FR2936968A1 - Laser cutting a piece of carbon steel using a laser beam and an assist gas, where the laser beam is generated by carbon dioxide laser device, yttrium aluminum garnet laser device or using yttrium fibers - Google Patents

Abstract

The process for laser cutting a piece of carbon steel (5) using a laser beam and an assist gas, is claimed. The laser beam has a power of 2-100 kW, and is generated by carbon dioxide laser device, yttrium aluminum garnet laser device or using yttrium fibers. The piece has a thickness of 0.1-100 mm, and is optionally coated with a surface layer of aluminum and/or zinc or paint. The pressure of the gas is 8-50 bars. The diameter of the outlet of a nozzle through which the laser beam is focused and gas distribution takes place, is 1.2-6 mm. The process for laser cutting a piece of carbon steel (5) using a laser beam and an assist gas, is claimed. The laser beam has a power of 2-100 kW, and is generated by carbon dioxide laser device, yttrium aluminum garnet laser device or using yttrium fibers. The piece has a thickness of 0.1-100 mm, and is optionally coated with a surface layer of aluminum and/or zinc or paint. The pressure of the gas is 8-50 bars. The diameter of the outlet of a nozzle through which the laser beam is focused and gas distribution takes place, is 1.2-6 mm. The laser beam is focused near the bottom surface of the workpiece, the thickness of the piece or below the workpiece.

Description

L'invention porte sur un procédé de coupage par faisceau laser, à une puissance laser d'au moins 2 kW, des aciers au carbone utilisant de l'azote comme gaz de coupe. La découpe par faisceau laser est majoritairement mise en oeuvre pour des applications de coupe d'aciers au carbone non et faiblement alliés. Ces aciers peuvent être revêtus ou non. The invention relates to a laser beam cutting method with a laser power of at least 2 kW, carbon steels using nitrogen as a cutting gas. The laser beam cutting is mainly implemented for cutting applications of carbon steels and low alloyed. These steels can be coated or not.

On entend par aciers au carbone non et faiblement alliés, des aciers dont les éléments d'alliage sont inférieurs à 5% en poids ; l'acier inoxydable ne fait pas partie de cette catégorie car il contient au mois 11% de chrome. La Figure 1 représente un schéma de principe d'une installation de coupage par faisceau laser. Elle comprend une source laser 1, par exemple un dispositif laser de type CO2, comportant un résonateur 2 servant à générer un faisceau laser en utilisant plusieurs gaz. Un chemin optique 3 comprenant un gaz sous pression, tel de l'air ou de l'azote, permet de véhiculer le faisceau laser depuis la source 1 jusqu'à une tête de découpe 4 servant à réaliser une focalisation du faisceau, au moyen d'une optique de focalisation, par exemple une lentille ou un miroir, de manière à pouvoir fondre le métal grâce à l'énergie par ledit faisceau et couper la pièce métallique 5, telle une tôle. Afin de chasser le métal fondu hors de la saignée de coupe, un gaz d'assistance sous pression, encore appelé gaz de coupe, est habituellement introduit dans la tête de découpe 4, via un (ou plusieurs) orifice d'entrée 6, situé en aval des moyens de focalisation. Il est canalisé et injecté dans l'axe du faisceau par l'intermédiaire de la buse laser 7. Non-carbon and low-alloyed carbon steels are steels whose alloying elements are less than 5% by weight; stainless steel does not fall into this category because it contains at least 11% chromium. Figure 1 shows a block diagram of a laser beam cutting plant. It comprises a laser source 1, for example a CO2 laser device, comprising a resonator 2 for generating a laser beam using several gases. An optical path 3 comprising a pressurized gas, such as air or nitrogen, conveys the laser beam from the source 1 to a cutting head 4 for focusing the beam, by means of a focusing optics, for example a lens or a mirror, so as to be able to melt the metal through the energy of said beam and cut the metal part 5, such as a sheet. In order to drive the molten metal out of the cutting groove, a pressurized assist gas, also called cutting gas, is usually introduced into the cutting head 4, via one (or more) inlet port 6, located downstream of the focusing means. It is channeled and injected into the axis of the beam via the laser nozzle 7.

Plus précisément, le gaz de coupe, dont le rôle principal est d'accroitre les performances de découpe, a deux actions : - une action chimique : le gaz utilisé réagit avec les matériaux à découper. L'exemple le plus connu est l'utilisation de l'oxygène pour la découpe des aciers au carbone où la réaction exothermique de combustion du fer dans l'oxygène augmente les performances. - une action mécanique : le gaz, par sa pression, expulse le matériau en fusion hors de la saignée de coupe. La nature du gaz de coupe à utiliser dépend du matériau à travailler ainsi que des résultats recherchés, à savoir qualité de coupe, vitesse de coupe... Pour la découpe des aciers au carbone avec un dispositif laser de type CO2, il est commun d'utiliser de l'oxygène qui permet de découper rapidement ces aciers avec une consommation de gaz assez faible. La vitesse de coupe sous oxygène est d'autant plus élevée que la pureté de l'oxygène utilisé en tant que gaz de coupe est élevée. Toutefois, l'oxygène a un coût non négligeable qui est proportionnel à sa pureté. Par ailleurs, l'oxygène étant un gaz oxydant, les faces de coupe sont oxydées et doivent subir un parachèvement. En outre, dans certains cas, l'oxygène engendre de fortes turbulences dans le bain de métal en fusion qui sont la cause d'apparition d'affouillements. Enfin, la pression de l'oxygène est parfois délicate à choisir car une pression excessive d'oxygène peut provoquer des coupes irrégulières. Specifically, the cutting gas, whose main role is to increase the cutting performance, has two actions: - a chemical action: the gas used reacts with the materials to be cut. The best known example is the use of oxygen for cutting carbon steels where the exothermic reaction of burning iron in oxygen increases the performance. a mechanical action: the gas, by its pressure, expels the molten material out of the cutting groove. The nature of the cutting gas to be used depends on the material to be worked as well as the desired results, namely cutting quality, cutting speed, etc. For cutting carbon steels with a CO2 laser device, it is common to use of oxygen which allows to quickly cut these steels with a relatively low gas consumption. The cutting speed under oxygen is all the higher as the purity of the oxygen used as a cutting gas is high. However, oxygen has a significant cost which is proportional to its purity. Furthermore, the oxygen being an oxidizing gas, the cutting faces are oxidized and must undergo a completion. In addition, in some cases, oxygen causes severe turbulence in the molten metal bath which is the cause of scouring. Finally, the pressure of the oxygen is sometimes difficult to choose because an excessive pressure of oxygen can cause irregular cuts.

Tout cela nuit à la productivité globale du procédé de coupage laser sous oxygène. All of this is detrimental to the overall productivity of the oxygen laser cutting process.

Un problème est donc de pouvoir couper par laser des aciers au carbone sans utiliser d'oxygène tout en obtenant une qualité de coupe équivalente à celle obtenu sous oxygène, voire même une qualité de coupe supérieure, et en améliorant par ailleurs la productivité globale du procédé, notamment en termes de vitesse de coupe et/ou de rentabilité globale du procédé. La solution de l'invention est un procédé de coupage laser d'une pièce en acier au carbone mettant en oeuvre un faisceau laser et un gaz d'assistance, caractérisé en ce que la puissance du faisceau laser est d'au moins 2 kW et le gaz d'assistance est de l'azote. En d'autres termes, la présente invention est basée sur l'utilisation d'azote en tant que gaz de coupe combiné à une puissance laser supérieure ou égale à 2 kW pour couper des aciers au carbone. En effet, il est important de veiller à avoir une puissance d'au moins 2 kW car c'est à partir de cette puissance que l'invention devient économiquement rentable. De préférence, la puissance laser est comprise entre 2 et 100 kW. De même, selon l'invention, le gaz contient essentiellement de l'azote. L'azote utilisé est de préférence de l'azote de haute pureté, par exemple d'une pureté de 99.999% en volume, ou bien de l'azote de pureté moindre, par exemple d'au moins 99.5% en volume est aussi utilisable dans le cadre du procédé de l'invention. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la pièce a une épaisseur comprise entre 0.1 et 100 mm, de préférence entre 0.5 et 50 mm. - la pièce en acier au carbone est revêtue d'une couche surfacique d'aluminium et/ou de zinc ou de peinture. - la pièce en acier au carbone est galvanisée ou électro-zinguée. - la pièce en acier au carbone est non revêtue. - la puissance du faisceau laser est entre 2 et 100 kW. En fait, plus la puissance du laser est élevée, plus la plage de gain est importante par rapport à une coupe faite sous oxygène. - le faisceau laser est généré par un dispositif laser de type CO2, YAG ou à fibres, en particulier à fibres d'ytterbium. - la pression du gaz de coupe est supérieure ou égale à 8 bars, de préférence entre 8 et 50 bars, en particulier entre 8 et 40 bars. - le diamètre de l'orifice de sortie de la buse de focalisation traversée par le faisceau laser et distribuant le gaz de coupe est supérieur ou égal à 1 mm, de préférence entre 1.2 et 6 mm. - le faisceau laser est focalisé à proximité de la surface inférieure de la pièce, dans l'épaisseur de la pièce ou en dessous de la pièce à couper. - l'azote a une pureté supérieure ou égale à 99.5% en volume. Le procédé de l'invention va maintenant être illustré par l'exemple illustratif mais non limitatif suivant. A problem is therefore able to laser cut carbon steels without using oxygen while obtaining a cutting quality equivalent to that obtained under oxygen, or even a higher cutting quality, and also improving the overall productivity of the process , especially in terms of cutting speed and / or overall profitability of the process. The solution of the invention is a laser cutting method of a carbon steel part employing a laser beam and an assist gas, characterized in that the power of the laser beam is at least 2 kW and the assist gas is nitrogen. In other words, the present invention is based on the use of nitrogen as a cutting gas combined with a laser power greater than or equal to 2 kW for cutting carbon steels. Indeed, it is important to ensure a power of at least 2 kW because it is from this power that the invention becomes economically profitable. Preferably, the laser power is between 2 and 100 kW. Likewise, according to the invention, the gas essentially contains nitrogen. The nitrogen used is preferably high purity nitrogen, for example with a purity of 99.999% by volume, or nitrogen of less purity, for example at least 99.5% by volume is also usable in the context of the process of the invention. Depending on the case, the method of the invention may comprise one or more of the following characteristics: the part has a thickness of between 0.1 and 100 mm, preferably between 0.5 and 50 mm. - The carbon steel part is coated with a surface layer of aluminum and / or zinc or paint. - The carbon steel part is galvanized or electro-galvanized. - the carbon steel part is uncoated. the power of the laser beam is between 2 and 100 kW. In fact, the higher the power of the laser, the greater the gain range is compared to a cut made under oxygen. the laser beam is generated by a laser device of the CO2, YAG or fiber type, in particular with ytterbium fibers. - The cutting gas pressure is greater than or equal to 8 bar, preferably between 8 and 50 bar, in particular between 8 and 40 bar. - The diameter of the exit orifice of the focusing nozzle traversed by the laser beam and distributing the cutting gas is greater than or equal to 1 mm, preferably between 1.2 and 6 mm. - The laser beam is focused near the lower surface of the room, in the thickness of the room or below the workpiece. the nitrogen has a purity greater than or equal to 99.5% by volume. The process of the invention will now be illustrated by the following illustrative but nonlimiting example.

Exemple Un mode de réalisation du procédé de l'invention a été testé industriellement sur des pièces en acier au carbone d'épaisseurs comprises entre 1.5 et 3 mm. L'installation laser utilisée est analogue à celle de la Figure 1. La coupe est réalisée avec de l'azote commercialisée sous la référence LASAL 2001 par L'Air Liquide et, à titre comparatif, de l'oxygène de haute pureté commercialisé sous la référence LASAL 2003 par L'Air Liquide. Le laser utilisé est de type CO2 et délivre un faisceau laser d'une puissance de 4 kW. La focalisation du faisceau est opérée par une lentille de focalisation de manière légèrement différente selon le gaz utilisé. EXAMPLE One embodiment of the process of the invention was industrially tested on carbon steel parts with thicknesses between 1.5 and 3 mm. The laser installation used is similar to that of FIG. 1. The cut is made with nitrogen marketed under the reference LASAL 2001 by L'Air Liquide and, for comparison, high purity oxygen marketed under the 2003 LASAL reference by L'Air Liquide. The laser used is of the CO2 type and delivers a laser beam with a power of 4 kW. The focusing of the beam is operated by a focusing lens slightly differently depending on the gas used.

Ainsi : - la Figure 2a schématise la manière de focaliser le faisceau lorsque le gaz d'assistance est de l'oxygène de haute pureté (art antérieur). Comme on le voit, le point focal (PF) est focalisé sur la surface supérieure de la pièce à couper ou proche de la surface supérieure de ladite pièce. - la Figure 2b schématise la manière de focaliser le faisceau lorsque le gaz d'assistance est de l'azote selon l'invention. Dans ce cas, le point focal (PF) est focalisé dans l'épaisseur de la pièce à couper à proximité de la surface inférieure de ladite pièce ou en dehors de celle-ci, c'est-à-dire sous la pièce. En effet, sous azote, il est important de focaliser le faisceau de cette manière car il nécessaire d'amener l'énergie sur l'ensemble de l'épaisseur. Thus: - Figure 2a shows schematically how to focus the beam when the helper gas is high purity oxygen (prior art). As seen, the focal point (PF) is focused on the upper surface of the workpiece or close to the upper surface of said workpiece. - Figure 2b shows schematically how to focus the beam when the assist gas is nitrogen according to the invention. In this case, the focal point (PF) is focused in the thickness of the workpiece close to the lower surface of said workpiece or outside thereof, that is to say in the workpiece. Indeed, under nitrogen, it is important to focus the beam in this way because it is necessary to bring the energy over the entire thickness.

Pour chaque essai, la longueur coupée sous 02 est égale à la longueur coupée sous N2 de manière à pouvoir comparer les résultats obtenus, notamment en termes de productivité. Les autres paramètres de procédé et les résultats sont consignés dans le Tableau ci- après. For each test, the length cut under 02 is equal to the length cut under N2 so as to compare the results obtained, especially in terms of productivity. The other process parameters and results are shown in the table below.

Tableau comparatif Epaisseur 1.5 mm 2 mm 2.5 mm 3 mm d'acier coupée Gaz de 02 N2 02 N2 02 N2 02 N2 coupe (invention) (invention) (invention) (invention) Pression du 5 7 5 14 5 14 5 16 gaz (en bar) Diamètre 1 mm 1.7 mm 1 mm 2 mm 1 mm 2 mm 1 mm 1.7 mm de sortie de la buse Débit 3.2 12.3 3 32.1 3 32.1 3 26.3 (en m3/h) Longueur 34214 34214 35259 35259 16700 16700 20528 20528 coupée (en ni) Vitesse de 6 14.5 5.3 9.8 4.9 7.3 4 4.7 coupe m/min m/min m/min m/min m/min m/min m/min mn/min atteinte Gain / + 57% / + 40% / + 26% / + 8% économique global par mètre Comme on peut le voir, l'utilisation d'azote combiné à une puissance laser de plus de 2 kW, à savoir ici de 4 kW, permet d'obtenir une augmentation notable de la vitesse de coupe par rapport à l'oxygène de haute pureté, donc forcément aussi par rapport à de l'air comprimé ou à de l'oxygène industriel, en particulier pour les plus faibles épaisseurs. Ainsi, on voit qu'avec l'azote, la vitesse est plus que doublée lors du coupage des pièces de 1,5 mm d'épaisseur. Comparative table Thickness 1.5 mm 2 mm 2.5 mm 3 mm cut steel Gas of 02 N2 02 N2 02 N2 02 N2 section (invention) (invention) (invention) (invention) Pressure of 5 7 5 14 5 14 5 16 gases ( in bar) Diameter 1 mm 1.7 mm 1 mm 2 mm 1 mm 2 mm 1 mm 1.7 mm Nozzle outlet Flow 3.2 12.3 3 32.1 3 32.1 3 26.3 (in m3 / h) Length 34214 34214 35259 35259 16700 16700 20528 20528 disconnected (in ni) Speed of 6 14.5 5.3 9.8 4.9 7.3 4 4.7 m / min cut m / min m / min m / min m / min m / min m / min min / min reached Gain / + 57% / + 40% / + 26% / + 8% overall economic per meter As can be seen, the use of nitrogen combined with a laser power of more than 2 kW, namely here of 4 kW, makes it possible to obtain a significant increase in cutting speed compared to oxygen of high purity, so necessarily also compared to compressed air or industrial oxygen, especially for the lower thicknesses. Thus, we see that with nitrogen, the speed is more than doubled when cutting parts of 1.5 mm thick.

Par ailleurs, un examen visuel des pièces coupées confirme également une amélioration de la qualité de coupe, en particulier pour ce qui concerne l'absence d'oxydes sur les faces de coupe, la faible déformation des pièces, et le respect des côtes et des angles. Comme on le voit, avec le procédé sous azote de l'invention, on réalise une économie globale par mètre coupé (productivité) allant jusqu'à 57% dans le cas de la découpe d'acier de 1.5 mm. Ce gain est net, il intègre la surconsommation qu'impose la solution de coupe laser sous azote plutôt que sous oxygène. Toutefois, il est à noter que cette surconsommation n'est pas rédhibitoire quant à la productivité et la rentabilité globale du procédé car le fait de réaliser la coupe plus rapidement permet de produire davantage sur une période de temps donnée, ce qui compense largement la surconsommation de gaz engendrée par les augmentations de débit et de pression avec l'azote. Moreover, a visual examination of the cut pieces also confirms an improvement in the quality of the cut, in particular as regards the absence of oxides on the cutting faces, the small deformation of the pieces, and the respect of the ribs and angles. As can be seen, with the nitrogen process of the invention, an overall economy per cut meter (productivity) of up to 57% is achieved in the case of 1.5 mm steel cutting. This gain is clear, it incorporates the overconsumption imposed by the laser cutting solution under nitrogen rather than oxygen. However, it should be noted that this overconsumption is not prohibitive in terms of the productivity and overall profitability of the process because the fact of making the cut more quickly makes it possible to produce more over a given period of time, which largely offsets the overconsumption. of gas generated by increases in flow and pressure with nitrogen.

Claims (10)

Revendications1. Procédé de coupage laser d'une pièce en acier au carbone mettant en oeuvre un faisceau laser et un gaz d'assistance, caractérisé en ce que la puissance du faisceau laser est d'au moins 2 kW et le gaz d'assistance est de l'azote. Revendications1. Process for laser cutting a carbon steel part employing a laser beam and an assist gas, characterized in that the power of the laser beam is at least 2 kW and the assist gas is 'nitrogen. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce a une épaisseur comprise entre 0.1 et 100 mm. 2. Method according to claim 1, characterized in that the piece has a thickness between 0.1 and 100 mm. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce en acier au carbone à découper est revêtue d'une couche surfacique d'aluminium et/ou de zinc ou de peinture. 15 3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the carbon steel piece to be cut is coated with a surface layer of aluminum and / or zinc or paint. 15 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce en acier au carbone à découper est non-revêtue. 4. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the carbon steel piece to be cut is uncoated. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la puissance du faisceau laser est comprise entre 2 et 100 kW. 5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the power of the laser beam is between 2 and 100 kW. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le faisceau laser est généré par un dispositif laser de type CO2, YAG ou à fibres, en particulier à fibres d'ytterbium. 6. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the laser beam is generated by a laser device type CO2, YAG or fiber, in particular ytterbium fibers. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pression du gaz 25 de coupe est supérieure ou égale à 8 bars, de préférence entre 8 et 50 bars. 7. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the pressure of the cutting gas is greater than or equal to 8 bar, preferably between 8 and 50 bar. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le diamètre de l'orifice de sortie de la buse de focalisation traversée par le faisceau laser et distribuant le gaz de coupe est supérieur ou égal à 1 mm, de préférence entre 1.2 et 6 mm. 8. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the diameter of the outlet orifice of the focusing nozzle traversed by the laser beam and distributing the cutting gas is greater than or equal to 1 mm, preferably between 1.2 and 6 mm. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le faisceau laser est focalisé à proximité de la surface inférieure de la pièce, dans l'épaisseur de la pièce ou en dessous de la pièce à couper. 35 9. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the laser beam is focused near the lower surface of the workpiece, in the thickness of the workpiece or below the workpiece. 35 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'azote utilisé en gaz d'assistance a une pureté supérieure ou égale à 99,5% en volume. 20 30 10. Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the nitrogen used in the assist gas has a purity greater than or equal to 99.5% by volume. 20 30