Des faisceaux à la perfection : La découpe laser CO2 explorée

LE CO₂ La découpe au laser utilise une lentille de focalisation pour diriger des faisceaux laser CO2 sur la surface du matériau, ce qui le fait fondre.

Simultanément, le matériau fondu est éliminé par un flux coaxial de gaz comprimé, ce qui permet aux faisceaux laser et au matériau de se déplacer l'un par rapport à l'autre le long d'une trajectoire définie, ce qui permet d'obtenir une forme de découpe précise.

Depuis les années 1970, le développement des lasers CO2 et de la technologie de commande numérique a fait de la découpe au laser CO2 une méthode très avancée de découpe des plaques.

Dans les années 1950 et 1960, découpe de plaques Les méthodes utilisées sont les suivantes :

• Oxycoupage de tôles d'épaisseur moyenne
• Cisaillage et découpage de tôles minces
• Emboutissage pour la production en série de composants complexes
• Découpe par vibration pour les pièces uniques

Dans les années 1970, pour améliorer la qualité de l'oxycoupage, la précision de l'oxyéthane a été améliorée. l'oxycoupage et le découpage au plasma sont devenus populaires.

Afin de réduire la durée du cycle de fabrication des moules d'emboutissage à grande échelle, l'emboutissage CNC et la technologie de traitement électrique ont été encouragés.

Chaque type de méthode de coupe et de découpage a ses propres limites et est utilisé dans des applications de production industrielle spécifiques.

Avantages évidents du CO2 découpe au laser par rapport à d'autres méthodes :

 Bonne qualité de coupe :

• Faible largeur d'incision (généralement 0,1-0,5 mm)
• Haute précision (la déviation générale du centre du trou est de 0,1 à 0,4 mm, tandis que la déviation du contour est de 0,1 à 0,5 mm)
• Bon rugosité de la surface de l'incision (généralement Ra 12,5-25 microns)
• Les poutres de coupe peuvent être soudées sans autre traitement.

Vitesse de coupe élevée :

Par exemple, un laser de 2KW avec une vitesse de coupe de 1,6m/min peut découper de l'acier au carbone de 8mm d'épaisseur, tandis qu'une vitesse de coupe de 3,5m/min peut être atteinte pour de l'acier inoxydable de 2mm d'épaisseur. Les processus de découpe au laser La zone d'influence thermique est réduite et la déformation minimale.

Propre, sûr et non polluant :

L'utilisation du CO2 découpe au laser améliore considérablement l'environnement de travail des opérateurs. Bien qu'il ne surpasse pas l'électrotraitement en termes de précision et de rugosité de surface des coupes, et qu'il présente des limites en termes d'épaisseur de coupe par rapport à l'oxycoupage et au plasma, ses avantages l'ont amené à remplacer les techniques de coupe traditionnelles, en particulier pour la coupe des matériaux non ferreux et des métaux non ferreux.matériaux métalliques.

En Chine, depuis les années 1990 et le développement de l'économie socialiste de marché, les entreprises se livrent une concurrence intense, ce qui les incite à choisir soigneusement les technologies de fabrication avancées qui répondent à leurs besoins spécifiques afin d'améliorer la qualité des produits et l'efficacité de la production. En conséquence, les émissions de CO2 découpe au laser a connu une croissance rapide en Chine.

Industrie application du laser CO2 découpage

La première émission de CO₂ La machine de découpe laser a été inventée dans les années 1970. Au cours des trois dernières décennies, la machine a connu des améliorations constantes au fur et à mesure que ses domaines d'application s'élargissaient.

Actuellement, de nombreuses entreprises nationales et internationales produisent divers types de systèmes de captage et de stockage du CO₂ des machines de découpe laser pour répondre à la demande du marché, y compris des machines de découpe de plaques 2D, des machines de découpe de courbes spatiales 3D et des machines de découpe d'objets. machines à couper les tuyaux.

Les entreprises étrangères les plus importantes dans ce domaine sont Trumpf (Allemagne) et Prima (Italie), Bystronic (Suisse), Amada et MAZAK (Japon), NTC (Japon) et HG Laser Lab (Australie).

Selon le rapport annuel 2000 de "Industrial Laser Solution", l'un des principaux magazines américains consacrés à l'industrie du laser, les ventes totales de systèmes de découpe au laser dans le monde (principalement les systèmes de découpe au CO₂ systèmes de découpe laser) en 1999 étaient au nombre de 3325, pour un montant total de $1,174 milliards.

En Chine, près de 100 tonnes de CO₂ sont produites chaque année, pour un total de 150 millions de RMB, mais leur utilisation dans le pays est relativement faible par rapport aux pays développés. En 2003, le nombre d'installations de production de CO₂ Les systèmes de découpe laser utilisés dans la production industrielle en Chine ont atteint environ 500, représentant approximativement 1,5% du total mondial.

Deux principaux types d'émissions de CO₂ système de découpe au laser acheteur

Il existe deux types principaux d'organisations qui utilisent le CO₂ technologie de découpe laser : entreprises de fabrication et stations de traitement de grande et moyenne taille.

Les grandes et moyennes entreprises manufacturières disposent de ressources économiques et techniques importantes et ont besoin de découpes et de découpages pour un grand nombre de leurs matériaux.

Les stations de traitement, également connues sous le nom de Job Shops à l'étranger, sont spécialisées dans la fourniture de traitement au laser Ces stations peuvent répondre aux besoins des petites et moyennes entreprises et jouer un rôle dans la promotion de l'adoption rapide de la technologie de découpe au laser. Ces stations peuvent répondre aux besoins des petites et moyennes entreprises et jouer un rôle dans la promotion de l'adoption rapide de la technologie de découpe au laser.

En 1999, les États-Unis comptaient 2 700 stations de traitement laser, dont 51% spécialisées dans la découpe laser.

Dans les années 1980, les stations de traitement au laser en Chine se concentraient principalement sur le traitement thermique au laser. Toutefois, depuis les années 1990, le nombre de stations de découpe et de traitement au laser a augmenté.

À mesure que les réformes du système chinois des grandes et moyennes entreprises se poursuivent et que la puissance économique du pays s'accroît, de plus en plus d'entreprises devraient adopter les technologies de captage et de stockage du CO₂ la technologie de découpe au laser.

Au niveau national, le CO₂ La découpe laser est largement utilisée pour découper des plaques d'acier à faible teneur en carbone d'une épaisseur de 12 mm ou moins, des plaques d'acier inoxydable d'une épaisseur de 6 mm ou moins et des matériaux non métalliques d'une épaisseur de 20 mm ou moins. Elle a également été utilisée dans les secteurs de l'automobile et de l'aviation pour découper des courbes spatiales tridimensionnelles.

Actuellement, les produits adaptés à la découpe au laser CO2 peuvent être classés en trois grandes catégories :

• Tôle les pièces qu'il n'est pas économiquement ou techniquement possible de fabriquer par d'autres méthodes, en particulier l'acier à faible teneur en carbone aux formes complexes, les lots de petite taille et les épaisseurs inférieures à 12 mm, et l'acier inoxydable aux épaisseurs inférieures à 6 mm, afin de réduire les coûts et le temps de fabrication des moules. Parmi les exemples de ces produits figurent les composants d'ascenseurs, les panneaux d'ascenseurs, les boîtiers de machines-outils et de machines, les armoires électriques, les armoires de commande, les pièces de machines textiles, les pièces de machines d'ingénierie et les gros moteurs. tôles d'acier au silicium.
• Acier inoxydable (généralement d'une épaisseur inférieure à 3 mm) ou matériaux non métalliques (généralement d'une épaisseur inférieure à 20 mm) utilisés dans les secteurs de la décoration, de la publicité et des services, tels que les motifs des albums de photos d'art, les logos des entreprises, des organisations, des hôtels et des centres commerciaux, ainsi que les polices de caractères chinoises et anglaises dans les lieux publics tels que les gares et les quais.
• Pièces spéciales nécessitant une découpe précise, telles que les planches à découper utilisées dans les industries de l'emballage et de l'impression. Ceux-ci nécessitent la découpe de fentes d'une largeur de 0,7 à 0,8 mm sur des gabarits en bois d'une épaisseur de 20 mm, qui sont ensuite utilisés pour découper une variété de boîtes d'emballage imprimées. La découpe au laser CO2 est également utilisée dans les tuyaux de filtrage du pétrole pour empêcher les sédiments de pénétrer dans les pompes, et pour découper des poutres de taille régulière d'une largeur inférieure à 0,3 mm sur les tuyaux de filtrage du pétrole, afin d'empêcher les sédiments de pénétrer dans les pompes. acier allié des tuyaux dont l'épaisseur des parois est comprise entre 6 et 9 mm. Le diamètre de la perforation doit être supérieur à 0,3 mm, ce qui est difficile à réaliser et fait de la découpe au laser CO2 une solution populaire pour de nombreuses entreprises.

Outre les applications susmentionnées, la découpe au laser CO2 est utilisée dans un nombre croissant d'industries. Par exemple, des systèmes de découpe laser 3D ou des robots industriels sont utilisés pour découper des courbes spatiales et des logiciels spécialisés ont été développés pour rationaliser le processus, du dessin à la découpe des pièces.

Les chercheurs se concentrent sur l'amélioration de l'efficacité de la production en développant des systèmes de coupe spécialisés, des systèmes de transport des matériaux et des systèmes d'entraînement à moteur linéaire. Les vitesses de coupe ont désormais dépassé les 100 m/min.

Afin d'étendre son utilisation dans les industries des machines d'ingénierie et de la construction navale, l'épaisseur de coupe de l'acier à faible teneur en carbone a été portée à plus de 30 mm, et la technologie de coupe de l'acier à faible teneur en carbone à l'azote suscite un intérêt croissant pour améliorer la qualité de l'incision de la tôle.

Il est donc encore très important pour les techniciens en ingénierie en Chine d'étendre l'utilisation de la découpe au laser CO2 et de résoudre certains problèmes techniques dans les applications pratiques.

Les paramètres du faisceau laser ainsi que les performances et la précision de la machine et de l'appareil. Système CNC ont un impact direct sur l'efficacité et la qualité de la découpe laser. Des technologies clés, telles que celles requises pour les pièces à haute précision de coupe ou les matériaux plus épais, doivent être maîtrisées et résolues.

Les technologies doivent être maîtrisées

1. Technologie de contrôle de la position du foyer

L'un des avantages de la découpe au laser est la densité d'énergie élevée des faisceaux, qui est généralement supérieure à 10 W/cm2. La densité d'énergie étant inversement proportionnelle à 4/πd^2, le diamètre de la tache focale est maintenu aussi petit que possible pour produire une fente étroite.

Le diamètre de la tache focale est directement proportionnel à la profondeur focale de l'objectif, ce qui signifie que plus la profondeur focale est faible, plus le diamètre de la tache focale est faible. Cependant, la coupe peut provoquer des éclaboussures et si la lentille est trop proche de la pièce, elle peut facilement être endommagée.

C'est pourquoi la découpe au laser CO2 haute puissance utilise généralement des lentilles d'une longueur focale de 5″ à 7,5″ (127 à 190 mm). Le diamètre réel du point focal se situe entre 0,1 et 0,4 mm.

La profondeur focale effective dépend également du diamètre de l'objectif et du matériau à découper. Par exemple, lors de la découpe d'acier au carbone avec un objectif de 5″, la profondeur focale doit se situer dans une fourchette de +2% de la longueur focale, soit environ 5 mm, pour une qualité de découpe optimale.

Pour obtenir les meilleurs résultats de coupe, la mise au point est cruciale et dépend de l'épaisseur du matériau. Pour les matériaux métalliques de moins de 6 mm, la mise au point doit se faire sur la surface. Pour l'acier au carbone d'une épaisseur supérieure à 6 mm, la mise au point doit se faire au-dessus de la surface. Pour l'acier inoxydable d'une épaisseur supérieure à 6 mm, la mise au point doit se faire sous la surface, mais la taille exacte doit être déterminée par l'expérimentation.

Trois méthodes simples pour localiser la position du foyer dans la production industrielle :

Il existe trois méthodes pour déterminer la focalisation de la machine de découpe laser CO2 :

• Méthode d'impression : Dans cette méthode, la tête de coupe est déplacée de haut en bas et le faisceau laser est imprimé sur une plaque de plastique. Le plus petit diamètre du faisceau indique le foyer.
• Méthode de la plaque inclinée : Dans cette méthode, la plaque en plastique est placée à une certaine inclinaison par rapport à l'axe vertical et déplacée horizontalement. Le plus petit faisceau laser indique l'emplacement du foyer.
• Méthode de l'étincelle bleue : Cette méthode consiste à retirer la buse, à souffler de l'air et à frapper une pièce en acier inoxydable. tôle d'acier avec un laser à impulsion. La tête de coupe est déplacée de haut en bas jusqu'à ce qu'une étincelle bleue atteigne sa limite, ce qui indique l'emplacement du foyer.

Pour les machines de découpe à trajectoire lumineuse volante, la détermination de la focalisation est plus complexe, car l'angle de divergence des faisceaux laser entraîne des différences de distance entre l'extrémité proche et l'extrémité distale, ce qui se traduit par des différences dans la taille du faisceau avant la focalisation. Plus le diamètre du faisceau incident est grand, plus la tache focale est petite.

Pour minimiser la variation de la taille du point focal causée par les changements de taille du faisceau avant la focalisation, les fabricants de systèmes de découpe laser ont proposé des dispositifs spéciaux aux utilisateurs :

• Tube de lumière parallèle : Il s'agit d'une méthode couramment utilisée qui consiste à ajouter un tube de lumière parallèle à la sortie du faisceau laser CO2 afin d'élargir les faisceaux. Cela permet d'augmenter le diamètre du faisceau et de réduire l'angle de divergence, ce qui rend les tailles des extrémités proches et lointaines du faisceau plus similaires avant la focalisation.
• Lentille mobile : Une autre option consiste à ajouter à la tête de découpe une lentille mobile distincte, indépendante de l'axe Z, qui contrôle la distance entre la buse et la surface du matériau. Lorsque l'établi ou l'axe d'éclairage se déplace, le faisceau se déplace simultanément de l'extrémité la plus proche à l'extrémité la plus éloignée de l'axe F, ce qui garantit que le diamètre de la tache focale du faisceau reste constant dans toute la zone de traitement.
• Contrôle de la pression de l'eau : Certains systèmes contrôlent la pression de l'eau de la lentille de focalisation, qui est généralement un système de focalisation par réflexion en métal. Lorsque la taille du faisceau focal diminue et que le diamètre de la tache focale augmente avant la focalisation, la pression de l'eau est automatiquement ajustée, ce qui modifie la courbure focale et réduit le diamètre de la tache focale.
• Compensation du trajet optique : Un système qui ajoute une compensation du chemin optique dans les directions x et y de la machine de découpe à trajectoire volante. Cela signifie que le chemin de compensation optique est raccourci lorsque la distance optique à l'extrémité distale de la découpe augmente, et augmenté lorsque la distance optique à l'extrémité proche de la découpe diminue, ce qui maintient la distance du chemin optique constante.

2. Technologies de forage de coupe

La technologie de découpe laser, sauf dans quelques cas, nécessite généralement le perçage d'un petit trou dans le matériau. Dans le passé, les machines d'estampage laser utilisaient d'abord un poinçon pour percer un trou, puis un laser pour découper à partir du trou. Pour les machines de découpe laser sans estampage, il existe deux types de machines de base forage des méthodes :

• Forage à l'explosif : Après une exposition continue au laser, un puits se forme au centre du matériau, qui est ensuite rapidement éliminé par un flux d'oxygène coaxial, formant un trou. Le diamètre moyen du trou est environ égal à la moitié de l'épaisseur du matériau, de sorte que pour les plaques plus épaisses, le grenaillage crée des trous non circulaires d'un plus grand diamètre, ce qui le rend inadapté aux pièces soumises à des exigences élevées (telles que les tubes de filtrage de l'huile), mais adapté aux déchets. La pression d'oxygène utilisée pour le perçage est la même que celle de la découpe, ce qui provoque de nombreuses projections.
• Forage par impulsion : Les lasers à impulsion de puissance maximale provoquent la fusion ou la vaporisation de certains matériaux, en utilisant généralement de l'oxygène ou de l'azote comme gaz auxiliaire pour réduire l'expansion du trou causée par l'oxydation exothermique. La pression du gaz est inférieure à celle de l'oxygène utilisé pour la découpe, et chaque laser à impulsion ne produit que de petites particules qui sont éjectées en profondeur, ce qui permet de percer des plaques plus épaisses en quelques secondes. Une fois le perçage terminé, le gaz auxiliaire est immédiatement remplacé par de l'oxygène pour la découpe. Il en résulte un diamètre de perçage plus petit et une meilleure qualité de perçage par rapport au perçage à l'explosif.

Pour le forage par impulsions, le laser utilisé doit non seulement avoir une puissance de sortie élevée, mais aussi des caractéristiques temporelles et spatiales de faisceaux élevées. Le processus de perçage par impulsions doit également disposer d'un système fiable de contrôle de la trajectoire du gaz pour contrôler le type de gaz, la commutation de la pression du gaz et le temps de perçage. La transition entre le perçage par impulsions et la découpe continue du matériau doit également être soulignée afin d'obtenir des coupes de haute qualité.

Dans la production industrielle, il est plus pratique de modifier la puissance moyenne du laser, en changeant par exemple la largeur d'impulsion, la fréquence ou les deux simultanément. La troisième méthode s'est avérée la plus efficace.

3. Conception de la buse et technique de contrôle du flux d'air

Quand acier de coupe Avec un laser, l'oxygène et le faisceau laser sont dirigés vers le matériau à travers une buse pour former un flux. Pour que la découpe soit efficace, le flux d'air doit être important et rapide afin de produire suffisamment d'oxydation et de réaction exothermique dans le matériau découpé. En outre, le flux d'air doit avoir suffisamment d'élan pour évacuer le matériau fondu. La conception de la buse et le contrôle du flux d'air, tels que la pression et la position de la buse et de la pièce, sont des facteurs cruciaux qui affectent la qualité de la découpe.

Actuellement, les buses utilisées dans la découpe laser sont de conception simple, consistant en un cône avec un petit trou au sommet. La conception de la buse se fait généralement par le biais d'expériences et de méthodes de dérivation. Cependant, comme la buse est généralement en cuivre, qu'elle est petite et vulnérable, elle doit être remplacée fréquemment et n'est généralement pas prise en compte dans les calculs et les analyses de mécanique des fluides.

Lors de l'utilisation, le gaz avec la pression Pn entre dans la buse et crée la pression de la buse. Le gaz sort de la buse et atteint la surface de la pièce après une certaine distance, formant la pression de coupe Pc. Enfin, le gaz se dilate pour former la pression atmosphérique Pa. Les recherches ont montré que lorsque Pn augmente, la vitesse du flux d'air et Pc augmentent également.

La formule pour calculer la vitesse du flux d'air est la suivante :

V = 8.2d^2 (Pg + 1)

où :

V = vitesse du flux d'air en L/min
d = diamètre de la buse en mm
Pg = pression de la buse (pression de surface) en bar

Lorsque la pression de la buse dépasse une certaine valeur, le flux d'air peut passer de subsonique à supersonique et devenir une onde de choc oblique normale. La valeur seuil dépend du rapport entre la pression de la buse (Pn) et la pression atmosphérique (Pa) et du degré de liberté (n) des molécules de gaz. Par exemple, lorsque n=5 pour l'oxygène et l'air, le seuil Pn est de 1,89 bar.

Si la pression de la buse est plus élevée, à savoir Pn/Pa > 4 bar, l'onde de choc oblique normale du flux d'air peut se transformer en un choc normal, entraînant une diminution de la pression de coupe (Pc), une réduction de la vitesse de l'air et la formation d'un tourbillon à la surface de la pièce, ce qui affaiblit l'effet du flux d'air dans l'élimination du matériau fondu et affecte la vitesse de coupe.

Pour éviter cela, la pression de la buse d'oxygène est souvent maintenue en dessous de 3 bars lorsque l'on utilise une buse avec un cône et un petit trou au sommet.

Pour améliorer la vitesse de la découpe laser, une buse convergente-divergente appelée buse Laval a été conçue sur la base de principes aérodynamiques. Cette buse augmente la pression sans provoquer d'ondes de choc normales. La structure de la buse est illustrée à la figure 4 pour faciliter la fabrication.

Le centre laser de l'université de Hanovre en Allemagne a mené des expériences en associant un laser CO2 de 500 W (avec une longueur focale de 2,5) à une buse à trou conique et à une buse de Laval. Les résultats des expériences sont illustrés dans les figures, qui montrent la relation entre la rugosité de surface (Rz) et la vitesse de coupe (Vc) pour les buses n° 2, n° 4 et n° 5 sous différentes pressions d'oxygène.

Comme le montrent les figures, lorsque la pression (Pn) est de 400 Kpa (ou 4 bars), la vitesse de coupe de la buse à trous n° 2 n'atteint que 2,75 m/min (pour une plaque d'acier au carbone de 2 mm d'épaisseur). Par contre, à Pn de 500 Kpa ou 600 Kpa, la vitesse de coupe des buses Laval n° 4 et n° 5 atteint respectivement 3,5 m/min et 5,5 m/min.

Il est important de noter que la pression de coupe (Pc) dépend de la distance entre la pièce et la buse. L'onde de choc oblique est réfléchie à plusieurs reprises à la limite du flux d'air, ce qui entraîne des fluctuations périodiques de la pression de coupe.

La première zone de pression de coupe élevée est située près de la sortie de la buse, la distance entre la surface de la pièce et la sortie de la buse étant d'environ 0,5 à 1,5 mm. Il en résulte une pression de coupe (Pc) élevée et stable, ce qui en fait un paramètre largement utilisé dans la production industrielle.

La deuxième zone de haute pression de coupe est située à environ 3 à 3,5 mm de la sortie de la buse et présente également une pression de coupe élevée, ce qui contribue à de bons résultats de coupe et à la protection de la lentille, améliorant ainsi sa durée de vie.

Cependant, d'autres zones de pression de coupe élevée sur les courbes sont trop éloignées de la sortie de la buse pour s'aligner sur le faisceau focalisé.

En conclusion, la technologie de découpe au laser CO2 est de plus en plus utilisée dans la production industrielle chinoise. À l'étranger, des efforts sont déployés pour étudier les technologies et les équipements de découpe capables d'atteindre des vitesses de coupe plus élevées et de traiter des plaques d'acier plus épaisses.

Pour répondre à la demande croissante d'une production industrielle de haute qualité et d'une efficacité accrue, il est important de se concentrer sur la résolution des problèmes technologiques clés et sur la mise en œuvre de normes de qualité, afin que cette nouvelle technologie soit plus largement adoptée dans notre pays.