FR2973726A1

FR2973726A1 - Machine de coupage laser avec systeme d'alignement axial du faisceau laser

Info

Publication number: FR2973726A1
Application number: FR1152962A
Authority: FR
Inventors: Vincent Hembert
Original assignee: Air Liquide Welding France
Current assignee: Lincoln Electric Co France SA
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2012-10-12

Abstract

L'invention concerne une machine laser comprenant une source laser (1), une tête laser (3) et une fibre laser (2) comprenant une extrémité amont (2a) et une extrémité aval (2b), ladite fibre étant connectée à la tête laser (3) via son extrémité aval (2b), la connexion de ladite fibre laser (2) à la tête laser (3) se faisant via des moyens de connexion (9) agencés à l'extrémité aval (2b) de la fibre (2), la tête laser (3) comprenant en outre une optique de collimation (19), caractérisée en ce qu'elle comporte un système de réglage angulaire (11) coopérant avec les moyens de connexion (9) de manière à permettre un ajustage angulaire desdits moyens de connexion (9) par rapport à l'optique de collimation (19). Utilisation d'une telle machine pour découper un matériau métallique par mise en œuvre d'un faisceau laser.

Description

L'invention concerne une machine laser, en particulier une machine de coupage par faisceau laser, comprenant un système de réglage de l'alignement angulaire du connecteur de fibre, ainsi que l'utilisation d'une telle machine pour découper un matériau métallique par mise en oeuvre d'un faisceau laser.

Pour réaliser une découpe automatique par faisceau laser de tôle, on utilise généralement une machine de découpe laser comprenant une source laser et une tête laser reliée l'une à l'autre par une fibre de transport de faisceau, lorsque la source laser est un générateur ou oscillateur laser à fibres d'ytterbium ou analogue, ou à disques par exemple. Le raccordement de la fibre à la tête laser se fait classiquement via des éléments connecteurs équipant l'extrémité de la fibre et la partie amont de la tête. Or, en pratique, on a constaté que sur certaines machines laser, l'alignement axial du faisceau laser n'est pas parfaitement perpendiculaire à la surface de la tôle à couper et cela engendre des défauts de coupe. Le problème qui se pose dès lors est de proposer une machine de laser délivrant un faisceau parfaitement perpendiculaire à la surface de la tôle à découper, c'est-à-dire un faisceau qui ne soit pas désaxé par rapport à la verticale. La solution est une machine laser, en particulier de coupage laser, comprenant une source laser, une tête laser et une fibre laser comprenant une extrémité amont et une extrémité aval, ladite fibre étant connectée à la tête laser via son extrémité aval, la connexion de ladite fibre laser à la tête laser se faisant via des moyens de connexion agencés à l'extrémité aval de la fibre, la tête laser comprenant en outre une optique de collimation, caractérisée en ce qu'elle comporte un système de réglage angulaire coopérant avec les moyens de connexion de manière à permettre un ajustage angulaire desdits moyens de connexion par rapport à l'optique de collimation.

Selon le cas, la machine de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le système de réglage angulaire comprend une rotule. - le système de réglage angulaire comprend une rotule et au moins un élément de réglage coopérant avec la rotule pour ajuster angulairement les moyens de connexion. - les moyens de connexion comprennent un connecteur de fibre, de préférence à verrouillage par baïonnette. - la fibre comprend à ses extrémités amont et/ou aval des fenêtres de sortie en quartz. - ledit au moins un élément de réglage comprend une ou plusieurs vis de réglage, de préférence au moins 2 vis de réglage, avantageusement au moins 4 vis de réglage. - la rotule est agencée autour du connecteur. - la rotule est agencée sur une pièce-support formant manchon autour du connecteur. - au moins un élément de réglage vient agir mécaniquement sur la pièce-support formant manchon autour du connecteur ou le connecteur portant la rotule. - le système de réglage angulaire est apte à et conçu pour agir sur les moyens de connexion de manière à permettre un ajustage angulaire desdits moyens de connexion et obtenir un faisceau laser perpendiculaire à l'optique de collimation. - l'optique de collimation comprend une face plane et le système de réglage angulaire est apte à et conçu pour agir sur les moyens de connexion de manière à permettre un ajustage angulaire desdits moyens de connexion pour obtenir un faisceau laser perpendiculaire à ladite face plane de l'optique de collimation. - la face plane de l'optique de collimation est située du côté de l'extrémité aval de la fibre, c'est-à-dire que la face plane de l'optique de collimation est située du côté où arrive la 10 fibre. - un système d'anti-rotation permet de bloquer la rotule dans une position angulaire donnée. - le système d'anti-rotation comporte des vis et des écrous. - la fibre est connectée à la source laser via son extrémité amont. 15 - la source laser est de type à fibres d'ytterbium, Nd :YAG ou à disques. - la fibre a un diamètre de 50 et 250 µm, typiquement de 90 à 160 µm. - la source délivre un faisceau laser de puissance comprise entre 300 W à 10 kW, de préférence de 1 à 4 kW. - le système d'anti-rotation permet d'éviter toute rotation autour de l'axe optique de 20 la lentille de collimation. - le connecteur de fibre comprend un système de sécurité empêchant tout démontage sans outil par un opérateur. La présente invention va maintenant être expliquée plusieurs en détail en référence aux Figures illustratives annexées parmi lesquelles : 25 - la Figure 1 illustre un défaut de déviation angulaire du faisceau avant correction au moyen du système de correction angulaire selon l'invention, - la Figure 2 illustre la correction du défaut de la Figure 1 grâce au système de correction angulaire selon l'invention, - la Figure 3 est un schéma d'une machine de coupage laser selon l'invention et 30 - la Figure 4 schématise l'intégration du système de correction angulaire selon l'invention sur la tête laser de la machine de la Figure 3. La Figure 3 représente une machine de coupage laser comprenant une tête de coupage laser 3 agencée, de manière mobile via par exemple un chariot mobile 5, sur une poutre 6 elle-même mobile sur un bâti-support 7 surplombant une table de découpe portant 35 une tôle 10 à découper. Les déplacements du chariot 5 portant la tête laser 3 et/ou de la poutre 6 sont préférentiellement opérés au moyen d'actionneurs linéaires ou rotatifs, permettant par l'intermédiaire d'un système numérisés, d'automate et de commande numérique 8 d'obtenir les trajectoires souhaitées, en particulier des formes programmées devant être découpées au sein de la tôle 10. Le faisceau laser est généré au sein d'une source laser 1, c'est-à-dire un générateur de faisceau laser, par exemple à fibres d'ytterbium ou analogue, à disques.

Une fibre optique 2 de convoyage de faisceau est connectée à la sortie aval de la source laser 1 de manière à pouvoir recueillir le faisceau qui y été généré, puis le transporter jusqu'à la tête de focalisation 3 positionnée en regard de la pièce 10 à couper, par exemple une tôle d'acier, d'acier inoxydable, d'aluminium, de cuivre ou d'un de leurs alliages. La connexion de l'extrémité amont 2a de la fibre 2 de transport de faisceau à la source laser 1, telle une source de type à fibres d'ytterbium ou à disques, se fait par exemple via un connecteur opto-mécanique 18 permettant d'introduire le faisceau laser généré dans et sortant de la source 1 dans la fibre 2 de convoyage, par exemple une fibre de diamètre de moins de 200 µm, typiquement entre 5à et 150 µm environ. L'ensemble est piloté par des moyens de commande 8 comprenant une CNC, un PC des modules d'entrées/sorties, déportés ou intégrés à la CNC, permettant l'interfaçage avec les capteurs, actionneurs et périphériques de l'installation. La tête laser 3 est munie d'une buse 4 par laquelle sort le faisceau laser et le gaz d'assistance utilisé pour assister le faisceau en expulsant le métal fondu hors de la saignée de coupe, pendant le coupage proprement dit.

D'une façon générale, la machine de l'invention permet de couper des matériaux métalliques en acier au carbone, en acier inoxydable, en aluminium, en cuivre ou en l'un de leurs alliages. Le matériau à découper peut être une plaque, une tôle plane ou emboutie, un tube ou plus généralement un profilé métallique. Le faisceau laser est généré par un générateur laser à fibres dopées à l'ytterbium ou 25 analogue, à barreau solide ou à disque Nd :YAG. Selon l'invention, comme illustré en Figure 4, la machine de la Figure 1 intègre un système de correction angulaire 11 permettant de corriger tout défaut éventuel de déviation angulaire du faisceau laser 20 en sortie aval 2b de la fibre 2 et plus précisément au niveau du quartz de la fibre, et obtenir ainsi un faisceau 20 dont l'axe principal est perpendiculaire 30 (angle de 90° environ) à la surface de référence plane de l'optique de collimation 19 du faisceau ; l'autre surface de la lentille étant convexe ou concave. La surface de référence plane de l'optique de collimation 19 est la face par laquelle le faisceau laser pénètre dans la lentille de collimation avant d'en ressortir en direction de l'optique de focalisation située en aval, telle une lentille de focalisation. 35 Le système de correction angulaire 11 est agencé au niveau de la partie amont de la tête laser 3, c'est-à-dire au niveau du connecteur 9 de raccordement de l'extrémité aval 2b de la fibre 2 à la dite tête 3 laser, en amont de l'optique de collimation 19, en considérant le sens de trajet du faisceau laser depuis la source 1 vers la tête laser 3.

Comme détaillé sur les Figures 1 et 2, le système de correction angulaire 11 équipant une machine laser selon l'invention permet un réglage angulaire, c'est-à-dire suivant deux axes perpendiculaires, de l'axe du connecteur par un système mécanique à rotule 12 et à 4 vis de réglage 14.

La rotule 12 est agencée autour du connecteur 9, de préférence sur une pièce-support 16 formant manchon autour du connecteur 9. La rotule 9 et la pièce support 16 peuvent être formées d'un seul bloc, par exemple être constitués d'une pièce unique moulée, usinée ou analogue, par exemple une pièce unique usinée en aluminium. Les éléments de réglage 14, de préférence 4 vis de réglage, viennent agir mécaniquement sur la pièce-support 16 formant manchon autour du connecteur 9 de manière à engendrer un basculement ou pivotement de ladite pièce-support 16, ce qui permet alors de modifier sa position angulaire par rapport à l'axe vertical de la tête 3, donc d'opérer un ajustage axial précis du connecteur 9, donc aussi du faisceau 20 par rapport à la surface de référence plane de l'optique de collimation 19.

Ceci est illustré par les Figures 1 et 2. Sur la Figure 1, on peut voir qu'avant réglage, le faisceau en sortie de fibre 2 n'est pas correctement aligné par rapport à l'axe de faisceau désiré puisqu'on constate une déviation angulaire d'un angle d'environ 0,5 à 10°. Sur la Figure 2, on voit qu' après actionnement du système de correction angulaire 11 de l'invention, en particulier des vis de réglage 14, on a obtenu une réorientation du connecteur 9 autour duquel est agencée la rotule12, par pivotement de ladite rotule 12, conduisant à un alignement axial parfait du faisceau laser. La rotule 12 est alors bloquée en position désirée grâce à un système d'anti-rotation 13 de rotule 12, par exemple une goupille, une clavette ou analogue.

Ce système d'anti-rotation 13 de rotule 12 permet donc de bloquer la rotule 12 dans une position angulaire donnée, après ajustage précis, et dès lors de conserver une orientation désirée du faisceau laser 20. A noter que l'étanchéité du circuit optique est assurée grâce à des joints toriques 15 agencés entre la rotule 12 et le connecteur 9.

Une optique de focalisation située dans la tête laser permet de focaliser le faisceau dans l'épaisseur de la pièce à couper. La machine selon l'invention peut être utilisée pour découper un matériau métallique par mise en oeuvre d'un faisceau laser parfaitement axial et d'un gaz d'assistance adapté, par exemple un gaz oxydant, tel de l'air ou de l'oxygène, pour la découpe des aciers au carbone.

Claims

REVENDICATIONS1. Machine laser comprenant une source laser (1), une tête laser (3) et une fibre laser (2) comprenant une extrémité amont (2a) et une extrémité aval (2b), ladite fibre étant connectée à la tête laser (3) via son extrémité aval (2b), la connexion de ladite fibre laser (2) à la tête laser (3) se faisant via des moyens de connexion (9) agencés à l'extrémité aval (2b) de la fibre (2), la tête laser (3) comprenant en outre une optique de collimation (19), caractérisée en ce qu'elle comporte un système de réglage angulaire (11) coopérant avec les moyens de connexion (9) de manière à permettre un ajustage angulaire desdits moyens de connexion (9) par rapport à l'optique de collimation (19).
2. Machine selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le système de réglage angulaire (11) comprend une rotule (12).
3. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de réglage angulaire (11) comprend une rotule (12) et au moins un élément de réglage (14) coopérant avec la rotule (12) pour ajuster angulairement les moyens de connexion (9).
4. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de connexion comprennent un connecteur de fibre, de préférence à verrouillage par baïonnette.
5. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que 25 ledit au moins un élément de réglage (14) comprend une ou plusieurs vis de réglage, de préférence au moins 2 vis de réglage, avantageusement 4 vis de réglage.
6. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la rotule (12) est agencée autour du connecteur (9).
7. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la rotule (12) est agencée sur une pièce-support (16) formant manchon autour du connecteur (9). 35
8. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins un élément de réglage (14) vient agir mécaniquement sur la pièce-support (16) formant manchon autour du connecteur (9) ou le connecteur (9) portant la rotule (12). 30
9. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de réglage angulaire (11) est apte à et conçu pour agir sur les moyens de connexion (9) de manière à permettre un ajustage angulaire desdits moyens de connexion (9) et obtenir un faisceau laser perpendiculaire à l'optique de collimation (19).
10. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'optique de collimation (19) comprend une face plane et le système de réglage angulaire (11) est apte à et conçu pour agir sur les moyens de connexion (9) de manière à permettre un ajustage angulaire desdits moyens de connexion (9) pour obtenir un faisceau laser (2) perpendiculaire à ladite face plane de l'optique de collimation (19).
11. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'optique de collimation (19) comprend une face plane située du côté de l'extrémité aval (2b) de la fibre (2).
12. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'optique de collimation (19) est une lentille.
13. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un 20 système d'anti-rotation (13) permet de bloquer la rotule (12) dans une position angulaire donnée.
14. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source laser (1) est de type à fibres d'ytterbium, Nd :YAG ou à disques.
15. Utilisation d'une machine selon l'une des revendications précédentes pour découper un matériau métallique par mise en oeuvre d'un faisceau laser. 25