Préface Les lasers à fibre ultra-haute puissance sont capables de réaliser une découpe rapide et de haute qualité des tôles épaisses, y compris l'utilisation de l'air comme gaz auxiliaire pour découper l'acier inoxydable, et offrent plusieurs avantages par rapport à d'autres méthodes de découpe. Au cours des dernières années, les lasers à fibre ultra-haute puissance (UHP), d'une puissance comprise entre 10 kW et 40 kW, ont [...]
Les lasers à fibre ultra-haute puissance sont capables de réaliser une découpe rapide et de haute qualité des tôles épaisses, y compris l'utilisation de l'air comme gaz auxiliaire pour découper l'acier inoxydable, et offrent plusieurs avantages par rapport à d'autres méthodes 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 adoptés sur le marché de la découpe, et la puissance maximale des lasers pour les applications de découpe devrait continuer à augmenter.
Dans cet article, nous présenterons les effets des applications de découpe dans cette gamme de puissance et nous discuterons des principaux facteurs qui motivent l'application des lasers à fibre ultra-haute puissance, notamment les avantages significatifs en termes de productivité, les améliorations de la qualité de découpe et la capacité à découper des matériaux plus épais, tels que l'acier inoxydable de 230 mm d'épaisseur à 40 kW.
Dans le cadre de cet article, les lasers à ultra-haute puissance sont définis comme des lasers d'une puissance supérieure à 10 kW, qui permettent de nouvelles méthodes de traitement susceptibles d'étendre la portée de la technologie des lasers à ultra-haute puissance. découpe au laser sur de nouveaux marchés. L'une de ces méthodes consiste à utiliser l'air comme gaz auxiliaire pour couper l'acier inoxydable jusqu'à 50 mm d'épaisseur, ce qui permet d'obtenir des vitesses de coupe jusqu'à quatre fois supérieures à celles des machines à haute puissance. découpe au plasma.
Les résultats des applications démontrent que les lasers à ultra-haute puissance transforment la découpe de l'acier inoxydable en utilisant les technologies suivantes découpe à l'air au lieu de la technologie de découpe à l'azote et à l'oxygène, ce qui permet d'obtenir une découpe de haute qualité, rapide et rentable.
Tendance d'évolution sur 6 ans : maximale puissance du laser pour les applications de coupe
Fig. 1 : Augmentation de la puissance maximale des lasers à fibre utilisés dans les équipements de découpe depuis 2016
La technologie de la découpe laser est apparue il y a plus de 50 ans et a connu depuis un développement rapide. Dans les années 1970, la première machine commerciale de découpe au laser a été introduite, et les premiers utilisateurs l'ont utilisée pour la production de masse.
Dans les années 1980, Découpe laser CO2 L'utilisation des équipements à fibre optique s'est généralisée et, à la fin des années 1990 et au début des années 2000, des lasers à fibre optique de grande puissance ont été introduits. À la fin des années 2000, le développement de lasers optiques de classe kilowatt a commencé. découpe au laser à fibre ont fait de la découpe laser une technologie de fabrication courante à partir d'une application à petite échelle.
Les machines de découpe laser à fibre occupent une place importante dans le secteur de la métallurgie. découpe laser de plaques en raison de leur facilité d'intégration, de leur fiabilité, de leurs faibles coûts de maintenance et d'exploitation, de leur capacité de coupe élevée et de la faisabilité de l'extension de la puissance.
À la fin des années 2010 et au début des années 2020, le marché de la découpe laser a connu une croissance dans deux directions. La première tendance concerne le marché de faible puissance, avec une forte augmentation de la demande de machines de découpe de 1 à 3 kW en raison de la baisse des coûts d'investissement des équipements.
La deuxième tendance concerne le marché final de la haute puissance, qui entraîne également une augmentation de la demande de lasers à ultra-haute puissance. Cette tendance s'explique par la productivité élevée et les capacités techniques offertes par les lasers à ultra-haute puissance à un rapport coût-performance élevé. Le secteur de la découpe laser a connu une "transformation de la puissance" sans précédent, qui n'a pas d'équivalent dans les autres secteurs de l'industrie. fabrication de tôles de la même période.
Les expositions consacrées à la transformation et à la fabrication montrent que la puissance laser maximale des machines de découpe exposées est passée de 6 kW en 2015 à 40 kW en 2022, soit une augmentation de près de 7 fois (voir figure 1). Rien qu'au cours des trois dernières années, la puissance maximale des équipements laser est passée de 15 kW à 40 kW, soit une augmentation considérable de 2,5 fois !
Avant que la tendance à la découpe à ultra-haute puissance n'émerge, des lasers à fibre fiables et à haute puissance étaient déjà disponibles il y a quelques années. Dès 2013, des lasers à fibre industriels d'une puissance de 100 kW ont été lancés sur le marché.
Toutefois, ce n'est qu'au cours des dernières années que le prix par kilowatt des lasers a chuté rapidement, ce qui a abaissé le seuil de la découpe laser à ultra-haute puissance. Le développement de têtes de découpe capables de supporter une puissance laser élevée dans des environnements de découpe difficiles a également contribué à cette tendance.
En outre, la base de données de coupe qui peut s'adapter aux équipements de coupe à ultra-haute puissance s'améliore continuellement, offrant des capacités de coupe plus précises.
Ce test utilise les lasers à fibre IPG 40kW YLS-40000 et IPG 30kW YLS-30000-ECO2 à haut rendement de conversion électro-optique, avec un diamètre de fibre de 100 µm et une tête de découpe IPGCut-HP, pour évaluer la vitesse et la qualité de découpe de différents métaux.
À notre connaissance, une puissance laser de 40 kW et un diamètre de fibre de 100 µm représentent la puissance laser la plus élevée disponible pour un laser industriel. lumière de découpe laser source.
Nous avons choisi un diamètre de fibre de 100 µm car il permet une vitesse de coupe 10-25% supérieure à celle d'une fibre de 150 µm.
Découpage de l'acier au carbone avec de l'air comme gaz auxiliaire
Vitesse de coupe en fonction de la puissance du laser
Fig. 2 : Schéma de la vitesse de coupe et de la puissance de la découpe à l'air libre du laitier d'acier au carbone
Nos expériences démontrent que la vitesse de découpe laser augmente avec la puissance moyenne (jusqu'à 40 kW) pour tous les métaux testés, y compris l'acier inoxydable, l'acier au carbone et l'aluminium.
La figure 2 illustre la relation entre la vitesse de coupe et la puissance du laser pour de l'acier au carbone de 6 à 40 mm avec de l'air, entre 12 kW et 40 kW. Le taux de croissance 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 coupe de 40kW est 280% plus rapide que celle de 15kW (avec 270% de puissance en plus). La coupe d'un acier au carbone de 20 mm d'épaisseur avec 40 kW donne une vitesse de coupe supérieure de 420% à celle de 15 kW. La coupe d'un acier au carbone de 30 mm d'épaisseur avec une augmentation de 33% de la puissance, de 30 kW à 40 kW, entraîne une augmentation de 66% de la vitesse de coupe.
Ainsi, les lasers à ultra-haute puissance avec des niveaux de puissance plus élevés peuvent encore améliorer l'efficacité des lasers épais. découpe de plaques. Cependant, pour raccourcir considérablement le cycle de production en utilisant la vitesse de coupe plus rapide apportée par le laser à ultra-haute puissance, il est essentiel de découper les pièces, en particulier les plus fines, à une vitesse élevée.
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 des machines de découpe laser à ultra-haute puissance peut atteindre 6G au maximum, et leur conception mécanique garantit qu'il n'y a pas de déviation notable dans la trajectoire de découpe.
Par rapport aux options de moindre puissance, la découpe laser à ultra-haute puissance réduit considérablement le coût de traitement des pièces unitaires, ce qui se traduit par un retour sur investissement plus rapide et une plus grande rentabilité.
Dans la découpe au laser, le coût de traitement provient principalement de la consommation de gaz, qui augmente généralement avec l'épaisseur du composant. Toutefois, la découpe au 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. La vitesse de découpe du laser à ultra-haute puissance est plus rapide, ce qui réduit la consommation de gaz. temps de coupe des pièces de l'appareil et réduit considérablement la consommation de gaz.
Par exemple, un laser de 30 kW peut découper une pièce typique en acier inoxydable de 16 mm d'épaisseur en réduisant de moitié le cycle de production d'un laser de 15 kW, tout en diminuant de moitié la consommation de gaz.
Alors que la consommation d'énergie des lasers et des refroidisseurs augmente généralement de façon linéaire avec la puissance du laser, la consommation d'énergie des autres composants de la découpeuse reste la même. Par conséquent, l'augmentation de la puissance du laser réduit le coût total de l'énergie de chaque composant. Avec le développement continu de la technologie IPG, l'efficacité de la conversion électro-optique des lasers à fibre de haute puissance est supérieure à 50%, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie supplémentaires.
Les lasers à ultra-haute puissance permettent également d'économiser du gaz. L'air à haute pression peut être utilisé pour découper rapidement et sans scories de l'acier au carbone épais, en évitant l'azote, plus coûteux, ou la vitesse de découpe plus lente de l'oxygène. L'ultra-haute puissance permet également de réduire la pression de l'air nécessaire à la découpe sans scories dans l'azote et l'air.
Par exemple, l'utilisation d'un laser de 20 kW ou plus pour découper de l'acier au carbone d'une épaisseur de 20 mm ne nécessite que 10 à 12 bars de pression d'air, alors qu'un laser de 15 kW nécessite plus de 16 bars. Cette dépressurisation importante contribue à réduire la consommation de gaz et simplifie la spécification de l'équipement de génération 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, alors que le prix de l'équipement n'est pas deux fois plus élevé. Cela s'explique par le fait que le coût par kilowatt diminue avec l'augmentation de la puissance du laser. Le coût des lasers plus puissants est inclus dans le coût total de l'équipement, affichant une croissance marginale par rapport à l'équipement laser de faible puissance.
Par conséquent, la machine de découpe laser à ultra-haute puissance peut atteindre une efficacité de production deux fois supérieure grâce à une puissance laser plus élevée, alors que le coût de l'équipement n'a augmenté que de 30-40%. En raison de l'amélioration significative de l'efficacité de la production, l'équipement à ultra-haute puissance peut remplacer plusieurs équipements à faible puissance, réduisant ainsi l'espace au sol, les opérateurs et la préparation de l'installation.
Pour garantir l'efficacité de la production, la machine de découpe laser à fibre ultra-haute puissance exige une plus grande fiabilité de la source laser et de la tête de découpe. Une puissance de sortie et une qualité de faisceau stables sont nécessaires pour que la machine de découpe laser à fibre ultra-haute puissance puisse fonctionner correctement. laser à fibre optique qui dépend de la qualité des diodes, des composants et de l'intégration optique. La tête de découpe à ultra-haute puissance doit supporter une puissance laser élevée, des gaz à haute pression, de la poussière, de la chaleur de traitement et une forte accélération afin d'obtenir un traitement stable et fiable.
| Objet | Oxygène | Azote | Air à haute pression |
| Coût de l'équipement en gaz | faible | de bas en haut | élevé |
| Coût d'exploitation du 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 à fort rapport d'aspect | Moyen | élevé | élevé |
| Degré d'oxydation de la surface de coupe | grave | rien | modéré |
| Découpage rugosité de la surface (Rz) | faible | secondaire | moyenne/élevée |
| Degré esthétique de la surface de coupe | bon | secondaire | pauvres |
| Largeur de l'encoche | important | petit | petit |
| Puissance laser nécessaire pour une découpe sans scories | faible | N/A | moyen |
L'acier au carbone peut être découpé avec de l'oxygène, de l'azote ou de l'air comme gaz auxiliaire.
Bien que l'oxycoupage soit efficace pour couper des aciers au carbone épais en utilisant une puissance laser plus faible en raison de l'énergie d'oxydation supplémentaire, la vitesse de coupe n'est pas directement proportionnelle à la puissance du laser. Cela peut entraîner une réduction de l'efficacité de la production.
D'autre part, la vitesse de coupe de l'acier au carbone est directement proportionnelle à la puissance (voir Fig. 2).
Par exemple, pour un acier au carbone de 16 mm, la vitesse de découpe à l'oxygène reste d'environ 2 m/min lorsque la puissance est comprise entre 10 kW et 30 kW, alors 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.
Pour les épaisseurs qui nécessitent une découpe à l'oxygène à une puissance et une vitesse moindres, des lasers à ultra-haute puissance et de l'air sont désormais disponibles pour le traitement, qui est plusieurs fois plus rapide et produit une finition de meilleure qualité.
Cependant, pour les lasers de faible puissance, la découpe à l'air peut entraîner une suspension de scories, qui peut être difficile à éliminer et produire une mauvaise qualité de surface.
Le développement de ce système de traitement innovant et efficace à très haute puissance gagne en popularité dans des secteurs tels que la fabrication d'équipements de construction et l'industrie lourde, qui nécessitent une quantité importante de traitement de plaques épaisses.
Nous examinerons l'historique du développement et les avantages de la découpe par laser à fibre ultra-haute puissance. Dans le prochain numéro, nous continuerons à présenter d'autres avantages compétitifs de la découpe au laser à ultra-haute puissance par le biais d'études de cas réels.
Fig. 4. Découpe d'acier inoxydable très épais en mode pulsé à l'aide d'une machine de découpe ultra-rapide.Découpeur laser haute puissance
(a) Puissance de 30 kW, découpe à l'azote d'un acier inoxydable de 70 mm d'épaisseur ;
(b) Puissance 40kW, découpe à l'air de l'acier au carbone d'une épaisseur de 230 mm.
Les résultats des essais indiquent qu'à mesure que la puissance du laser à ultra-haute puissance augmente, la capacité de l'épaisseur de coupe augmente également. 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 d'un acier au carbone de 230 mm d'épaisseur avec de l'air à 40 kW en mode de découpe par impulsions.
Fig. 5 Coupe à pleine vitesse en mode continu
(a) Le laser IPG 40kW YLS est utilisé pour découper un acier au carbone de 28 mm d'épaisseur dans l'air à une vitesse de 4,5 m/min (177 ipm).
(b) Le laser IPG 40kW YLS est utilisé pour découper à l'air libre de l'acier inoxydable d'une épaisseur de 40 mm à une vitesse de 2,3 m/min (90 ipm).
(c) Le laser IPG 30kW YLS-ECO, combiné à l'azote, est utilisé pour découper de l'acier inoxydable d'une épaisseur de 3 à 25 mm. profilés en acier.
(d) Couper de l'acier au carbone de 30 mm d'épaisseur avec une puissance de 15 kW et de l'oxygène.
En mode de coupe à pleine vitesse à onde continue, un air sans scories de 20 kW est utilisé pour couper un acier au carbone de 20 mm d'épaisseur, un air sans scories de 40 kW est utilisé pour couper un acier au carbone de 30 mm d'épaisseur, et un air sans scories de 40 kW est utilisé pour couper un acier au carbone de 40 mm d'épaisseur (voir les figures 2 et 5a dans la section précédente).
Quand coupe de l'acier inoxydableIl est donc plus facile d'obtenir un effet sans scories, de sorte que l'épaisseur limite de coupe est plus importante que celle de l'acier au carbone (voir figure 5b et figure 5c).
Pour la découpe continue à l'azote et à l'air, une découpe sans scories et une bonne surface de coupe ne peuvent être obtenues qu'à l'intérieur d'une certaine épaisseur, quelle que soit la puissance utilisée. Au-delà d'une certaine épaisseur, la découpe par impulsion (qui est plus lente que la découpe en continu) doit être utilisée pour obtenir une qualité acceptable ; sinon, la puissance du laser doit être augmentée.
En général, une vitesse de coupe inférieure à 2 m/min signifie que la puissance du laser en mode continu est insuffisante pour obtenir la meilleure qualité de coupe.
Pour l'oxycoupage de l'acier au carbone, en partant du principe que la surface de coupe est lisse, l'augmentation de la puissance augmentera l'épaisseur limite de coupe. Par exemple, l'épaisseur limite de coupe de 4 kW est d'environ 6-8 mm, tandis que l'épaisseur limite de coupe de 15 kW est de 30 mm.
La figure 5d montre un échantillon d'acier au carbone de 30 mm d'épaisseur coupé avec 15 kW.
L'utilisation de la puissance de crête d'un laser ultra-haute puissance en mode pulsé permet de perforer rapidement les métaux épais avec un minimum de projections.
Le temps de perçage de l'acier inoxydable de 16 mm est 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 la pratique, un temps de perforation inférieur ou égal à 0,1 seconde est généralement considéré comme "instantané".
Une puissance de crête plus élevée augmente le rapport entre la profondeur et la largeur du bain de fusion, ce qui permet un pontage plus rapide des matériaux plus épais avec moins de fusion transversale.
La réduction de la fonte transversale permet également de minimiser les éclaboussures sur la surface supérieure.
Au cours des six dernières années, plusieurs développements technologiques ont contribué à améliorer les performances de la découpe laser. Ces développements sont les suivants :
Bien que les besoins des différentes industries diffèrent, toutes les technologies habilitantes sont utilisées dans des domaines spécifiques. Toutefois, la découpe laser à ultra-haute puissance est une tendance technologique majeure qui favorise l'amélioration des performances de la découpe laser.
L'utilisation généralisée de lasers à ultra-haute puissance dans les machines de découpe laser du monde entier en est la preuve. Avec une exposition accrue aux lasers à ultra-haute puissance, les ingénieurs d'application ont découvert de nombreux avantages en termes de rendement et de qualité, dépassant ceux des lasers à plus faible puissance qui permettent une technologie moins complexe.
Les lasers à ultra-haute puissance présentent des avantages significatifs en termes d'épaisseur de coupe, de qualité et de rentabilité dans la découpe de tôles épaisses, en particulier à des niveaux de puissance de 15 kW et plus. Ils sont plus compétitifs que les machines de découpe au plasma à courant élevé.
Des tests comparatifs ont montré que, pour l'acier inoxydable d'une épaisseur allant jusqu'à 50 mm, le laser à fibre de 20 kW est 1,5 à 2,5 fois plus rapide que le découpeur au plasma à haute intensité de courant (300 A).
Lecture connexe : Découpe laser et découpe plasma: Les différences expliquées
Pour l'acier au carbone, la coupe jusqu'à 15 mm d'épaisseur est plus de deux fois plus rapide, comme le démontrent les données empiriques.
Selon les calculs, le coût total de la découpe par mètre d'un acier au carbone de 15 mm d'épaisseur à l'aide d'un laser de 20 kW est environ deux fois inférieur à celui de l'utilisation du plasma.
Par rapport au plasma haute puissance, l'utilisation d'un laser de 40 kW pour découper des sections d'acier inoxydable d'une épaisseur de 12 à 50 mm est trois à quatre fois plus rapide, tandis que la découpe de sections d'acier à faible teneur en carbone d'une épaisseur de 12 à 30 mm est trois à cinq fois plus rapide, ce qui se traduit par des différences de productivité nettement plus importantes.
Par rapport aux lasers de faible puissance et à d'autres procédés de découpe, tels que la découpe au plasma, la principale force motrice des lasers à ultra-haute puissance est l'augmentation de la productivité et la réduction des coûts de découpe pour chaque composant.
L'utilisation de lasers à très haute puissance entraîne des gains de vitesse qui permettent aux fabricants de réaliser des économies d'échelle. Par exemple, l'augmentation de la puissance de 30 kW à 40 kW entraîne une augmentation de la vitesse de 331 TTP3T et de la vitesse de coupe de 661 TTP3T.
Les lasers à ultra-haute puissance peuvent réaliser une découpe à l'air rapide et de haute qualité de l'acier au carbone, ce qui est plus avantageux que la découpe lente à l'oxygène et la découpe coûteuse à l'azote. Lors de nos essais, l'utilisation d'un laser à 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 l'utilisation d'un plasma haute puissance.
Le laser à ultra-haute puissance rend la découpe laser plus compétitive à bien d'autres égards. Il permet d'augmenter l'épaisseur et la qualité de la découpe (il est possible de découper des matériaux d'une épaisseur allant jusqu'à 230 mm), de réduire ou d'éliminer les coûts de traitement ultérieurs (ce qui peut minimiser l'accrochage des scories), de réduire l'espace au sol et les coûts des installations, de réduire les besoins en main-d'œuvre et d'améliorer la qualité et le rendement du perçage.
Avec l'amélioration continue de la puissance et de l'efficacité énergétique des lasers à ultra-haute puissance, ces avantages deviendront plus évidents, ce qui renforcera leur capacité à s'adapter rapidement et économiquement aux applications de découpe dans diverses industries.
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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