou point de convergence par rapport à la pièce et à d'au-

tres points de référence tels que la tète à buse, etc. et que,

d'autre part, la zone d'échauffement de la pièce soit aussi ré-

duite que possible. Ces conditions ne sont remplies que très

imparfaitement par les dispositifs connus. On cherche à satis-

faire la première exigence en utilisant une lentille montée dans une bague taraudée de façon à être par rotation réglable

en hauteur. Cependant, en raison de défauts de symétrie inévi-

tables de la lentille et/ou de sa-monture ainsi que par suite du "jeu" obligatoirement accepté en ce qui concerne la fixation

de la lentille, la position de l'axe du faisceau laser se trou-

ve ainsi modifiée de sorte qu'un nouveau réglage et réajustage de l'appareil s'impose. Sinon, le fait que le fasceau laser rase la paroi intérieure de la buse et se trouve réfléchi par cette paroi a pour effet de consommer en partie son énergie, et sa concentration précise sur la surface de la pièce devient alors impossible. La seconde condition n'est le plus souvent pas remplie de sorte qu'en général des angles à arêtes vives de la pièce observée en plan ne peuvent pas être exécutés de façon nette et précise en raison de l'accumulation de chaleur

qui se produit.

L'invention à pour but de fournir un procédé-et un dis-

positif qui permettent à la position du foyer (tache focale)

du faisceau laser par rapport à la surface de la pièce, par rap-

port à la buse et par rapport aux pieds d'appui ou à l'organe

détecteur de hauteur, ou à un autre point de référence appro-

prié, d'être déplacée de manière simple dans la direction de l'axe du faisceau laser sans que cela nécessite un réajustage

en ce qui concerne les coordonnées de la pièce.

L'invention a en outre pour but d'indiquer comment l'é-

tendue des zones d'échauffement de la pièce peut être réduite et notamment la façon dont l'accumulation de chaleur en des

endroits critiques peut être évitée.

L'invention est décrite plus en détail ci-dessous en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'un dispositif à faisceau laser suivant l'invention; la figure 2 est une coupe longitudinale de l'équipement optique d'une tête de coupe à faisceau laser; la figure 3 représente en perspective l'ensemble formant buse de la tête de coupe avec quatre tubes pour l'amenée de

l'agent de refroidissement à la pièce; -

la figure 4 est une vue en élévation, partiellement en coupe longitudinale, de l'ensemble formant buse comportant une buse conique pour amener l'agent de refroidissement à la pièce; et la figure 5 est une coupe transversale de la partie

annulaire de la buse conique de la figure 4.

Sur la figure 1 est représenté schématiquement, en

coupe longitudinale, un dispositif à faisceau laser particu-

lièrement approprié au coupage par fusion et par ignition ou brûlage. La lentille convergente 2 disposée dans-une monture 3 concentre le faisceau laser 1 reçu au foyer ou tache focale 4 au niveau de la surface de la pièce 5, laquelle est par exemple en l'occurance une tble plane. Dans l'enveloppe 6 est monté coaxialement au faisceau laser 1 un ensemble qui, constitué

par une douille extérieure 7 et une douille intérieure 8, peut-

être déplacé dans la direction longitudinale du faisceau laser 1 par rapport à l'enveloppe 6. Entre les deux douilles 7 et 8 placées l'une dans l'autre de façon à obtenir une étanchéité parfaite se trouve un canal 9 destiné au refroidissement de la lentille et par lequel s'écoule un agent de refroidissement liquide ou gazeux 11 qui est amené par l'intermédiaire de la tubulure de raccordement 10, cette dernière pouvant en même

temps servir de tubulure de guidage dans une rainure corres-

pondante de l'enveloppe 6. Le canal de refroidissement 9 peut

être réalisé sous forme de canal annulaire ou il peut être cons-

titué par plusieurs rainures ou stries parallèles à l'axe lon-

gitudinal du faisceau laser ou bien se présenter sous une autre forme quelconque. De l'eau est utilisée de préférence en tant que fluide de refroidissement 11. Dans l'enveloppe 6 est montée une bague de réglage 12 présentant un taraudage qui est en prise

avec un filetage extérieur correspondant de la douille exté-

rieure 7. Par rotation-de la bague de réglage 12, l'ensemble

des deux douilles 7, 8 et conséquent également la lentille con-

vergente 2 peuvent être déplacés parallèlement à l'axe longi-

tudinal du faisceau laser 1 par rapport à un point de référence

donné situé sur cet axe, sans pour autant provoquer un bascule-

ment de la lentille convergente. Sur la bride inférieure de l'enveloppe 6, se trouve la buse 13 munie d'une tubulure de raccordement 14 pour l'amenée du gaz. En tant que gaz 15 peut être utilisé selon le procédé envisagé par un gaz inerte (Ar, N2) ou un gaz réactif (02). A la partie inférieure de la buse 13 se trouve le moyen d'amenée 16 pour le fluide destiné

à refroidir la pièce. Le moyen d'amenée 16 est tel que le flui-

de 17 pour le refroidissement de la surface de la pièce 5 soit dirigé, au voisinage immédiat du foyer ou point de convergence 4,

concentriquement sur celui-ci. En conséquence, le moyen d'ame-

née 16 peut être constitué par plusieurs tubes situés sur la périphérie d'un cbne ou être réalisé sous la forme d'un canal annulaire en forme de cône, le sommet du cône virtuel étant situé dans le foyer ou tache focale 4. En tant que fluide de refroidissement 17 peut être utilisé principalement un fluide

gazeux ou liquide, de préférence de l'eau.

La figure 2 montre une coupe longitudinale d'une forme de réalisation pratique de l'équipement optique d'une tête de coupe à faisceau laser, comportant la lentille réglable 2 de la figure 1 (non représentée sur la figure 2). L'enveloppe est en deux parties et est constituée de l'enveloppe proprement

dite 6 et de la partie supérieure d'enveloppe 18 qui sont main-

tenues ensemble au moyen de six vis non représentées (de pré-

férence des vis à six pans intérieurs parallèles à l'axe opti-

que). Les parties 6 et 18 présentent de préférence une section intérieure circulaire et une section extérieure carrée mais peuvent en principe présenter des sections limites polygonales ou partiellement polygonales, partiellement circulaires ou elliptiques quelconques. En général, ces éléments constitutifs sont en alliages d'aluminium arin de réduire leurs poids et d'économiser des frais de façonnage. Pour obtenir un guidage rigoureusement parallèle des douilles 7 et 8 et permettre de

recevoir les raccords 10 pour l'amenée de l'agent de refroidis-

sement, qui servent en même temps de tubulures de guidage, l'en-

veloppe 6 est munie d'une fente de guidage-31 parallèle à son

axe longitudinal. En outre, elle présente un évidement rectan-

gulaire 29 pour une échelle graduée 30 sur laquelle peut être lue la position relative des douilles 7, 8. La partie supérieure d'enveloppe 18 présente dans deux zones diamétralement opposées un évidement 19 permettant de tourner manuellement la bague de réglage 12 montée dans la partie supérieure 18 et munie dans ce but d'un moletage 21. La position relative de la bague de réglage 12 peut être lue sur l'échelle graduée 22 en regard d'un repère fixe prévu dans l'enveloppe 6. La bague de réglage 12 présente un taraudage 20 avec lequel est en prise le filatage 23 de la douille extérieure 7. Cette dernière est rendue étanche par rapport à l'enveloppe 6 par l'intermédiaire d'une bague

d'étanchéité 24 (de préférence une bague torique). Avantageuse-

ment, la bague de réglage 12 est en laiton (chromé) et la

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douille extérieure 7 en acier résistant à la corrosion. Du côté supérieur la douille extérieure 7 est munie d'un anneau obturateur 25 (circlip). L'ajustement entre l'enveloppe 6 et la douille extérieure 7 est tel que cette dernière peut dans des conditions d'étanchéité parfaite être déplacée parallèle-

ment à l'axe optique manuellement à, l'aide de la bague de ré-

glage 12 (de préférence H7). La douille intérieure 8 mise en place avec un ajustement rigoureux par l'intermédiaire des

bagues d'étanchéité 26 (bagues toriques) présente sur sa péri-

phérie extérieure des canaux de refroissement 9 qui dans le présent cas sont réalisés en tant que rainures en forme de méandres 27, une partie rectiligne située sur une génératrice

étant suivie d'une partie incurvée progressant sur la péri-

phérie. Ces canaux de refroidissement peuvent également affec-

ter une autre forme, comme par exemple celle de rainures paral-

lèles ou de sillons hélicoïdaux. La douille intérieure 8 pré-

sente sur sa face intérieure un taraudage ininterrompu 28 en vue de la fixation de la lentille 2 par l'intermédiaire de la monture 3 (figure 1). Cela permet d'équiper le dispositif de lentilles présentant des distances focales très variées, sans que la géométrie extérieure du faisceau laser arrivant 1

(figure 1) ait besoin d'être modifié. Le réglage précis s'effec-

tue au moyen de la bague de réglage 12. La douille intérieure 8 est de préférence également en alliage d'aluminium. Dans le

cas de la forme de construction représentée il s'agit de douil-

les en forme de cylindres creux 7, 8. la section circulaire n'est cependant pas la seule forme couramment adoptée et on

peut évidemment aussi prévoir des sections carrées, hexagona-

les, octogonales ou autres (composées par exemple de droites et d'arcs de cercle), le principe de la liaison filetée étant

toutefois conservé pour les endroits concernés (20 et 23).

La figure 3 montre en perspective (tourné par rapport à la position de service) un ensemble formant buse de la tête de coupe à faisceau laser avec quatre tubes d'amenée pour

l'agent de refroidissement 17 (suivant la figure 1). L'envelop-

pe 6 est munie de la bride 32 qui porte la buse 13 proprement dite avec l'orifice 33 pour le faisceau laser et la sortie du gaz inerte ou réactif 15 (suivant la figure 1). A la suite du raccord 16 pour l'amenée du fluide destiné à refroidir la pièce s'étendent les quatre tubes d'amenée 34 pour les jets de fluide de refroidissement qui sont situés sur la périphérie d'un cône virtuel dont le sommet coïncide avec la tache focale 4

(voir la figure 1). Ainsi les jets de fluide de refroidisse-

ment sont projetés concentriquement sur la surface de la pièce située au voisinage immédiat de la tache focale 4.

On peut bien entendu aussi prévoir un agencement com-

portant un autre nombre (par exemple un, deux, trois, six, huit, etc.) de tubes d'amenée 34. Le choix de ce nombre dépend

surtout de la puissance du laser et de l'épaisseur de la pièce.

La figure 4 est une vue en élévation, partiellement en

coupe longitudinale, d'une autre forme de réalisation d'un en-

semble formant buse comportant une buse conique. La buse 13 est reliée, de manière fixe et étanche aux gaz, à l'enveloppe 6 au moyen de la bride 32, et elle présente à nouveau l'orifice 33 de buse. Le faisceau laser 1 non représenté en l'occurence (voir la figure 1) produit sur la pièce 5 (voir la figure 1) le foyer ou point de convergence 4. Concentriquement à l'axe de la buse est monté autour de cette dernière un élément 35 destiné à l'amenée du fluide de refroidissement et dans lequel débouche le raccord 16. Dans l'élément 35 est ménagé un canal annulaire torique 36 pour le fluide de refroidissement 17

(suivant la figure 1). Au canal annulaire 36 fait suite en di-

rection du Doint de convergence 4 une buse conique 37 permettant d'obtenir un voile conique de fluide de refroidissement qui atteint la surface de la pièce concentriquement au niveau de

la tache Locale 4 des rayons laser.

la figure 5 représente en coupe l'élément ou bague 35 définissant la buse conique 37 suivant la figure 4. Les autres

désignations correspondent à celles de la figure 4.

Les conditions de fonctionnement illustrées à l'aide des

figures pour la position verticale du dispositif sont applica-

bles de manière analogue à des travaux effectués avec le dispo-

sitif placé obliquement. En pratique le dispositif peut être utilisé d'une manière pleinement satisfaisante, par exemple pour effectuer un perçage ou un usinage de précision, dans des positions faisant un angle allant jusqu'à + 800 avec une

droite perpendiculaire à la pièce.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1 - Procédé permettant, à l'aide d'un faisceau laser, de couper des matériaux par fusion et par ignition, de les souder, couper par sublimation, percer; marquer ou soumettre à un usinage de précision, dans lequel on produit un faisceau laser, on le dirige, on le concentre par une lentille et on le projette sur la surface de la pièce devant être façonnée, et dans lequel en outre on dirige en même temps sur le foyer ou tache f.ocale ainsi obtenu, coaxialement au faisceau laser, un gaz inerte ou réactif, caractérisé en ce que la tache focale

(4) des rayons laser peut, sans correction latérale addition-

nelle des coordonnées de la pièce et/ou de l'orifice (33) d'une buse pour la sortie du faisceau laser, être déplacée dans la direction de l'axe (1) du faisceau laser par rapport à un

point de référence fixe situé sur cet axe et en ce que la sur-

face de la pièce (5) est refroidie au niveau de la tache focale

(4) et au voisinage immédiat de celle-ci par un agent de refroi-

dissement (17) envoyé concentriquement en direction de cette

tache focale sous la forme d'un courant de gaz et/ou de liquide.

2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la tache focale (4) est déplacée en faisant coulisser

l'organe de concentration optique (2) de façon purement paral-

lèle à lui-même dans la direction longitudinale du faisceau

laser (1).

3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise, en tant qu'agent de refroidissement (17) de la pièce, au moins un jet de liquide situé sur une enveloppe conique d'un cône coaxial au faisceau laser (1) et dont le

sommet coïncide au moins approximativement avec la tache foca-

le (4).

4 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de liquide servant d'agent de refroidissement (17) pour la pièce présente la forme d'un voile ininterrompu situé sur l'enveloppe d'un cône dont le sommet coîncide au moins approximativement avec la tache focale (4) des rayons laser. - Dispositif à faisceau laser permettant de couper des matériaux par fusion et par ignition, de les souder, couper par sublimation, percer, marquer ou soumettre à un usinage de précision, comprenant une lentille de concentration du faisceau laser et une buse pour l'amenée d'un gaz, caractérisé en ce que la lentille de concentration (2) est montée de façon à pouvoir être déplacée, (sans possibilité de basculement),dans la direction de l'axe optique coaxialement au faisceau laser (1), en étant montée de manière fixe dans une douille (7, 8) qui, réglable dans la direction de son axe longitudinal au moyen d'une bague de réglage taraudée (12), est à son tour montée

avec un ajustement précis dans une enveloppe (6) dont la sec-

tion intérieure correspond à la section extérieure de la douille

(7, 8).

6 - Dispositif à faisceau laser suivant la revendica-

tion 5, caractérisé en ce que la douille (7, 8) et l'enveloppe (6) présentent chacune une section en forme de cylindre creux et en ce que la douille présente un taraudage ininterrompu (28)

destiné à recevoir la monture-de la lentille.

7 - Dispositif à faisceau laser suivant la revendica-

tion 5, caractérisé en ce que la douille est constituée par une douille intérieure (8) et une douille extérieure (7) dont la première présente sur sa périphérie extérieure des rainures en forme de méandres (27) situées chacune sur une génératrice en ce qui concerne leur partie rectiligne parallèle à l'axe optique et communiquant continuellement entre elles, lesquelles rainures forment avec la-douille extérieure (7) un canal de

refroidissement ininterrompu (9) qui est alimenté avec un flui-

de de refroidissement liquide ou gazeux (11) pour le refroidis-

sement de la lentille.

8 - Dispositif à faisceau laser suivant la revendica-

tion 5 ou 7, caractérisé en ce que la bague de réglage (12) est en laiton, la douille intérieure (8) et l'enveloppe (6) en un alliage d'aluminium et la douille extérieure (7) en un acier résistant à la corrosion et en ce qu'il est prévu, entre la douille intérieure (8) et la douille extérieure (7), deux bagues d'étanchéité (26) et un anneau de retenue (25) , et, entre la douille extérieure (7) et l'enveloppe (6), une seule

bague d'étanchéité (24).

9 - Dispositif à faisceau laser permettant de couper

des matériaux par fusion et par ignition, de les souder, cou-

per par sublimation, percer, marquer ou soumettre à un usinage de précision, comprenant une lentille de concentration du faisceau laser et une buse pour l'amenée d'un gaz, caractérisé en ce que la buse (13) est en outre munie d'au moins un tube (34) destiné à l'amenée d'un fluide de refroidissement (17) et situé sur la périphérie d'un ctne de façon à être dirigé vers la tache focale 4, le sommet de ce cône virtuel coïncidant au moins approximativement avec -la tache focale 4. - Dispositif à faisceau laser permettant de couper des matériaux par fusion et par ignition, de les souder, couper par sublimation, percer, marquer ou soumettre à un usinage de précision, comprenant une lentille de concentration du faisceau laser et une buse pour l'amenée d'un gaz, caractérisé en ce que la buse (13) est en outre munie d'une buse (37) destinée à l'amenée d'un fluide de refroidissement (17) et faisant suite

à un canal annulaire 36 en étant limitée par deux faces coni-

ques coaxiales au faisceau laser (1).