FR2833505A1

FR2833505A1 - Autogenous oxy-cutting of a material involves using a laser beam to heat the material to be cut to within a few degrees of the ignition temperature

Info

Publication number: FR2833505A1
Application number: FR0215807A
Authority: FR
Inventors: Hermann Mair; Wolfgang Danzer
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2003-06-20
Anticipated expiration: 2008-12-13
Also published as: FR2833505B3; DE10161583A1

Abstract

An autogenous oxy-cutting method, in which a gas cutting jet is directed at the material to cut, involves heating the material to be cut by a laser beam to within a few degrees of the ignition temperature. The material to be cut is heated to temperatures between 300 deg C and 1200 deg C using a laser diode, with the beam arranged at the center of the cutting flame.

Description

Domaine de l'invention
La présente invention concerne un procédé d'oxycoupage autogène selon lequel on dirige un jet de gaz de découpage sur la matière à découper. Field of the invention
The present invention relates to an autogenous oxycutting method in which a jet of cutting gas is directed on the material to be cut.

Arrière-plan technologique
Dans les procédés de fabrication de l'industrie métallurgique on connaît des procédés de découpage thermique, des découpages au laser, des découpages au plasma et l'oxycoupage autogène comme base d'une fabrication économique. Ces procédés conviennent pour préparer des arêtes de soudage, pour découper des géométries de pièces compliquées ou encore pour découper des galets et des profilés. Tous les procédés de découpe thermique ont en commun d'assurer un apport ponctuel d'énergie et un jet de découpage à forte énergie. Technological background
In the manufacturing processes of the metallurgical industry, thermal cutting processes, laser cutting, plasma cutting and autogenous oxycutting are known as the basis of economical manufacture. These methods are suitable for preparing welding edges, for cutting complicated part geometries or for cutting rollers and profiles. All thermal cutting processes have in common to ensure a punctual supply of energy and a cutting jet with high energy.

Dans le cas de la découpe par un faisceau laser, la matière se chauffe à la température nécessaire au produit de découpage par absorption du faisceau laser. Dans le cas du découpage par faisceau laser, la matière brûle dans le jet d'oxygène de coupage. La réaction exothermique du jet d'oxygène de coupage avec la matière coupée génère une partie de l'énergie nécessaire et permet ainsi une vitesse de coupe élevée avec une puissance de laser relativement faible. L'application la plus fréquente concerne les aciers non alliés et faiblement alliés. On atteint ainsi des vitesses de découpe supérieures à 10 m/min. La vitesse de découpe diminue fortement suivant l'épaisseur de la tôle et pour des tôles d'une épaisseur dépassant 10 mm, on n'atteint plus que des vitesses de découpe inférieure à 1 m/min. In the case of cutting by a laser beam, the material is heated to the temperature necessary for the cutting product by absorption of the laser beam. In the case of laser beam cutting, the material burns in the cutting oxygen jet. The exothermic reaction of the cutting oxygen jet with the cut material generates a portion of the energy required and thus allows a high cutting speed with relatively low laser power. The most common application is for unalloyed and low alloyed steels. This achieves cutting speeds of more than 10 m / min. The cutting speed decreases greatly according to the thickness of the sheet and for sheets having a thickness exceeding 10 mm, only cutting speeds of less than 1 m / min are achieved.

La découpe par plasma a été développée à l'origine pour la découpe thermique de matières métalliques qui ne conviennent pas pour l'oxycoupage comme par exemple des aciers CrNi, du cuivre et de l'aluminium et ce procédé est de plus en plus utilisé pour découper des aciers non alliés pour de faibles épaisseurs de tôle. Le faisceau de découpage au plasma est engendré par un gaz vecteur formant un plasma qui se rétrécit dans le faisceau lumineux pour être ionisé et dissocié. Le faisceau de découpe au plasma est à température élevée et il se réchauffe par la combinaison, convection et rayonnement de la pièce puis il s'évapore dans la matière, dans le trait de coupe. On atteint des vitesses de coupe allant jusqu'à 10 mm/min. Quand les épaisseurs de tôle augmentent, la vitesse de découpe diminue fortement, mais même pour des épaisseurs de tôle de 10 mm, on a encore des vitesses de coupe de 3 m/min. Plasma cutting was originally developed for thermal cutting of metal materials that are unsuitable for flame cutting such as CrNi steels, copper and aluminum, and this process is increasingly used for cut unalloyed steels for low sheet thicknesses. The plasma cutting beam is generated by a plasma carrier gas that shrinks in the light beam to be ionized and dissociated. The plasma cutting beam is at high temperature and is heated by the combination, convection and radiation of the part and evaporates in the material, in the cut line. Cutting speeds of up to 10 mm / min are achieved. As the sheet thicknesses increase, the cutting speed decreases sharply, but even for sheet thicknesses of 10 mm, cutting speeds of 3 m / min are still available.

L'oxycoupage autogène est le procédé de découpage thermique le plus fréquemment utilisé. Il permet de couper des épaisseurs allant de 3 à 3000 mm. La vitesse de découpe est inférieure à 1 m/min. La puissance de découpe du procédé d'oxycoupage est définie par la nature de la buse et par le gaz combustible utilisé. Avec de l'acétylène, gaz combustible ayant la température de flamme et la vitesse d'allumage la plus élevée, on peut couper plus rapidement en liaison avec des buses de forte puissance. Autogenous flame cutting is the most frequently used thermal cutting process. It can cut thicknesses from 3 to 3000 mm. The cutting speed is less than 1 m / min. The cutting power of the oxycutting process is defined by the nature of the nozzle and the fuel gas used. With acetylene, the combustible gas having the flame temperature and the highest ignition speed, it is possible to cut faster in connection with high power nozzles.

Du fait de la simplicité de la manipulation et de la consommation d'énergie relativement réduite, le procédé de découpage autogène est utilisé dans l'industrie de formation d'acier et dans l'industrie découpant de l'acier. Il convient pour des aciers faiblement alliés ou non alliés. Due to the simplicity of handling and the relatively low energy consumption, the autogenous cutting process is used in the steel forming industry and in the steel cutting industry. It is suitable for low alloyed or unalloyed steels.

Une grande partie de l'énergie nécessaire au procédé d'oxycoupage autogène provient de la combustion du fer dans l'intervalle de coupe. Pour cela, il est nécessaire d'atteindre la température d'allumage du fer à couper. Cela s'obtient déjà lors de l'amorce de coupe et au cours de la poursuite de l'opération de coupe. Lorsque la matière est chauffée à la température d'allumage, elle brûle dans un jet d'oxygène pur et forme une scorie volatile. La température d'allumage doit pour cela être inférieure à la température de fusion. Comme il faut un certain temps à la température d'allumage de la pièce à couper, lors de l'amorce de coupe et lors de la poursuite de la coupe, la vitesse de coupe est dominée à cet instant. L'élévation de température de la température d'allumage se fait avec une flamme chaude. Comme gaz combustible on utilise du propane, du gaz naturel ou de l'acétylène. Dans le cas des tôles minces, la fraction de l'eau provenant de la flamme chaude représentant environ 30 % ; pour des tôles plus épaisses elle représente environ 10 %. L'énergie restante nécessaire pour le procédé de combustion autogène est fournie par la réaction exotherme de l'oxygène avec l'acier. Pour raccourcir le temps nécessaire à atteindre le point d'allumage on préchauffe souvent la matière avec une flamme orientée. Much of the energy required for the autogenous oxycutting process comes from burning iron in the cutting range. For this, it is necessary to reach the ignition temperature of the iron to be cut. This is already obtained at the start of cutting and during the continuation of the cutting operation. When the material is heated to the ignition temperature, it burns in a jet of pure oxygen and forms a volatile slag. The ignition temperature must be lower than the melting temperature. As it takes a certain time at the ignition temperature of the workpiece to be cut, at the start of cutting and when the cutting continues, the cutting speed is dominated at this time. The temperature rise of the ignition temperature is done with a hot flame. Propane gas, natural gas or acetylene is used as fuel gas. In the case of thin sheets, the fraction of the water coming from the hot flame represents approximately 30%; for thicker sheets it represents about 10%. The remaining energy required for the autogenous combustion process is provided by the exothermic reaction of oxygen with the steel. To shorten the time required to reach the ignition point, the material is often preheated with a directed flame.

La présente invention a pour but de développer un procédé d'oxycoupage autogène permettant une vitesse de coupe particulièrement élevée. The object of the present invention is to develop an autogenous oxycutting method that allows a particularly high cutting speed.

Exposé de l'invention
Ce problème est résolu par le procédé de l'invention caractérisé en ce qu'on chauffe la matière à couper sous l'action d'un faisceau laser à quelques centaines de C jusqu'à la température d'allumage. Presentation of the invention
This problem is solved by the method of the invention characterized in that heating the material to be cut under the action of a laser beam a few hundred C to the ignition temperature.

Le rayonnement laser appliqué selon l'invention optimise l'élévation de température de la pièce. L'apport thermique plus précis et meilleur que la flamme, assuré par le faisceau laser augmente la vitesse de coupe à la fois pendant la poursuite de la découpe et au début de la découpe car on atteint plus rapidement la température d'allumage de la matière à couper. The laser radiation applied according to the invention optimizes the temperature rise of the part. The more precise and better heat supply than the flame, provided by the laser beam, increases the cutting speed both during the continuation of the cutting and at the beginning of the cutting because the ignition temperature of the material is reached more quickly. to cut.

De plus, grâce à l'apport thermique amélioré, on diminue la déformation de la pièce. Le procédé selon l'invention augmente la vitesse de coupe et ainsi le rendement et favorise l'économie. Il est particulièrement important pour les coupes en biais ou suivant trois phases. Une vitesse de coupe plus élevée selon le procédé de l'invention est possible pour des tôles fortement encrassées, chargées de scories ou chargées d'un enduit primaire. De plus, le procédé selon l'invention améliore la qualité de la coupe. In addition, thanks to the improved thermal input, it reduces the deformation of the room. The method according to the invention increases the cutting speed and thus the yield and promotes the economy. It is particularly important for sloping or three-phase cuts. A higher cutting speed according to the method of the invention is possible for heavily clogged sheets, loaded with slag or loaded with a primary coating. In addition, the method according to the invention improves the quality of the cut.

Selon un développement avantageux de l'invention, on

chauffe la matière à couper à des températures au moins égales à 300 C, de préférence au moins égales à 400 C et de manière particulièrement avantageuse au moins égales à 600 C. According to an advantageous development of the invention,

the material to be cut is heated to temperatures of at least 300 ° C., preferably at least 400 ° C. and particularly advantageously at least 600 ° C.

D'une manière particulièrement avantageuse, on chauffe la matière à couper au maximum à 1200 C, de préférence au maximum à 1000 C et notamment au maximum à 800 C. In a particularly advantageous manner, the material to be cut is heated to a maximum of 1200.degree. C., preferably at most 1000.degree. C. and in particular at most 800.degree.

Selon un développement avantageux, on règle le faisceau laser sur le point de coupe en amont du jet de gaz de découpe. According to an advantageous development, the laser beam is adjusted on the cutting point upstream of the cutting gas jet.

Selon un autre développement avantageux, on installe le faisceau laser au milieu du jet de gaz de découpe. According to another advantageous development, the laser beam is installed in the middle of the cutting gas jet.

En variante, on installe le faisceau laser de manière annulaire par rapport au jet de gaz de découpe. Alternatively, the laser beam is installed annularly with respect to the jet of cutting gas.

Pour chauffer la pièce à l'endroit à couper on peut toutefois également combiner les caractéristiques développées ci-dessus. Pour cela, on combine deux ou plusieurs réalisations avec des dispositifs en amont au centre ou avec une disposition annulaire. To heat the room to the place to be cut can however also combine the features developed above. For this purpose, two or more embodiments are combined with devices upstream in the center or with an annular arrangement.

Selon un développement particulièrement avantageux de l'invention, le faisceau laser est généré par une diode laser. According to a particularly advantageous development of the invention, the laser beam is generated by a laser diode.

L'échauffement de la pièce par un faisceau laser est combiné d'une manière particulièrement avantageuse à une flamme chauffante. The heating of the workpiece by a laser beam is combined in a particularly advantageous manner with a heating flame.

En combinant le faisceau laser et la flamme chauffante, on chauffe très rapidement et on atteint la température d'allumage dans le temps le plus court. Cela permet également de commencer très rapidement l'opération By combining the laser beam and the heating flame, one heats very quickly and reaches the ignition temperature in the shortest time. It also allows you to start the operation very quickly

de découpe après le perçage et l'opération de coupe elle-même peut progresser à vitesse très élevée. Si, au contraire, on utilise uniquement un faisceau laser pour chauffer la matière, il se forme un intervalle de coupe droit très étroit car la plage chauffée par un faisceau laser est définie de manière plus précise que lorsqu'on utilise une flamme. after drilling and the cutting operation itself can progress at a very high speed. If, on the other hand, only a laser beam is used to heat the material, a very narrow right cutting gap is formed because the range heated by a laser beam is defined more precisely than when a flame is used.

Mais on atteint ainsi non seulement des températures de quelques centaines de C comme pour le préchauffage classique avec une flamme supplémentaire mais la matière atteint avantageusement des températures allant jusqu'à la température d'allumage. However, not only temperatures of a few hundred C are reached as for conventional preheating with an additional flame, but the material advantageously reaches temperatures up to the ignition temperature.

Selon l'invention, le procédé décrit ci-dessus s'utilise pour la découpe sous l'eau. Le chauffage selon l'invention de la matière à découper jusqu'à la température d'allumage par un faisceau laser convient tout particulièrement pour la découpe sous l'eau. According to the invention, the method described above is used for cutting under water. The heating according to the invention of the material to be cut to the ignition temperature by a laser beam is particularly suitable for cutting under water.

Dessins
La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de deux exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un premier exemple de réalisation du pro- cédé de l'invention, - la figure 2 est un schéma correspondant à celui de la figure 1 d'un se- cond exemple de réalisation de l'invention. drawings
The present invention will be described hereinafter in more detail with the aid of two exemplary embodiments shown in the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a diagram of a first embodiment of the process of FIG. FIG. 2 is a diagram corresponding to that of FIG. 1 of a second embodiment of the invention.

Description des modes de réalisation
Selon la figure 1, on a une application correspondant à une tôle d'une épaisseur de 8 mm. Un faisceau laser à diode de plus de 1000 W de puissance chauffe la pièce en amont de l'endroit du découpage à des températures proches du point d'allumage, avec un faisceau laser engendré par une diode en amont. La figure 1 comprend également une buse de découpage 1, classique, avec une veine de gaz de découpage 2 dirigée vers la pièce 3 à l'endroit découpé. Un faisceau laser 4 est dirigé vers le point de découpage. Ce faisceau est généré par une diode laser qui, vue dans la direction de découpe, se trouve en amont de la buse de découpe et forme avec celle-ci un angle aigu. La disposition selon l'invention permet d'augmenter la vitesse de coupe de 20 %. Description of the embodiments
According to Figure 1, there is an application corresponding to a sheet of a thickness of 8 mm. A diode laser beam of more than 1000 W power heats the workpiece upstream of the cutting location at temperatures near the firing point, with a laser beam generated by an upstream diode. FIG. 1 also comprises a conventional cutting nozzle 1 with a cutting gas vein 2 directed towards the part 3 at the cut-off point. A laser beam 4 is directed towards the cutting point. This beam is generated by a laser diode which, seen in the cutting direction, is upstream of the cutting nozzle and forms with it an acute angle. The arrangement according to the invention makes it possible to increase the cutting speed by 20%.

La figure 2 montre une autre application. Dans ce cas, on combine une flamme chauffante et un faisceau laser d'une diode, en amont, d'une puissance de 1000 W pour assurer le préchauffage. La figure 2 montre une buse de découpage classique 1 avec un flux de gaz de découpage 2 dirigé vers la pièce 3 à l'endroit du découpage. La veine de gaz Figure 2 shows another application. In this case, a heating flame and a laser beam of a diode, upstream, of a power of 1000 W are combined to ensure preheating. Figure 2 shows a conventional cutting nozzle 1 with a flow of cutting gas 2 directed to the workpiece 3 at the cutting location. The gas vein

de découpage est entourée par une flamme de gaz chauffant 4. Un faisceau laser 5 est dirigé à l'endroit de la flamme chauffante et entoure de manière annulaire le jet de gaz chauffant. Le faisceau laser est généré par un laser à diode et forme un angle aigu avec la buse de découpage. The cutting zone is surrounded by a heating gas flame 4. A laser beam 5 is directed at the location of the heating flame and annularly surrounds the jet of heating gas. The laser beam is generated by a diode laser and forms an acute angle with the cutting nozzle.

La présente invention permet une augmentation significative du rendement d'oxycoupage autogène, avec un procédé concurrentiel par rapport au découpage par faisceau laser et au découpage par plasma. The present invention allows a significant increase in autogenous oxycutting efficiency, with a competitive process over laser beam cutting and plasma cutting.

Claims

1) An autogenous oxycutting method in which a jet of cutting gas is directed on the material to be cut, characterized in that the material to be cut is heated under the action of a laser beam to a few hundred C until at the ignition temperature. 2) Process according to Claim 1, characterized in that the material to be cut is heated to at least 300 ° C., preferably at least 400 ° C. and in particular preferably at least 600 ° C. 3) Process according to Claim 1, characterized in that the material to be cut is heated to a maximum of 1200 C, preferably at most 1000 C and in particular 800 C. 4) Process according to claim 1, characterized in that the laser beam is adjusted to the point cut upstream of the cutting gas jet. 5) Method according to claim 1, characterized in that the laser beam is disposed at the center of the cutting gas jet. 6) Method according to claim 1, characterized in that the laser beam annularly surrounds the jet of cutting gas. 7) Method according to claim 1, characterized by a laser diode generating the laser beam. 8) Method according to claim 1, characterized in that the laser beam combined with a flame of heating gas is used to heat the workpiece. <Desc / Clms Page number 7>

9) Application of the method according to any one of claims 1 to 7 for cutting under water.