La présente invention concerne le domaine des machines de coupage ou de soudage par faisceau laser et plus particulièrement la tête de focalisation du faisceau laser. La découpe par outil laser nécessite l'emploi d'une tête de focalisation comprenant des moyens de focalisation du faisceau laser, en particulier une lentille ou un dispositif de focalisation similaire. The present invention relates to the field of laser cutting or welding machines and more particularly to the focusing head of the laser beam. Cutting with a laser tool requires the use of a focusing head comprising means for focusing the laser beam, in particular a lens or a similar focusing device.
Au cours de la découpe de matériaux métalliques, par exemple de l'acier inoxydable, de l'aluminium et des dérivés ou alliages d'aluminium, de l'acier revêtu, notamment galvanisé ou électro-zingué, ou d'autres métaux ou alliages métalliques, il est préférable d'utiliser un gaz neutre sous haute pression pour assister le faisceau laser, tel que de l'argon, de l'hélium, de l'azote ou leurs mélanges à des pressions allant de 5 bar à 30 bar, idéalement de 10 à 20 bar (i.e. de 1 à 2 MPa). Cette protection gazeuse est nécessaire pour obtenir des coupes non affectées thermiquement et non oxydées par l'air ambiant. Comme illustré sur la Figure 1, lorsque la tête 15 de focalisation est sous haute pression dans la chambre 4 située en amont de la buse de sortie 2 du faisceau laser, il est pratiquement impossible de faire bouger la lentille 1 de focalisation par rapport à la buse 2. En effet, l'étanchéité gazeuse de la tête 15 étant assurée par un système de joint 3, la pression du gaz exerce une force F très importante dans la chambre 4, pouvant atteindre plusieurs tonnes au mètre carré. Il est donc obligatoire de réduire cette pression gazeuse à une valeur plus faible, par 25 exemple au moins de 3 bars, si l'on souhaite modifier la distance buse 2 par rapport à la lentille 1. Or, la possibilité de permettre une variation de la distance de la buse 2 par rapport à la lentille 1 pendant qu'une pression élevée s'exerce dans la chambre 4, permet un gain de temps considérable et une augmentation de la qualité du perçage des matériaux. En effet, pendant les 30 séquences de perçage préalable à toute découpe de contour, le changement de la position du point de focalisation par rapport à la matière permet de diminuer de manière très importante, les temps nécessaires à cette opération. Pour tenter d'y remédier, une solution connue est de doter la machine d'une motorisation de très forte puissance, c'est-à-dire d'une puissance suffisante pour contre- balancer la force s'exerçant dans la chambre, de manière à pouvoir modifier la distance buse/lentille sans avoir à réduire la pression dans la chambre. Toutefois, cette solution n'est pas idéale car elle engendre un surcoût important du fait de l'utilisation d'une motorisation de forte puissance, c'est-à-dire supérieure à environ 150 W. During the cutting of metallic materials, for example stainless steel, aluminum and aluminum derivatives or alloys, coated steel, in particular galvanized or electro-galvanized, or other metals or alloys metallic, it is preferable to use a high pressure neutral gas to assist the laser beam, such as argon, helium, nitrogen or their mixtures at pressures ranging from 5 bar to 30 bar, ideally 10 to 20 bar (ie 1 to 2 MPa). This gaseous protection is necessary to obtain cuts unaffected by heat and not oxidized by the ambient air. As illustrated in FIG. 1, when the focusing head is under high pressure in the chamber 4 situated upstream of the outlet nozzle 2 of the laser beam, it is practically impossible to move the focusing lens 1 with respect to the nozzle 2. Indeed, the gaseous seal of the head 15 being provided by a seal system 3, the pressure of the gas exerts a very large force F in the chamber 4, which can reach several tons per square meter. It is therefore obligatory to reduce this gaseous pressure to a lower value, for example at least 3 bars, if it is desired to modify the nozzle distance 2 with respect to the lens 1. However, the possibility of allowing a variation of the distance from the nozzle 2 relative to the lens 1 while high pressure is exerted in the chamber 4, allows a considerable time saving and an increase in the quality of drilling materials. Indeed, during the 30 drilling sequences prior to any contour cutting, the change of the position of the focus point relative to the material allows to significantly reduce the time required for this operation. In an attempt to remedy this, a known solution is to provide the machine with a very high power motor, that is to say of a sufficient power to counter-balance the force exerted in the chamber, in order to be able to modify the nozzle / lens distance without having to reduce the pressure in the chamber. However, this solution is not ideal because it generates a significant additional cost due to the use of a high power motor, that is to say greater than about 150 W.
Le problème à résoudre est donc de pouvoir changer aisément la distance entre la buse et la lentille, lors du perçage, même lorsque la pression de gaz qui s'exerce dans la chambre de la tête de focalisation d'une machine laser est élevée, typiquement supérieure à 10 bars. Autrement dit, le problème est de pouvoir changer la position du point de focalisation par rapport à la matière à couper, notamment au moment du perçage, et ce, sans avoir à faire diminuer notablement la pression du gaz envoyé à la tête et/ou sans utiliser une motorisation de forte puissance. La solution de l'invention est une tête de focalisation de faisceau laser comprenant un dispositif de focalisation de faisceau, des moyens d'amenée de gaz sous pression, une buse avec orifice de sortie pour le faisceau laser et le gaz sous pression, une chambre de pression située entre le dispositif de focalisation et la buse, ladite buse étant mobile en translation par rapport à la chambre de pression, et ladite chambre de pression étant alimentée en gaz sous pression véhiculé par les moyens d'amenée de gaz sous pression, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, une chambre de compensation de pression alimentée en gaz sous pression et agencée de manière à équilibrer, au moins en partie, la force (F) pneumatique exercée par le gaz sous pression sur la buse. Selon le cas, la tête de focalisation de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la chambre de compensation de pression est de volume interne variable. - la chambre de pression et la chambre de compensation de pression sont indépendantes l'une de l'autre et alimenté en gaz sous pression par les moyens d'amenée de gaz sous pression. - les moyens d'amenée de gaz sous pression comprennent au moins un passage d'amenée de gaz, de préférence le passage d'amenée de gaz débouche dans la chambre de pression et/ou dans la chambre de compensation de pression. -elle comporte un dispositif motorisé apte à et conçu pour déplacer la buse, en rapprochement ou en éloignement, par rapport à la chambre de pression et/ou au dispositif de focalisation de faisceau, de préférence le dispositif motorisé comprend un moteur électrique. - au moins une surface interne de la chambre de compensation de pression correspond à la surface interne de la paroi interne ou d'une expansion de la paroi interne de la buse mobile, et au moins une surface interne de la chambre de pression correspond à la surface inférieure du dispositif de focalisation située en regard de la buse. - la pression gazeuse dans la chambre de compensation de pression s'exerce au moins sur la surface interne de la chambre de compensation de pression pour s'opposer à la pression gazeuse s'exerçant sur la surface inférieure du dispositif de focalisation bordant la chambre de pression de manière à exercer une force de rappel pneumatique sur la buse dans le sens tendant à la rapprocher de la chambre de pression et/ou du dispositif de focalisation. - la surface interne de la chambre de compensation de pression est approximativement égale à la surface inférieure du dispositif de focalisation. - le dispositif de focalisation est une lentille optique. - des moyens d'étanchéité sont agencés de manière à assurer une étanchéité pneumatique entre la chambre de compensation de pression et la chambre de pression, de préférence les moyens d'étanchéité comprennent un ou plusieurs joints d'étanchéité. L'invention concerne aussi une machine laser comprenant une tête de focalisation selon l'invention. Dans cette machine, la tête de focalisation est reliée, via au moins une fibre de transport de faisceau ou via un chemin optique libre, c'est-à-dire que le faisceau laser se propage dans un gaz, par exemple de l'air ou un gaz inerte type azote, et est dirigé grâce à des miroirs de renvoi inclinables, à un générateur laser à une ou plusieurs fibres ou à un générateur laser classique à gaz ou solide, par exemple des générateurs laser de type CO2 ou Nd:YAG, à diodes ou à fibre d'ytterbium. Par ailleurs, l'invention porte également sur un procédé pour compenser la pression gazeuse s'exerçant dans la chambre de pression située entre le dispositif de focalisation, en particulier une lentille optique, et la buse mobile d'une tête de focalisation alimentée en gaz sous pression, en particulier une tête de focalisation selon l'invention, dans lequel : a) on alimente la chambre de pression avec du gaz sous pression, b) on équilibre, au moins en partie, la force pneumatique exercée par le gaz sous pression dans la chambre de pression et sur la buse en alimentant une chambre de compensation de pression avec du gaz sous pression de manière à pouvoir déplacer la buse en direction du dispositif de focalisation sans réduire notablement la pression dudit gaz au sein de la chambre de pression. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la pression gazeuse dans la chambre de compensation de pression est dirigée vers au moins une surface interne de la chambre de compensation de pression pour s'opposer à la pression gazeuse s'exerçant sur la surface inférieure du dispositif de focalisation bordant la chambre de pression de manière à exercer une force de rappel pneumatique sur la buse dans le sens tendant à la rapprocher de la chambre de pression et/ou du dispositif de focalisation. - la pression gazeuse dans la chambre de compensation de pression est comprise entre 1 et 30 bar, de préférence 10 et 20 bars L'invention va être mieux comprise au vu de la description suivante donnée à titre illustratif, en références à la Figure 2, d'un mode de réalisation d'une tête de focalisation 15 laser selon l'invention. La tête de focalisation 15 de la Figure 2 comprend un dispositif de focalisation 1 de faisceau, telle une lentille optique, permettant de focaliser le faisceau laser dans l'épaisseur de la pièce à couper ; des moyens d'amenée de gaz sous pression, tel un passage ou une ligne d'amenée de gaz servant à alimenter la tête 1 en gaz d'assistance ou de protection du faisceau laser ; une buse 2 munie d'un orifice 12 de sortie traversé par le faisceau laser et par le gaz sous pression ; et une chambre de pression 4 située entre la lentille 1 et la buse 2. The problem to be solved is therefore to be able to easily change the distance between the nozzle and the lens, during drilling, even when the gas pressure exerted in the chamber of the focusing head of a laser machine is high, typically greater than 10 bar. In other words, the problem is to be able to change the position of the focusing point relative to the material to be cut, especially at the time of drilling, and without having to significantly reduce the pressure of the gas sent to the head and / or without use a high power motor. The solution of the invention is a laser beam focusing head comprising a beam focusing device, pressurized gas supply means, a nozzle with an exit orifice for the laser beam and the gas under pressure, a chamber pressure located between the focusing device and the nozzle, said nozzle being movable in translation relative to the pressure chamber, and said pressure chamber being fed with pressurized gas conveyed by the pressurized gas supply means, characterized in that it further comprises a pressure compensation chamber fed with pressurized gas and arranged to balance, at least in part, the pneumatic force (F) exerted by the pressurized gas on the nozzle. Depending on the case, the focusing head of the invention may comprise one or more of the following characteristics: the pressure compensation chamber is of variable internal volume. - The pressure chamber and the pressure compensation chamber are independent of each other and supplied with pressurized gas by the pressurized gas supply means. - The pressurized gas supply means comprise at least one gas supply passage, preferably the gas supply passage opens into the pressure chamber and / or in the pressure compensation chamber. it comprises a motorized device adapted to and designed to move the nozzle, towards or away from the pressure chamber and / or the beam focusing device, preferably the motorized device comprises an electric motor. at least one inner surface of the pressure compensation chamber corresponds to the inner surface of the inner wall or an expansion of the inner wall of the movable nozzle, and at least one inner surface of the pressure chamber corresponds to the lower surface of the focusing device located opposite the nozzle. the gaseous pressure in the pressure compensation chamber is exerted at least on the internal surface of the pressure compensation chamber in order to oppose the gas pressure exerted on the lower surface of the focusing device bordering the chamber of pressure so as to exert a pneumatic return force on the nozzle in the direction tending to bring it closer to the pressure chamber and / or the focusing device. the internal surface of the pressure compensation chamber is approximately equal to the lower surface of the focusing device. the focusing device is an optical lens. - Sealing means are arranged to provide a pneumatic seal between the pressure compensation chamber and the pressure chamber, preferably the sealing means comprise one or more seals. The invention also relates to a laser machine comprising a focusing head according to the invention. In this machine, the focusing head is connected, via at least one beam transport fiber or via a free optical path, that is to say that the laser beam propagates in a gas, for example air or a nitrogen-type inert gas, and is directed by tilting back mirrors, a laser generator with one or more fibers or a conventional gas or solid laser generator, for example CO2 or Nd: YAG laser generators , diodes or ytterbium fiber. Furthermore, the invention also relates to a method for compensating the gas pressure exerted in the pressure chamber situated between the focusing device, in particular an optical lens, and the movable nozzle of a gas-powered focusing head. under pressure, in particular a focusing head according to the invention, in which: a) the pressure chamber is fed with pressurized gas, b) the pneumatic force exerted by the pressurized gas is equilibrated, at least in part; in the pressure chamber and on the nozzle by supplying a pressure compensation chamber with gas under pressure so as to be able to move the nozzle towards the focusing device without significantly reducing the pressure of said gas within the pressure chamber. Depending on the case, the method of the invention may comprise one or more of the following characteristics: the gas pressure in the pressure compensation chamber is directed towards at least one internal surface of the pressure compensation chamber for to oppose the gas pressure exerted on the lower surface of the focusing device bordering the pressure chamber so as to exert a pneumatic return force on the nozzle in the direction tending to bring it closer to the pressure chamber and / or the device of focus. the gas pressure in the pressure compensation chamber is between 1 and 30 bar, preferably 10 and 20 bar. The invention will be better understood from the following description given by way of illustration, with reference to FIG. of an embodiment of a laser focusing head according to the invention. The focusing head 15 of Figure 2 comprises a beam focusing device 1, such as an optical lens, for focusing the laser beam in the thickness of the workpiece; means for supplying gas under pressure, such as a passage or a gas supply line for supplying the head 1 with helper gas or protection of the laser beam; a nozzle 2 provided with an outlet orifice 12 traversed by the laser beam and the pressurized gas; and a pressure chamber 4 located between the lens 1 and the nozzle 2.
La buse 2 est mobile en translation, en rapprochement ou en éloignement, par rapport à la chambre de pression 4 de manière à pouvoir ajuster la position de la buse 2 durant l'opération de perçage ou de coupage ou soudage. Le déplacement de la buse en rapprochement de la lentille 1 est opéré via un dispositif motorisé adapté comprenant un moteur électrique par exemple. The nozzle 2 is movable in translation, towards or away from the pressure chamber 4 so as to adjust the position of the nozzle 2 during the drilling or cutting or welding operation. The displacement of the nozzle towards the lens 1 is operated via a suitable motorized device comprising an electric motor for example.
La chambre de pression 4 est alimentée en gaz sous pression véhiculé par les moyens d'amenée de gaz sous pression, typiquement à une pression d'au moins 5 bar. Selon l'invention, pour équilibrer, au moins en partie, la force F pneumatique exercée par le gaz sous pression sur la buse 2, on prévoit une chambre de compensation de pression 5 elle-même alimentée en gaz sous pression. The pressure chamber 4 is supplied with pressurized gas conveyed by the gas supply means under pressure, typically at a pressure of at least 5 bar. According to the invention, in order to balance, at least in part, the pneumatic force F exerted by the pressurized gas on the nozzle 2, a pressure compensation chamber 5 is provided which is itself fed with gas under pressure.
L'étanchéité pneumatique est obtenue via des joints 14 ou analogues. Le passage du gaz dans la chambre de compensation 5 permet d'équilibrer les forces appliquées à la buse 2 et donc de permettre, par l'intermédiaire d'une motorisation de plus faible puissance que les motorisations classiquement utilisées, de modifier la distance buse 2/lentille 1 sans avoir à réduire la pression dans la chambre 4. The pneumatic seal is obtained via seals 14 or the like. The passage of the gas in the compensation chamber 5 makes it possible to balance the forces applied to the nozzle 2 and thus to make it possible, by means of a motor of lower power than the engines conventionally used, to modify the nozzle distance 2 / lens 1 without having to reduce the pressure in the chamber 4.
En effet, la pression gazeuse dans la chambre de compensation de pression 5 s'exerce notamment sur la surface interne 6 de la chambre de compensation de pression 5 pour s'opposer à la pression gazeuse s'exerçant sur la surface inférieure 7 de la lentille 1 bordant la chambre de pression 4 de manière à exercer une force de rappel pneumatique sur la buse 2 dans le sens tendant à la rapprocher de la chambre de pression 4 et de la lentille 1. Indeed, the gas pressure in the pressure compensation chamber 5 is exerted notably on the inner surface 6 of the pressure compensation chamber 5 to oppose the gas pressure exerted on the lower surface 7 of the lens 1 bordering the pressure chamber 4 so as to exert a pneumatic return force on the nozzle 2 in the direction tending to bring it closer to the pressure chamber 4 and the lens 1.
La surface interne 6 de la chambre de compensation de pression 5 est de préférence approximativement égale à la surface 7 inférieure de la lentille 1. La surface développée 6 en opposition de pression sera donc équivalente à la surface 7 de la partie inférieure de la lentille. En procédant de cette façon, on peut déplacer la buse 2 sans avoir à utiliser une motorisation de puissance importante, même si la pression gazeuse exercée dans la chambre 4 est élevée. Plus précisément, en utilisant la chambre de compensation 5 de pression, il est possible et aisé de déplacer la buse 2 ou le bloc de buse 2 à expansions latérales, donc de faire varier la distance entre la buse 2 et la lentille 1, y compris lors du perçage, c'est-à-dire même lorsque la pression de gaz qui s'exerce dans la chambre 4 de la tête de focalisation est élevée, typiquement supérieure à 15 bar. The inner surface 6 of the pressure compensation chamber 5 is preferably approximately equal to the lower surface 7 of the lens 1. The developed surface 6 in opposition of pressure will therefore be equivalent to the surface 7 of the lower part of the lens. By proceeding in this way, the nozzle 2 can be moved without having to use a large power motor, even if the gas pressure exerted in the chamber 4 is high. More precisely, by using the pressure compensation chamber 5, it is possible and easy to move the nozzle 2 or the nozzle block 2 with lateral expansions, thus to vary the distance between the nozzle 2 and the lens 1, including during drilling, that is to say even when the gas pressure exerted in the chamber 4 of the focusing head is high, typically greater than 15 bar.