FR2961731A1 - Procede et installation de coupage laser a fibre ou disque avec distribution d'intensite du faisceau laser en anneau - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur un procédé de découpe par faisceau laser (10) d'une pièce (30) à couper, dans lequel on génère un faisceau laser (10) ayant une distribution d'intensité de type gaussienne au moyen d'une source laser à fibre ou à disque (1), caractérisé en ce qu'on modifie le faisceau (10) généré par la source laser, après sa sortie de la source laser, de manière à obtenir un faisceau laser à distribution d'intensité du type en anneau avec partie centrale creuse ; et on découpe la pièce (30) au moyen dudit faisceau laser à distribution d'intensité en anneau obtenu à l'étape précédente. Le dispositif optique (17) de contrôle de la distribution d'intensité du faisceau est une fibre optique, un élément optique diffractant ou un dispositif optique de type réflectif. Dispositif de mise en œuvre.

Description

L'invention a trait à un procédé de découpe laser dont l'efficacité a été améliorée grâce à l'utilisation d'un dispositif optique situé en aval de la source laser fibre ou à disque permettant de générer un faisceau laser dont la distribution d'intensité est du type anneau, i.e. TEM01 ou « ring » en anglais, en particulier un faisceau laser émanant d'un dispositif laser à fibres contenant de l'ytterbium ou de l'erbium. Les sources laser à solides, tels que les sources laser à fibres dopées à l'ytterbium ou à l'erbium, ou les sources laser à disque Yb :YAG, ont bénéficié d'importantes avancées ces dernières années et combinent des puissances de plusieurs kW avec d'excellents facteurs de qualité, contrairement aux lasers à milieu solide massif, i.e. les lasers Nd:YAG.

Au-delà des caractéristiques qui font des lasers à fibres ou à disque des sources laser bien adaptées à la découpe industrielle de matériaux métalliques, en l'occurrence un faisceau laser ayant une longueur d'onde plus courte que celle des lasers CO2 et transportable par fibre optique de convoyage non dopée, un encombrement réduit et une plus grande fiabilité, on s'attend à ce que leur grande brillance améliore significativement les performances de découpe. Ainsi, il est généralement admis que focaliser un tel faisceau laser de forte puissance, c'est-à-dire d'au moins 1 kW, sur la pièce à découper avec un diamètre de faisceau réduit et un faible angle de divergence peut conduire à un gain en vitesse et en qualité de découpe, à savoir des faces de coupe droites et sans bavures. Ces conditions sont satisfaites lorsque le procédé de découpe laser met en oeuvre une source laser présentant un bon facteur de qualité ou BPP (pour Beam Parameter Product) qui est exprimé comme étant égal au produit du rayon co au col du faisceau laser par son demi-angle de divergence O. Au vu de cette définition, on comprend pourquoi le choix d'un faisceau laser de BPP faible est souvent privilégié pour garantir de bonnes performances de découpe, typiquement un BPP inférieur à environ 8 mm.mrad. Ceci se vérifie en particulier sur la découpe de matériaux métalliques de faibles épaisseurs, c'est-à-dire moins de 4 mm, où un BPP plus faible, en général inférieur à environ 5 mm.mrad, permet généralement de gagner en vitesse de découpe, grâce à une meilleure efficacité du procédé. Cependant, concernant la découpe de pièces métalliques de plus forte épaisseur, typiquement au moins 4 mm pour les pièces en acier inoxydable et au moins 8 mm pour celles en acier doux, il est fréquemment rapporté que de meilleurs résultats de coupe, en termes de vitesse et de qualité de découpe, sont obtenus avec des lasers CO2 plutôt qu'avec des lasers à fibre ou à disque.

Ceci s'explique par la dépendance de l'absorptivité des alliages ferreux en fusion en fonction de l'angle d'incidence du faisceau sur le front de découpe. En effet, les valeurs et la dépendance de l'absorptivité sont différentes pour la longueur d'onde de 10.6 µm du laser CO2 et pour la longueur d'onde de 1.071um du laser à fibre d'ytterbium ou du laser à disque Yb : YAG. Lorsque l'épaisseur du matériau à couper croît, l'angle d'incidence du faisceau sur le front de découpe augmente et l'absorptivité de la longueur d'onde CO2 devient plus grande que celle de la longueur d'onde fibre, et le dépôt d'énergie sur le front de découpe devient alors moins efficace en coupage avec une source laser fibre ou à disque qu'en coupage avec une source laser CO2. Pour ce faire, le document US-A-7,259,907 suggère d'augmenter la densité de puissance du faisceau laser. Cependant, une telle augmentation de densité de puissance s'accompagne d'effets indésirables pouvant conduire à la destruction de la fibre servant à générer le faisceau, sauf à augmenter le diamètre de la fibre. Or, une augmentation du diamètre de fibre n'est pas non plus idéale car elle engendre une baisse de qualité du faisceau. Pour y remédier, US-A-7,259,907 a proposé aussi de remplacer la ou les fibres utilisées au sein d'une source laser à fibre par une ou des fibres particulières permettant de générer un faisceau non pas gaussien mais en anneau de sorte d'accroître le diamètre du faisceau généré.

Or, la solution pour obtenir un coupage efficace des matériaux, en particulier des pièces métalliques d'au moins 4 mm, n'est pas d'augmenter le diamètre du faisceau mais d'améliorer la découpe à puissance égale et ce, non seulement lorsque la source laser est à fibre mais aussi lorsque la source est à disque. De plus, devoir remplacer les fibres de la source laser par de telles fibres à structure particulière n'est pas pratique, ni aisé et engendre forcément des coûts de fabrication de la source plus élevés du fait de la nécessité d'utiliser des fibres particulières en lieu et place des fibres Yb classiques. Enfin, la solution de US-A-7,259,907 n'est pas applicable aux sources laser à fibre existantes car sur ces sources, l'intérieur de la source n'est pas accessible, et encore moins celles des sources laser à disque puisque ces sources sont de conception différente. En fait, le problème qui se pose réellement est d'améliorer les performances du procédé de coupage laser, en particulier des pièces métalliques présentant de fortes épaisseurs, c'est-à-dire des épaisseurs d'au moins 4 mm pour les pièces en acier inoxydable et au moins 8 mm pour celles en acier doux, avec faisceau généré par une source laser à fibre ou à disque, en particulier à fibre d'ytterbium ou à disque Yb:YAG, de manière à obtenir des saignées de coupe sans ou avec un nombre réduit de bavures adhérentes et/ou des faces de coupe bien droites et/ou sans défauts, et ce, sans nécessiter un remplacement de la ou des fibres de la source laser à fibre et qui puisse également s'appliquer aux sources laser à disque. La solution est alors un procédé de découpe par faisceau laser d'une pièce (30) à couper, dans lequel on génère un faisceau laser ayant une distribution d'intensité de type gaussienne au moyen d'une source laser à fibre ou à disque, caractérisé en ce que : a) on modifie le faisceau généré par la source laser, après sa sortie de la source laser, de manière à obtenir un faisceau laser à distribution d'intensité du type en anneau avec partie centrale creuse et b) on découpe la pièce au moyen dudit faisceau laser à distribution d'intensité en anneau obtenu à l'étape a).

La solution de l'invention ne porte donc pas sur une augmentation du diamètre du faisceau laser en agissant sur la fibre de la source laser, comme préconisé par US-A-7,259,907, mais sur un changement du profil de répartition de l'énergie dans le faisceau, i.e. augmenter la quantité d'énergie en périphérie du faisceau pour améliorer le dépôt d'énergie le long du front de découpe et le long des flancs de la saignée de découpe, en modifiant ledit profil en aval de la source laser à fibre ou à disque. En effet, le profil d'intensité d'un faisceau laser est un paramètre imposé par les caractéristiques de la source laser et de la (ou des) fibre optique émettant le faisceau laser au sein de ladite source. Or, les faisceaux émis les par lasers à fibre d'ytterbium ou à disque Yb:YAG de fortes puissance, c'est-à-dire d'au moins 1 kW, ont typiquement un profil de distribution d'intensité de type gaussien ou pseudo-gaussien, c'est-à-dire de type «en cloche » sans partie centrale creuse. Or, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence qu'en modifiant ce profil de distribution d'intensité en sortie, c'est-à-dire en aval de la source laser, de manière à transformer le profil gaussien généré au sein de la source laser pour obtenir un profil de type en anneau avec partie centrale creuse ou évidée, on peut considérablement améliorer les performances des procédés de coupage utilisant une source laser à fibre, en particulier à fibre d'ytterbium, ou à disque.

En effet, utiliser un faisceau laser présentant une distribution spatiale d'intensité en anneau, i.e. TEM01 ou de type « ring » en anglais, à partie centrale creuse permet de répartir l'énergie du faisceau laser plus efficacement au niveau du front de découpe. Un tel profil d'intensité est plus favorable au procédé de coupage car il permet d'augmenter l'énergie laser déposée au bas du front de découpe ainsi que sur les flancs de la saignée de découpe, et ainsi d'éliminer les bavures adhérentes au bas des faces de coupe. En outre, le fait de procéder à cette modification de la distribution d'énergie du faisceau en aval de la source laser servant à le générer, c'est-à-dire après que le faisceau ait eu quitté la source laser, est très pratique car le dispositif optique apte à modifier ladite distribution d'énergie peut revêtir différentes formes et/ou être inséré facilement en plusieurs sites de l'installation laser, ce qui permet aussi de mettre aisément en oeuvre le procédé de l'invention sur des installations existantes. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - on modifie la distribution d'intensité du faisceau au moyen d'un dispositif optique conçu pour ajuster la distribution d'intensité du faisceau laser généré par la source laser fibre, ledit dispositif étant agencé sur le trajet du faisceau laser, en aval de ladite source laser à fibre. - le faisceau laser généré par la source laser est convoyé par une fibre de convoyage 20 jusqu'à une tête de focalisation, ledit dispositif optique étant agencé en aval de la fibre de convoyage de faisceau laser. - le faisceau laser généré par la source laser est convoyé par une fibre de convoyage, puis traverse successivement un moyen optique de collimation et un moyen optique de focalisation, ledit dispositif optique étant agencé entre le moyen optique de collimation et le 25 moyen optique de focalisation, de préférence ledit dispositif optique est agencé dans la tête de focalisation. - le faisceau laser généré par la source laser est convoyé par une fibre de convoyage jusqu'à une tête de focalisation, ledit dispositif optique formant tout ou partie de la fibre de convoyage de faisceau laser. 30 - le faisceau laser a un BPP compris entre 0.33 et 25 mm.mrad, de préférence inférieur ou égal à 10 mm.mrad, et/ou un diamètre caractéristique dans le plan focal compris entre 100 et 500 µm. - le dispositif optique est apte à et conçu pour produire un faisceau laser dont la distribution d'intensité en anneau comprenant des maxima d'intensité situés de part et d'autre de l'axe de propagation du faisceau et séparés entre eux d'une distance comprise entre 10 et 90% du diamètre caractéristique du faisceau, de préférence entre 30 et 80% du diamètre caractéristique du faisceau. - le dispositif optique est apte à produire un faisceau laser dont la distribution d'intensité en anneau comprenant des pics d'intensité dont les maxima situés de part et d'autre de l'axe de propagation du faisceau ont une valeur égale à l'intensité du faisceau au niveau de son axe de propagation multipliée par un facteur supérieur à 1 et inférieur ou égal à 50, de préférence inférieur ou égal à 20. - la source laser à fibre servant à générer le faisceau laser est couplée à au moins une fibre optique de convoyage de faisceau permettant de véhiculer le faisceau laser depuis la source laser jusqu'à une tête de focalisation laser. - le faisceau laser est transporté par au moins une fibre optique de convoyage jusqu'à 15 une tête de focalisation comportant au moins une optique de focalisation, par exemple un ou plusieurs miroirs ou lentilles de focalisation. - le dispositif optique apte à produire un faisceau laser à distribution d'intensité en anneau, comprend au moins une fibre optique couplée à au moins une fibre optique de convoyage couplée à la source laser au moyen d'un coupleur de fibres que l'on agence entre 20 la fibre de convoyage et la fibre optique formant tout ou partie du dispositif optique. - on focalise le faisceau laser au moyen de l'optique de focalisation de manière à obtenir un faisceau laser focalisé, de préférence la focalisation du faisceau se fait dans l'épaisseur de la pièce à découper. - on découpe la pièce au moyen du faisceau laser focalisé, aussi appelé faisceau laser 25 de découpe. - on découpe une pièce d'au moins 0,4 mm d'épaisseur, de préférence d'au moins 1 mm. - on découpe une pièce d'au moins 4 mm d'épaisseur. - on découpe une pièce en acier au carbone, en acier inoxydable, en aluminium, en 30 alliage d'aluminium, en titane ou en alliage de titane. - on met en oeuvre au moins une optique de collimation de faisceau pour rendre parallèle, i.e. collimaté, le faisceau divergent entrant dans la tête de focalisation et au moins une optique de focalisation pour focaliser le faisceau. Le faisceau traverse successivement l'optique de collimation puis celle de focalisation, en particulier des lentilles de collimation et de focalisation. - le dispositif optique d'ajustement de distribution d'intensité du faisceau est apte à et conçu pour obtenir un faisceau laser focalisé dont la distribution d'intensité est en anneau et présente en outre un BPP compris entre 0.33 et 25 mm.mrad, de préférence inférieur ou égal à 10 mm.mrad, typiquement entre 2 et 8 mm.mrad, préférentiellement entre 2,5 et 6 mm.mrad. - le dispositif optique d'ajustement de distribution d'intensité est apte à et conçu pour obtenir un faisceau laser focalisé dont la distribution d'intensité en anneau et ayant en outre un diamètre caractéristique dans le plan focal compris entre 100 et 500 µm, le diamètre caractéristique étant défini comme le diamètre à l/e2 du faisceau, i.e. le diamètre pour lequel 86.5% de la puissance du faisceau est comprise dans un disque de ce diamètre. - le dispositif optique d'ajustement de distribution d'intensité est apte à produire un faisceau laser focalisé dont la distribution d'intensité est du type TEMoi* ou «ring », cet anneau étant constitué de maxima d'intensité situés de part et d'autre de l'axe de propagation du faisceau et séparés entre eux d'une distance comprise entre 10 et 90% du diamètre caractéristique du faisceau, de préférence entre 30 et 80% du diamètre caractéristique du faisceau. - le dispositif optique est apte à produire un faisceau laser focalisé dont la distribution d'intensité est du type TEMoi* ou «ring », cet anneau étant constitué de maxima d'intensité situés à égale distance de l'axe de propagation du faisceau et dont la valeur est égale à l'intensité du faisceau au niveau de son axe de propagation multipliée par un facteur strictement supérieur à 1 et inférieur ou égal à 50, de préférence inférieur ou égal à 20. - le dispositif optique de contrôle de la distribution d'intensité est au moins une fibre optique réalisée en silice fondue, à saut d'indice, à gradient d'indice ou à cristaux photoniques. - le dispositif optique de contrôle de la distribution d'intensité est au moins une fibre optique placée en lieu et place d'au moins une fibre optique de convoyage de faisceau 30 couplée à la source laser. - le dispositif optique de contrôle de la distribution d'intensité est au moins une fibre optique dont le diamètre de coeur est compris entre 10 et 200 µm, préférablement entre 40 et 160 µm, dont le diamètre de gaine optique est compris entre 100 et 500 µm, et/ou dont la longueur est avantageusement comprise entre 1 et 20 m. - le dispositif optique de contrôle de la distribution d'intensité est au moins un élément optique diffractant transmissif ou réflectif. - le dispositif optique est au moins un élément optique diffractant transmissif réalisé en silice fondue, en quartz, en verre spécial, en sulfure de zinc (ZnS) ou en séléniure de zinc (ZnSe), de préférence il comprend un traitement antireflet. - le dispositif optique est au moins un élément optique diffractant ayant une épaisseur comprise entre 0.5 et 10 mm, préférablement entre 3 et 7 mm, et est avantageusement de forme circulaire avec un diamètre compris de préférence entre 25 et 75 mm. - le dispositif optique est de type réflectif fonctionnant avec un angle d'incidence (a) compris entre 5 et 50°, et est réalisé en silice fondue, en quartz, en verre spécial, en sulfure de zinc (ZnS), en séléniure de zinc (ZnSe) ou en matériau métallique, et comprend de préférence un traitement réfléchissant. - la longueur d'onde du faisceau laser est comprise entre 1.06 et 1.10 µm. - la puissance du faisceau laser est comprise entre 0.1 et 25 kW, de préférence au moins 1 et jusqu'à 8 kW. - on génère un faisceau laser au moyen d'une source laser à fibres, de préférence 20 contenant de l'ytterbium ou de l'erbium, de préférence encore une ou des fibres contenant de l'ytterbium. L'invention concerne aussi une installation de coupage laser comprenant une source laser à fibre ou à disque, en particulier à fibre, pour générer un faisceau laser qui est amené jusqu'à une tête de focalisation comprenant une optique de focalisation, caractérisée en ce 25 qu'elle comprend en outre au moins un dispositif optique apte à et conçu pour produire un faisceau laser focalisé dont la distribution d'intensité est du type TEMoi*, ledit dispositif optique étant agencé en aval de la sortie de la source laser. De préférence, le dispositif optique est ou comprend au moins une fibre optique ou un composant optique diffractant. 30 Avantageusement, la source laser comprend au moins une fibre contenant de l'ytterbium ou de l'erbium, de préférence une ou des fibres contenant de l'ytterbium, L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, faite en références aux figures annexées parmi lesquelles : - les Figures la et lb illustrent la distribution d'intensité du faisceau focalisé dans le plan focal du faisceau et selon un axe passant par ce plan et par l'axe de propagation du faisceau, avec ses principales caractéristiques géométriques ; - la Figure 2 présente le principe de fonctionnement et d'architecture d'une installation de coupage laser ; et - les Figures 3 à 7 présentent plusieurs modes de réalisation possible de l'invention. Comme illustré sur la Figure 2, pour réaliser une découpe par faisceau laser 10, on utilise habituellement une installation de coupage laser comprenant une source laser 1, aussi appelé générateur laser ou dispositif laser, couplée à une fibre 2 de convoyage pour générer un faisceau laser se propageant jusqu'à une tête de focalisation 3 comportant une buse laser 4 située en regard d'une pièce à découper 30. La source laser 1 est avantageusement une source laser à fibres contenant de l'ytterbium, c'est-à-dire comprenant plusieurs fibres optiques comprenant ou dopées avec de l'ytterbium (Yb) qui servent à générer le rayonnement laser et dont le fonctionnement est détaillé ci-après. De telles sources laser à fibres Yb sont couramment accessibles dans le commerce. De manière alternative, la source laser 1 peut être aussi une source à fibres contenant de l'erbium ou une source laser à disque Yb:YAG. La tête de focalisation 3 de l'installation de coupage laser est alimentée en gaz d'assistance via une entrée de gaz 5 aménagée dans la paroi de ladite tête de focalisation 3 et par laquelle entrée 5, un gaz ou mélange gazeux sous pression provenant d'une source de gaz, par exemple une ou plusieurs bouteilles de gaz, une capacité de stockage ou encore une ou plusieurs canalisations de gaz, tel un réseau de distribution de gaz, est introduit en amont de la buse 4 et est évacué sous pression par cette buse 4 en direction de la pièce 30 à découper par faisceau laser. Le gaz d'assistance sert à chasser le métal fondu hors de la saignée 12 de coupe obtenue par fusion du métal au moyen du faisceau laser 10 qui est focalisé à la position 11 par rapport à la surface de la pièce 30 à couper, c'est-à-dire que le faisceau est focalisé dans l'épaisseur de la pièce à couper. Le choix du gaz se fait en fonction des caractéristiques du matériau à couper, notamment de sa composition, de sa nuance, de son épaisseur. Par exemple, de l'air, de l'oxygène, des mélanges azote/oxygène ou hélium/azote peuvent être utilisés pour le coupage de l'acier, alors que de l'azote, des mélanges azote/hydrogène ou argon/azote peuvent être utilisés pour couper l'aluminium ou l'acier inoxydable.

La pièce 30 à découper par laser peut être formée de différents matériaux métalliques, tel que l'acier, l'acier inoxydable, l'acier doux ou les alliages légers, tel l'aluminium et ses alliages, voire le titane et ses alliages, et avoir une épaisseur typiquement comprise entre 0.1 mm et 30 mm, et il est donc nécessaire d'adapter la nature et la composition du gaz au type de matériau à découper, voire aussi à l'épaisseur dudit matériau. Au cours du procédé de découpe, le faisceau 10 peut être focalisé (en 11) dans ou près de la pièce 30, c'est-à-dire à l'extérieur, c'est-à-dire quelques mm au-dessus ou au-dessous de la surface supérieure 30a ou inférieure 30b de la pièce 30 ; à l'intérieur, c'est-à-dire dans l'épaisseur de la pièce ; ou encore sur la face supérieure 30a ou inférieure 30b de la pièce 30 à découper. De préférence, la position 11 du point focal se situe entre 5 mm au-dessus de la surface supérieure 30a et 5 mm au-dessous de la surface inférieure 30b de la pièce 30. Le faisceau laser 10 utilisé dans le procédé de découpe de l'invention est préférablement généré par un laser à solide, préférablement un laser à fibres, dont la longueur d'onde est préférablement comprise entre 1.06 et 1.10 µm. La puissance du faisceau laser 10 se situe typiquement entre 0.1 et 25 kW, préférablement entre 1 et 8 kW. Le générateur laser 1 peut fonctionner en mode continu, quasi-continu ou impulsionnel. L'effet laser, c'est-à-dire le phénomène d'amplification de la lumière servant à générer le rayonnement laser, est obtenu au moyen d'un milieu amplificateur préférablement pompé par diodes laser et constitué d'une ou de typiquement plusieurs fibres optiques dopées, préférablement en silice dopées à l'ytterbium. L'architecture d'une telle source laser à fibre est bien connue et notamment illustrée sur la Figure 2 en page 84 de l'article : Fiber Lasers grow in power, Laser-Focus World, Août 2002 ou encore en page 16 de la présentation : Alabama LASER - ALAC 2004.

Le faisceau laser est ensuite émis hors de la source, récupéré et convoyé par au moins une fibre optique de convoyage, de préférence en silice fondue, dont le diamètre de coeur est typiquement compris entre 10 et 200 µm, préférablement entre 40 et 160 µm ; la fibre de convoyage ne contient pas d'ytterbium ou d'erbium. Suivant les caractéristiques de la source laser 1 et du diamètre de la fibre optique 2 de convoyage de faisceau, les valeurs de BPP du faisceau 10 sont comprises entre 0.33 et 25 mm.mrad, préférablement supérieures ou égales à 1 mm.mrad et/ou inférieures ou égales à 10 mm.mrad.

Comme on le voit sur les Figures 2 à 7, on utilise des dispositifs ou moyens optiques 13, 14, 18 pour diriger et focaliser le faisceau laser 10 vers la pièce 30 à découper. Plus précisément, une ou des optiques de collimation 13, de redirection 18 et/ou de focalisation 14 permettent de propager le faisceau laser 10 délivré par la fibre de convoyage 2 vers la pièce 30. Ces composants ou éléments optiques peuvent travailler en transmission ou en réflexion. Ainsi, les systèmes optiques de collimation et/ou de focalisation peuvent être composés de lentilles ou bien de miroirs de type sphériques ou asphériques, par exemple des miroirs paraboliques ou elliptiques. En particulier, on utilise habituellement d'abord une lentille de collimation 13 pour collimater le faisceau délivré par la fibre de convoyage 2, puis une lentille de focalisation 14 pour focaliser le faisceau collimaté, lesdites lentilles de collimation et de focalisation étant agencées successivement sur le trajet du faisceau laser entre l'extrémité de la fibre de convoyage 2 et la buse 4. Ces composants 13 à 15 optiques peuvent être choisis parmi les différents types de miroirs et de lentilles disponibles dans le commerce. Ils peuvent être réalisés dans des matériaux du type silice fondue, quartz, verres spéciaux, ZnS, ZnSe, ou métalliques, par exemple du cuivre, ou tout autre matériau susceptible d'être utilisé dans une tête de focalisation 3 de faisceau laser 10. Classiquement, un faisceau laser émis par la source 1 a une distribution d'intensité du type gaussienne, sortie de source 1.

Conformément à l'invention, pour améliorer l'efficacité du procédé de découpe par faisceau laser 10 délivré par la source laser à fibres 1 et la fibre de convoyage 2, on agence entre la sortie de la source laser 1 et l'optique de focalisation 14 d'une installation classique telle qu'illustrée sur la Figure 2, un ou des dispositifs optiques 17 pour obtenir un faisceau laser focalisé 10 dont la distribution d'intensité soit du type anneau à partie centrale creuse, i.e. de type TEM01 ou « ring », comme illustré sur les Figures la et lb. Dit autrement, le dispositif optique 17 permet de transformer la distribution d'intensité du faisceau, après sa sortie de la source 1, de manière à obtenir une distribution ou répartition d'intensité du type anneau à partie centrale creuse. Plus précisément, les Figures la et lb représentent respectivement la distribution du faisceau laser 10 dans un plan transverse à l'axe de propagation du faisceau laser 10 et la distribution d'intensité du faisceau laser 10 selon un axe 24 perpendiculaire à l'axe de propagation du faisceau et passant par cet axe. Comme illustré sur les Figures la et lb, le dispositif optique 17 de l'invention est conçu pour et apte à transformer le faisceau généré par la fibre Yb de la source 1 pour obtenir un faisceau laser 10 dont la distribution d'intensité est du type anneau, i.e. TEM01 ou « ring ». Cet anneau est formé de maxima d'intensité 23 situés de part et d'autre de l'axe de propagation du faisceau et séparés entre eux d'une distance 20 comprise entre 10 et 90%, de préférence entre 30 et 80%, du diamètre caractéristique 21 du faisceau, la valeur de ces maxima 23 étant égale à l'intensité 22 du faisceau au niveau de son axe de propagation multipliée par un facteur strictement supérieur à 1 et inférieur ou égal à 50, de préférence inférieur ou égal à 20. Par ailleurs, les Figures 3 à 7 illustrent différents modes de réalisation de l'invention mettant en oeuvre différentes sortes possibles de dispositif optique 17 de modification de distribution d'intensité du faisceau laser. Ainsi, comme représenté sur les Figures 3 à 6, le dispositif optique 17 de l'invention est ou comprend au moins une fibre optique couplée à la source laser 1 mais toujours située en aval ou sortie de celle-ci, c'est-à-dire que le faisceau laser ne traverse le dispositif optique 17, conçu pour ajuster la distribution d'intensité du faisceau laser 10 généré par la source laser fibre 1, uniquement après sa sortie de ladite source laser fibre 1 ; il est donc situé en aval de ladite source laser fibre. Dans ce cas, le dispositif optique 17 peut être agencé de plusieurs manières au sein de l'installation mais de préférence toujours entre la sortie de la source laser 1 et la tête de focalisation 3.

Selon un premier mode de réalisation illustré en Figure 3, la fibre optique 17 peut être couplée en aval d'une fibre optique de convoyage 2, elle-même couplée à la source laser 1, au moyen d'un coupleur de fibres 16 que l'on agence entre la fibre de convoyage 2 et la fibre optique 17 servant à transformer le faisceau à distribution d'intensité de type gaussien généré par la source laser fibre 1 en un faisceau laser à distribution d'intensité en anneau selon l'invention. Selon un deuxième mode de réalisation illustré en Figure 4, la fibre optique 17 constituant le dispositif optique 17 est directement soudée, i.e. fusionnée, à la fibre optique de convoyage 2. Selon un troisième mode de réalisation illustré en Figure 5, la fibre optique 17 constituant le dispositif optique d'ajustement de distribution d'intensité du faisceau remplace la fibre de convoyage 2, c'est-à-dire que la fibre optique 17 est agencée en lieu et place de la fibre de convoyage.

Selon un quatrième mode de réalisation illustré en Figure 6, l'installation de découpe laser selon l'invention comprend un dispositif optique 17 apte à et conçu pour modifier la distribution d'intensité du faisceau généré par la source 1, après son transport par la fibre de convoyage 2, comme dans le premier mode de réalisation de la Figure 3, mais aussi au moins un composant réflectif 18, comme par exemple un miroir plan, fonctionnant à un angle d'incidence a compris entre 5 et 50° permettant de renvoyer le faisceau 10, après son passage dans l'optique de collimation 13, vers l'optique de focalisation 14. Dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus, la fibre optique du dispositif 17 a un diamètre de coeur compris entre 10 et 200 µm, préférablement entre 40 et 160 µm, et un diamètre de gaine optique compris entre 100 et 500 µm, et une longueur avantageusement comprise entre 1 et 20 m. Selon un cinquième mode de réalisation illustré en Figure 7, l'installation comporte un composant réflectif 18, tel par exemple un miroir plan, fonctionnant à un angle d'incidence a compris entre 5 et 50° situé sur le trajet du faisceau 10 entre les optiques de collimation 13 et de focalisation 14, comme dans le cas de la Figure 6, mais comporte aussi un dispositif optique 17 de modification de la distribution d'intensité agencé sur le trajet du faisceau 10, entre ledit composant réflectif 18 et l'optique de focalisation 14. Ce dispositif optique 17 est au moins un élément optique diffractant transmissif réalisé en silice fondue, en quartz, en verre spécial, en sulfure de zinc (ZnS), en séléniure de zinc (ZnSe) ou tout autre matériau transparent à la longueur d'onde de travail, comprenant de préférence un traitement antireflet, d'une épaisseur comprise entre 0.5 et 10 mm, préférablement entre 3 et 8 mm, et avantageusement de forme circulaire avec un diamètre compris de préférence entre 25 et 75 mm. Ces valeurs d'épaisseurs sont préférables dans le cas où le dispositif est amené à supporter de fortes pressions ou températures, c'est-à-dire des pressions pouvant atteindre 25 bar et des températures de plus de 100 °C. Dans ce cinquième mode de réalisation, le dispositif optique 17 de l'invention peut également être incorporé dans une installation ne comportant pas de composant réflectif 18. Dans ce cas, le faisceau laser 10 se propage directement des optiques de collimation 13 aux optiques de focalisation 14, en passant par le dispositif optique 17.

De façon alternative, le dispositif optique 17 de modification de la distribution d'intensité inclut au moins un élément optique configuré pour fonctionner en réflexion, à un angle d'incidence a compris entre 5 et 50°. En réflexion, au moins une face du composant optique 17 est revêtue d'un traitement réfléchissant. Les matériaux utilisés pour la fabrication du dispositif optique 17 peuvent être de la silice fondue, du quartz, du verre spécial, des matériaux du type ZnS, ZnSe ou métalliques, par exemple du cuivre. Le dispositif optique de contrôle de la distribution d'intensité 17 est incorporé dans la tête 3, 4 de découpe laser et placé sur le trajet optique du faisceau laser, comme visible sur la Figure 7. La description suivante va permettre de mieux comprendre la nature du dispositif optique 17 qui, selon l'invention, sert à modifier ou ajuster la distribution d'intensité du faisceau laser, après sa sortie de la source laser fibre ou à disque 1, de manière à obtenir un faisceau dont la distribution d'intensité est du type anneau, i.e. TEMoi* ou « ring ».

Comme déjà mentionné en rapport avec les Figures 3 à 6, le dispositif 17 utilisé pour contrôler la distribution d'intensité du faisceau laser 10 peut être formé d'au moins une fibre optique conçue pour obtenir un faisceau laser focalisé 10 dont la distribution d'intensité est du type anneau, par exemple un guide d'onde optique remplissant à la fois les fonctions de propagation et de mise en forme de la distribution d'intensité du faisceau laser 10.

Préférentiellement, cette fibre optique 17 peut être formée d'un coeur en silice et d'une gaine optique en silice dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du coeur. Le faisceau se propage à travers la fibre optique 17 par réflexion totale interne. La différence d'indice entre le coeur et la gaine optique ainsi que le diamètre du coeur de la fibre du dispositif 17 sont choisis de façon à contrôler le mode de propagation du faisceau émis par la source laser 1 dans la fibre et à générer un faisceau laser focalisé 10 dont la distribution d'intensité est du type « ring ». La fibre peut être à saut d'indice, à gradient d'indice ou à cristaux photoniques. Dans ce dernier cas, la fibre est à microstructure air-silice, i. e. constituée de silice et de trous d'air microscopiques. Une variation de l'arrangement de ces trous ou de la forme du coeur permet de faire varier la forme du mode se propageant dans la fibre. Des exemples de fibres optiques pouvant être implémentées sur des composants optiques 17 de mise en forme de la distribution d'intensité du faisceau, ainsi que des exemples de techniques utilisées pour la fabrication de tels composants, sont donnés par les documents suivants, auxquels on peut se reporter pour plus de détails à ce sujet : - « Fiber optics », A. Al-Azzawi, CRC Press, Taylor and Francis group, 2007 ; et - http://www.nktphotonics.cor /side5302-cid-5242.htmI .

Cependant, le dispositif optique 17 utilisé pour contrôler la distribution d'intensité du faisceau laser 10 peut également comprendre un composant optique de phase ou plus, préférablement un élément optique diffractant, comme illustré en Figures 7. Le composant optique permet d'introduire une modulation spatiale de la phase sur le front d'onde du faisceau laser. En utilisant un motif de modulation de phase adéquate, le front d'onde du faisceau incident 10 peut être altéré, ajusté ou modifié de manière à obtenir un faisceau focalisé 10 possédant la distribution d'intensité souhaitée, i.e. d'allure TEMoi* ou « ring ». Avantageusement, la surface de l'optique diffractive du dispositif 17 présente des microstructures qui sont gravées dans le substrat du composant 17 sur des profondeurs variables, de l'ordre de la longueur d'onde de travail. Ces microreliefs forment une carte de phase 2D induisant la diffraction et le déphasage localement variable de l'onde incidente. Typiquement, l'élément optique 17 diffractant présente des profondeurs de gravures à deux ou à multiples niveaux. La carte de modulation de phase de l'élément optique 17 est ainsi constituée de deux valeurs de déphasage ou plus. La distribution de phase de l'élément 17 mis en oeuvre est conçue pour contrôler la distribution d'intensité du faisceau laser 10, de manière à obtenir un faisceau focalisé 10 dont la distribution d'intensité est du type anneau, i. e. TEMoi * ou « ring ». Des exemples de cartes de modulation spatiale de phase pouvant être implémentées sur des composants optiques 17 de mise en forme de la distribution d'intensité du faisceau, ainsi que des exemples de techniques utilisées pour la fabrication de tels composants, sont donnés par les documents suivants, auxquels on peut se reporter pour plus de détails à ce sujet : - «Diffractive Optics : Design, Fabrication and Test », D. C. O'Shea et al., SPIE 25 Press, Bellingham, Washington (2003) ; - « Creation of Diffractive Optical Elements by One Step E-beam Lithography for Optoelectronics and X-ray Lithography », A. A. Aristov et al., Baltic Electronics Conference, October 7-11, 1996, p. 483-486, Tallinn, Estonia ; et - «Development of Diffractive Beam Homogenizer », T. Hirai et al., SEI Technical 30 Review, n° 60, June 2005, p. 17-23. Dans tous les cas, en intégrant un dispositif optique 17 apte à produire un faisceau laser focalisé dont la distribution d'intensité est du type anneau, dans une installation de découpe laser, comme illustré sur les Figures la et lb.

Le profil d'intensité du faisceau focalisé 10 peut être ajusté en fonction de la gamme d'épaisseurs découpées de manière à optimiser les performances du procédé en termes de vitesse et de qualité de découpe. L'anneau obtenu, schématisé en Figure lb, est formé de maxima d'intensité 23 situés de part et d'autre de l'axe de propagation du faisceau et séparés entre eux d'une comprise entre 10 et 90%, de préférence entre 30 et 80%, du diamètre caractéristique 21 du faisceau, multipliée par un facteur strictement supérieur à 1 et inférieur ou égal à 50, de préférence inférieur ou égal à 20. Le choix de la géométrie de la distribution d'intensité la plus adaptée à la découpe d'une tôle de caractéristiques données, notamment en termes de composition ou nuance métallurgiques et/ou d'épaisseur, peut se faire empiriquement par des essais de découpe sur des échantillons de la tôle à découper avec un faisceau laser focalisé présentant des distances 20 différentes entre les maxima d'intensité 23, ou un diamètre caractéristique 21 de faisceau différent, ou des facteurs multiplicateurs différents entre la valeur des maxima 23 et l'intensité 22 au centre du faisceau, et comparaison des résultats ainsi obtenus.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de découpe par faisceau laser (10) d'une pièce (30) à couper, dans lequel on génère un faisceau laser (10) ayant une distribution d'intensité de type gaussienne au moyen d'une source laser à fibre ou à disque (1), caractérisé en ce que : a) on modifie le faisceau (10) généré par la source laser, après sa sortie de la source laser, de manière à obtenir un faisceau laser à distribution d'intensité du type en anneau avec partie centrale creuse et b) on découpe la pièce (30) au moyen dudit faisceau laser à distribution d'intensité en anneau obtenu à l'étape a).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on modifie la distribution d'intensité du faisceau au moyen d'un dispositif optique (17) conçu pour ajuster la distribution d'intensité du faisceau laser (10) généré par la source laser fibre, ledit dispositif étant agencé sur le trajet du faisceau laser (10), en aval de ladite source laser à fibre
3. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau laser généré par la source laser est convoyé par une fibre de convoyage jusqu'à une tête de focalisation, ledit dispositif optique (17) étant agencé en aval de la fibre de convoyage de faisceau laser.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau laser généré par la source laser est convoyé par une fibre de convoyage, puis traverse successivement un moyen optique de collimation et un moyen optique de focalisation, ledit dispositif optique (17) étant agencé entre le moyen optique de collimation et le moyen optique de focalisation, de préférence ledit dispositif optique (17) est agencé dans la tête de focalisation.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le faisceau laser généré par la source laser est convoyé par une fibre de convoyage jusqu'à une tête de focalisation, ledit dispositif optique (17) formant tout ou partie de la fibre de convoyage de faisceau laser.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source laser est une source laser fibre, en particulier à fibre d'ytterbium.
7. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau laser a un BPP compris entre 0.33 et 25 mm.mrad, de préférence inférieur ou égal à 10 mm.mrad, et/ou un diamètre caractéristique dans le plan focal compris entre 100 et 500 µm.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif optique (17) est apte à et conçu pour produire un faisceau laser dont la distribution d'intensité en anneau comprenant des maxima d'intensité situés de part et d'autre de l'axe de propagation du faisceau et séparés entre eux d'une distance (20) comprise entre 10 et 90% du diamètre caractéristique (21) du faisceau, de préférence entre 30 et 80% du diamètre caractéristique (21) du faisceau.
9. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif optique (17) est apte à produire un faisceau laser dont la distribution d'intensité en anneau comprenant des pics d'intensité dont les maxima situés de part et d'autre de l'axe de propagation du faisceau ont une valeur (23) égale à l'intensité (22) du faisceau au niveau de son axe de propagation multipliée par un facteur supérieur à 1 et inférieur ou égal à 50, de préférence inférieur ou égal à 20.
10. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif optique (17) de contrôle de la distribution d'intensité du faisceau est au moins une fibre optique réalisée en silice fondue, à saut d'indice, à gradient d'indice ou à cristaux photoniques.
11. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif optique (17) de contrôle de la distribution d'intensité du faisceau est au moins une fibre optique dont le diamètre de coeur est compris entre 10 et 200 µm, préférablement entre 40 et 160 µm.
12. 12. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 à 6 à 9, caractérisé en ce que le dispositif optique (17) est au moins un élément optique diffractant.
13. 13. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 à 6 à 9, caractérisé en ce que le dispositif optique (17) est de type réflectif fonctionnant avec un angle d'incidence (a) compris entre 5 et 50°.
14. 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur d'onde du faisceau laser est comprise entre 1.06 et 1.10 µm et/ou en ce que la puissance du faisceau laser (10) est comprise entre 0.1 et 25 kW, de préférence entre 1 et 8 kW.
15. 15. Installation de coupage laser comprenant une source laser (1) à fibre ou à disque, en particulier à fibre, pour générer un faisceau laser (10) qui est amené jusqu'à une tête de focalisation (3, 4) comprenant une optique de focalisation (14), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un dispositif optique (17) apte à et conçu pour produire un faisceau laser (10) focalisé dont la distribution d'intensité est du type TEMoi*, ledit dispositif optique (17) agencé en aval de la sortie de la source laser (1), de préférence le dispositif optique (17) est ou comprend au moins une fibre optique ou un composant optique diffractant.