FR2637523A1 - Method of manufacturing filters by laser treatment and device for implementing it - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE FABRICATION DE FILTRES PAR TRAITEMENT
AU LASER ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE
La présente invention concerne la technologie et l'équi- pement pour un traitement au laser, un procédé de fabrication de filtres par traitement au laser et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé; plus particulièrement, elle concerne la fabrication des filtres, utilisés pour l'extrac- tion de l'eau des puits profonds, par coupe de métaux au laser avec utilisation d'un jet de gaz, dirigé vers la zone d'usinage, combiné avec l'action du rayonnement laser.PROCESS FOR MANUFACTURING FILTERS BY TREATMENT
A LASER AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THE SAME
The present invention relates to the technology and equipment for laser treatment, a method of manufacturing filters by laser treatment and a device for carrying out this method; more particularly, it relates to the manufacture of filters, used for the extraction of water from deep wells, by laser cutting of metals using a jet of gas, directed to the machining area, combined with the action of laser radiation.
Les filtres fabriqués conformément à l'invention peuvent trouver l'application la plus avantageuse à l'extraction de l'eau par la méthode d'infiltration, au moyen de puits artésien, ainsi que dans des puits de sondage pour étudier les eaux souterraines. Les filtres de prise d'eau fabriqués par ce procédé peuvent être utilisés dans des couches aquifères à gros grains ou petits grains, à diverses profondeurs. The filters produced according to the invention can find the most advantageous application to the extraction of water by the infiltration method, by means of artesian wells, as well as in boreholes to study the groundwater. The intake filters manufactured by this process can be used in coarse or small grain aquifers at various depths.
En outre, la présente invention peut être utilisée d'une façon efficace pour la fabrication de filtres destinés aux systèmes de répartition et de drainage, pour les systèmes thermiques et énergétiques, de filtres servant à la purification chimique et mécanique de l'eau, à l'irrigation par tubes suspendus, utilisés dans les puits d'extraction du pétrole et du gaz,
A l'heure actuelle, il existe près d'une centaine de types de filtres : à crépine, en fil, à trous, à fentes et autres et, donc, une multitude de procédés pour les fabriquer.In addition, the present invention can be effectively used for the manufacture of filters for distribution and drainage systems, for thermal and energy systems, filters for the chemical and mechanical purification of water, suspended tube irrigation, used in oil and gas wells,
At present, there are nearly a hundred types of filters: strainer, wire, holes, slits and others and, therefore, a multitude of processes to manufacture them.
Cependant, dans la plupart des cas, les procédés de fabrication existants pour ces filtres ne permettent pas de les fabriquer de facon simple ni avec une fiabilité suffisante quant à leur structure. De plus, ces filtres ont un faible rendement, notamment parce que la surface de prise d'eau des filtres est constituée de plusieurs couches : carcasse tubulaire munie d'orifices, guides d'acier, couche de crépine et de fil. However, in most cases, the existing manufacturing processes for these filters do not allow them to be manufactured in a simple manner or with sufficient reliability as to their structure. In addition, these filters have a low yield, in particular because the water intake surface of the filters consists of several layers: tubular carcass provided with orifices, steel guides, layer of strainer and wire.
Dans d'autres types des filtres destinés à des prises d'eau, a déjà été résolu le problème de l'obtention de fentes étroites, qui permet tant de simplifier la strucutre du filtre, et donc, de réaliser un filtre à un seul composant. Le procédé d'emboutissage et de madrinage utilisé à cette occasion permet d'obtenir des fentes étroites en V seulement dans les tôles d'acier minces, ce qui limite l'utilisation de tels filtres dans les puits profonds qui constituent 90% de tous les puits artésiens. In other types of filters intended for water intakes, the problem of obtaining narrow slots has already been solved, which makes it possible to simplify the structure of the filter, and thus to produce a single-component filter. . The process of stamping and storage used on this occasion allows to obtain narrow slits in V only in thin steel sheets, which limits the use of such filters in the deep wells which constitute 90% of all artesian wells.
A l'heure actuelle, les procédés existants ne permettent pas de fabriquer des filtres de prise d'eau en tubes d'acier à fentes minces à profil en V et qui présentent de bonnes caractéristiques hydrodynamiques. At the present time, the existing methods do not make it possible to manufacture thin-slit steel tube water intake filters with a V-profile and which have good hydrodynamic characteristics.
On connaît un procédé de fabrication de filtres par traitement au laser et un dispositif pour sa mise en oeuvre sous la forme d'une installation d'usinage laser de tubes au laser (JP=A-60 223962). Le procédé consiste à couper des tubes au laser, à traiter thermiquement leur surface et à pratiquer des orifices dans leurs parois. There is known a method of manufacturing filters by laser treatment and a device for its implementation in the form of a laser tube laser machining facility (JP = A-60 223962). The method involves cutting laser tubes, heat-treating their surface and making holes in their walls.
L'installation comporte divers éléments, des mécanismes assurant la fixation des tubes en position horizontales et leur déplacement par une table de travail suivant un axe de coordonnées X; un mécanisme de mise en rotation du tube autour de son axe selon deux directions opposés; une tête optique orientant le faisceau issu de la source de rayonnement laser vers la zone de traitement et le focalisant à l'endroit de l'usinage en une tache de diamètre déterminé. L'installation prévoit le déplacement de la tête dans le sens vertical et le long de l'axe du tube à l'aide d'une transmission à vis. The installation comprises various elements, mechanisms ensuring the fixing of the tubes in horizontal position and their displacement by a work table along an X coordinate axis; a mechanism for rotating the tube about its axis in two opposite directions; an optical head directing the beam from the laser radiation source to the treatment area and focusing at the machining site to a spot of a given diameter. The installation provides for the displacement of the head in the vertical direction and along the axis of the tube by means of a screw transmission.
L'inconvénient de ces procédés et installations connus est dû au fait que cette technique ne permet pas d'obtenir des fentes coniques parce que la focalisation du rayonnement laser en une tache de diamètre déterminé n'assure que la cote superficielle de l'orifice sans avoir d'influence sur la forme de la fente, en coupe tranversale, ni sur l'état de surface de ses parois. Le rendement de cette installation est fonction de la puissance du rayonnement laser et de la vitesse de déplacement du tube usiné qui doivent être limitées, si on veut conserver une bonne qualité de coupe. The disadvantage of these known methods and installations is due to the fact that this technique does not make it possible to obtain conical slots because the focusing of the laser radiation into a spot of a given diameter ensures only the surface dimension of the orifice without have influence on the shape of the slot, in cross section, nor on the surface condition of its walls. The efficiency of this installation is a function of the power of the laser radiation and the speed of displacement of the machined tube which must be limited, if we want to maintain a good quality of cut.
On connait également un dispositif de fabrication de filtres par traitement au laser se présentant sous la forme d'une installation automatisée pour couper des matériaux au laser à gaz (SU-A-958060), lequel dispositif comporte un laser à action continue, une lentille de focalisation, une tuyère d'amenée du gaz de travail dans la zone de coupe et une table de travail avec ses mécanismes d'entraînement, L'installation comporte également un circuit de commutation et deux capteurs de pression disposés sous la ligne de coupe. Le premier capteur est placé à une distance égale au rayon du faisceau laser focalisé par rapport à son axe dans le sens opposé à celui de la coupe, l'autre capteur est déplacé par rapport au premier dans le même sens à une distance égale au diamètre du jet du gaz de travail sortant de l'ouverture de coupe.Les sorties des deux capteurs sont branchées, par l'intermédiaire du circuit de commutations, sur l'entrée du mécanisme de commande de la vitesse de la table de travail, ce qui permet de réaliser le réglage manuel et automatique de la vitesse de coupe. Aux régimes de coupe optimaux, la pièce est transpercée en une durée égale au temps de traversée par le faisceau laser d'une distance égale au diamètre du faisceau focalisé. La pièce est traversée sur la distance égale au rayon du faisceau laser focalisé selon son axe, dans le sens opposé à la coupe. There is also known a device for manufacturing filters by laser treatment in the form of an automated installation for cutting gas laser materials (SU-A-958060), which device comprises a continuous-action laser, a lens a feed nozzle for supplying working gas into the cutting zone and a working table with its drive mechanisms. The installation also comprises a switching circuit and two pressure sensors arranged under the cutting line. The first sensor is placed at a distance equal to the radius of the focused laser beam relative to its axis in the opposite direction to that of the cut, the other sensor is moved relative to the first in the same direction at a distance equal to the diameter. of the working gas stream leaving the cutting aperture.The outputs of the two sensors are connected, via the switching circuit, to the input of the speed control mechanism of the work table, which allows manual and automatic adjustment of the cutting speed. At optimal cutting speeds, the workpiece is pierced in a time equal to the time of crossing by the laser beam of a distance equal to the diameter of the focused beam. The piece is traversed over the distance equal to the radius of the laser beam focused along its axis, in the opposite direction to the section.
Le jet du gaz de laser sortant de l'ouverture de coupe passe alors entre les capteurs de pression sans les toucher. Pour des vitesses de coupe inférieures ou supérieures à la valeur optimale, la coupe se termine à une distance inférieure ou, respectivement, supérieure au rayon du faisceau laser focalisé. Le jet du gaz de travail (gaz de laser) sortant de l'ouverture de coupe s'écarte de la position initiale et touche le premier ou le deuxième capteur de pression.The jet of the laser gas leaving the cutting aperture then passes between the pressure sensors without touching them. For cutting speeds lower or higher than the optimum value, the cut ends at a smaller distance or, respectively, greater than the radius of the focused laser beam. The jet of the working gas (laser gas) exiting the cutting aperture deviates from the initial position and touches the first or second pressure sensor.
L'inconvénient principal d'une telle installation automatisée est qu'elle n'est pas prévue pour obtenir des fentes et des ouvertures de forme prédéterminée. L'utilisation des capteurs de pression pour contrôler le régime de coupe optimal crée des difficultés pour la fabrication des filtres sur une telle installation du fait qu'il faut couper une multitude de fentes et ouvertures disposées suivant la circonférence du tube et sur toute sa longueur. The main disadvantage of such an automated installation is that it is not intended to obtain slits and apertures of predetermined shape. The use of pressure sensors to control the optimal cutting speed creates difficulties for the manufacture of filters on such an installation because it is necessary to cut a multitude of slots and openings arranged along the circumference of the tube and over its entire length. .
Il existe un procédé de fabrication de filtres pour puits de forage par traitement au laser (US-A-4317023y, dans lequel, pour la fabrication de filtres à fentes tranversales, le faisceau laser est focalisé en un point se trouvant un peu au-dessus de la surface extérieure d'un tube plastique et où l'on peut tourner le tube autour de l'axe longitudinal. En traversant la surface extérieure du tube le faisceau laser conique évapore le matériau du tube en formant une fente orientée par ses parois divergentes du côté de l'axe central du tube. There is a method of manufacturing laser-drilled wellbore filters (US-A-4317023y) wherein, for the manufacture of transverse slot filters, the laser beam is focused at a point a little above of the outer surface of a plastic tube and where the tube can be rotated about the longitudinal axis.Through the outer surface of the tube, the conical laser beam evaporates the material of the tube forming a slot oriented by its diverging walls on the side of the central axis of the tube.
Le procédé de fabrication des filtres par coupe en rayonnement laser des matériaux diélectriques est basé sur l'évaporation superficielle du matériau sans formation de liquide; en l'absence de conduction thermique, toute l'énergie thermique sert à l'évaporation du matériau, et par conséquent, le profil de la fente obtenue correspond au profil du faisceau laser focalisé. L'épaisseur du matériau coupé est en dépendance directe avec l'énergie thermique du rayonnement. Les principes physiques de la coupe des métaux par le rayonnemnt laser différent radicalement de ceux de la coupe des matériaux diélectriques par le rayonnement laser. Pour réaliser la coupe des métaux, la présence d'un gaz de travail, par exemple, de l'oxygène, des gaz inertes, est obligatoire, ce procédé étant caractérisé par des réactions exothermiques qui se développent entre le métal fondu et le gaz de service. Le profil de coupe détermine dans ce cas l'intensité des réactions exothermiques qui dépendent des paramètres techniques du gaz de travail et du rayonnement laser ce qui ne permet pas d'obtenir des profils de formes prédéterminées. The method of manufacturing laser cutting filters of dielectric materials is based on the surface evaporation of the material without liquid formation; in the absence of thermal conduction, all the thermal energy is used for the evaporation of the material, and consequently, the profile of the slot obtained corresponds to the profile of the focused laser beam. The thickness of the cut material is in direct dependence with the thermal energy of the radiation. The physical principles of metal cutting by laser radiation differ radically from those of cutting dielectric materials by laser radiation. In order to carry out the cutting of metals, the presence of a working gas, for example, oxygen, inert gases, is obligatory, this process being characterized by exothermic reactions which develop between the molten metal and the carrier gas. service. In this case, the section profile determines the intensity of the exothermic reactions which depend on the technical parameters of the working gas and the laser radiation, which does not make it possible to obtain predetermined shape profiles.
L'invention vise à proposer un procédé de fabrication de filtres par traitement au laser et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, dans lesquels, en créant des conditions optimales d'introduction du rayonnement laser dans la substance et en contrôlant les paramètres du rayonnement, on pourrait obtenir des filtres meilleurs en service, avec des fentes d'infiltration d'eau en V (s'élargissant vers l'intérieur du filtre), tout en obtenant un très bon état de surface de la fente, et en augmentant le rendement du procédé de fabrication des filtres que l'on peut réaliser avec une conception simplifiée, en économisant les métaux non ferreux, en réduisant le nombre d'opérations techniques, en diminuant le prix de revient du filtre, tout en permettant de faire varier la largeur, la disposition et la forme du profil des fentes afin d'élargir les domaines d'application des filtres. The aim of the invention is to propose a process for manufacturing filters by laser treatment and a device for carrying out this process, in which, by creating optimal conditions for introducing the laser radiation into the substance and controlling the parameters radiation, better filters could be obtained in service, with V-shaped water infiltration slits (widening towards the inside of the filter), while obtaining a very good surface state of the slit, and increasing the efficiency of the manufacturing process of filters that can be achieved with a simplified design, saving non-ferrous metals, reducing the number of technical operations, reducing the cost price of the filter, while allowing to make vary the width, layout and shape of the slit profile to widen the range of applications of the filters.
Le problème posé est résolu du fait que dans le procédé de fabrication de filtres par traitement au laser selon l'invention, où l'on dirige sur la surface a' traiter de la pièce, pour former une ouverture découpée, un faisceau de rayonnement laser et un jet du gaz de travail, ledit rayonnement est focalisé en une tache focale et on déplace la pièce à usiner par rapport au faisceau du rayonnement laser, conformément à l'invention, la tache focale est située dans la pièce à une profondeur h1 par rapport à la surface de la pièce, de telle façon que:
h étant l'épaisseur de la pièce, et au moment ou l'on atteint l'amplitude maximale du volume de métal fondu dans l'ouverture de coupe, on introduit par impulsions périodiques dans ledit jet du gaz de travail des particules abrasives.The problem posed is solved by the fact that in the method of manufacturing filters by laser treatment according to the invention, where a part of the workpiece is directed to form a cut opening, a beam of laser radiation and a jet of the working gas, said radiation is focused into a focal spot and the workpiece is moved relative to the beam of the laser radiation, according to the invention, the focal spot is located in the workpiece at a depth h1 by relative to the surface of the room, so that:
h being the thickness of the workpiece, and at the moment when the maximum amplitude of the volume of molten metal in the cutting aperture is reached, abrasive particles are periodically pulsed into said working gas jet.
Le procédé revendiqué permet de fabriquer des filtres à fentes qui assurent une prise d'eau importante sans sablage des sols à granulométrie fines et grossière, autrement dit, les structures à fentes coniques dont les parois s'élargissent vers l'intérieur du filtre. Les parois des fentes coniques sont lisses et propres, les orifices ont un rayon de 10 à 15 ssm. La vitesse de coupe et, par conséquent, le rendement de la fabrication des filtres sont notablement accrus. The claimed method makes it possible to manufacture slotted filters which ensure a high water intake without sandblasting of the fine and coarse granulometric soils, that is to say the conical slit structures whose walls widen towards the inside of the filter. The walls of the conical slots are smooth and clean, the orifices have a radius of 10 to 15 ssm. The cutting speed and, consequently, the efficiency of filter production are significantly increased.
Il est avantageux de déposer sur la surface de la pièce à traiter, avant l'action du rayonnement laser, un revêtement absorbant dont la largeur est égale au diamètre de la tache focale du rayonnement et l'épaisseur est de l'ordre de 5 à 20um. It is advantageous to deposit on the surface of the part to be treated, before the action of the laser radiation, an absorbent coating whose width is equal to the diameter of the focal spot of the radiation and the thickness is of the order of 5 to 20um.
Le dépôt du revêtement absorbant en pistes étroites discrètes d'une épaisseur réglable permet de concentrer l'énergie du rayonnement laser aux endroits précis du traitement en augmentant le rendement de la coupe. The deposition of the absorbent coating into discrete narrow tracks of adjustable thickness allows the energy of the laser radiation to be concentrated at the precise locations of the treatment by increasing the efficiency of the cut.
Selon un mode de réalisation du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication de filtres avec dépôt du revêtement absorbant, ce dispositif comporte un laser, une tuyère avec un système optique de focalisation du rayonnement laser, une commande de déplacement linéaire et radial de la pièce à traiter, une buse d'amenée du gaz de travail dans la zone de traitement disposée à proximité immédiate de ladite tuyère avec un système optique de focalisation, et est caractérisé en ce qu'il comporte un mécanisme de commande du débit du revêtement absorbant, fixé à ladite tuyère avec un système optique de focalisation pouvant tourner autour de l'axe de ladite tuyère et s'arrêter durant la coupe, de façon que le centre dans orifice capillaire de sortie du mécanisme soit placé dans le même plan que l'axe optique dudut système de focalisation du rayonnement laser, en ce que pour l'introduction des particules abrasives dans la zone d'usinage, on utilise la buse d'amenée du gaz de travail. According to an embodiment of the device for implementing the process for manufacturing filters with deposition of the absorbing coating, this device comprises a laser, a nozzle with an optical system for focusing the laser radiation, a linear and radial displacement control of the workpiece, a nozzle for supplying the working gas into the treatment zone disposed in the immediate vicinity of said nozzle with an optical focusing system, and is characterized in that it comprises a control mechanism for the flow of the coating. absorber, attached to said nozzle with a focusing optical system rotatable about the axis of said nozzle and stopping during cutting, so that the center in the outlet capillary orifice of the mechanism is placed in the same plane as the optical axis of the laser beam focusing system, in that for the introduction of the abrasive particles into the machining area, it is used the nozzle for supplying the working gas.
La structure proposée permet de mettre en oeuvre le procédé de fabrication des filtres conformément à l'invention en augmentant le rendement de fabrication des filtres et en obtenant des filtres de qualité irréprochable. The proposed structure makes it possible to implement the method of manufacturing the filters according to the invention by increasing the production efficiency of the filters and by obtaining filters of irreproachable quality.
Il est avantageux de munir le dispositif d'un générateur d'oscillations polyphasé et de réaliser ledit mécanisme de commande du débit du revêtement absorbant sous la forme d'un réservoir cylindrique avec une pile de rondelles piézoélectri- ques rigidement reliées entre elles, chacune étant reliée en série avec la sortie dudut générateur d'oscillation polyphasé. It is advantageous to provide the device with a polyphase oscillation generator and to produce said mechanism for controlling the flow rate of the absorbent coating in the form of a cylindrical reservoir with a stack of piezoelectric washers rigidly interconnected, each being connected in series with the output of the polyphase oscillation generator.
Le mécanisme proposé de commande du débit du revêtement absorbeur sert à déposer d'une façon discontinue, uniformément un revêtement en pistes de largeur et d'épaisseur requises.The proposed mechanism for controlling the flow rate of the absorber coating serves to discontinuously, uniformly deposit a coating in tracks of the required width and thickness.
D'autres but, avantages et caractéristiques apparaitront à la lecture d'un mode de réalisation de l'invention faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé où:
- la figure 1 représente schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication de filtres par traitement au laser, selon l'invention;
- la figure 2, représente la coupe suivant la ligne A-A de la figure 1, la zone active du dispositif selon l'invention.Other objects, advantages and characteristics will appear on reading an embodiment of the invention given in a non-limiting manner and with reference to the appended drawing in which:
FIG. 1 schematically represents a device for implementing the process for manufacturing filters by laser treatment, according to the invention;
- Figure 2 shows the section along the line AA of Figure 1, the active area of the device according to the invention.
Le procédé de fabrication de filtres par traitement au laser va être illustré dans ce qui suit. On utilise comme pièces à usiner des tubes métalliques en divers aciers (diamètre des tubes: de 78 à 380 mm, épaisseur de la paroi du tube: de 3 à 9 mm). Le tube est entrarné axialement (figure 1) selon son axe géométrique à une vitesse de 1,1 mtmn et on met en marche un mécanisme 2 de commande d'écoulement d'un revêtement absorbant pour le dispositif de fabrication des filtres par traitement au laser. La largeur de revêtement correspond à celle de la tâche focalisée du rayonnement laser sur la surface, normalement de 0,2 à 0,5 mm, et est assurée par ledit mécanisme 2. Le revêtement 3 est déposé sur une longueur de 10 à 15 cm avec des interruptions de 10 cm.Pour l'usinage, on utilise essentiellemnt un laser CO2 à action continue et dont la puissance moyenne du rayonnement est égale à 1 kW. The method of manufacturing filters by laser treatment will be illustrated in the following. Metal tubes are used as workpieces in various steels (diameter of the tubes: from 78 to 380 mm, thickness of the wall of the tube: from 3 to 9 mm). The tube is entrained axially (Figure 1) along its geometric axis at a speed of 1.1 mtmn and operates a mechanism 2 for controlling the flow of an absorbent coating for the device for manufacturing the filters by laser treatment . The coating width corresponds to that of the focused task of the laser radiation on the surface, normally from 0.2 to 0.5 mm, and is provided by said mechanism 2. The coating 3 is deposited over a length of 10 to 15 cm with interruptions of 10 cm.For the machining, one uses essentially a CO2 laser with continuous action and whose average power of the radiation is equal to 1 kW.
Le rayonnement est focalisé dans l'épaisseur h (figure 2) de la paroi 4 du tube 1 à une profondeur hl en respectant l'inégalité
Simultanément à l'action du rayonnement laser 5 dans la zone de coupe, on introduit par impulsions périodiques à travers l'entrée 6 (figure 1), un jet de gaz de travail, sous une pression de 0,2 à 0,5 MPa, chargé de particules abrasives 7 de carbure de silicium présentant une densité de 3,2, une forme irrégulière pointue et un diamètre moyen de 80 à 100 ssm. Simultaneously with the action of the laser radiation 5 in the cutting zone, is introduced by periodic pulses through the inlet 6 (Figure 1), a jet of working gas, under a pressure of 0.2 to 0.5 MPa charged with abrasive particles 7 of silicon carbide having a density of 3.2, an irregular pointed shape and an average diameter of 80 to 100 ssm.
Le débit des particules abrasives 7 est de 0,2 kg/mn. La disposition du plan focal à la distance hl par rapport à la surface extérieure du tube à usiner ou au-dessus de cette surface donne aux orifices 8 formés de part en part de la paroi du tube (figure 2) une forme conique s'évasant vers l'intérieur du tube du fait que le jet de gaz comprimé chargé de poudre abrasive 7 amené concentriquement par rapport au rayonnement laser dans la direction radiale prend la part la plus active dans le processus de fusion, de combustion et d'évacuation du métal dans la zone de plan focal, autrement dit, là où l'intensité du rayonnement laser 5 est maximale. The flow rate of the abrasive particles 7 is 0.2 kg / min. The arrangement of the focal plane at the distance h1 with respect to the outer surface of the tube to be machined or above this surface gives the orifices 8 formed from one side of the tube wall (FIG. 2) a flaring conical shape. to the inside of the tube, since the compressed gas jet loaded with abrasive powder 7 brought concentrically relative to the laser radiation in the radial direction takes the most active part in the process of melting, combustion and evacuation of the metal in the focal plane region, that is, where the intensity of the laser radiation is maximum.
Grâce à cette disposition du plan focal, des fentes 8 se forment de part en part dans les parois 4 de la pièce usinée (figure 2). Ces fentes présentent une conicité inverse et une surépaisseur minimale au débouché de la paroi ce qui assure une bonne qualité de coupe et augmente le rendement du fait que l'on évite ainsi un nettoyage ultérieur.Thanks to this arrangement of the focal plane, slots 8 are formed from one side in the walls 4 of the machined part (Figure 2). These slots have an inverse conicity and a minimal thickness at the outlet of the wall which ensures a good quality of cut and increases the yield because it avoids a subsequent cleaning.
L'introduction de la poudre abrasive 7 dans le jet de gaz de service est justifiée du fait que la coupe des métaux au laser et au gaz à rayonnement laser continu est due au chauffage intense d'une zone localisée de la pièce coupée, au changement d'état du matériau et à l'évacuation par le jet de travail des déchets produits. Le déplacement et l'évacuation de la masse de métal fondu formée ainsi que des oxydes formés au cours de la coupe se déroulent essentiellement sous l'action du gradient de pression et de la contrainte tangentielle due au frottement du jet de gaz et dépend moins de l'action des forces de gravité. Sous l'action du rayonnement laser et de l'oxygène, se forment les zones suivantes: une phase liquide formée des oxydes métalliques fondus, une phase de métal fondu et une phase de métal de base. The introduction of the abrasive powder 7 into the service gas jet is justified by the fact that the cutting of metals by laser and continuous laser gas is due to the intense heating of a localized area of the cut piece, to the change the condition of the material and the evacuation of the generated waste by the working jet. The displacement and evacuation of the mass of molten metal formed as well as the oxides formed during the cutting proceed essentially under the action of the pressure gradient and the tangential stress due to the friction of the jet of gas and depends less on the action of gravity forces. Under the action of laser radiation and oxygen, the following areas are formed: a liquid phase formed of molten metal oxides, a molten metal phase and a base metal phase.
Une des conditions essentielle de la coupe continue, par exemple, de la coupe à l'oxygène est que l'on respecte l'éga lité entre la formation et l'évacuation du métal fondu sur la surface de coupe. Il est caractéristique que la formation et l'évacuation de la masse fondue se déroulent de façon périodique par suite des processus physico-chimiques et pneumomécaniques qui se produisent dans l'ouverture de coupe, des caractéristiques du rayonnement laser et du jet de gaz, ainsi que des régimes de coupe.Durant la coupe, pendant un temps t1, il se forme sur la surface de coupe, une couche fondue dont ltépaisseur augmente jusquiâ une valeur maximale, ensuite, durant un temps t21 sous l'action du jet de gaz, ltévacuation de la masse fondue se produit et l'épaisseur de la couche liquide diminue jusqu'à une valeur minimale. Le cycle complet de formation et d'évacuation de la couche fondue se répète en continu au cours de la période T = tl + t2. Les paramètres déterminants pour l'intervalle de temps t1 sont l'intensité de chauffage du métal par le rayonnement laser et le dégagement de chaleur au cours de la réaction d'oxydation du métal, et pour l'intervalle de temps t2, le gradient de pression et l'énergie cinétique du jet de gaz.Lorsque le temps t2 d'évacuation de la couche fondue dépasse le temps tl nécessaire pour sa formation, la hauteur des inégalités augmente et la ligne de coupe s'incurve. Si le temps tl de formation de la couche liquide est supérieur au temps t2 pour son évacuation, la continuité du processus de coupe se trouve interrompue. One of the essential conditions of the continuous cutting, for example, of oxygen cutting is that one respects the equality between the formation and the evacuation of the molten metal on the cutting surface. It is characteristic that the formation and evacuation of the melt proceeds periodically as a result of the physico-chemical and pneumomechanical processes that occur in the cutting aperture, the characteristics of the laser radiation and the jet of gas, and In cutting, during a time t1, a melted layer is formed on the cutting surface, the thickness of which increases to a maximum value, then, during a time t21 under the action of the jet of gas, Melt evacuation occurs and the thickness of the liquid layer decreases to a minimum value. The complete formation and evacuation cycle of the melted layer is repeated continuously during the period T = tl + t2. The determining parameters for the time interval t1 are the intensity of heating of the metal by the laser radiation and the release of heat during the oxidation reaction of the metal, and for the time interval t2, the gradient of pressure and the kinetic energy of the jet of gas.When the time t2 evacuation of the melted layer exceeds the time tl required for its formation, the height of the inequalities increases and the cutting line is curved. If the time tl of formation of the liquid layer is greater than the time t2 for its evacuation, the continuity of the cutting process is interrupted.
Pour la coupe réalisée à l'aide d'un jet d'oxygène, le facteur déterminant est la vitesse de la réaction d'oxydation du métal qui est limitée, dans la plupart des cas, par la diffusion de la substance vers le front de la réaction à travers la couche d'oxydes formée. On introduit dans le jet d'oxygène, par impulsions selon une période T, des particules abrasives au moment où le volume de la couche fondue atteint sa valeur maximale. For the cut made with the aid of an oxygen jet, the determining factor is the speed of the oxidation reaction of the metal which is limited, in most cases, by the diffusion of the substance towards the the reaction through the oxide layer formed. The impulse particles are introduced into the oxygen jet in pulses at a period T at the moment when the volume of the melted layer reaches its maximum value.
Dans ces conditions, par suite de l'action abrasive des particules dures, la vitesse d'évacuation de la couche fondue augmente et les particules abrasives intensifient en premier lieu la destruction et ltévacuation hors de l'ouverture de coupe du film d'oxyde se formant sur la surface de la couche fondue-en assurant ainsi l'accès de l'oxygène directement au métal de base fondu, ce qui fait augmenter la vitesse d'oxydation du métal et, par conséquent, la puissance de la source de chaleur secondaire (chimique). Under these conditions, as a result of the abrasive action of the hard particles, the evaporation rate of the melted layer increases and the abrasive particles first intensify the destruction and evacuation from the cutting aperture of the oxide film. forming on the surface of the molten layer-thereby ensuring oxygen access directly to the molten base metal, thereby increasing the rate of oxidation of the metal and, consequently, the power of the secondary heat source (chemical).
Par un choix approprié de la durée d'introduction des particules dans le jet d'oxygène on remplit la condition tout2. Dans ces conditions, la couche fondue devient plus faible, la qualité de la coupe s'améliore notablement et la valeur limite de la vitesse de la coupe augmente sensiblement. By an appropriate choice of the duration of introduction of the particles into the oxygen jet, the condition all2 is fulfilled. Under these conditions, the melted layer becomes weaker, the quality of the cut improves significantly and the limit value of the cutting speed increases substantially.
Pour le déroulement normal du processus de coupe avec un jet d'oxygène, il est nécessaire que la température de fusion des oxydes formés soit inférieure à la température de fusion du métal de base et que les oxydes fondus soient suffisamment fluides. For the normal course of the cutting process with an oxygen jet, it is necessary that the melting temperature of the oxides formed is less than the melting temperature of the base metal and that the molten oxides are sufficiently fluid.
Pour la coupe des aciers fortement alliés, notamment de ceux résistants à la corrosion et autres, ainsi que de certains métaux non ferreux, dans un milieu oxydé, il se forme sur la surface de la couche fondue un film d'oxydation dont la température de fusion est supérieure à celle du métal de base et pour amener ce film à l'état liquide (fondu) il faut dépenser une énergie considérable. C'est pourquoi, pour la coupe de ces métaux, on utilise un gaz inerte ou neutre. For the cutting of high-alloy steels, including corrosion-resistant steels and others, as well as certain non-ferrous metals, in an oxidized medium, an oxidation film is formed on the surface of the molten layer whose melting is superior to that of the base metal and to bring this film to the liquid state (molten) it is necessary to spend a considerable energy. This is why, for the cutting of these metals, an inert or neutral gas is used.
Pour la coupe de ces métaux par un jet d'oxygène, le processus de destruction des oxydes refractaires se produit sous l'action des particules abrasives dures et du jet de gaz, alors que grâce à la chaleur de la réaction exothermique d'oxydation du métal, la vitesse de la coupe (en conservant les paramètres énergétiques du rayonnement laser) est notablement supérieure a celle obtenue au cours de la coupe avec un gaz neutre. For the cutting of these metals by an oxygen jet, the process of destruction of the refractory oxides occurs under the action of hard abrasive particles and the jet of gas, whereas thanks to the heat of the exothermic reaction of oxidation of the metal, the cutting speed (retaining the energy parameters of laser radiation) is significantly higher than that obtained during cutting with a neutral gas.
Le dispositif de fabrication de filtres par coupe à laser comporte un laser (non représenté > , une tuyère 9 (figure 1) avec un système optique 10 de focalisation du rayonnement laser 5, une organ 11 de commande du placement linéaire et radial de la pièce à usiner, une buse 12 d'amenée de gaz de travail et de particules abrasives 7, cette buse étant montée avec possibilité de rotation, à l'aide de roulements 13, sur le corps de la tuyère 9. Le mécanisme 2 de commande du débit d'un revêtement absorbant 3 est réalisé sous la forme d'un réservoir cylindrique comportant une pile de rondelles piézoélectriques céramique 14 rigidement reliées entre elles et dont chacune est montée en série avec la sortie respective d'un générateur d'oscillations polyphasé 15. La buse 12 d'amenée du gaz de travail et des particules abrasives est réalisée de la même façon.Dans ce cas, pour l'amenée du gaz de service un réservoir cylindrique 16 comporte une entrée 6. Lors de la mise en marche du générateur polyphasé 15, une tension (40 à 50 V > est appliquée par la phase sur les rondelles piézoélectriques 14. Chaque rondelle 14 de la pile est reliée à la rondelle 14 voisine (plus sur plus, moins sur moins) et est reliée en série à la sortie du générateur d'oscillations polyphasé 15. A l'application d'une tension alternative, la pile de rondelles 14 crée une onde progressive. Cette onde, en présence d'un faible intervalle (0,05 à 0,2 mm) entre les rondelles 14 et la surface interne de la partie cylindrique du réservoir propulse le revêtement absorbant liquide 3 à travers l'orifice du réservoir.Lorsque une différence de pression du liquide apparait entre le corps du reservoir propulsé et la partie cylindrique, la pression dans le tube d'amenée 7 augmente et le produit de revêtement 3 est propulsé à travers un orifice capillaire de sortie 18, en un jet étroit (épaisseur de 0,2 à 0,5 mm) sur la surface du tube 1 à usiner. Au cours du déplacement du tube 1, sa surface est recouverte le long de son axe géométrique par des pistes du revêtement absorbant 3. The device for manufacturing laser cut filters comprises a laser (not represented>, a nozzle 9 (FIG. 1) with an optical focusing system 10 for laser radiation 5, an organ 11 for controlling the linear and radial positioning of the workpiece to machine, a nozzle 12 for supplying working gas and abrasive particles 7, this nozzle being mounted with the possibility of rotation, by means of bearings 13, on the body of the nozzle 9. The control mechanism 2 of the flow of an absorbent coating 3 is in the form of a cylindrical reservoir comprising a stack of ceramic piezoelectric washers 14 rigidly interconnected and each of which is connected in series with the respective output of a polyphase oscillator 15. The nozzle 12 for supplying the working gas and the abrasive particles is produced in the same way. In this case, for the supply of the service gas, a cylindrical reservoir 16 has an inlet 6. When the start of the polyphase generator 15, a voltage (40 to 50 V> is applied by the phase on the piezoelectric washers 14. Each washer 14 of the stack is connected to the adjacent washer 14 (more on more, less on less) and is connected in series with the output of the multiphase oscillation generator 15. At the application of an alternating voltage, the stack of washers 14 creates a progressive wave. This wave, in the presence of a small gap (0.05 to 0.2 mm) between the washers 14 and the inner surface of the cylindrical portion of the tank propels the liquid absorbent coating 3 through the orifice of the tank. the pressure difference of the liquid appears between the body of the propelled reservoir and the cylindrical portion, the pressure in the feed tube 7 increases and the coating product 3 is propelled through a capillary orifice 18, in a narrow jet (thickness 0.2 to 0.5 mm) on the surface of the tube 1 to be machined. During the displacement of the tube 1, its surface is covered along its geometrical axis by tracks of the absorbent coating 3.
Le revêtement absorbant 3 pour le rayonnement continu d'un laser à CO, peut être, par exemple, de la gouache liquide, du noir de carbone, du phosphate de calcium etc. L'orifice de sortie 18 est un orifice capillaire pour qu'on puisse, au cas où l'on pratique des fentes débouchantes 8 (figure 2) dans le tube 1 à l'aide du laser, interrompre l'amenée du revêtement absorbant 3 en coupant l'alimentation électrique des rondelles piézocéramiques 14 (figure 1), le processus de coupe des fentes débouchantes 8 (figure 2 > devant être discontinu et présenter un pas, par exemple, de 10 cm. Absorbent liner 3 for the continuous radiation of a CO laser may be, for example, liquid gouache, carbon black, calcium phosphate, and the like. The outlet orifice 18 is a capillary orifice so that, in the case of making open slots 8 (FIG. 2) in the tube 1 with the aid of the laser, interrupting the feeding of the absorbent coating 3 by cutting the power supply of the piezoceramic washers 14 (Figure 1), the cutting process of the open slots 8 (Figure 2> to be discontinuous and have a pitch, for example, 10 cm.
En l'abscence de tension, la surpression n'est pas créée dans la partie cylindrique du réservoir et le revêtement de produit absorbant (figure 1) liquide 3 ne vient pas se placer sur la surface du tube l car son écoulement est empêché par les forces capillaires qui se développent dans l'orifice de sortie 18. Les fentes traversantes 8 (figure 2) sont disposées suivant une ligne de coupe parallèle à l'axe géométrique du tube 1 et les lignes de coupe sont réparties circonférenciellement avec un décalage, par exemple, de 100 à 250. C'est pourquoi l'amenée du revêtement absorbant 3 sur la surface du tube 1 doit être discontinue, c'est-à-dire ne recouvrir que les endroits soumis au rayonnement laser 5. In the absence of tension, the overpressure is not created in the cylindrical portion of the reservoir and the coating of absorbent product (FIG. 1) liquid 3 does not come to be placed on the surface of the tube 1 because its flow is prevented by the capillary forces which develop in the outlet orifice 18. The through slots 8 (Figure 2) are arranged in a sectional line parallel to the geometric axis of the tube 1 and the cutting lines are circumferentially distributed with an offset, by For example, from 100 to 250. Therefore the supply of the absorbent coating 3 on the surface of the tube 1 must be discontinuous, that is to say, cover only the places subjected to laser radiation 5.
Le déplacement du tube 1 le long de son axe géométrique et autour de cet axe est réalisé par un mécanisme spécial. The displacement of the tube 1 along its geometric axis and around this axis is achieved by a special mechanism.
Pour céer une onde progressive dans les rondelles piézoélectriques 14, le générateur 15 comporte des convertisseurs de phase incorporés. En faisant varier la valeur de la tension on modifie l'amplitude des oscillations mécaniques des rondelles piézoélectriques 14 et on commande ainsi, progressivement le débit du revêtement absorbant 3 en faisant varier l'épaisseur et la largeur du revêtement déposé. To create a progressive wave in the piezoelectric washers 14, the generator 15 includes built-in phase converters. By varying the value of the voltage, the amplitude of the mechanical oscillations of the piezoelectric washers 14 is modified and the flow rate of the absorbent coating 3 is thus progressively controlled by varying the thickness and the width of the deposited coating.
L'amenée par impulsions périodiques d'une poudre abrasive 7 dans le gaz de travail est commandée par le générateur d'oscillations polyphasé 15. The periodic pulse feeding of an abrasive powder 7 into the working gas is controlled by the multiphase oscillator 15.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. Of course, the present invention is not limited to the embodiments described and shown, it is capable of many variants accessible to those skilled in the art without one deviates from the spirit of the invention.
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Citations (3)
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| DE2512889A1 (en) * | 1974-03-28 | 1975-10-09 | Bunker Ramo | Tubular inductive element with airgap - is manufactured by focussing laser beam on axially moving outer surface for elongated holes |
| FR2557487A1 (en) * | 1983-12-29 | 1985-07-05 | Toshiba Ceramics Co | METHOD AND APPARATUS FOR MACHINING CERAMIC PARTS |
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1988
- 1988-10-07 FR FR8813163A patent/FR2637523B1/en not_active Expired - Fee Related
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, vol. 10, no. 83 (M-466)[2140], 2 avril 1986, page 94 M 466; & JP-A-60 223 962 (MATSUSHITA DENKO K.K.) 08-11-1985 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2637523B1 (en) | 1990-12-21 |
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