FR2779078A1 - Cutting gas used in laser cutting of aluminum and its alloys - Google Patents

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    • B23K26/1436Working 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 involving specially adapted flow control means for pressure control

Abstract

The cutting gas comprises a gaseous mixture comprising 15-25% oxygen, 75-85% nitrogen, and possibly at least one gas selected from carbon dioxide, argon and their mixtures. Preferred Cutting Gas: The cutting gas contains 0.5-3% argon or 0.02-0.05% CO2. The gas contains 18-22% oxygen, 76-80% nitrogen, and argon and or CO2 the remainder. Preferably, the gas mixture is air. The pressure of the gas is controlled as a function of the material to be cut and is arranged to be 6 \* 10<5>-15 \* 10<5> Pa. Preferred laser welding process: Nd:YAG or CO2 laser welding processes are used, preferably pulsed or continuous CO2 laser welding. An Independent claim is given for a gas mixture used for the process. The gas mixture comprises 15-25% oxygen, 75-85% nitrogen and possibly 0.5-5% argon and/or CO2.

Description

-1 La présente invention se rapporte à un procédé de coupage au laser, en-1 The present invention relates to a laser cutting method, in

particulier de l'aluminium et de ses alliages, utilisant, en tant que gaz de coupe, un mélange particularly of aluminum and its alloys, using, as cutting gas, a mixture

gazeux contenant de l'azote et de l'oxygène. gas containing nitrogen and oxygen.

Actuellement, il est connu d'utiliser des installations laser pour découper des matériaux métalliques, telles des pièces en aluminium ou en Currently, it is known to use laser installations to cut metallic materials, such as aluminum or plastic parts.

alliages d'aluminium.aluminum alloys.

Habituellement, une installation de découpe laser se compose d'un oscillateur laser, d'un faisceau laser, d'un chemin optique doté de miroirs destinés à guider le faisceau laser vers une tête de découpe, laquelle tête de découpe comprend une lentille ou un miroir de focalisation du faisceau laser, de manière à obtenir, au point de focalisation, une densité de puissance assez élevée pour pouvoir fondre le matériau à découper, et des moyens d'alimentation en gaz de coupe et gaz de protection du chemin optique comprenant, en général, une buse de distribution de gaz agencée coaxialement au Usually, a laser cutting installation consists of a laser oscillator, a laser beam, an optical path with mirrors intended to guide the laser beam to a cutting head, which cutting head comprises a lens or a lens. focusing mirror of the laser beam, so as to obtain, at the focusing point, a power density high enough to be able to melt the material to be cut, and means for supplying cutting gas and protective gas for the optical path comprising, in general, a gas distribution nozzle arranged coaxially with the

faisceau laser focalisé.focused laser beam.

Lorsque l'on utilise une installation laser de type C02 pour découper une pièce en aluminium ou en alliage d'aluminium, il est nécessaire, d'abord, d'amorcer la réaction de manière à obtenir une augmentation de l'absorption du faisceau laser avec l'accroissement de la When using a CO2 type laser installation to cut an aluminum or aluminum alloy part, it is first necessary to initiate the reaction so as to obtain an increase in the absorption of the laser beam. with the increase in

température, l'absorption à température ambiante, c'est- temperature, absorption at room temperature, that is

à-dire de 20 C, n'étant que de 1 à 2% environ en fonction de la composition de la pièce à découper, c'est-à-dire de that is to say of 20 C, being only about 1 to 2% depending on the composition of the part to be cut, that is to say of

l'alliage constituant la pièce à découper. the alloy constituting the part to be cut.

Il est connu que le gaz d'assistance ou gaz de coupe mis en oeuvre tient un rôle important, voire essentiel, dans la formation de la saignée au sein de la pièce à découper, étant donné qu'il ajoute à l'effet purement thermique résultant du couplage faisceau laser/matériau à couper, un effet cinétique entraînant une chasse ou It is known that the assistance gas or cutting gas used plays an important role, even essential, in the formation of the groove within the piece to be cut, given that it adds to the purely thermal effect. resulting from the coupling laser beam / material to be cut, a kinetic effect leading to hunting or

expulsion du métal fondu hors de la saignée de coupe. expelling the molten metal from the cutting kerf.

Cependant, certains gaz ou mélanges gazeux sont plus appropriés que d'autres à la découpe laser à l'échelle industrielle, notamment pour des raisons de coûts et/ou However, certain gases or gas mixtures are more suitable than others for laser cutting on an industrial scale, in particular for reasons of cost and / or

de performances.performance.

Ainsi, compte tenu de son prix élevé, l'hélium n'est Thus, given its high price, helium is not

généralement pas utilisé pour de telles applications. generally not used for such applications.

A l'inverse, l'utilisation de l'oxygène est très répandue en coupage laser. Toutefois, l'utilisation d'oxygène engendre deux phénomènes qui tendent à s'opposer l'un à l'autre, lors du processus de formation de la saignée de coupe dans le matériau en aluminium ou en alliage d'aluminium, à savoir, d'une part, un fort dégagement thermique dû à la formation d'alumine suivant la réaction: 4 Al + 302 ---> 2 A1203 (1670 kJ), et d'autre part, d'engendrer la formation d'une couche d'oxyde réfractaire très dense empêchant la diffusion correcte et efficace de l'oxygène et freinant Conversely, the use of oxygen is very widespread in laser cutting. However, the use of oxygen gives rise to two phenomena which tend to oppose each other during the process of forming the cutting kerf in the aluminum or aluminum alloy material, namely, on the one hand, a strong thermal release due to the formation of alumina following the reaction: 4 Al + 302 ---> 2 A1203 (1670 kJ), and on the other hand, to generate the formation of a layer of very dense refractory oxide preventing the correct and efficient diffusion of oxygen and slowing down

donc la réaction de combustion du matériau à couper. hence the combustion reaction of the material to be cut.

En outre, on assiste par intermittence à une rupture ou destruction du film d'oxyde par le faisceau laser, ce qui permet à l'oxygène de diffuser, mais conduit à un phénomène "explosif" du fait de l'allumage, pendant un bref instant d'une réaction de combustion du matériau, principalement en fonction de la teneur en magnésium de celui-ci. A chaque allumage d'une réaction de combustion, se forme une empreinte creuse, de part et d'autre de la saignée de coupe, correspondant à une expansion de la In addition, there is intermittent breakage or destruction of the oxide film by the laser beam, which allows oxygen to diffuse, but leads to an "explosive" phenomenon due to ignition, for a short time. instant of a combustion reaction of the material, mainly as a function of its magnesium content. Each time a combustion reaction is ignited, a hollow indentation forms on either side of the cutting groove, corresponding to an expansion of the

largeur de la saignée.kerf width.

De là, on comprend que si l'oxygène permet d'obtenir des vitesses de coupe relativement élevées, le caractère "explosif" du procédé nuit grandement à la qualité de coupe obtenue, de par la formation d'une rugosité From there, it is understood that if the oxygen makes it possible to obtain relatively high cutting speeds, the "explosive" nature of the process greatly affects the quality of cut obtained, by the formation of a roughness.

importante et irrégulière.large and irregular.

Il est également possible d'utiliser, en tant que It is also possible to use, as

gaz de coupe, un gaz inerte, tel l'azote. cutting gas, an inert gas, such as nitrogen.

Cependant, l'utilisation d'un gaz inerte en lieu et place de l'oxygène conduit à une diminution de la vitesse de coupe de 20 à 30% par rapport à celle obtenue en utilisant de l'oxygène ce qui peut s'expliquer par une propagation moins rapide de la chaleur dans la pièce à couper. En outre, l'utilisation d'un gaz inerte conduit à des saignées présentant des bords de coupe ayant un aspect plus mat, mais une rugosité moindre qu'avec However, the use of an inert gas instead of oxygen leads to a reduction in the cutting speed of 20 to 30% compared to that obtained by using oxygen, which can be explained by a slower propagation of heat in the part to be cut. In addition, the use of an inert gas leads to slits having cutting edges having a more matt appearance, but less roughness than with

l'oxygène.oxygen.

Plus généralement, il n'existe pas de différence notable du point de vue de la vitesse de coupe et de la More generally, there is no noticeable difference from the point of view of the cutting speed and the

qualité de coupe par substitution de l'azote par l'argon. cutting quality by substitution of nitrogen by argon.

Toutefois, l'argon engendre davantages de bavures sur les bords de coupe, étant donné que celui-ci engendre However, argon generates more burrs on the cutting edges, since it generates

des tensions de surface plus élevées sur le métal fondu. higher surface tensions on molten metal.

De là, l'azote est généralement préféré à l'argon. Hence, nitrogen is generally preferred over argon.

Il découle de ce qui précède que, quelque soit le gaz de coupe utilisé en coupage laser, il est très difficile d'obtenir à la fois une excellente qualité de It follows from the above that, whatever the cutting gas used in laser cutting, it is very difficult to obtain both excellent quality of

coupe et une grande productivité.cutting and high productivity.

En effet, si l'azote donne de meilleurs résultats en terme de qualité de coupe, celui-ci conduit, en outre, à une vitesse de coupe et à une souplesse opératoire Indeed, if nitrogen gives better results in terms of cutting quality, it also leads to a cutting speed and operating flexibility.

médiocre.poor.

A l'inverse, l'oxygène permet d'obtenir des vitesses de coupe plus élevée, mais engendre une qualité de coupe Conversely, oxygen makes it possible to obtain higher cutting speeds, but generates a quality of cut.

moins bonne que celle obtenue avec de l'azote. worse than that obtained with nitrogen.

De là, des mélanges azote/oxygène ont été proposés, de manière à essayer d'obtenir un compromis entre qualité From there, nitrogen / oxygen mixtures have been proposed, so as to try to obtain a compromise between quality

de coupe et vitesse de coupe.cutting speed and cutting speed.

On peut citer à ce titre les documents WO-A- In this regard, we can cite documents WO-A-

96/23624, DE-A-1903325, JP-A-55130391, JP-A-54131543, US- 96/23624, DE-A-1903325, JP-A-55130391, JP-A-54131543, US-

A-4724297 et WO-A-95/33594.A-4724297 and WO-A-95/33594.

Toutefois, aucun des procédés de coupage laser décrit jusqu'à présent n'est réellement satisfaisant du However, none of the laser cutting methods described so far is really satisfactory from the point of view of

point de vue industriel.industrial point of view.

Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé de coupage laser, notamment de l'aluminium et de ses alliages, mettant en oeuvre un mélange gazeux susceptible de conduire à une qualité de coupe et à une vitesse de coupe satisfaisante du point de vue industriel The aim of the present invention is therefore to provide a laser cutting process, in particular for aluminum and its alloys, using a gas mixture capable of leading to a cutting quality and to a satisfactory cutting speed at the point of. industrial view

et qui soit, par ailleurs, de coût acceptable. and which is, moreover, of acceptable cost.

La présente invention concerne alors un procédé de coupage laser, notamment de l'aluminium ou ses alliages, dans lequel on utilise, en tant que gaz de coupe, un mélange gazeux contenant de l'azote et de l'oxygène, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux contient de 15 The present invention therefore relates to a laser cutting process, in particular of aluminum or its alloys, in which a gas mixture containing nitrogen and oxygen is used as cutting gas, characterized in that said gas mixture contains 15

à 25 % d'oxygène et de 75 % à 85 % d'azote. at 25% oxygen and 75% to 85% nitrogen.

De préférence, le procédé de coupage laser selon l'invention comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le mélange gazeux contient, en outre, au moins un gaz choisi parmi le CO2, l'argon, et leurs mélanges; - le mélange gazeux contient de 0.5 à 3 % d'argon; - le mélange gazeux contient de 0.02% à 0.05% de dioxyde de carbone; - on règle la pression du gaz de coupe en fonction de l'épaisseur du matériau à couper; - la pression du gaz de coupe est comprise entre 6.105 Pa et 15.105 Pa; le mélange gazeux contient de 18 à 22% d'oxygène, de 76 à 80 % d'azote, le reste étant essentiellement de l'argon et/ou du dioxyde de carbone, de préférence le mélange gazeux est de l'air; - il est choisi parmi les procédés de coupage laser Preferably, the laser cutting process according to the invention comprises one or more of the following characteristics: the gas mixture also contains at least one gas chosen from CO2, argon, and their mixtures; - the gas mixture contains 0.5 to 3% argon; - the gas mixture contains from 0.02% to 0.05% of carbon dioxide; - The pressure of the cutting gas is adjusted as a function of the thickness of the material to be cut; - the cutting gas pressure is between 6.105 Pa and 15.105 Pa; the gas mixture contains 18 to 22% oxygen, 76 to 80% nitrogen, the remainder being essentially argon and / or carbon dioxide, preferably the gas mixture is air; - it is chosen from among the laser cutting processes

Nd:YAG ou C02, de préférence C02 pulsé ou continu. Nd: YAG or CO2, preferably pulsed or continuous CO2.

L'invention concerne en outre un mélange gazeux susceptible d'être utilisé dans un procédé de coupage laser, en particulier, le procédé décrit ci-dessus, lequel mélange gazeux contient de 15 à 25 % d'oxygène et de 75 % à 85 % d'azote, éventuellement de 0.5 à 5 % The invention further relates to a gas mixture capable of being used in a laser cutting process, in particular, the process described above, which gas mixture contains 15 to 25% oxygen and 75% to 85%. nitrogen, possibly 0.5 to 5%

d'argon et/ou de dioxyde carbone.argon and / or carbon dioxide.

L'invention va être décrite plus en détail à l'aide d'un exemple donné à titre illustratif mais non The invention will be described in more detail with the aid of an example given by way of illustration but not

limitatif.limiting.

EXEMPLEEXAMPLE

Une installation de coupage laser de type C02 classique est alimentée avec un gaz de coupe ou gaz d'assistance constitué d'un mélange contenant essentiellement de l'azote, de l'oxygène, de l'argon et du dioxyde de carbone, à une pression comprise entre 6.105 Pa et 15.105 Pa que l'on règle en fonction de l'épaisseur du matériau à découper, de la valeur de A conventional CO2-type laser cutting installation is supplied with a cutting gas or assistance gas consisting of a mixture essentially containing nitrogen, oxygen, argon and carbon dioxide, at a pressure between 6.105 Pa and 15.105 Pa which is adjusted according to the thickness of the material to be cut, the value of

rugosité et de la vitesse de coupe recherchée. roughness and desired cutting speed.

Le mélange gazeux utilisé en tant que gaz de coupe contient environ 20% d'oxygène, 78% d'azote, 2% d'un mélange argon/dioxyde de carbone et des impuretés The gas mixture used as cutting gas contains approximately 20% oxygen, 78% nitrogen, 2% argon / carbon dioxide mixture and impurities

habituelles.usual.

Ce mélange gazeux est comprimé par un compresseur jusqu'à la pression désirée, par exemple une pression de This gas mixture is compressed by a compressor to the desired pressure, for example a pressure of

12,5.105 Pa pour une épaisseur de 3 mm. 12.5.105 Pa for a thickness of 3 mm.

Afin d'éliminer les éventuelles particules solides et/ou gouttelettes d'huile en suspension contenues dans le gaz comprimé, celui-ci est soumis à une filtration In order to remove any solid particles and / or oil droplets in suspension contained in the compressed gas, the latter is subjected to filtration.

subséquente à sa compression.subsequent to its compression.

La mise en oeuvre du procédé de coupage laser utilisant un tel gaz a permis d'obtenir, lors de la découpe de pièce en aluminium, un gain de vitesse de coupe de l'ordre de 10 à 20% selon la teneur en aluminium et l'épaisseur des pièces découpées, ainsi qu'une plus grande souplesse opératoire, par rapport à un gaz The implementation of the laser cutting process using such a gas made it possible to obtain, during the cutting of aluminum part, a cutting speed gain of the order of 10 to 20% depending on the aluminum content and the '' thickness of the cut pieces, as well as greater operating flexibility, compared to a gas

essentiellement constitué d'azote.essentially made up of nitrogen.

En outre, la mise en oeuvre de ce procédé permet également de diminuer la rugosité des bords de saignée de l'ordre de 20 à 25% par rapport à un procédé utilisant de In addition, the implementation of this method also makes it possible to reduce the roughness of the kerf edges of the order of 20 to 25% compared to a method using

l'oxygène comme gaz de coupe.oxygen as a cutting gas.

Avantageusement, le mélange gazeux selon l'invention peut être réalisé directement sur le site d'utilisation, par exemple à partir de l'air ambiant atmosphérique, lequel peut être directement capté à l'atmosphère, puis subséquemment purifié, par exemple au moyen de membranes de filtration, de manière à créer le mélange gazeux recherché. Advantageously, the gas mixture according to the invention can be produced directly at the site of use, for example from atmospheric ambient air, which can be captured directly from the atmosphere, then subsequently purified, for example by means of filtration membranes, so as to create the desired gas mixture.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1. Procédé de coupage laser, notamment de l'aluminium ou ses alliages, dans lequel on utilise, en tant que gaz de coupe, un mélange gazeux contenant de l'azote et de l'oxygène, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux contient de 15 à 25 % d'oxygène et de 75 % 1. A method of laser cutting, in particular of aluminum or its alloys, in which a gas mixture containing nitrogen and oxygen is used as cutting gas, characterized in that said gas mixture contains from 15 to 25% oxygen and 75% à 85 % d'azote.at 85% nitrogen. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient, en outre, au moins un 2. Method according to claim 1, characterized in that the gas mixture further contains at least one gaz choisi parmi le C02, l'argon, et leurs mélanges. gas selected from C02, argon, and mixtures thereof. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, 3. Method according to one of claims 1 or 2, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient de 0.5 à characterized in that the gas mixture contains from 0.5 to 3 % d'argon.3% argon. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, 4. Method according to one of claims 1 to 3, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient de 0.02% characterized in that the gas mixture contains 0.02% à 0.05% de dioxyde de carbone.at 0.05% carbon dioxide. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, 5. Method according to one of claims 1 to 4, caractérisé en ce qu'on règle la pression du gaz de coupe characterized in that the pressure of the cutting gas is regulated en fonction de l'épaisseur du matériau à couper. depending on the thickness of the material to be cut. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, 6. Method according to one of claims 1 to 5, caractérisé en ce que la pression du gaz de coupe est characterized in that the cutting gas pressure is comprise entre 6.105 Pa et 15.105 Pa. between 6.105 Pa and 15.105 Pa. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, 7. Method according to one of claims 1 to 6, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient de 18 à 22% d'oxygène, de 76 à 80 % d'azote, le reste étant essentiellement de l'argon et/ou du dioxyde de carbone, characterized in that the gas mixture contains 18 to 22% oxygen, 76 to 80% nitrogen, the remainder being essentially argon and / or carbon dioxide, de préférence le mélange gazeux est de l'air. preferably the gas mixture is air. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, 8. Method according to one of claims 1 to 7, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi les procédés de coupage laser Nd:YAG ou C02, de préférence CO2 pulsé ou continu. characterized in that it is chosen from Nd: YAG or C02 laser cutting processes, preferably pulsed or continuous CO2. 9. Mélange gazeux susceptible d'être utilisé en tant que gaz de coupe dans un procédé selon l'une des9. Gas mixture capable of being used as cutting gas in a process according to one of the revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il contient de claims 1 to 9, characterized in that it contains 15 à 25 % d'oxygène et de 75 % à 85 % d'azote, et 15 to 25% oxygen and 75% to 85% nitrogen, and éventuellement de 0.5 à 5 % d'argon et/ou de C02. optionally from 0.5 to 5% argon and / or C02.
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