La présente invention concerne un procédé de découpe de métaux ou de plastique, en particulier de coupage de l'aluminium et de ses alliages, par faisceau laser utilisant de l'air comprimé en tant que gaz d'assistance du faisceau et/ou de protection du chemin optique, en particulier utilisable avec un laser de type CO2. Il est possible de réaliser un coupage par faisceau laser de pièces en aluminium de forte épaisseur, c'est-à-dire de plus de 3 mm d'épaisseur, en utilisant de l'air comprimé comme gaz d'assistance du faisceau laser, lorsque le générateur laser utilisé est un générateur de type CO2 de faible à forte puissance, c'est-à-dire pour des puissances typiquement jusqu'à 10 kW. La qualité de ces coupes est moins bonne, en termes d'oxydation, de rugosité de coupe..., comparée à une coupe laser opérée en utilisant de l'azote pur en tant que gaz d'assistance, tel le gaz commercialisé par Air LiquideTM sous la dénomination LASALTM 2001. Par contre, avec de l'air comprimé, la vitesse de coupe est augmentée et les épaisseurs pouvant être découpées sont plus importantes et ce, pour un moindre coût. Dès lors, lorsque la qualité de coupe n'est pas primordiale, il peut y avoir un intérêt à couper avec de l'air comprimé plutôt qu'avec de l'azote. Actuellement, au plan industriel, les découpes laser sous air comprimé sont réalisées en utilisant de l'air comprimé provenant des réseaux de canalisations d'air comprimé existants dans les ateliers, les usines, les lieux de production... alimentés en air par des compresseurs industriels qui aspirent l'air ambiant et le compressent avant de l'envoyer directement dans les réseaux de canalisations. L'air ainsi comprimé est convoyé par les réseaux jusqu'aux dispositifs laser où il est employé en tant que gaz d'assistance du faisceau laser pour réaliser la découpe proprement dite et/ou en tant que gaz d'inertage du chemin optique comprenant les miroirs, lentilles ou analogues servant au convoyage du faisceau laser depuis le générateur jusqu'à la tête de découpe. Or, les réseaux d'air comprimé industriel sont limités en pression, en débit et contiennent en outre des impuretés en teneurs variables, par exemple des impuretés de type vapeur d'eau, vapeurs d'huile, des poussières..., et souvent problématiques pour le faisceau laser. The present invention relates to a process for cutting metals or plastic, in particular cutting aluminum and its alloys, by laser beam using compressed air as gas for assisting the beam and / or for protection. of the optical path, in particular usable with a CO2 type laser. It is possible to carry out laser beam cutting of very thick aluminum parts, that is to say more than 3 mm thick, using compressed air as the assistance gas for the laser beam, when the laser generator used is a low to high power CO2 type generator, that is to say for powers typically up to 10 kW. The quality of these cuts is poorer, in terms of oxidation, cutting roughness, etc., compared to a laser cut made using pure nitrogen as an assist gas, such as the gas marketed by Air LiquideTM under the name LASALTM 2001. On the other hand, with compressed air, the cutting speed is increased and the thicknesses that can be cut are greater and this, at a lower cost. Therefore, when the quality of cut is not essential, there may be an advantage in cutting with compressed air rather than with nitrogen. Currently, at the industrial level, laser cutting under compressed air is carried out using compressed air from existing compressed air piping networks in workshops, factories, production sites, etc. supplied with air by industrial compressors which suck ambient air and compress it before sending it directly to the pipe networks. The air thus compressed is conveyed through the networks to the laser devices where it is used as an assistance gas for the laser beam to carry out the actual cutting and / or as an inerting gas for the optical path comprising the mirrors, lenses or the like for conveying the laser beam from the generator to the cutting head. However, industrial compressed air networks are limited in pressure and flow rate and also contain impurities in varying amounts, for example impurities such as water vapor, oil vapors, dust, etc., and often problematic for the laser beam.
Plus précisément, les limitations en pression et en débit réduisent la gamme d'épaisseurs pouvant être découpées, ainsi que les performances en termes de vitesse de coupe. Par ailleurs, la ventilation du trajet optique jusqu'à la lentille de focalisation est effectuée généralement à l'air comprimé et, de plus en plus, à l'azote dans les chemins optiques équipant les dispositifs laser de puissance supérieure ou égal à 4 kW. Le maintien d'une surpression dans le chemin optique a pour objectif d'éviter l'entrée des particules qui risqueraient d'atténuer l'efficacité du faisceau, notamment perte d'homogénéité, perte de puissance, déviation du faisceau... L'avantage de l'air comprimé est purement économique. Toutefois, l'air comprimé a pour inconvénient de faire varier négativement la qualité du faisceau et l'efficacité du faisceau du fait de la présence d'impuretés et de différence d'indice. En effet, la présence d'impuretés et les variations de teneurs en ces impuretés dans l'air comprimé engendrent des dégradations des caractéristiques du faisceau laser et une usure prématurée de l'ensemble des éléments optiques de transmission au sein du chemin optique, en particulier pour les générateurs de type CO2. Il en résulte des coûts de maintenance plus élevés et une baisse de la rentabilité globale du procédé, malgré les gains engendrés par l'utilisation d'air en lieu et place d'azote. L'azote pur permet de palier ces inconvénients mais engendre une consommation de l'ordre de 1000 m3/mois et par laser, ce qui rend son utilisation peu rentable. En outre, il existe également des solutions intermédiaires utilisant des mélanges d'azote et d'oxygène. Par exemple, il est connu qu'on peut utiliser un mélange gazeux formé de 95% d'azote et de 5% d'oxygène (% en vol.). La qualité obtenue est proche de celle obtenue avec l'utilisation d'azote industriel mais la pression d'utilisation est limitée à 9 bar, ce qui limite les épaisseurs maximales de coupe à 3 mm environ. De plus, la composition du mélange restitué est variable, ce qui influe directement sur les résultats obtenus en termes de vitesse et de qualité de coupe. En particulier, les teneurs plus ou moins élevées en impuretés, notamment en hydrocarbures et en vapeur d'eau, nuisent aux éléments optiques et aux caractéristiques du faisceau laser, ainsi qu'aux performances et qualité de coupe, et à leur stabilité dans le temps. Des problèmes analogues ou identiques existent en coupage laser d'autres matériaux métalliques, tels les aciers, aciers inoxydables, laiton, cuivre, titane, aluminium et alliage d'aluminium, et des matériaux plastiques. De là, un but de l'invention est de pouvoir couper les métaux ou les plastiques, en particulier l'aluminium et ses alliages, par faisceau laser en utilisant de l'air comprimé comme gaz d'assistance, sans détérioration de la rentabilité globale du procédé, c'est-à-dire en surmontant les inconvénients existants avec les réseaux d'air comprimé industriel. Specifically, pressure and flow limitations reduce the range of thicknesses that can be cut, as well as cutting speed performance. Furthermore, the ventilation of the optical path to the focusing lens is generally carried out with compressed air and, more and more, with nitrogen in the optical paths equipping laser devices with a power greater than or equal to 4 kW. . The objective of maintaining an excess pressure in the optical path is to prevent the entry of particles which could reduce the efficiency of the beam, in particular loss of homogeneity, loss of power, deflection of the beam, etc. advantage of compressed air is purely economical. However, compressed air has the drawback of negatively varying the quality of the beam and the efficiency of the beam due to the presence of impurities and the difference in index. In fact, the presence of impurities and the variations in the content of these impurities in the compressed air cause degradation of the characteristics of the laser beam and premature wear of all the optical transmission elements within the optical path, in particular. for CO2 type generators. This results in higher maintenance costs and a drop in the overall profitability of the process, despite the savings generated by the use of air instead of nitrogen. Pure nitrogen overcomes these drawbacks but generates consumption of the order of 1000 m3 / month and per laser, which makes its use uneconomical. In addition, there are also intermediate solutions using mixtures of nitrogen and oxygen. For example, it is known that it is possible to use a gas mixture formed of 95% nitrogen and 5% oxygen (% by vol.). The quality obtained is close to that obtained with the use of industrial nitrogen but the operating pressure is limited to 9 bar, which limits the maximum cutting thicknesses to approximately 3 mm. In addition, the composition of the mixture returned is variable, which directly influences the results obtained in terms of speed and quality of cut. In particular, the more or less high contents of impurities, in particular of hydrocarbons and water vapor, adversely affect the optical elements and the characteristics of the laser beam, as well as the performance and quality of the cut, and their stability over time. . Analogous or identical problems exist in laser cutting other metallic materials, such as steels, stainless steels, brass, copper, titanium, aluminum and aluminum alloy, and plastic materials. Hence, an object of the invention is to be able to cut metals or plastics, in particular aluminum and its alloys, by laser beam using compressed air as an assist gas, without deteriorating overall profitability. of the process, that is to say by overcoming the existing drawbacks with industrial compressed air networks.
En d'autres termes, il existe un besoin pour un procédé de coupage par faisceau laser, notamment de l'aluminium et de ses alliages, permettant de donner des résultats satisfaisants en termes de vitesse de coupe et de gamme d'épaisseurs pouvant être découpées, donc de productivité, mais qui n'engendre pas des coûts de maintenance aussi important et les inconvénients rencontrés avec les procédés actuels utilisant de l'air comprimé provenant des réseaux d'air comprimé industriel. In other words, there is a need for a laser beam cutting process, in particular for aluminum and its alloys, making it possible to give satisfactory results in terms of cutting speed and of the range of thicknesses that can be cut. , therefore of productivity, but which does not generate such high maintenance costs and the drawbacks encountered with the current processes using compressed air coming from industrial compressed air networks.
La solution de l'invention est alors un procédé de coupage par faisceau laser d'une pièce en acier, acier inoxydable, laiton, cuivre, titane, aluminium et alliage d'aluminium, ou en plastique, dans lequel : a) on met en oeuvre un générateur laser pour générer un faisceau laser, b) on convoie le faisceau laser généré à l'étape a) entre le générateur laser et une tête laser comprenant une optique de focalisation, c) on focalise le faisceau laser sur la pièce à couper au moyen de l'optique de focalisation, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes successives suivantes : d) on comprime de l'air à une pression comprise entre 7 et 40 bars, e) on traite l'air comprimé à l'étape d) pour en éliminer au moins une partie des impuretés, de la vapeur d'eau et des vapeurs d'huile qu'il contient, f) récupérer de l'air traité ayant un point de rosé comprise entre 0°C et -80 °C, une densité maximum de particules aérosol comprise entre 0.01 et 5 mg/m3, un diamètre maximum des particules compris entre 0.01 et 5 m, et une teneur maximale en vapeurs d'huile comprise entre 0.001 et 0.1 mg/m3, g) introduire dans la tête laser, de l'air récupéré à l'étape f) à un débit compris entre 5 et 300 m3/h et à une pression comprise entre 7 et 40 bars. L'air sert donc à assister le faisceau laser, c'est-à-dire que la pression de l'air permet d'expulser le matériau fondu hors de la saignée de coupe. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - à l'étape e), le traitement de l'air comprend l'utilisation d'au moins un sécheur par absorption équipé d'un ou plusieurs filtres, de préférence avec purgeur automatique, amont et aval. Le sécheur par adsorption comprend des particules d'un ou plusieurs adsorbants, par exemple de type alumine, gel de silice, charbon actif ou zéolite destinées à éliminer les impuretés, l'eau et les vapeurs d'huile contenues dans l'air. Les adsorbants peuvent mélangés les uns aux autres pour formé un lit composite ou alors disposés en couches successives traversées successivement par l'air à purifier, par exemple une couche d'alumine en entrée pour éliminer l'eau, voire le CO2, suivi d'un ou plusieurs autres adsorbants, disposés en aval, pour éliminer les vapeurs d'huile et/ou les autres impuretés, par exemple d'abord une couche de charbon actif pour éliminer des hydrocarbures ou des composés halogénés, puis une couche (ou plusieurs) de zéolite X pour éliminer d'autres composés. Le choix des différents adsorbants utilisés peut se faire empiriquement et au cas par cas en fonction de la composition de l'air en entrée. Par ailleurs, les filtres servent à piéger les particules, notamment aérosols, pouvant se trouver dans l'air, ainsi que les poussières. - à l'étape e), les impuretés sont choisies dans le groupe formé par 03, NOx, CO, CO2, COS, C3H6O, C2HC13, C2H6O, S02, H2, H2O, C2H2, C2H4, C2H6, C3H8, CH4, C4H6, C4H8, C4H1o, oxyde de fer, oxyde de magnésium, oxyde de silicium, oxyde de chrome, (C502H8)n, polycarbonate et les aérosols. Les aérosols sont des composés organiques volatiles (COV) en général de type hydrocarbures dont la pression de vapeur (Pv) est généralement au moins égale mais souvent supérieure à 0.01 kPa à 293.15 K. Ils peuvent être d'origine anthropique, notamment issu de procédés de raffinage, d'évaporation de solvants, d'imbrûlés de combustion, notamment automobile.. ou d'origine naturelle, par exemple émis par les plantes dans l'air ambiant. - à l'étape e), les vapeurs d'huile sont des hydrocarbures. - à l'étape f), on récupère de l'air ayant une densité maximum de particules aérosol comprise entre 0.01 et 5 mg/m3. - à l'étape f), on récupère de l'air ayant un diamètre maximum de particules aérosols compris entre 0.01 et 5 m. - il comporte une étape de suivi, de préférence en temps réel, de la teneur en humidité de l'air. - le débit compris entre 20 et 300 m3/h, de préférence 10 à 300 m3/h. - le générateur laser est de type CO2, Nd:YAG ou à fibre, notamment à fibre d'ytterbium. - l'air est comprimé à une pression comprise entre 4 et 40 bars, de préférence 7 et 40 bars. - la pièce a une épaisseur comprise entre 3 mm et 30 mm. - la pièce est en aluminium ou en alliage d'aluminium. - à l'étape b), on convoie le faisceau laser au moyen d'un chemin optique reliant le 20 générateur laser à la tête laser et en ce qu'à l'étape g), on introduit de l'air comprimé dans le chemin optique. L'invention est donc basée sur une maîtrise de la qualité et des caractéristiques de l'air comprimé généré, le rendant compatible avec le coupage par faisceau laser, en particulier d'aluminium et de ses alliages, et la protection du chemin optique du dispositif laser. 25 Dans le cadre de l'invention, on utilise indifféremment et de manière totalement équivalente les termes générateur laser , oscillateur laser , machine laser et dispositif laser pour désigner une installation permettant de générer un faisceau laser. En fait, les inventeurs de l'invention ont mis en évidence que les impuretés, leurs proportions et les conditions opératoires (pression, débit, point de rosée) influençaient 30 considérablement le faisceau laser et les performances de production, en particulier la présence d'impuretés de type aérosols, de vapeur d'eau et de vapeurs d'huile générées par le compresseur d'air sont des paramètres très importants à prendre en compte pour obtenir un procédé acceptable au plan industriel. De plus, il est recommandé d'agencer en sortie de la station d'air comprimé, c'est-à-dire en 35 aval du compresseur d'air ou analogue, un système de contrôle en continu de l'hygrométrie du gaz avec alerte lumineuse et/ou sonore en cas de présence d'humidité supérieure à un seuil maximum et ce, pour assurer la constance des performances de production. Exemple Le procédé de l'invention a été testé industriellement avec succès et a apporté un certain nombre d'avantages par rapport à un procédé classique, c'est-à-dire un procédé sans contrôle des teneurs en aérosols, en vapeur d'eau, en vapeurs d'huile et sans ajustage de la pression et du débit de l'air comprimé. Plus précisément, le précédé de l'invention a été testé sur une machine de coupage laser de type CO2 d'une puissance de 2.5 kW. The solution of the invention is then a method of laser beam cutting of a part made of steel, stainless steel, brass, copper, titanium, aluminum and aluminum alloy, or of plastic, in which: a) is used operates a laser generator to generate a laser beam, b) the laser beam generated in step a) is conveyed between the laser generator and a laser head comprising focusing optics, c) the laser beam is focused on the part to be cut by means of the focusing optic, characterized in that it further comprises the following successive steps: d) air is compressed to a pressure between 7 and 40 bars, e) compressed air is treated at step d) to remove at least some of the impurities, water vapor and oil vapors that it contains, f) recover treated air having a dew point of between 0 ° C and -80 ° C, a maximum aerosol particle density between 0.01 and 5 mg / m3, a maximum particle diameter comp ris between 0.01 and 5 m, and a maximum oil vapor content between 0.001 and 0.1 mg / m3, g) introduce into the laser head, the air recovered in step f) at a flow rate between 5 and 300 m3 / h and at a pressure between 7 and 40 bars. The air therefore serves to assist the laser beam, that is to say that the air pressure makes it possible to expel the molten material out of the cutting groove. Depending on the case, the method of the invention may comprise one or more of the following characteristics: - in step e), the treatment of the air comprises the use of at least one absorption dryer equipped with one or more filters, preferably with automatic drain, upstream and downstream. The adsorption dryer comprises particles of one or more adsorbents, for example of the alumina, silica gel, activated carbon or zeolite type intended to remove impurities, water and oil vapors contained in the air. The adsorbents can be mixed with each other to form a composite bed or else arranged in successive layers crossed successively by the air to be purified, for example a layer of alumina at the inlet to remove the water, or even the CO2, followed by one or more other adsorbents, arranged downstream, to remove oil vapors and / or other impurities, for example first a layer of activated carbon to remove hydrocarbons or halogenated compounds, then a layer (or more) zeolite X to remove other compounds. The choice of the different adsorbents used can be made empirically and on a case-by-case basis depending on the composition of the inlet air. In addition, the filters serve to trap particles, in particular aerosols, which may be in the air, as well as dust. - in step e), the impurities are chosen from the group formed by 03, NOx, CO, CO2, COS, C3H6O, C2HC13, C2H6O, S02, H2, H2O, C2H2, C2H4, C2H6, C3H8, CH4, C4H6 , C4H8, C4H1o, iron oxide, magnesium oxide, silicon oxide, chromium oxide, (C502H8) n, polycarbonate and aerosols. Aerosols are volatile organic compounds (VOCs) generally of the hydrocarbon type, the vapor pressure (Pv) of which is generally at least equal to but often greater than 0.01 kPa at 293.15 K. They can be of anthropogenic origin, in particular resulting from processes refining, evaporation of solvents, unburnt combustion, in particular automobile, or of natural origin, for example emitted by plants in the ambient air. - In step e), the oil vapors are hydrocarbons. - In step f), air is recovered having a maximum density of aerosol particles of between 0.01 and 5 mg / m3. - In step f), air is recovered having a maximum diameter of aerosol particles of between 0.01 and 5 m. - It includes a step of monitoring, preferably in real time, the moisture content of the air. - the flow rate of between 20 and 300 m3 / h, preferably 10 to 300 m3 / h. the laser generator is of the CO2, Nd: YAG or fiber type, in particular ytterbium fiber. - the air is compressed to a pressure of between 4 and 40 bars, preferably 7 and 40 bars. - the part has a thickness between 3 mm and 30 mm. - the part is made of aluminum or aluminum alloy. - in step b), the laser beam is conveyed by means of an optical path connecting the laser generator to the laser head and in that in step g), compressed air is introduced into the optical path. The invention is therefore based on controlling the quality and characteristics of the compressed air generated, making it compatible with laser beam cutting, in particular of aluminum and its alloys, and protecting the optical path of the device. laser. In the context of the invention, the terms laser generator, laser oscillator, laser machine and laser device are used interchangeably and in a completely equivalent manner to denote an installation making it possible to generate a laser beam. In fact, the inventors of the invention have demonstrated that the impurities, their proportions and the operating conditions (pressure, flow rate, dew point) considerably influence the laser beam and the production performances, in particular the presence of. aerosol type impurities, water vapor and oil vapors generated by the air compressor are very important parameters to take into account in order to obtain an industrially acceptable process. In addition, it is recommended to arrange at the outlet of the compressed air station, that is to say downstream of the air compressor or the like, a system for continuously monitoring the hygrometry of the gas with light and / or sound alert in the event of the presence of humidity above a maximum threshold, to ensure consistency in production performance. Example The process of the invention has been successfully tested industrially and has provided a number of advantages over a conventional process, that is to say a process without controlling the aerosol and water vapor contents. , in oil vapors and without adjustment of the pressure and flow rate of the compressed air. More precisely, the precedent of the invention was tested on a CO2 type laser cutting machine with a power of 2.5 kW.
De l'air ambiant a été comprimé à une pression de 20 bar, purifié par filtration et séché par absorption, par exemple par passage au travers d'un lit de gel de silice, de zéolite ou d'alumine, de manière à le débarrasser des impuretés qu'il contient, notamment des aérosols, et des vapeurs d'eau et d'huile qu'il contenait. Ensuite, l'air comprimé et purifié a été introduit à une pression de 17 bar et à un débit 15 maximum de 65 m3/h dans le chemin optique de la machine laser et, par ailleurs, dans la tête de coupe. Il a alors été possible de couper efficacement des pièces d'aluminium de 9 mm d'épaisseur, alors que les essais comparatifs opérés avec un procédé laser selon l'art antérieur n'ont permis de couper que des pièces de 3 mm d'épaisseur, toutes conditions égales par ailleurs.Ambient air was compressed to a pressure of 20 bar, purified by filtration and dried by absorption, for example by passing through a bed of silica gel, zeolite or alumina, so as to free it. impurities which it contains, in particular aerosols, and water and oil vapors which it contained. Then, the compressed and purified air was introduced at a pressure of 17 bar and at a maximum flow rate of 65 m3 / h into the optical path of the laser machine and, moreover, into the cutting head. It was then possible to efficiently cut pieces of aluminum 9 mm thick, while the comparative tests carried out with a laser process according to the prior art only made it possible to cut pieces of 3 mm thickness. , all conditions being equal.
20 En outre, avec le procédé de l'invention, la vitesse de coupe est augmentée de 15% par rapport celle obtenue avec un procédé standard pour une même épaisseur (3 mm par exemple), toutes conditions égales par ailleurs. Par ailleurs, utiliser de l'air comprimé selon le procédé de l'invention pour effectuer un balayage du trajet optique permet de limiter les dégradations des caractéristiques du faisceau laser 25 et l'usure prématurée de l'ensemble des éléments optiques de transmission. Ceci permet de réduire les opérations de maintenance et on obtient une augmentation des performances du fait de paramètres plus stables. Bien que les essais aient été faits sur de l'aluminium et un laser de type CO2, le procédé de l'invention est applicable à la coupe d'autres matériaux métalliques, tels les aciers, aciers 30 inoxydables, laiton, cuivre, titane, aluminium et alliage d'aluminium, et de matériaux plastiques (acrylique, polyéthylène, polypropylène, polystyrène, nylon, ABS, polycarbonate, PVC...) et ce, avec des machines laser CO2, Nd :YAG ou à fibre. In addition, with the method of the invention, the cutting speed is increased by 15% compared to that obtained with a standard method for the same thickness (3 mm for example), all conditions being equal. Furthermore, using compressed air according to the method of the invention to scan the optical path makes it possible to limit the degradation of the characteristics of the laser beam 25 and the premature wear of all the optical transmission elements. This makes it possible to reduce maintenance operations and an increase in performance is obtained due to more stable parameters. Although the tests were carried out on aluminum and a CO2 type laser, the method of the invention is applicable to the cutting of other metallic materials, such as steels, stainless steels, brass, copper, titanium, etc. aluminum and aluminum alloy, and plastic materials (acrylic, polyethylene, polypropylene, polystyrene, nylon, ABS, polycarbonate, PVC ...) and this, with CO2, Nd: YAG or fiber laser machines.