1. Principe et classification de la découpe laser

● Principe de la découpe laser

Le découpe laser utilise un faisceau focalisé à haute densité de puissance pour fonctionner, de sorte que le matériau irradié est rapidement fondu, vaporisé, ablaté ou enflammé, et le matériau fondu est soufflé par un flux d'air à grande vitesse coaxial au faisceau, coupant ainsi la pièce.

Lorsque le faisceau laser interagit avec le matériau, plusieurs processus se produisent. La chaleur intense générée par le faisceau laser élève rapidement la température du matériau, provoquant sa fusion, sa vaporisation ou une réaction chimique. L'interaction spécifique dépend des propriétés du matériau, telles que son coefficient d'absorption et son point de fusion, ainsi que des paramètres du laser, comme la densité de puissance et la durée d'impulsion.

Pour les matériaux à bas point de fusion, comme les plastiques, le faisceau laser peut faire fondre le matériau lors de la découpe. Le matériau fondu est ensuite projeté par un jet de gaz, créant une saignée (largeur de coupe). Pour les matériaux à point de fusion plus élevé, comme les métaux, le faisceau laser vaporise directement le matériau, créant une découpe étroite et précise.

L'assistance gazeuse est couramment utilisée en découpe laser pour optimiser le processus. Un gaz, tel que l'oxygène ou l'azote, est soufflé à la surface du matériau par la buse de la tête de découpe. Ce gaz permet d'éliminer le matériau fondu ou vaporisé de la zone de découpe, de le refroidir et d'éviter l'apparition de bavures ou de scories. Le choix du gaz dépend du matériau à découper et de la qualité de coupe souhaitée.

La largeur de la saignée, ou largeur de coupe, est déterminée par plusieurs facteurs, notamment la puissance du laser, la taille du point focal, l'épaisseur du matériau et la vitesse de coupe. La largeur de la saignée peut être contrôlée en ajustant ces paramètres pour obtenir la précision de coupe souhaitée. De plus, la découpe laser peut entraîner un phénomène appelé « conicité », où la coupe présente une forme légèrement conique. L'angle de conicité dépend des propriétés du matériau et des paramètres du laser et peut être minimisé en optimisant les conditions de coupe.

●Principes de base du laser :

Un laser (amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement) est un dispositif produisant un faisceau concentré de lumière cohérente. Il est composé de trois éléments principaux : un milieu actif, une source d'énergie et un résonateur optique. Le milieu actif, solide, liquide ou gazeux, émet des photons lorsqu'il est alimenté par la source d'énergie. Le résonateur optique réfléchit les photons à travers le milieu actif, amplifiant et alignant les ondes lumineuses. Ce processus produit un faisceau laser puissant et cohérent.

● Découpe laser classification

Plusieurs types de lasers sont utilisés dans les machines de découpe laser, notamment les lasers CO2, Nd:YAG et à fibre. Les lasers CO2 sont les plus courants et utilisent un mélange de dioxyde de carbone, d'azote et d'hélium comme milieu actif. Les lasers Nd:YAG utilisent un cristal solide, tel que le grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme. Les lasers à fibre, quant à eux, utilisent une fibre optique dopée aux terres rares comme milieu actif. Chaque type de laser possède des propriétés uniques et est adapté à des applications de découpe spécifiques.

1) Lasers CO2

Couramment utilisé pour couper des matériaux non métalliques tels que le bois, le plastique, le verre et les textiles. Peut également couper des métaux comme l'acier doux, l'acier inoxydable et l'aluminium avec la bonne configuration.

2) Découpe par vaporisation laser

La pièce est chauffée par un faisceau laser à haute densité énergétique. La température augmente rapidement, atteignant rapidement le point d'ébullition, puis le matériau commence à se vaporiser. Ces vapeurs sont éjectées à grande vitesse, formant une fente dans le matériau lors de leur éjection. La chaleur de vaporisation du matériau étant généralement importante, la découpe par gazéification laser nécessite une puissance et une densité de puissance élevées.

La découpe par vaporisation laser est souvent utilisée pour couper des matériaux métalliques et non métalliques très fins.

3) Découpe par fusion laser

Lors de la fusion et de la découpe laser, le métal est fondu par chauffage laser, puis un gaz non oxydant est pulvérisé par une buse coaxiale au faisceau lumineux. Le métal liquide est alors expulsé sous la forte pression du gaz pour former une fente. La fusion et la découpe laser ne nécessitent pas de vaporisation complète du métal, l'énergie requise n'étant que 1/10 de celle nécessaire à la découpe par vaporisation.

La découpe laser par fusion est principalement utilisée pour la découpe de certains matériaux non oxydables ou métaux actifs.

4) Découpe laser à l'oxygène

Le principe de l'oxycoupage laser est similaire à celui de l'oxycoupage. Il utilise un laser comme source de chaleur de préchauffage et un gaz actif tel que l'oxygène comme gaz de coupe. D'une part, le gaz injecté agit sur le métal à couper pour provoquer une réaction d'oxydation libérant une grande quantité de chaleur d'oxydation ; d'autre part, l'oxyde fondu et la matière fondue sont expulsés de la zone de réaction, formant une fente dans le métal.

Étant donné que la réaction d'oxydation pendant le processus de découpe génère une grande quantité de chaleur, l'énergie requise pour la découpe par oxydation au laser n'est que la moitié de celle de la découpe par fusion, et la vitesse de découpe est bien supérieure à celle de la découpe par vaporisation au laser et de la découpe par fusion.

La découpe laser à l'oxygène est principalement utilisée pour l'acier au carbone, l'acier au titane et les matériaux métalliques traités thermiquement tels que le traitement thermique.

5) Découpage au laser et contrôle de la fracture

Le découpage laser consiste à balayer la surface d'un matériau fragile à l'aide d'un laser à haute densité d'énergie. Sous l'effet de la chaleur, le matériau est évaporé jusqu'à former une petite rainure. Une pression est ensuite appliquée pour fissurer le matériau fragile au niveau de cette rainure. Les lasers utilisés pour le découpage laser sont généralement des lasers à commutation Q et des lasers CO₂.

Le contrôle de la fracture est une distribution de température abrupte générée par la gravure au laser, qui génère une contrainte thermique locale dans le matériau cassant, provoquant l'arrêt du matériau.

●Processus de découpe laser

Le processus de découpe laser comprend plusieurs étapes. Tout d'abord, le faisceau laser est généré par la source laser et guidé à travers une série de miroirs et de lentilles jusqu'à la tête de découpe. Cette dernière est équipée d'optiques de focalisation qui concentrent le faisceau laser en un point de petite taille. Le faisceau laser focalisé est ensuite dirigé sur le matériau à découper.

2. Caractéristiques de la découpe laser

● Avantage

1) Bonne qualité de coupe

La découpe laser peut atteindre une meilleure qualité de coupe grâce au petit spot laser, à la densité énergétique élevée et à la vitesse de coupe rapide.

2) Haute efficacité de coupe

Grâce aux caractéristiques de transmission du laser, la machine de découpe laser est généralement équipée de plusieurs tables de travail à commande numérique, permettant ainsi la réalisation de l'ensemble du processus de découpe. En fonctionnement, il suffit de modifier le programme CN pour découper des pièces de différentes formes, en deux ou trois dimensions.

3) Vitesse de coupe rapide

La découpe laser ne nécessite pas de matériaux de fixation, ce qui permet d'économiser des fixations et de gagner du temps auxiliaire pour le chargement et le déchargement.

4) Découpe sans contact

La découpe laser est sans contact entre la torche et la pièce, et l'outil ne subit aucune usure. Pour usiner des pièces de formes différentes, nul besoin de changer d'outil ; il suffit de modifier les paramètres de sortie du laser. Le processus de découpe laser est silencieux, peu vibratoire et exempt de pollution.

● Inconvénient

Découpe laser En raison de la limitation de la puissance du laser et du volume de l'équipement, la découpe laser ne peut couper que des plaques et des tubes d'épaisseur moyenne et petite, et la vitesse de coupe diminue considérablement à mesure que l'épaisseur de la pièce augmente.

L'équipement de découpe laser est coûteux et nécessite un investissement unique.