WO2015059384A1 - Buse laser a double flux gazeux - Google Patents

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WO2015059384A1
WO2015059384A1 PCT/FR2014/052610 FR2014052610W WO2015059384A1 WO 2015059384 A1 WO2015059384 A1 WO 2015059384A1 FR 2014052610 W FR2014052610 W FR 2014052610W WO 2015059384 A1 WO2015059384 A1 WO 2015059384A1
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WO
WIPO (PCT)
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nozzle
duct
peripheral
laser
downstream
Prior art date
Application number
PCT/FR2014/052610
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English (en)
Inventor
Thomas Jouanneau
Eric Verna
Original Assignee
L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Publication date
Application filed by L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude filed Critical L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1464—Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
    • B23K26/1476—Features inside the nozzle for feeding the fluid stream through the nozzle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Definitions

  • the invention relates to a laser nozzle that can be used in laser beam cutting. More particularly, the invention relates to a laser nozzle for improving the cutting performance of mild steel parts, including high thicknesses.
  • Laser beam cutting requires the use of a generally copper nozzle having the effect of channeling the assist gas and passing the laser beam.
  • the flow of gas and the beam is propagated generally coaxially to the workpiece through a central duct passing axially through the nozzle.
  • assistance gas depends on the nature of the constituent material of the parts to be cut.
  • an active gas such as oxygen (O 2 ) or mixtures of inert and active gas, for example mixtures of oxygen and nitrogen, is generally used.
  • the gas is injected into the interaction zone between the laser beam and the workpiece, and this at pressures typically ranging from 0.2 to 6 bar.
  • melt steel refers to carbon steel or carbon-manganese steel (C-Mn), or otherwise means any unalloyed or low alloyed steel with carbon and manganese contents below at 2% by weight and the contents of other alloying elements possibly present are less than 5% by weight.
  • the flow of oxygen plays a chemical role and a mechanical role.
  • the laser heats the material to be cut, which initiates an exothermic oxidation reaction between the iron contained in the steel and the oxygen. This additional energy input relative to that provided by the laser beam increases the efficiency of the cutting process.
  • the flow of oxygen exerts a mechanical action on the molten metal to drive it out of the cutting bleed.
  • the molten metal during the formation of the cutting groove is mainly composed of a mixture of iron and iron oxides in the liquid state. The presence of iron oxides in the molten metal reduces the viscosity, which further facilitates its ejection out of the kerf.
  • lasers of high power typically at least 5 kW.
  • a large part of the mixture formed by the molten metal and the iron oxides is pushed towards the rear of the groove and adheres to the bottom of the cutting faces, that is, at the outlet of the groove, by means of surface tension mechanisms.
  • double-flow laser nozzles comprising, in addition to an axial gas passage, at least one lateral gas passage passing through the nozzle body. and arranged near said axial passage.
  • Such nozzles are described for example in JP-A-2005/1 18818, WO-A-2009/019977, JP-A-2011/177788, JP-A-2005/118818 or JP-A-2005/021932. .
  • the inventors of the present invention have shown that the geometries of the central and peripheral gas conduits of the nozzles of the prior art give rise to gaseous flows whose dynamic characteristics are poorly controlled. It follows the appearance of turbulence in the gaseous flows propagating in the bleeding, which inevitably leads to a poor evacuation of the molten metal out of the kerf and the formation of burrs at the bottom of the cutting faces of the cut piece.
  • the problem that arises is therefore to overcome all or some of the aforementioned drawbacks, in particular to propose a laser nozzle making it possible to improve the laser cutting performance with respect to the nozzles of the prior art, in particular to greatly reduce or even reduce removing adherent burrs from the cutting faces of the cut pieces, while offering a simplified industrial implementation, and which is also compatible with most of the existing laser focusing heads.
  • an object of the invention is to provide a laser nozzle improving the laser cutting performance on the thick steel parts of high thickness.
  • a central duct extending axially through the nozzle and comprising an internal downstream portion of cylindrical shape with a first outlet orifice of diameter D, and
  • peripheral duct extending around the central duct and comprising an internal downstream chamber with a second annular outlet orifice, said second outlet orifice having, in a radial direction, a first passage width El,
  • the internal downstream portion of the central duct has a first length L1 with L1> 3 ⁇ D, and
  • the internal downstream chamber of the peripheral duct has a second length L2 with L2> 8 ⁇ El,
  • the peripheral duct comprises an intermediate chamber arranged between the internal passages and the internal downstream chamber, said intermediate chamber extending around the central duct.
  • the nozzle of the invention may comprise one or more of the following technical characteristics:
  • the inner downstream portion of the central duct has a first length L1 with L1> 5 ⁇ D, preferably L1> 8 ⁇ D, and / or the internal downstream chamber of the peripheral duct has a second length L2 with L2> 10 ⁇ D preferably with L2> 15 x D.
  • the internal downstream chamber of the peripheral duct is inclined with respect to the axis AA of the central duct at an inclination angle of less than or equal to 20 °, preferably less than or equal to 10 °, more preferably of the order of 5 °.
  • the peripheral duct and the central duct are concentric.
  • the nozzle comprises 2 to 10 internal passages, preferably 3 to 5 internal passages, more preferably 4 internal passages.
  • said intermediate chamber comprises a third annular-shaped exit orifice opening on the side of the internal downstream chamber.
  • the third outlet of the intermediate chamber has, in a radial direction, a second passage width E2 with E2> 1.5 x El.
  • the peripheral duct comprises an outer peripheral wall and an inner peripheral wall arranged between said outer peripheral wall and the central duct, the inner surface of the outer peripheral wall and / or the outer surface of the inner peripheral wall of the peripheral duct comprising a convexity annular arranged between the internal passage (s) and the inner downstream chamber of the peripheral duct and extending substantially radially from said inner and / or outer surface.
  • the downstream chamber of the peripheral duct comprises a porous material or a diffuser element arranged on all or part of the second length L2 of said internal downstream chamber.
  • the central duct further comprises an inner upstream portion arranged upstream of the inner downstream portion, said upstream portion being conical frustoconical to said inner downstream portion.
  • the nozzle comprises a nozzle body comprising an axial passage and having a downstream portion, and an axis insert AA arranged in said axial passage and having a downstream portion, the central conduit axially traversing the insert and the peripheral conduit being formed. between the inner surface of the downstream portion of the body and the outer surface of the downstream portion of the insert.
  • the invention also relates to a laser focusing head comprising at least one focusing optics, for example one or more lenses or mirrors, in particular a focusing lens and a collimating lens, characterized in that it also comprises a nozzle laser according to the invention.
  • a laser focusing head comprising at least one focusing optics, for example one or more lenses or mirrors, in particular a focusing lens and a collimating lens, characterized in that it also comprises a nozzle laser according to the invention.
  • the invention also relates to a laser installation comprising a laser generator, a laser focusing head and a laser beam conveying device connected to said laser generator and to said laser focusing head, characterized in that the laser focusing head is according to the invention.
  • the laser generator or source is of type C0 2 , YAG, with fibers or with disks, preferably with fibers or disks, in particular an ytterbium fiber laser source.
  • the invention also relates to a laser beam cutting method of a metal part, preferably a carbon steel piece, implementing a nozzle according to the invention, a laser focusing head according to the invention. the invention or an installation according to the invention.
  • FIG. 1 schematizes a focusing head of a laser cutting installation equipped with a conventional laser nozzle
  • FIG. 2 schematizes a longitudinal sectional view of a nozzle according to one embodiment of the invention
  • FIG. 3 schematizes different cross-sectional views of a nozzle according to the embodiment of the invention illustrated in FIG. 2, and
  • FIG. 4 illustrates different views of a constituent element of a nozzle according to the embodiment of the invention illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 1 represents the focusing head 40 of a conventional laser cutting installation, to which is attached a conventional laser nozzle 41 which is traversed by a focused laser beam and by a flow of assist gas (arrow 43) used to to expel the molten metal by the beam out of the cutting groove 51 formed by the beam 42 in the metal part to cut 50, for example a mild steel sheet.
  • the assist gas may be an active gas, such as oxygen, air, CO 2 , hydrogen, or an inert gas, such as argon, nitrogen, helium, or a mixture of several such active and / or inert gases.
  • an active gas such as oxygen, air, CO 2 , hydrogen
  • an inert gas such as argon, nitrogen, helium, or a mixture of several such active and / or inert gases.
  • the composition of the gas is chosen in particular according to the nature of the piece to be cut.
  • the beam which impacts the piece 50 in the laser-material interaction zone melts the metal which will be expelled under the workpiece by the pressure of the assist gas, thereby forming a cutting groove.
  • the width of the cutting groove increases in a smaller proportion than the volume of molten metal. It follows difficulties in evacuating the molten metal from said bleeding.
  • the present invention proposes a dual-flow laser nozzle, that is to say a nozzle for ejecting a central flow and a peripheral flow of assist gas around said central flow, these two gas flows. cooperating in order to eliminate the vortex phenomena appearing in the kerf and a better ejection of the molten material.
  • the nozzle according to the invention has a central duct and a peripheral duct whose geometric characteristics greatly improve the dynamic characteristics of the gas flows in said central and peripheral ducts and in the cutting groove.
  • the nozzle 1 comprises a longitudinal axis AA and a central duct 2 extending axially through the nozzle 1 along said axis AA.
  • the nozzle is a part of revolution traversed from one side by the central conduit 2 axis of symmetry AA, the central conduit 2 extending from the upstream face 1b of the nozzle 1 to the downstream face of the nozzle 1.
  • downstream the faces or portions of the laser nozzle located on the side of the sheet 50 to be cut when the nozzle is in use.
  • the opposite parts or faces being referred to as "upstream” in accordance with the flow direction of the gas 43 in the nozzle in use.
  • the nozzle is preferably formed of a conductive material, for example copper or brass, and is intended to be fixed on the laser focusing head 40 of the laser installation, in place of the conventional nozzle 41.
  • the nozzle 1 comprises a peripheral duct 3 extending around the central duct 2, preferably around the entire periphery of the central duct 2, and along at least a portion of the central duct 2 along the axis AA.
  • the central duct 2 comprises an internal downstream portion 21 of cylindrical shape with a first outlet orifice 22 of diameter D.
  • the peripheral duct 3 comprises an internal downstream chamber 31 with a second annular outlet orifice 32, said second outlet orifice 32 having a first passage width El in a radial direction, that is to say according to a measured width. from the AA axis, in a direction passing through the AA axis and contained in a plane perpendicular to the AA axis, as shown in Figure 2.
  • the internal downstream portion 21 of the central duct 2 has a first length L1, with L1> 3 ⁇ D, and the internal downstream chamber 31 of the peripheral duct 3 has a second length L2, with L2> 8 ⁇ El.
  • the internal downstream portion 21 of the central duct 2 has a first length L1 with L1> 5 ⁇ D, preferably with L1> 8 ⁇ D.
  • the inner downstream chamber 31 of the peripheral duct 3 preferably has a second length L2 with L2> 10 x El, more preferably with L2> 15 x El.
  • Such dimensional characteristics make it possible, in use of the nozzle, to further improve the cutting performance, in particular on thick parts, in particular on parts at least 15 mm thick, preferably at least 20 mm thick. .
  • the peripheral duct 3 forms in cross section a ring of the same width E1 as that of the outlet orifice 32 over all or part of the length L2 of the peripheral duct 3.
  • the first outlet orifice 22 of the central duct 2 is located, in the radial direction, at a distance of between 5 and 10 mm from the second annular orifice 32. This distance is measured between the axis AA and the center of the passage of the passage. gas of the peripheral duct 3, which is in the middle of the double arrow El in Figure 2.
  • the diameter D of the downstream portion 21 of the central duct 2 may be between 1 and 3 mm, preferably between 1 and 2 mm.
  • the first width E1 of the second outlet orifice 32 of the peripheral duct 3 can be between 0.1 mm and 0.6 mm, preferably between 0.3 and 0.5 mm.
  • the central duct 2 comprises an inner upstream portion 20 arranged upstream of the inner downstream portion 21, said upstream portion 20 being of generally frustoconical shape convergent towards said internal downstream portion 21.
  • the frustoconical upstream portion 20 thus makes it possible to reduce progressively the gas passage section between the outlet section of the cutting head 40 and the outlet section of the nozzle 22 without generating turbulence in the gas flow.
  • the nozzle 1 is formed of two distinct parts and comprises a nozzle body 5 with axial passage and an insert 7 inserted into the axial passage 6 of said body 5.
  • This axial passage is in makes a recess passing right through the body 5 and which can be of different shapes, preferably of generally cylindrical shape.
  • the insert 7 comprises a stop 9 projecting radially towards the axis
  • the axial passage 6 comprises an internal shoulder 10 arranged facing the abutment 9.
  • the internal shoulder 10 is formed by a restriction of the axial passage section and serves as a bearing surface for hold the insert 7 in position in the axial passage.
  • the axial passage opens at the downstream face 1a and the upstream face 1b of the nozzle 1.
  • the body 5 and the insert 7 are preferably coaxial with axis AA.
  • Figure 4 which has an insulated view of the insert 7, it is advantageously a part of revolution of generally cylindrical shape, that is to say tubular.
  • the nozzle body 5 comprises a downstream part 5a and the insert 7 comprises a downstream part 7a, the central duct 2 passing axially through the insert 7.
  • the peripheral duct 3 is arranged between the internal surface of the nozzle. downstream part 5a of the body 5 and the external surface of the part 7a of the insert 7.
  • the nozzle may be made in one piece, that is to say that the peripheral duct 3 and the central duct 2 are drilled within the same block of material.
  • the nozzle 1 will indifferently designate a nozzle formed integrally, the peripheral duct 3 just as the central duct 2 is pierced through the nozzle 1, or a nozzle formed of a body 5 and an insert 7, the peripheral duct 3 being formed between the inner surface of the downstream part 5a of the body 5 and the external surface of the downstream part 7a of the insert 7.
  • the nozzle 1, or the insert 7 and / or the nozzle body 5 when the nozzle is formed in two parts may be formed of an electrically conductive material, preferably a metallic material such as copper, steel , bronze, or graphite.
  • the peripheral duct 3 and the central duct 2 are concentric, that is to say arranged symmetrically about the same axis AA.
  • the internal downstream chamber 31 of the peripheral duct 3 may be, along the axis AA, parallel to the central duct 2, that is to say that the distance between the internal downstream chamber 31 and the central duct 2 remains substantially equal. at the distance between the first outlet port 22 and the second annular port 32.
  • the downstream chamber 31 is inclined with respect to the axis AA of the central duct 2 at an inclination angle less than or equal to 20 °, preferably less than or equal to 10 °, preferably between 0.2 ° and 10 °.
  • the angle of inclination of the downstream chamber 31 with respect to the axis AA is of the order of 5 °. Indeed, such an inclination makes it possible to eliminate the vortex formation in the top of the kerf, and to ensure a calm flow, i. e. non-turbulent, gas down to the bottom of the cup.
  • the downstream chamber 31 of the peripheral duct 3 may comprise a porous material or a diffuser element (not shown) arranged on all or part of the second length L 2 of said internal downstream chamber 31.
  • the porous material may be formed of a material plastic or metal, or ceramic.
  • the diffuser element may for example be a sintered part inserted in the downstream chamber 31, or an element comprising a network of agglomerated fibers, preferably metal or carbon fibers. In use, this allows a better homogenization of the peripheral gas flow in the downstream chamber 31.
  • one or more internal passages 4 are arranged within the nozzle 1, around the central duct 2, preferably equidistant from the central duct 2 when the nozzle comprises several passages 4.
  • These passages 4 are preferably recesses, or holes, made within the nozzle and shaped to supply, in use, the peripheral duct 3 with an assist gas 23.
  • the internal passages 4 are in fluid communication with the peripheral duct 3.
  • FIG. 3 shows a view of the nozzle taken from above, that is to say above the upstream face 1b of the nozzle, and a view taken from below, that is to say below the downstream face la of the nozzle, as well as in FIG. 4.
  • the nozzle 1 comprises 2 to 10 internal passages 4, preferably 3 to 5 internal passages 4, more preferably 4 internal passages 4.
  • the internal passages 4 may be of circular cross section, of a diameter which may be 1 order of 0.5 to 2 mm, square, rectangular or any other suitable geometry.
  • peripheral duct 3 may comprise at least one intermediate chamber 30 arranged between the internal passages 4 and the internal downstream chamber 31, said intermediate chamber 30 extending around the central duct 2 and comprising a third outlet orifice 33 of shape annular opening to the side of the inner downstream chamber 31.
  • the intermediate chamber 30 forms in cross section a ring along its entire length L3.
  • the intermediate chamber 30 has a third length L3 along the axis AA between 1 and 5 mm.
  • the third outlet orifice 33 of the intermediate chamber 30 has, in a radial direction, a second passage width E2 with E2> 1.5 x El.
  • the nozzle of the invention is intended to equip a focusing head mounted in an industrial laser cutting plant.
  • This type of installation usually comprises at least one source of propellant gas connected to at least one pipe.
  • This pipe is adapted to and designed to supply gas 43 to the focusing head, more specifically the internal volume of said head.
  • the nozzle 1 according to the invention is intended to be fluidly connected to the focusing head, the peripheral duct 3 and the central duct 2, which are themselves in fluid communication with the internal volume of the focusing head.
  • the upstream face of the nozzle is designed to be arranged on the side of the focusing head. In this way, the gas cutter 43 which feeds the focusing head is distributed through the first and second outlet orifices 22, 32 of the nozzle 1.
  • the assist gas 43 may be an active gas, such as oxygen, air, CO 2 , hydrogen, or an inert gas, such as argon, nitrogen, helium, or a mixture of several such active and / or inert gases.
  • the gas 43 is oxygen when the piece 50 to be cut is made of mild steel.
  • the intermediate chamber 30 fluidly connects the internal passages 4 and the peripheral duct 3 and makes it possible to perform an intermediate homogenization of the gas flow (s) 43 coming from each internal passage 4. This results in a more equitable distribution of the gas flow 23 in the downstream chamber 31 and an expulsion of the melt more efficient.
  • the peripheral duct 3 comprises an outer peripheral wall 35 and an inner peripheral wall 36 arranged between said outer peripheral wall 35 and the central duct 2.
  • the inner surface of the outer peripheral wall 35 and the outer surface of the wall inner periphery 36 face each other and are preferably wholly or partly parallel to each other.
  • the inner surface of the outer peripheral wall 35 and / or the outer surface of the inner wall 36 of the peripheral duct 3 may comprise a convexity 34 arranged between the internal passages 4 and the downstream chamber 31.
  • This convexity preferably extends all around the periphery of the central duct 2.
  • the inner surface of the outer peripheral wall 35 and / or the outer surface of the inner wall 36 of the peripheral duct 3 may comprise a portion of curvilinear or rounded convex surface.
  • the convexity 34 makes it possible to produce a restriction of the fluid passage section between the intermediate chamber 30 and the internal downstream chamber 31, so as to reduce the flow rate of the gas propagating in said downstream chamber 31, while avoiding the presence of sharp edges on the surface or surfaces of the peripheral walls of the duct 3.
  • the outer and / or inner peripheral walls of the peripheral duct 3 are thus shaped to minimize the disturbances of a flow of fluid from the internal passages 4 to the peripheral duct 3, which further improves cutting performance.
  • the radius of curvature of the convexity 34 is preferably between 0.2 and 1.5 mm.
  • the inner surface of the outer peripheral wall 35 and / or the outer surface of the inner wall 36 of the peripheral duct 3 may comprise at least one chamfer arranged between the internal passages 4 and the downstream chamber 31. This facilitates the nozzle machining 1.
  • the nozzle 1 according to the invention is intended for use in a laser installation, in particular an industrial laser cutting plant.
  • a laser generator preferably a type C0 2 laser, YAG, fiber or disk
  • a laser focusing head preferably a laser beam conveying device connected to said laser generator and said laser focusing head, a source of gas, 43 and a gas supply line connecting fluidically the focusing head and said assist gas source 43.
  • the laser focusing head comprises at least one focusing optics, for example a mirror or a lens, and a nozzle according to the invention, the central duct 2 and the peripheral duct 3 of the nozzle 1 being fluidly connected. to the focusing head via a common supply line.
  • An installation comprising a nozzle according to the invention makes it possible to implement a laser cutting method in which a laser beam 42 and a central stream of assist gas 43 are passed through the central duct 2 and a peripheral flow is passed through. of assist gas 43 in the peripheral duct 3.
  • the laser beam 42 and the assist gas 43 pass through the central channel 2 and exit through the first outlet orifice 22.
  • the nozzle thus makes it possible to distribute a central flow of assist gas through the first outlet port 22 and a peripheral flow of assist gas through the second outlet port 32 around the central stream.
  • the peripheral flow makes it possible to better expel the molten material during the process to avoid its adhesion to the bottom of the cutting faces, and this, whatever the laser power and the wavelength of the beam.
  • the nozzle of the invention makes it possible to distribute a central gas jet and a peripheral gas jet whose dynamic characteristics are improved with respect to the nozzles of the prior art.
  • the gas jets are laminarized, which is characterized by the elimination of turbulence within these jets and better evacuation of the molten metal.
  • the use of the nozzle according to the invention is particularly advantageously for cutting parts 50 of high thicknesses of mild steel.
  • the assist gas 43 is preferably oxygen. It is advantageous to use high purity oxygen, that is to say at least 99.95% oxygen (% by volume).
  • the cutting process is implemented by feeding the nozzle 1 in assist gas at a pressure typically between 0.5 and 2 bar, the pressure being measured in the internal volume of the focusing head.
  • the central flow of gas flows in the central duct 2 at a flow rate of between 10 and 50 l / min and the peripheral flow of gas flowing in the peripheral duct 3 at a flow rate of between 20 and 30 min. It being understood that the flow rates and pressures are adjusted in particular according to the thickness of the part 50 to be cut.
  • the nozzle of the invention is of standard size, that is to say that its bulkiness is not increased with respect to a nozzle of conventional cut, which is advantageous and compatible with the cuts by nesting, that is to say parts within the same sheet with very little difference between the different parts.
  • the nozzle of the invention has the major advantage of being compatible with the majority of existing focusing heads that have only a gas supply input assistance.

Abstract

L'invention concerne une buse laser 81), en particulier une buse 81) pour coupage laser, comprenant comprenant un conduit central (2) s'étendant axialement à travers la buse (1) et comprenant une portion aval interne (21) de forme cylindrique avec un premier orifice de sortie (22) de diamètre (D), et un conduit périphérique (3) s'étendant autour du conduit central (2) et comprenant une chambre aval interne (31) avec un deuxième orifice de sortie (32) de forme annulaire, ledit deuxième orifice de sortie (32) ayant, selon une direction radiale, une première largeur de passage (El). Selon l'invention, la portion aval interne (21) du conduit central (2) a une première longueur (Ll) avec Ll > 3 x D, et la chambre aval interne (31) du conduit périphérique (3) a une deuxième longueur (L2) avec L2 > 8 x El. Plusieurs passages internes (4) sont aménagés au sein de la buse (1), autour du conduit central (2). Le conduit périphérique (3) comprend une chambre intermédiaire (30) agencée entre les passages internes (4) et la chambre aval interne (31), ladite chambre intermédiaire (30) s'étendant autour du conduit central (2). Tête laser et installation associées. Procédé de coupage laser mettant en oeuvre une telle buse.

Description

Buse laser à double flux gazeux
L'invention concerne une buse laser utilisable en coupage par faisceau laser. Plus particulièrement, l'invention concerne une buse laser permettant d'améliorer les performances de coupage de pièces en acier doux, notamment de fortes épaisseurs.
Le coupage par faisceau laser nécessite l'utilisation d'une buse généralement en cuivre ayant pour effet de canaliser le gaz d'assistance et de laisser passer le faisceau laser. Le flux de gaz et le faisceau se propage en général coaxialement jusqu'à la pièce à découper à travers un conduit central traversant axialement la buse.
Le type de gaz d'assistance mis en œuvre dépend de la nature du matériau constitutif des pièces à couper. Ainsi, pour couper des pièces en acier doux, on utilise en général un gaz actif tel l'oxygène (02) ou des mélanges de gaz inerte et actif, par exemple des mélanges d'oxygène et d'azote. Afin de permettre la découpe, le gaz est injecté dans la zone d'interaction entre le faisceau laser et la pièce à couper, et ce à des pressions allant typiquement de 0.2 à 6 bar.
Etant précisé que les termes « acier doux » désignent de l'acier au carbone ou de l'acier carbone-manganèse (C-Mn), ou dit autrement tout acier non allié ou faiblement allié dont les teneurs en carbone et en manganèse sont inférieures à 2% en poids et les teneurs en autres éléments d'alliage éventuellement présents sont inférieures à 5% en poids.
Lors de la découpe des pièces en acier doux sous oxygène, le flux d'oxygène joue un rôle chimique et un rôle mécanique. D'une part, le laser chauffe le matériau à couper ce qui initie une réaction d'oxydation exothermique entre le fer contenu dans l'acier et l'oxygène. Cet apport d'énergie supplémentaire par rapport à celle apportée par le faisceau laser augmente l'efficacité du procédé de coupage. D'autre part, le flux d'oxygène exerce une action mécanique sur le métal fondu pour le chasser hors de la saignée de découpe. En outre, le métal fondu au cours de la formation de la saignée de découpe est constitué majoritairement d'un mélange de fer et d'oxydes de fer à l'état liquide. La présence d'oxydes de fer dans le métal en fusion en réduit la viscosité, ce qui facilite encore son éjection hors de la saignée. Un problème majeur reste celui de l'élimination des bavures adhérentes sur les faces de coupe, en particulier pour les pièces de fortes épaisseur, c'est-à-dire au moins 15 mm, de préférence au moins 20 mm. Ces épaisseurs peuvent être coupées avec des lasers de forte puissance, typiquement au moins 5 kW. Cependant, du fait de l'étroitesse des saignées de découpe produites, une part importante du mélange formé par le métal en fusion et les oxydes de fer est repoussée vers l'arrière de la saignée et adhère au bas des faces de coupe, c'est-à- dire en sortie de saignée, par le biais de mécanismes de tension de surface.
Tenter d'y remédier en augmentant le débit de gaz d'assistance n'est pas idéal. En effet, une augmentation du débit d'oxygène, par le biais notamment d'une augmentation de la pression d'oxygène, permet d'accélérer l'écoulement du métal fondu mais entraîne également une augmentation du volume de matériau en fusion en oxydant plus de métal à couper. Il s'ensuit une détérioration encore plus importante de la qualité de coupe.
Par ailleurs, il a été mis en évidence que l'utilisation d'une buse laser classique, c'est- à-dire à conduit central axial unique, donnait lieu à des perturbations dans l'écoulement du gaz d'assistance dans la saignée, notamment à la formation de vortex de gaz quelques millimètres avant la sortie de la saignée de découpe. Ces phénomènes sont notamment décrits dans la publication intitulée « DOUBLE-NOZZLE CONTROL OF A SUBSONIC GAS FLOW IN THE CONDITIONS OF GAS-LASER CUTTING, » Anatoly Orishich, Oleg Kovalev, ICALEO® 2008 Congress Proceedings, pp. 61 1.
Pour tenter de minimiser la formation de vortex dans la saignée de découpe, on connaît des buses laser dites « double-flux », comprenant, en plus d'un passage de gaz axial, au moins un passage de gaz latéral traversant le corps de buse et aménagé à proximité dudit passage axial. De telles buses sont décrites par exemple dans les documents JP-A-2005/1 18818, WO- A-2009/019977, JP-A-2011/177788, JP-A-2005/118818 ou JP-A-2005/021932.
Or, aucune de ces solutions n'est vraiment idéale car souvent d'architecture complexe à mettre en œuvre, d'encombrement excessivement supérieur à celui d'une buse classique, et/ou présentant une efficacité limitée.
En particulier, ces documents divulguent des buses double-flux dans lesquelles un ou plusieurs conduits de gaz périphériques nécessitent une alimentation en gaz indépendante de celle du conduit central. Il s'ensuit des problèmes d'incompatibilité avec la plupart des têtes de focalisation laser existantes et déjà largement commercialisées, celles-ci ne disposant que d'une seule voie d'alimentation en gaz d'assistance.
En outre, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que les géométries des conduits de gaz centraux et périphériques des buses de l'art antérieur donnent lieu à des écoulements gazeux dont les caractéristiques dynamiques sont mal contrôlées. Il s'ensuit l'apparition de turbulences dans les écoulements gazeux se propageant dans la saignée, ce qui conduit inévitablement à une mauvaise évacuation du métal fondu hors de la saignée et à la formation de bavures au bas des faces de coupe de la pièce découpée.
Le problème qui se pose est dès lors de pallier tout ou partie des inconvénients susmentionnés, notamment de proposer une buse laser permettant d'améliorer les performances de coupage laser par rapport aux buses de l'art antérieur, en particulier de réduire grandement, voire d'éliminer, les bavures adhérentes des faces de coupe des pièces coupées, tout en offrant une mise en œuvre au plan industriel simplifiée, et qui soit en outre compatible avec la majeure partie des têtes de focalisation laser existantes.
Plus particulièrement, un but de l'invention est de proposer une buse laser améliorant les performances de coupage laser sur les pièces en acier doux de forte épaisseur.
La solution de la présente invention est alors une buse laser d'axe longitudinal AA comprenant :
- un conduit central s'étendant axialement à travers la buse et comprenant une portion aval interne de forme cylindrique avec un premier orifice de sortie de diamètre D, et
- un conduit périphérique s'étendant autour du conduit central et comprenant une chambre aval interne avec un deuxième orifice de sortie de forme annulaire, ledit deuxième orifice de sortie ayant, selon une direction radiale, une première largeur de passage El,
et dans laquelle :
- la portion aval interne du conduit central a une première longueur Ll avec Ll > 3 x D, et
- la chambre aval interne du conduit périphérique a une deuxième longueur L2 avec L2 > 8 x El ,
caractérisée en ce que :
- plusieurs passages internes sont aménagés au sein de la buse, autour du conduit central, et
- le conduit périphérique comprend une chambre intermédiaire agencée entre les passages internes et la chambre aval interne, ladite chambre intermédiaire s'étendant autour du conduit central.
Selon le cas, la buse de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :
- la portion aval interne du conduit central a une première longueur Ll avec Ll > 5 x D, de préférence avec Ll > 8 x D, et/ou la chambre aval interne du conduit périphérique a une deuxième longueur L2 avec L2 > 10 x D, de préférence avec L2 > 15 x D.
- la chambre aval interne du conduit périphérique est inclinée par rapport à l'axe AA du conduit central selon un angle d'inclinaison inférieur ou égal à 20°, de préférence inférieur ou égal à 10°, de préférence encore de l'ordre de 5°. - le conduit périphérique et le conduit central sont concentriques.
- la buse comprend 2 à 10 passages internes, de préférence 3 à 5 passages internes, de préférence encore 4 passages internes.
- ladite chambre intermédiaire comprend un troisième orifice de sortie de forme annulaire débouchant du côté de la chambre aval interne.
- le troisième orifice de sortie de la chambre intermédiaire a, selon une direction radiale, une deuxième largeur de passage E2 avec E2 > 1,5 x El .
- le conduit périphérique comprend une paroi périphérique extérieure et une paroi périphérique intérieure agencée entre ladite paroi périphérique extérieure et le conduit central, la surface interne de la paroi périphérique extérieure et/ou la surface externe de la paroi périphérique intérieure du conduit périphérique comprenant une convexité annulaire agencée entre le ou les passage internes et la chambre aval interne du conduit périphérique et s 'étendant sensiblement radialement depuis ladite surface interne et/ou externe.
- la chambre aval du conduit périphérique comprend un matériau poreux ou un élément diffuseur agencé sur tout ou partie de la deuxième longueur L2 de ladite chambre aval interne.
- le conduit central comprend en outre une portion amont interne agencée en amont de la portion aval interne, ladite portion amont étant de forme tronconique convergente vers ladite portion aval interne.
- la buse comprend un corps de buse comprenant un passage axial et ayant une partie aval, et un insert d'axe AA agencé dans ledit passage axial et ayant une partie aval, le conduit central traversant axialement l'insert et le conduit périphérique étant formé entre la surface interne de la partie aval du corps et la surface externe de la partie aval de l'insert.
L'invention porte également sur une tête de focalisation laser comprenant au moins une optique de focalisation, par exemple une ou plusieurs lentilles ou miroirs, notamment une lentille de focalisation et une lentille de collimation, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une buse laser selon l'invention.
Par ailleurs, l'invention concerne aussi une installation laser comprenant un générateur laser, une tête de focalisation laser et un dispositif de convoyage de faisceau laser relié audit générateur laser et à ladite tête de focalisation laser, caractérisée en ce que la tête de focalisation laser est selon l'invention.
De préférence, le générateur ou source laser est de type C02, YAG, à fibres ou à disques, de préférence à fibres ou à disques, notamment une source laser à fibres d'ytterbium.
Selon un autre aspect, l'invention a également trait à un procédé de coupage par faisceau laser d'une pièce métallique, de préférence une pièce en acier au carbone, mettant en œuvre une buse selon l'invention, une tête de focalisation laser selon l'invention ou une installation selon l'invention. L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante faite en références aux Figures annexées parmi lesquelles :
- la Figure 1 schématise une tête de focalisation d'une installation de coupage laser munie d'une buse laser classique,
- la Figure 2 schématise une vue en coupe longitudinale d'une buse selon un mode de réalisation de l'invention,
- la Figure 3 schématise différentes vues en coupe transversale d'une buse selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la Figure 2, et
- la Figure 4 illustre différentes vues d'un élément constitutif d'une buse selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la Figure 2.
La Figure 1 représente la tête de focalisation 40 d'une installation de coupage laser classique, à laquelle est fixée une buse laser 41 classique qui est traversée par un faisceau laser focalisé et par un flux de gaz d'assistance (flèche 43) servant à expulser le métal fondu par le faisceau hors de la saignée 51 de coupe formée par le faisceau 42 dans la pièce métallique à couper 50, par exemple une tôle en acier doux.
Le gaz d'assistance peut être un gaz actif, tel de l'oxygène, de l'air, du C02, de l'hydrogène, ou un gaz inerte, tel l'argon, l'azote, l'hélium, ou un mélange de plusieurs ces gaz actifs et/ou inertes. La composition du gaz est choisie notamment en fonction de la nature de la pièce à couper.
Le faisceau qui vient impacter la pièce 50 dans la zone d'interaction laser-matière va y fondre le métal qui sera expulsé en-dessous de la pièce par la pression du gaz d'assistance, formant ainsi une saignée de découpe.
Lorsque l'épaisseur de la pièce 50 augmente, la largeur de la saignée de découpe augmente dans une proportion plus faible que le volume de métal fondu. Il s'ensuit des difficultés à évacuer le métal fondu de ladite saignée.
La présente invention propose une buse laser à double flux, c'est-à-dire une buse permettant l'éjection d'un flux central et d'un flux périphérique de gaz d'assistance autour dudit flux central, ces deux flux de gaz coopérant en vue d'une élimination des phénomènes de vortex apparaissant dans la saignée et d'une meilleure éjection du matériau fondu.
Pour ce faire, la buse selon l'invention présente un conduit central et un conduit périphérique dont les caractéristiques géométriques améliorent grandement les caractéristiques dynamiques des écoulements gazeux dans lesdits conduits central et périphérique ainsi que dans la saignée de découpe.
Comme on le voit sur la Figure 2, la buse 1 selon l'invention comprend un axe longitudinal AA et un conduit central 2 s'étendant axialement à travers la buse 1 le long dudit axe AA. Avantageusement, la buse est une pièce de révolution traversée de part en part par le conduit central 2 d'axe de symétrie AA, le conduit central 2 s 'étendant depuis la face amont lb de la buse 1 jusqu'à la face aval la de la buse 1. A noter que dans le cadre de l'invention, on désigne par « aval », les faces ou parties de la buse laser situées du côté de la tôle 50 à couper lorsque la buse est en utilisation. Les parties ou faces opposées étant désignées par le terme « amont », conformément au sens de circulation du gaz 43 dans la buse en utilisation.
La buse est de préférence formée d'un matériau conducteur, par exemple du cuivre ou du laiton, et est destiné à venir se fixer sur la tête de focalisation laser 40 de l'installation laser, en lieu et place de la buse classique 41.
En outre, la buse 1 comprend un conduit périphérique 3 s'étendant autour du conduit central 2, de préférence autour de toute la périphérie du conduit central 2, et le long d'au moins une partie du conduit central 2 en suivant l'axe AA.
Le conduit central 2 comprend une portion aval interne 21 de forme cylindrique avec un premier orifice de sortie 22 de diamètre D.
Le conduit périphérique 3 comprend une chambre aval interne 31 avec un deuxième orifice de sortie 32 de forme annulaire, ledit deuxième orifice de sortie 32 ayant une première largeur de passage El selon une direction radiale, c'est-à-dire selon une largeur mesurée depuis l'axe AA, selon une direction passant par l'axe AA et contenue dans un plan perpendiculaire à l'axe AA, tel qu'illustré sur la Figure 2.
Selon l'invention, la portion aval interne 21 du conduit central 2 a une première longueur Ll , avec Ll > 3 x D, et la chambre aval interne 31 du conduit périphérique 3 a une deuxième longueur L2, avec L2 > 8 x El .
En effet, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que de telles caractéristiques dimensionnelles permettaient, lors de l'utilisation de la buse, de laminariser le flux central et le flux périphérique de gaz d'assistance distribué par le conduit central 2 et le conduits périphérique 3, c'est-à-dire de rendre ces flux plus laminaires ou de façon équivalente moins turbulents. On réduit ainsi grandement le caractère aléatoire des écoulements gazeux distribués par la buse 1.
Ce meilleur contrôle des écoulements gazeux au sein et en sortie des conduits central 2 et périphérique 3 entraîne également un meilleur contrôle des écoulements gazeux au sein de la saignée de découpe. Ceci permet d'éviter l'accumulation de métal fondu à l'arrière de la saignée et de là l'apparition de bavures adhérentes.
En outre, lors d'une utilisation de la buse pour couper de l'acier doux, le fait d'amener un flux périphérique d'oxygène laminarisé autour du flux central d'oxygène augmente la proportion d'oxydes de fer dans le matériau fondu situé à l'arrière de la saignée, ce qui rend ce matériau plus fluide, i. e. moins visqueux, et donc plus facile à évacuer. Avantageusement, la portion aval interne 21 du conduit central 2 a une première longueur Ll avec Ll > 5 x D, de préférence avec Ll > 8 x D.
En outre, la chambre aval interne 31 du conduit périphérique 3 a de préférence une deuxième longueur L2 avec L2 > 10 x El , de préférence encore avec L2 > 15 x El .
De telles caractéristiques dimensionnelles permettent, en utilisation de la buse, d'améliorer encore les performances de coupe, en particulier sur les pièces de forte épaisseur en particulier sur des pièces d'au moins 15 mm d'épaisseur, de préférence au moins 20 mm.
De préférence, le conduit périphérique 3 forme en section transversale un anneau de même largeur El que celle de l'orifice de sortie 32 sur tout ou partie de la longueur L2 du conduit périphérique 3.
Avantageusement, le premier orifice de sortie 22 du conduit central 2 est situé, dans la direction radiale, à une distance comprise entre 5 et 10 mm du deuxième orifice annulaire 32. Cette distance est mesurée entre l'axe AA et le centre du passage de gaz du conduit périphérique 3, qui se trouve au milieu de la double flèche El sur la Figure 2.
Le diamètre D de la portion aval 21 du conduit central 2 peut être compris entre 1 et 3 mm, de préférence entre 1 et 2 mm.
La première largeur El du deuxième orifice de sortie 32 du conduit périphérique 3 peut être comprise entre 0.1 mm et 0.6 mm, de préférence entre 0.3 et 0.5 mm.
De préférence, le conduit central 2 comprend une portion amont interne 20 agencée en amont de la portion aval interne 21 , ladite portion amont 20 étant de forme générale tronconique convergente vers ladite portion aval interne 21. La portion amont 20 tronconique permet ainsi de réduire progressivement la section de passage du gaz entre la section de sortie de la tête de coupage 40 et la section de sortie de la buse 22 sans générer de turbulences dans l'écoulement du gaz.
Selon le mode de réalisation particulier illustré par la Figure 2, la buse 1 est formée de deux parties distinctes et comprend un corps 5 de buse avec passage axial et un insert 7 inséré dans le passage axial 6 dudit corps 5. Ce passage axial est en fait un évidement traversant de part en part le corps 5 et qui peut être de différentes formes, de préférence de forme générale cylindrique.
Avantageusement, l'insert 7 comprend une butée 9 se projetant radialement vers l'axe
AA, de préférence une butée annulaire, et le passage axial 6 comprend un épaulement interne 10 agencé en regard de la butée 9. L'épaulement interne 10 est formé par une restriction de la section du passage axial et sert de surface d'appui pour maintenir l'insert 7 en position dans le passage axial.
Le passage axial débouche au niveau de la face aval l a et de la face amont lb de la buse 1. Le corps 5 et l'insert 7 sont de préférence coaxiaux d'axe AA. Comme on le voit sur la Figure 4 qui présente une vue isolée de l'insert 7, celui-ci est avantageusement une pièce de révolution de forme générale cylindrique, c'est-à-dire tubulaire.
Le corps 5 de buse comprend une partie aval 5a et l'insert 7 comprend une partie aval 7a, le conduit central 2 traversant axialement l'insert 7. Selon ce mode de réalisation, le conduit périphérique 3 est agencé entre la surface interne de la partie aval 5a du corps 5 et la surface externe de la partie 7a de l'insert 7.
Selon une variante de réalisation, la buse peut être réalisée d'un seul bloc, c'est-à-dire que le conduit périphérique 3 et le conduit central 2 sont percés au sein du même bloc de matériau.
Dans le cadre de l'invention, la buse 1 désignera indifféremment une buse formée d'un seul bloc, le conduit périphérique 3 tout comme le conduit central 2 étant percé au travers de la buse 1 , ou une buse formée d'un corps 5 et d'un insert 7, le conduit périphérique 3 étant formé entre la surface interne de la partie aval 5 a du corps 5 et la surface externe de la partie aval 7a de l'insert 7.
Avantageusement, la buse 1 , ou l'insert 7 et/ou le corps de buse 5 lorsque la buse est formée en deux parties, peuvent être formé d'un matériau conducteur électriquement, de préférence un matériau métallique tel le cuivre, l'acier, le bronze, ou du graphite.
De préférence, le conduit périphérique 3 et le conduit central 2 sont concentriques, c'est-à-dire agencés de manière symétrique autour du même axe AA.
La chambre aval interne 31 du conduit périphérique 3 peut être, le long de l'axe AA, parallèle au conduit central 2, c'est-à-dire que la distance entre la chambre aval interne 31 et le conduit central 2 reste sensiblement égale à la distance entre le premier orifice de sortie 22 et deuxième orifice annulaire 32.
Selon un mode de réalisation préféré, la chambre aval 31 est inclinée par rapport à l'axe AA du conduit central 2 selon un angle d'inclinaison inférieur ou égal à 20°, de préférence inférieur ou égal à 10°, de préférence compris entre 0.2° et 10°. Avantageusement, l'angle d'inclinaison de la chambre aval 31 par rapport à l'axe AA est de l'ordre de 5°. En effet, une telle inclinaison permet d'éliminer la formation de vortex dans le haut de la saignée, et d'assurer un écoulement calme, i. e. non turbulent, du gaz jusqu'en bas de la coupe.
Optionnellement, la chambre aval 31 du conduit périphérique 3 peut comprendre un matériau poreux ou un élément diffuseur (non illustré) agencé sur tout ou partie de la deuxième longueur L2 de ladite chambre aval interne 31. Le matériau poreux peut être formé d'un matériau plastique ou métallique, ou encore céramique. L'élément diffuseur peut être par exemple une pièce fritée insérée dans la chambre aval 31 , ou bien un élément comprenant un réseau de fibres agglomérées, de préférence des fibres métalliques ou de carbone. En utilisation, ceci permet une meilleure homogénéisation du flux de gaz périphérique dans la chambre aval 31.
Avantageusement, un ou plusieurs passages internes 4 sont aménagés au sein de la buse 1 , autour du conduit central 2, de préférence à équi distance du conduit central 2 lorsque la buse comprend plusieurs passages 4. Ces passages 4 sont de préférence des évidements, ou perçages, pratiqués au sein de la buse et conformés pour alimenter, en utilisation, le conduit périphérique 3 avec un gaz d'assistance 23. Dit autrement, les passages internes 4 sont en communication fiuidique avec le conduit périphérique 3.
L'agencement du ou des passages internes 4 est aussi illustré par la Figure 3 qui présente une vue de la buse prise de dessus, c'est-à-dire au-dessus de la face amont lb de la buse, et une vue prise de dessous, c'est-à-dire au-dessous de la face aval l a de la buse, ainsi que sur la Figure 4.
Avantageusement, la buse 1 comprend 2 à 10 passages internes 4, de préférence 3 à 5 passages internes 4, de préférence encore 4 passages internes 4. Les passages internes 4 peuvent être de section transversale circulaire, d'un diamètre qui peut être de l'ordre de 0.5 à 2 mm, carrée, rectangulaire ou toute autre géométrie adaptée.
En outre, le conduit périphérique 3 peut comprendre au moins une chambre intermédiaire 30 agencée entre les passages internes 4 et la chambre aval interne 31 , ladite chambre intermédiaire 30 s 'étendant autour du conduit central 2 et comprenant un troisième orifice de sortie 33 de forme annulaire débouchant du côté de la chambre aval interne 31.
Avantageusement, la chambre intermédiaire 30 forme en section transversale un anneau sur toute sa longueur L3.
De préférence, la chambre intermédiaire 30 a une troisième longueur L3 le long de l'axe AA comprise entre 1 et 5 mm. Le troisième orifice de sortie 33 de la chambre intermédiaire 30 a, selon une direction radiale, une deuxième largeur de passage E2 avec E2 > 1 ,5 x El . Ainsi, il est possible de réduire de manière contrôlée le débit du gaz se propageant dans la chambre aval 31
En fait, la buse de l'invention est destinée à équiper une tête de focalisation montée dans une installation de coupage laser industrielle. Ce type d'installation comprend habituellement au moins une source de gaz d'assistance reliée à au moins une canalisation. Cette canalisation est apte à et conçue pour alimenter en gaz 43 la tête de focalisation, plus précisément le volume interne de ladite tête.
La buse 1 selon l'invention est destinée à être connectée fluidiquement à la tête de focalisation, du conduit périphérique 3 et du conduit central 2, qui sont eux-mêmes en communication fiuidique avec le volume interne de la tête de focalisation. La face amont de la buse est prévue pour être agencée du côté de la tête de focalisation. De cette manière, le gaz de coupe 43 qui alimente la tête de focalisation est distribué à travers les premier et deuxième orifices de sortie 22, 32 de la buse 1.
Le gaz d'assistance 43 peut être un gaz actif, tel de l'oxygène, de l'air, du C02, de l'hydrogène, ou un gaz inerte, tel l'argon, l'azote, l'hélium, ou un mélange de plusieurs ces gaz actifs et/ou inertes. De préférence, la gaz 43 est de l'oxygène lorsque la pièce 50 à couper est en acier doux.
La chambre intermédiaire 30 relie fiuidiquement les passages internes 4 et le conduit périphérique 3 et permet de réaliser une homogénéisation intermédiaire du ou des flux de gaz 43 provenant de chaque passage interne 4. Il s'ensuit une répartition plus équitable du flux de gaz 23 dans la chambre aval 31 et une expulsion du matériau fondu plus efficace.
Selon l'invention, le conduit périphérique 3 comprend une paroi périphérique extérieure 35 et une paroi périphérique intérieure 36 agencée entre ladite paroi périphérique extérieure 35 et le conduit central 2. La surface interne de la paroi périphérique extérieure 35 et la surface externe de la paroi périphérique intérieure 36 se font face et sont, de préférence, en tout ou partie parallèles entre elles.
Optionnellement, et comme illustré sur la Figure 2, la surface interne de la paroi périphérique extérieure 35 et/ou la surface externe de la paroi intérieure 36 du conduit périphérique 3 peuvent comprendre une convexité 34 agencée entre les passages internes 4 et la chambre aval 31. Cette convexité s'étend de préférence tout autour de la périphérie du conduit central 2. Dit autrement, la surface interne de la paroi périphérique extérieure 35 et/ou la surface externe de la paroi intérieure 36 du conduit périphérique 3 peuvent comprendre une portion de surface curviligne ou arrondie de forme convexe.
La convexité 34 permet de produire une restriction de la section de passage de fluide entre la chambre intermédiaire 30 et la chambre aval interne 31 , de manière à réduire le débit du gaz se propageant dans ladite chambre aval 31, tout en évitant la présence d'arêtes vives sur la ou les surfaces des parois périphérique du conduit 3. Les parois périphériques extérieure et/ou intérieure du conduit périphérique 3 sont ainsi conformées pour minimiser les perturbations d'un écoulement de fluide depuis les passages internes 4 vers le conduit périphérique 3, ce qui améliore encore les performances de découpe.
Le rayon de courbure de la convexité 34 est de préférence compris entre 0,2 et 1 ,5 mm.
De manière alternative, la surface interne de la paroi périphérique extérieure 35 et/ou la surface externe de la paroi intérieure 36 du conduit périphérique 3 peuvent comprendre au moins un chanfrein agencée entre les passages internes 4 et la chambre aval 31. Ceci facilite l'usinage de la buse 1.
La buse 1 selon l'invention est destinée à être utilisée dans une installation laser, en particulier une installation industrielle de coupage laser. Une telle installation comprend un générateur laser, de préférence un laser de type C02, YAG, à fibres ou à disques, une tête de focalisation laser, un dispositif de convoyage de faisceau laser relié audit générateur laser et à ladite tête de focalisation laser, une source de gaz d'assistance 43 et une canalisation d'amenée de gaz reliant fluidiquement la tête de focalisation et ladite source de gaz d'assistance 43.
Selon l'invention, la tête de focalisation laser comprend au moins une optique de focalisation, par exemple un miroir ou une lentille, et une buse selon l'invention, le conduit central 2 et le conduit périphérique 3 de la buse 1 étant reliés fluidiquement à la tête de focalisation via une conduite d'alimentation commune.
Une installation comprenant une buse selon l'invention permet de mettre en œuvre un procédé de coupage laser dans lequel on fait passer un faisceau laser 42 et un flux central de gaz d'assistance 43 dans le conduit central 2 et on fait passer un flux périphérique de gaz d'assistance 43 dans le conduit périphérique 3.
En fait, pendant l'utilisation de la buse selon l'invention, le faisceau laser 42 et le gaz d'assistance 43 traversent le canal central 2 et ressortent par le premier orifice de sortie 22. La buse permet ainsi de distribuer un flux central de gaz d'assistance par le premier orifice de sortie 22 et un flux périphérique de gaz d'assistance par le deuxième orifice de sortie 32, autour du flux central. Le flux périphérique permet de mieux expulser le matériau fondu au cours du procédé pour éviter son adhésion au bas des faces de coupe, et ce, quelle que soit la puissance laser et la longueur d'onde du faisceau.
Grâce à son architecture particulière, la buse de l'invention permet de distribuer un jet de gaz central et un jet de gaz périphérique dont les caractéristiques dynamiques sont améliorées par rapport aux buses de l'art antérieur. Les jets de gaz sont laminarisés, ce qui se caractérise par l'élimination des turbulences au sein de ces jets et une meilleure évacuation du métal fondu.
L'utilisation de la buse selon l'invention est particulièrement avantageusement pour couper des pièces 50 de fortes épaisseurs en acier doux. Le gaz d'assistance 43 est avantageusement de l'oxygène. On utilise avantageusement de l'oxygène haute pureté, c'est-à- dire comprenant au moins 99.95 % d'oxygène (% en volume). Le procédé de coupage est mis en œuvre en alimentant la buse 1 en gaz d'assistance à une pression comprise typiquement entre 0.5 et 2 bar, la pression étant mesurée dans le volume interne de la tête de focalisation. De préférence, le flux central de gaz circule dans le conduit central 2 à un débit compris entre 10 et 50 1/min et le flux périphérique de gaz circulant dans le conduit périphérique 3 à un débit compris entre 20 et 30 1 min. Etant entendu que les débits et pressions sont ajustés notamment selon l'épaisseur de la pièce 50 à couper.
Comme on le voit sur les Figures 2 et 3, la buse de l'invention est d'encombrement standard, c'est-à-dire que son encombrement n'est pas augmenté par rapport à une buse de coupe classique, ce qui est avantageux et compatible avec les découpes par imbrication, c'est- à-dire de pièces au sein d'une même tôle avec très peu d'écart entre les différentes pièces.
De plus, la buse de l'invention présente l'avantage majeur d'être compatible avec la majeure partie têtes de focalisation existantes qui ne disposent que d'une entrée d'alimentation en gaz d'assistance.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

Revendications
1. Buse laser (1) d'axe longitudinal (AA) comprenant :
- un conduit central (2) s 'étendant axialement à travers la buse (1) et comprenant une portion aval interne (21) de forme cylindrique avec un premier orifice de sortie (22) de diamètre (D), et
- un conduit périphérique (3) s'étendant autour du conduit central (2) et comprenant une chambre aval interne (31) avec un deuxième orifice de sortie (32) de forme annulaire, ledit deuxième orifice de sortie (32) ayant, selon une direction radiale, une première largeur de passage (El),
et dans laquelle :
- la portion aval interne (21) du conduit central (2) a une première longueur (Ll) avec Ll > 3 D, et
- la chambre aval interne (31) du conduit périphérique (3) a une deuxième longueur (L2) avec L2 > 8 x El ,
caractérisée en ce que :
- plusieurs passages internes (4) sont aménagés au sein de la buse (1), autour du conduit central (2), et
- le conduit périphérique (3) comprend une chambre intermédiaire (30) agencée entre les passages internes (4) et la chambre aval interne (31), ladite chambre intermédiaire (30) s'étendant autour du conduit central (2).
2. Buse selon la revendication 1, caractérisée en ce que la portion aval interne (21) du conduit central (2) a une première longueur (Ll) avec Ll > 5 x D, de préférence avec Ll > 8 x D, et/ou la chambre aval interne (31) du conduit périphérique (3) a une deuxième longueur (L2) avec L2 > 10 x El , de préférence avec L2 > 15 x El .
3. Buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre aval interne (31) du conduit périphérique (3) est inclinée par rapport à l'axe (AA) du conduit central (2) selon un angle d'inclinaison inférieur ou égal à 20°, de préférence inférieur ou égal à 10°, de préférence encore de l'ordre de 5°.
4. Buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conduit périphérique (3) et le conduit central (2) sont concentriques.
5. Buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la buse (1) comprend 2 à 10 passages internes (4), de préférence 3 à 5 passages internes (4), de préférence encore 4 passages internes (4).
6. Buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite chambre intermédiaire (30) s'étend autour du conduit central (2) et comprend un troisième orifice de sortie (33) de forme annulaire débouchant du côté de la chambre aval interne (31).
7. Buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le troisième orifice de sortie (33) de la chambre intermédiaire (30) a, selon une direction radiale, une deuxième largeur de passage (E2) avec E2 > 1 ,5 x El .
8. Buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conduit périphérique (3) comprend une paroi périphérique extérieure (35) et une paroi périphérique intérieure (36) agencée entre ladite paroi périphérique extérieure (35) et le conduit central (2), la surface interne de la paroi périphérique extérieure (35) et/ou la surface externe de la paroi périphérique intérieure (36) du conduit périphérique (3) comprenant une convexité annulaire (34) agencée entre les passage internes (4) et la chambre aval interne (31) du conduit périphérique (3) et s'étendant sensiblement radialement depuis ladite surface interne et/ou externe.
9. Buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre aval (31) du conduit périphérique (3) comprend un matériau poreux ou un élément diffuseur agencé sur tout ou partie de la deuxième longueur (L2) de ladite chambre aval interne (31).
10. Buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conduit central (2) comprend en outre une portion amont interne (20) agencée en amont de la portion aval interne (21), ladite portion amont (20) étant de forme tronconique convergente vers ladite portion aval interne (21).
1 1. Buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps (5) de buse comprenant un passage axial et ayant une partie aval (5a), et un insert (7) d'axe (AA) agencé dans ledit passage axial et ayant une partie aval (7a), le conduit central (2) traversant axialement l'insert (7) et le conduit périphérique (3) étant formé entre la surface interne de la partie aval (5a) du corps (5) et la surface externe de la partie aval (7a) de l'insert (7).
12. Tête de focalisation laser comprenant au moins une optique de focalisation, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une buse selon l'une des revendications précédentes.
13. Installation laser comprenant un générateur laser, de préférence un laser de type C02, YAG, à fibres ou à disques, une tête de focalisation laser, un dispositif de convoyage de faisceau laser relié audit générateur laser et à ladite tête de focalisation laser, caractérisée en ce que la tête de focalisation laser est selon la revendication 12.
14. Procédé de coupage par faisceau laser d'une pièce métallique, de préférence une pièce en acier au carbone, mettant en œuvre une buse selon l'une des revendications 1 à 11 , une tête de focalisation laser selon la revendication 12 ou une installation selon la revendication 13.
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