Le laser à fibre ultra-haute puissance peut réaliser une découpe rapide et de haute qualité de plaques épaisses, y compris l'utilisation de l'air comme gaz auxiliaire pour découper l'acier inoxydable, et présente de nombreux avantages par rapport à d'autres solutions de découpe. Ces dernières années, les lasers à fibre ultra-haute puissance (UHP) d'une puissance comprise entre 10 kW et 40 kW ont été rapidement appliqués sur le marché de la découpe, [...]
Le laser à fibre ultra-haute puissance peut réaliser une découpe rapide et de haute qualité de plaques épaisses, y compris l'utilisation de l'air comme gaz auxiliaire pour la découpe de plaques épaisses. couper l'acier inoxydableet de nombreux avantages par rapport à d'autres solutions de coupe.
Ces dernières années, les lasers à fibre ultra-haute puissance (UHP) d'une puissance comprise entre 10 kW et 40 kW ont été rapidement utilisés sur le marché de la découpe, et la puissance laser la plus élevée utilisée pour les applications de découpe devrait continuer à augmenter.
Nous démontrerons l'effet de l'application de découpe dans cette gamme de puissance, et discuterons des principaux facteurs qui motivent l'application des lasers à fibre ultra-haute puissance : avantages significatifs en termes de productivité, amélioration de la qualité de découpe, et capacité de découpe jusqu'à l'épaisseur limite (par exemple, comme montré dans cet article, découpe d'acier inoxydable de 230 mm d'épaisseur à une puissance de 40kW).
Dans cet article, les lasers de très haute puissance sont définis comme des lasers d'une puissance supérieure à 10 kW. Ils permettent d'utiliser de nouvelles méthodes de traitement afin de promouvoir les technologies de l'information et de la communication (TIC). découpe au laser l'expansion vers de nouveaux marchés (par exemple, l'utilisation de l'air comme gaz auxiliaire pour découper de l'acier inoxydable d'une épaisseur allant jusqu'à 50 mm à des vitesses quatre fois supérieures à celles du découpage au plasma à haute puissance).
Les résultats de l'application montrent que les lasers à ultra-haute puissance changent la façon dont l'acier inoxydable est découpé en utilisant la technologie de découpe à l'air au lieu de la technologie de découpe à l'azote et à l'oxygène pour obtenir une découpe de haute qualité, à grande vitesse et économique.
Tendance de développement sur 6 ans : Le plus élevé Puissance du laser Utilisé pour les applications de coupe
La technologie de la découpe laser est apparue il y a plus de 50 ans. Depuis lors, la découpe laser est entrée dans une période de développement technologique rapide.
Dans les années 1970, des machines de découpe laser commerciales ont été introduites et les premiers utilisateurs les ont utilisées pour la production à grande échelle.
Dans les années 1980, l'équipement de découpe laser au dioxyde de carbone (CO2) s'est largement répandu.
À la fin des années 1990 et au début des années 2000, des lasers à fibre de haute puissance ont été introduits.
Le développement de machines de découpe laser à fibre de l'ordre du kilowatt à la fin des années 2000 a transformé la découpe laser d'une application à petite échelle en un processus de fabrication courant.
Les machines de découpe au laser à fibre occupent une place importante dans le secteur de l'énergie. tôle métallique Le marché de la découpe laser est en pleine expansion, principalement en raison de la facilité d'intégration, de la fiabilité, de la faible maintenance, des coûts d'investissement et d'exploitation relativement faibles, du rendement élevé de la découpe et de la possibilité d'augmenter la puissance des lasers à fibre.
À la fin des années 2010 et au début des années 2020, deux voies de croissance s'offrent au marché de la découpe laser.
La première tendance concerne le marché des machines de faible puissance, où la demande de machines de découpe de 1 à 3 kW a explosé en raison des coûts d'investissement moins élevés.
La deuxième tendance concerne le marché des lasers à haute puissance, ce qui a entraîné une augmentation de la demande de lasers à fibre ultra-haute puissance.
Cette évolution s'explique par la grande rentabilité des lasers à ultra-haute puissance, qui permettent d'atteindre une productivité et des capacités techniques élevées.
En outre, le secteur de la découpe au laser a connu un "changement de pouvoir" révolutionnaire, sans précédent dans d'autres secteurs de l'économie. fabrication de tôles au cours de la même période.
Les expositions consacrées à la fabrication montrent que la puissance maximale des lasers utilisés dans les machines de découpe est passée de 6 kW en 2015 à 40 kW en 2022, soit une multiplication par près de sept (voir la figure 1).
Au cours des trois dernières années, la puissance maximale des équipements laser est passée de 15 kW à 40 kW, soit une augmentation de 2,5 fois !
Des lasers à fibre haute puissance fiables avaient déjà vu le jour quelques années avant que la tendance à la découpe à ultra-haute puissance ne se mette en place. Des lasers à fibre industriels d'une puissance de 100 kW étaient déjà disponibles en 2013.
Toutefois, ce n'est qu'au cours des dernières années, lorsque le prix par kilowatt de l'équipement laser a rapidement diminué, que le seuil d'accès à la découpe laser à ultra-haute puissance a été abaissé et que des têtes de découpe capables de supporter une puissance laser aussi élevée dans des environnements de découpe difficiles sont devenues disponibles.
En outre, les bases de données de coupe qui peuvent être adaptées aux équipements de coupe à ultra-haute puissance deviennent également de plus en plus sophistiquées.
Le tableau indique la vitesse de coupe et la qualité de différents métaux évaluée à l'aide des lasers à fibre YLS-40000 de 40 kW et YLS-30000-ECO2 de 30 kW à haut rendement de conversion électro-optique, configurés avec un cœur de fibre de 100μm de diamètre et une tête de découpe IPGCut-HP.
Selon les connaissances actuelles, une puissance laser de 40 kW avec un diamètre de cœur de fibre de 100μm est actuellement la puissance laser la plus élevée pouvant être fournie par une source laser utilisée dans la découpe laser industrielle.
Nous avons choisi un diamètre de cœur de fibre de 100μm car il permet une augmentation de 10-25% de la vitesse de coupe par rapport à un diamètre de cœur de fibre de 150μm.
Nos expériences ont montré que pour tous les métaux testés, y compris l'acier inoxydable, l'acier au carbone et l'aluminium, les vitesses de découpe laser augmentaient avec la puissance moyenne (jusqu'à 40 kW).
La figure 2 montre l'augmentation de la vitesse de coupe en fonction de la puissance du laser pour la découpe d'un acier au carbone d'une épaisseur de 6 à 40 mm à l'aide d'une technologie de découpe à l'air dans une plage de 12 kW à 40 kW.
Le taux d'augmentation de la vitesse augmente avec l'épaisseur du métal.
Par exemple, lors de la découpe d'un acier au carbone de 12 mm d'épaisseur, la vitesse de découpe à 40 kW est 280% plus rapide qu'à 15 kW (avec une augmentation de puissance de 270%), tandis que pour un acier au carbone de 20 mm d'épaisseur, la vitesse de découpe à 40 kW est 420% plus rapide qu'à 15 kW. Pour l'acier au carbone de 30 mm d'épaisseur, la vitesse de coupe augmente de 66% lorsque la puissance passe de 30kW à 40kW (soit une augmentation de puissance de 33%).
Par conséquent, les lasers à ultra-haute puissance plus puissants amélioreront encore la productivité de l'industrie de l'épaississement. découpe de plaques.
Pour profiter de la vitesse de découpe plus rapide offerte par les lasers à ultra-haute puissance et raccourcir considérablement les cycles de production, il est nécessaire de découper les pièces à haute accélération, en particulier les plus fines.
Ces dernières années, l'accélération maximale des machines de découpe laser est passée de 1G à 3G pour s'adapter à une puissance laser plus élevée.
Sur le marché haut de gamme, l'accélération maximale des machines de découpe laser à ultra-haute puissance peut atteindre 6G, et leur conception mécanique peut garantir que la trajectoire de découpe ne dévie pas de manière significative.
Par rapport à une puissance plus faible, la découpe laser à ultra-haute puissance réduit considérablement le coût de traitement par unité et permet un retour sur investissement plus rapide et une meilleure rentabilité.
Dans le cas de la découpe au laser, le coût du traitement provient principalement de la consommation de gaz, qui augmente souvent de manière significative avec l'épaisseur de la pièce.
La découpe laser à ultra-haute puissance nécessite une pression de gaz et une taille de buse identiques ou inférieures à celles de la découpe à faible puissance.
Cependant, les lasers à très haute puissance ont des vitesses de coupe plus rapides, ce qui réduit la durée de vie de l'appareil. temps de coupe par unité et de réduire considérablement la consommation de gaz.
Par exemple, comparé à un laser de 15 kW, un laser de 30 kW peut découper une pièce typique en acier inoxydable de 16 mm d'épaisseur en divisant par deux le cycle de production, ce qui réduit de moitié la consommation de gaz.
La consommation électrique des lasers et des refroidisseurs d'eau augmente généralement de façon linéaire avec la puissance du laser.
Néanmoins, l'autre consommation d'énergie des machines de découpe reste pratiquement la même. Par conséquent, dans le cas précédent où le cycle de production par unité a été réduit de moitié, nous avons réduit la consommation totale d'énergie par unité en augmentant la puissance du laser.
Avec le développement continu de la technologie PG, l'efficacité de conversion électro-optique des lasers à fibre de haute puissance dépasse 50%, ce qui favorise davantage les économies d'énergie.
Outre des vitesses de découpe plus rapides, les lasers à ultra-haute puissance permettent également d'économiser du gaz. Par rapport à la découpe à l'azote, plus coûteuse, ou à la découpe à l'oxygène, plus lente, les lasers à très haute puissance permettent une découpe rapide et sans scories de l'acier au carbone épais à l'aide d'air à haute pression.
Dans le cas du découpage à l'ammoniac et à l'air, la puissance ultra-élevée permet de réduire la pression du gaz nécessaire pour un découpage sans scories.
Par exemple, pour découper un acier au carbone de 20 mm d'épaisseur sans scories à l'aide d'un laser de 15 kW, une pression de gaz supérieure à 16 bars est nécessaire, alors que 10 à 12 bars suffisent lorsque l'on utilise un laser de 20 kW ou plus.
Comme la consommation de gaz varie approximativement de façon linéaire avec la pression (à taille de buse égale), une dépressurisation importante permet de réduire la consommation de gaz et de simplifier les spécifications de l'équipement de production de gaz.
L'efficacité de production de l'équipement de découpe laser à haute puissance est deux fois supérieure à celle de l'équipement de découpe laser à faible puissance, mais le prix de l'équipement n'est pas deux fois plus élevé. En effet, le coût par kilowatt diminue avec l'augmentation de la puissance du laser.
En outre, le coût des lasers plus puissants est inclus dans le coût total de l'équipement, qui augmente marginalement (par rapport à l'équipement laser de moindre puissance).
Par conséquent, les machines de découpe laser à ultra-haute puissance peuvent atteindre une efficacité de production deux fois supérieure grâce à une puissance laser plus élevée, alors que les coûts d'équipement n'augmentent que de 30-40%.
Grâce à l'amélioration significative de l'efficacité de la production, les équipements à ultra-haute puissance peuvent remplacer plusieurs équipements à faible puissance, ce qui permet de réduire l'espace au sol, le nombre d'opérateurs et la préparation de l'installation.
D'autre part, pour garantir l'efficacité de la production, les exigences de fiabilité des sources laser et des têtes de coupe sont plus élevées pour les machines de découpe laser à fibre ultra-haute puissance.
En effet, les sources laser à fibre exigent une puissance de sortie et une qualité de faisceau stables à long terme, qui dépendent de la qualité des diodes, des composants et de l'intégration optique.
Quant aux têtes de découpe à ultra-haute puissance, elles doivent résister à une puissance laser élevée, à des gaz à haute pression, à la poussière, à la chaleur du processus et à une forte accélération afin d'obtenir un traitement stable et fiable.
| Oxygène | Azote | Air à haute pression | |
| Coût de la coupe au gaz équipement | faible | De faible à élevé | élevé |
Coût d'exploitation de la coupe de gaz | faible | élevé | Très faible |
Flux | faible | Très élevé | Très élevé |
Scories | Aucun/Faible | moyen | Aucun/Faible |
Répétabilité à long terme de la qualité de la production | Moyenne/élevée | Très élevé | Très élevé |
Sensibilité à l'environnement de la surface des matériaux | moyen | faible | faible |
Sensibilité aux composition du matériau | élevé | faible | faible |
Zone affectée thermiquement | moyen | Petit | Petit |
Capacité à découper des pièces complexes ou présentant un rapport profondeur/largeur élevé | moyen | élevé | élevé |
Degré d'oxydation de la surface pendant la coupe | grave | rien | modéré |
| Rugosité de la surface après découpe (Rz) | faible | secondaire | Moyenne/élevée |
| Esthétique de la surface après la coupe | bon | secondaire | Pauvre |
Largeur de la coupe | important | Petit | Petit |
Puissance laser nécessaire pour une découpe sans scories | faible | N/A | moyen |
L'acier au carbone peut être découpé en utilisant de l'oxygène, de l'azote ou de l'air comme gaz auxiliaire.
La figure 3 résume les avantages et les inconvénients de l'utilisation de chaque type de gaz auxiliaire.
Bien que l'oxycoupage permette de découper des aciers au carbone épais avec une puissance laser plus faible grâce à son énergie d'oxydation supplémentaire, l'efficacité de la production est réduite car la vitesse de coupe n'est pas proportionnelle à la puissance du laser.
En revanche, la vitesse de coupe de l'acier au carbone assisté par air est proportionnelle à la puissance (voir figure 2).
Par exemple, pour un acier au carbone de 16 m avec une puissance comprise entre 10 kW et 30 kW, la vitesse de découpe à l'oxygène reste inchangée à environ 2 m/min, tandis que la vitesse de découpe à l'air est supérieure à 9 m/min à 30 kW, soit 4,5 fois plus rapide que la vitesse de découpe à l'oxygène.
L'épaisseur qui n'était auparavant découpée que par de l'oxygène à une puissance et une vitesse moindres peut désormais être traitée à l'aide de lasers à ultra-haute puissance et d'air, ce qui a permis d'améliorer considérablement la vitesse et la qualité.
Pour les lasers de faible puissance, la découpe à l'air peut entraîner des scories difficiles à éliminer et une mauvaise qualité de surface.
Pour les industries telles que la fabrication d'équipements de construction et l'industrie lourde qui traitent d'énormes quantités de tôles épaisses, ce plan de traitement innovant et efficace à ultra-haute puissance est le bienvenu.
(a) Découpe d'acier inoxydable d'une épaisseur de 70 mm avec de l'azote à une puissance de 30 kW ;
(b) Découpe d'un acier au carbone de 230 mm d'épaisseur avec de l'air à une puissance de 40 kW.
Des tests ont montré que l'épaisseur de la découpe augmente avec la puissance des lasers à ultra-haute puissance. Par exemple, la figure 4 montre la découpe d'un acier inoxydable de 70 mm d'épaisseur avec de l'azote à 30 kW et la découpe d'un acier au carbone de 230 mm d'épaisseur avec de l'air à 40 kW, ces deux opérations étant réalisées en mode de découpe par impulsion.
(a) Découpe à l'air libre d'un acier au carbone de 28 mm d'épaisseur à 4,5 m/min (177ipm) avec un laser IPG40 KW YLS ;
(b) Découpe à l'air libre d'un acier inoxydable de 40 mm d'épaisseur à 2,3 m/min (90ipm) avec un laser YLS IPG40 kW ;
(c) Découpe à l'azote d'acier inoxydable d'une épaisseur de 3 à 25 mm profilés en acier avec le laser IPG30 kW YLS-ECO ;
(d) Découpage d'un acier au carbone de 30 mm d'épaisseur avec de l'oxygène à une puissance de 15 kW.
En mode de coupe à pleine vitesse à onde continue (CW), l'air sans laitier de 20 kW est utilisé pour couper l'acier au carbone de 20 mm d'épaisseur, l'air sans laitier de 40 kW est utilisé pour couper l'acier au carbone de 30 mm d'épaisseur, et l'air sans laitier de 40 kW est utilisé pour couper l'acier au carbone de 40 mm d'épaisseur (voir la figure 2 et la figure 5 ci-dessus). Pour les coupe de l'acier inoxydableil est plus facile d'obtenir un effet sans scories, de sorte que l'épaisseur maximale de coupe est supérieure à celle de l'acier au carbone (voir figure 5b et figure 5c).
Pour la découpe continue à l'azote et à l'air, seule une certaine épaisseur permet d'obtenir une découpe sans scories et une bonne surface de coupe, quelle que soit la puissance utilisée. Au-delà d'une certaine épaisseur, la découpe par impulsion (vitesse plus lente que la découpe en continu) doit être utilisée pour obtenir une qualité satisfaisante ; dans le cas contraire, la puissance du laser doit être augmentée.
En général, une vitesse de coupe inférieure à 2 m/min signifie que la puissance du laser est insuffisante en mode continu pour obtenir la meilleure qualité de coupe.
Pour l'oxycoupage de l'acier au carbone, l'augmentation de la puissance permet d'accroître l'épaisseur maximale de coupe tout en garantissant une "surface de coupe lisse". Par exemple, l'épaisseur de coupe maximale avec 4 kW est d'environ 6-8 mm, tandis que l'épaisseur de coupe maximale avec 15 kW est de 30 mm. La figure 5d montre un échantillon d'acier au carbone de 30 mm d'épaisseur découpé avec un laser de 15 kW.
En utilisant la puissance de crête élevée du laser ultra-haute puissance en mode pulsé, les métaux épais peuvent être percés rapidement avec moins de projections. Le temps de perçage de l'acier inoxydable de 16 mm a été considérablement réduit, passant de plus d'une seconde à 6 kW à 0,5 seconde à 10 kW et à 0,1 seconde à 20 kW.
Dans les applications pratiques, des temps de perçage de ≤0,1 seconde sont généralement considérés comme "instantanés". La puissance de crête plus élevée augmente le rapport profondeur/largeur du bain de fusion, ce qui permet un pontage plus rapide de l'épaisseur avec moins de fusion latérale. La réduction de la fusion latérale du matériau permet également de réduire au maximum les éclaboussures de la surface supérieure.
Au cours des six dernières années, plusieurs développements technologiques ont permis d'améliorer les performances de la découpe laser :
Bien que les besoins des différentes industries soient différents et que toutes les technologies habilitantes soient utilisées dans des domaines spécifiques, la découpe laser à ultra-haute puissance est une tendance technologique majeure qui stimule l'amélioration des performances de la découpe laser.
L'adoption généralisée de lasers à ultra-haute puissance dans les machines de découpe au laser dans le monde entier en est la preuve.
De plus en plus d'ingénieurs d'application adoptent les lasers à ultra-haute puissance et comprennent que les avantages des machines de découpe à ultra-haute puissance en termes de production et de qualité sont multiples et surpassent ceux des technologies à plus faible puissance laser et moins complexes.
Les lasers à ultra-haute puissance présentent des avantages significatifs en termes d'épaisseur de coupe, de qualité et de rentabilité pour la découpe de tôles épaisses, en particulier à des puissances de 15 kW et plus, ce qui les rend plus compétitifs que les lasers à haute intensité. découpe au plasma des machines.
Des tests comparatifs montrent que pour l'acier inoxydable d'une épaisseur allant jusqu'à 50 mm, un laser à fibre de 20 kW est 1,5 à 2,5 fois plus rapide qu'une machine de découpe au plasma à courant élevé (300 A). Pour l'acier au carbone, la vitesse de coupe jusqu'à 15 mm d'épaisseur est plus de deux fois plus rapide.
Les calculs montrent que pour un acier au carbone de 15 mm d'épaisseur, le coût total de découpe par mètre avec un laser de 20 kW est environ deux fois moins élevé qu'avec un plasma.
Grâce à sa vitesse de coupe plus rapide pour les sections d'acier inoxydable de 12 à 50 mm d'épaisseur et les sections d'acier à faible teneur en carbone de 12 à 30 mm d'épaisseur par rapport à la découpe au plasma haute puissance, l'utilisation d'un laser de 40 kW pour ces matériaux permet d'obtenir une différence de productivité encore plus importante.
Par rapport aux lasers de faible puissance et à d'autres procédés de découpe (tels que la découpe au plasma), la principale force motrice pour l'adoption des lasers à ultra-haute puissance pour la découpe est une productivité plus élevée et des coûts de découpe plus faibles par pièce.
Les gains de vitesse obtenus grâce à l'utilisation de lasers à très haute puissance permettent aux fabricants de réaliser des économies d'échelle ; par exemple, l'augmentation de la puissance de 30 kW à 40 kW accroît la vitesse de coupe de 66%.
Les lasers à ultra-haute puissance permettent une découpe à l'air rapide et de haute qualité de l'acier au carbone, ce qui est plus avantageux que la découpe à l'oxygène, plus lente, et que la découpe à l'azote, plus coûteuse. Lors de nos essais, l'utilisation d'une découpe à l'air de 40 kW pour découper de l'acier au carbone d'une épaisseur allant jusqu'à 50 mm a été trois à quatre fois plus rapide que la découpe au plasma haute puissance.
Les lasers à ultra-haute puissance rendent la découpe laser plus compétitive à bien d'autres égards. Par exemple, en augmentant l'épaisseur et la qualité de la découpe (il est possible de découper des matériaux d'une épaisseur allant jusqu'à 230 mm), en réduisant ou en éliminant les coûts de post-traitement (en réduisant au maximum l'accrochage des scories), en réduisant l'encombrement et les coûts des installations, en diminuant les besoins en main-d'œuvre et en améliorant la qualité et le rendement du perçage.
Au fur et à mesure que la puissance et l'efficacité des lasers à ultra-haute puissance s'améliorent, ces avantages deviendront encore plus évidents, ce qui renforcera leur capacité à modifier rapidement et économiquement les applications de découpe dans différents secteurs d'activité.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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