**Découpe laser et ses principes de base du système de traitement – Équipement de découpe laser**

**II. Composition de l'équipement de découpe laser**

**2.1 Composants et principe de fonctionnement des machines de découpe laser**

Une machine de découpe laser est composée d'un générateur laser, d'une tête de coupe, de composants de transmission du faisceau, d'une table de travail de machine-outil, d'un système CNC, d'un ordinateur (matériel, logiciel), d'un refroidisseur, de bouteilles de gaz de protection, d'un extracteur de poussière et d'un sécheur d'air, entre autres pièces.

1. **Générateur laser :** Il s'agit du dispositif qui produit la source laser. Pour les applications de découpe laser, sauf dans quelques cas où des lasers à solide YAG sont utilisés, la majorité utilise des lasers à gaz CO2 en raison de leur rendement de conversion électro-optique plus élevé et de leur capacité à produire une puissance plus élevée. Étant donné que la découpe laser a des exigences très élevées en matière de qualité du faisceau, tous les lasers ne conviennent pas à la découpe.

2. **Tête de coupe :** Comprend principalement des composants tels que la buse, la lentille de focalisation et le système de suivi de la mise au point. Le dispositif d'entraînement de la tête de coupe est utilisé pour entraîner la tête de coupe le long de l'axe Z selon le programme, composé de composants tels qu'un servomoteur et une vis mère ou des engrenages.

* (1) **Buse :** Les types de buses comprennent principalement trois formes : parallèle, convergente et conique.

* (2) **Lentille de focalisation :** Pour utiliser l'énergie du faisceau laser pour la découpe, le faisceau brut émis par le laser doit être focalisé par une lentille pour former un point avec une densité d'énergie élevée. Les lentilles à moyenne et longue focale conviennent à la découpe de plaques épaisses et ont des exigences moins strictes en matière de stabilité de la distance du système de suivi. Les lentilles à courte focale ne conviennent qu'aux plaques minces de moins de 3 mm ; elles ont des exigences strictes en matière de stabilité de la distance du système de suivi, mais peuvent réduire considérablement la puissance de sortie laser requise.

* (3) **Système de suivi :** Le système de suivi de la mise au point de la machine de découpe laser est généralement constitué de la tête de coupe de focalisation et du système de capteur de suivi. La tête de coupe comprend des pièces pour le guidage de la lumière et la focalisation, le refroidissement par eau, le soufflage de gaz et le réglage mécanique. Le capteur est constitué de l'élément de détection et des parties de contrôle de l'amplification. Selon l'élément de détection, les systèmes de suivi sont complètement différents ; principalement, il existe deux formes : les systèmes de suivi à capteur capacitif (sans contact) et les systèmes de suivi à capteur inductif (avec contact).

3. **Composants de transmission du faisceau (chemin optique externe) :** Des miroirs réfractifs et réfléchissants sont utilisés pour diriger le laser dans la direction requise. Pour éviter toute défaillance du trajet du faisceau, tous les miroirs sont protégés par des couvercles et alimentés en gaz de protection propre et à pression positive pour éviter toute contamination. Un jeu de lentilles de haute qualité focalisera un faisceau sans angle de divergence en un point infiniment petit. Une lentille de 5,0 pouces de focale est couramment utilisée. Une lentille de 7,5 pouces n'est utilisée que pour les matériaux de plus de 12 mm d'épaisseur.

4. **Table de travail de la machine-outil (machine hôte) :** La partie mécanique de la machine de découpe laser qui permet le mouvement le long des axes X, Y et Z, y compris la plate-forme de travail de coupe.

5. **Système CNC :** Contrôle la machine-outil pour réaliser le mouvement des axes X, Y, Z et contrôle également la puissance de sortie du laser.

6. **Système de refroidissement (unité de refroidissement) :** Utilisé pour refroidir le générateur laser. Un laser est un dispositif qui convertit l'énergie électrique en énergie lumineuse. Par exemple, le taux de conversion d'un laser à gaz CO2 est généralement de 20 %, l'énergie restante étant convertie en chaleur. L'eau de refroidissement évacue l'excès de chaleur pour maintenir un fonctionnement normal. Le refroidisseur refroidit également les miroirs du chemin optique externe et la lentille de focalisation pour assurer une qualité de transmission du faisceau stable et empêcher efficacement la déformation ou la fissuration de la lentille due à une température excessive.

7. **Bouteilles de gaz :** Incluent les bouteilles de gaz du milieu de travail de la machine de découpe laser et les bouteilles de gaz auxiliaires, utilisées pour reconstituer les gaz industriels pour l'oscillation laser et alimenter les gaz auxiliaires vers la tête de coupe.

8. **Système d'extraction de poussière :** Extrait la fumée et la poussière générées pendant le traitement et les filtre afin que les émissions d'échappement respectent les normes environnementales.

9. **Sécheur et filtre à air :** Fournit de l'air propre et sec au générateur laser et au trajet du faisceau pour maintenir le fonctionnement normal du trajet et des miroirs.

**2.2 Torche de découpe laser**

La structure schématique d'une torche de découpe laser est illustrée dans la figure ci-dessous, principalement composée du corps de la torche, de la lentille de focalisation, du miroir et de la buse de gaz auxiliaire. Pendant la découpe laser, la torche doit répondre aux exigences suivantes :

① La torche doit être capable d'éjecter un débit de gaz suffisant.

② La direction d'éjection du gaz à l'intérieur de la torche doit être coaxiale avec l'axe optique du miroir.

③ La focale de la torche doit être facilement réglable.

④ Pendant la découpe, assurez-vous que la vapeur métallique et les projections du processus de découpe n'endommagent pas le miroir.

Le mouvement de la torche est ajusté via le système de mouvement CNC. Le mouvement relatif entre la torche et la pièce peut se produire dans trois situations :

① La torche est fixe et la pièce se déplace via la table de travail (principalement pour les petites pièces).

② La pièce est fixe et la torche se déplace.

③ La torche et la table de travail se déplacent simultanément.

**2.2.1 Tête de coupe**

La tête de coupe laser est située à l'extrémité du système de transmission du faisceau et comprend la lentille de focalisation et la buse de coupe.

Les lentilles de focalisation se distinguent principalement par leur focale. La plupart des équipements de découpe laser sont équipés de plusieurs têtes de coupe de différentes focales. En prenant la découpe laser CO2 comme exemple, les focales courantes sont de 127 mm (5 pouces) et 190 mm (7,5 pouces). Une lentille à courte focale donne un petit point focal et une faible profondeur de foyer, ce qui est bénéfique pour réduire la largeur de la fente et obtenir une coupe plus fine. Une lentille à longue focale donne un point focal plus grand et une plus grande profondeur de foyer. Par rapport à une lentille à courte focale, une lentille à longue focale peut répondre aux exigences de densité d'énergie du faisceau focalisé près du point focal sur une plus grande plage d'épaisseur de matériau. Par conséquent, les lentilles à courte focale sont principalement utilisées pour la découpe fine de tôles minces, tandis que les matériaux plus épais nécessitent des lentilles à longue focale pour obtenir une profondeur de foyer suffisante, garantissant que la variation du diamètre du point est minime dans la plage d'épaisseur de coupe et qu'une densité de puissance adéquate est maintenue.

La lentille de focalisation est utilisée pour focaliser le faisceau laser parallèle entrant dans la torche afin d'obtenir un petit point et une densité de puissance élevée. Les lentilles sont fabriquées à partir de matériaux qui transmettent la longueur d'onde du laser. Les lasers à solide utilisent couramment du verre optique, tandis que les lasers à gaz CO2, qui ne peuvent pas transmettre à travers le verre ordinaire, utilisent des matériaux comme le ZnSe, l'AsGa et le Ge, le ZnSe étant le plus courant.

Pour la découpe laser, un diamètre de point aussi petit que possible est souhaité, car cela augmente la densité de puissance, facilitant la découpe à grande vitesse. Cependant, lorsque la focale de la lentille diminue, la profondeur de foyer devient également plus petite, ce qui rend difficile l'obtention de bonnes surfaces de coupe perpendiculaires lors de la découpe de plaques plus épaisses. De plus, avec une focale de lentille plus petite, la distance entre la lentille et la pièce est réduite, ce qui rend la lentille susceptible d'être contaminée par des projections et d'autres matériaux en fusion pendant la découpe, affectant le fonctionnement normal. Par conséquent, la focale appropriée doit être déterminée en tenant compte de facteurs tels que l'épaisseur de coupe et les exigences de qualité.

**2.2.2 Miroir**

La fonction du miroir est de changer la direction du faisceau provenant du laser. Pour les faisceaux provenant de lasers à solide, des miroirs en verre optique peuvent être utilisés, tandis que les miroirs des dispositifs de découpe laser à gaz CO2 sont souvent en cuivre ou en métaux à haute réflectivité. Pendant l'utilisation, les miroirs sont généralement refroidis à l'eau pour éviter les dommages causés par la surchauffe due à l'exposition à la lumière.

**2.2.3 Buse**

La buse est utilisée pour injecter du gaz auxiliaire dans la zone de coupe. Sa forme structurelle a une certaine influence sur l'efficacité et la qualité de la coupe. La figure 4.11 montre les formes de buses courantes utilisées dans la découpe laser ; les formes des orifices de jet comprennent des types cylindriques, coniques et convergents-divergents (de Laval).

La sélection de la buse est généralement déterminée après des tests basés sur le matériau de la pièce, l'épaisseur, la pression du gaz auxiliaire, etc. La découpe laser utilise généralement des buses coaxiales (débit de gaz coaxial avec l'axe optique). Si le débit de gaz n'est pas coaxial avec le faisceau, il peut facilement générer des projections importantes pendant la coupe. La paroi de l'orifice de la buse doit être lisse pour assurer un écoulement de gaz régulier et éviter d'affecter la qualité de la coupe en raison des turbulences. Pour assurer la stabilité du processus de coupe, la distance entre la face de la buse et la surface de la pièce doit être minimisée, souvent prise à 0,5 à 2,0 mm. L'ouverture de la buse doit permettre au faisceau laser de passer sans entrave, en évitant que le faisceau ne touche la paroi interne de la buse. Plus l'ouverture est petite, plus la collimation du faisceau devient difficile. À une certaine pression de gaz auxiliaire, il existe une plage optimale de diamètres d'ouverture de buse. Si l'ouverture est trop petite ou trop grande, elle affectera l'élimination des produits en fusion de la fente et affectera également la vitesse de coupe.

L'influence de l'ouverture de la buse sur la vitesse de coupe sous une certaine puissance laser et une certaine pression de gaz auxiliaire est illustrée aux figures 4.12 et 4.13. On peut voir qu'il existe une ouverture de buse optimale qui donne la vitesse de coupe maximale. Que l'oxygène ou l'argon soit utilisé comme gaz auxiliaire, cette valeur optimale est d'environ 1,5 mm.

Les tests de découpe laser sur des matériaux difficiles à couper comme le carbure cémenté montrent que l'ouverture de buse optimale est très proche du résultat ci-dessus, comme le montre la figure 4.14. L'ouverture de la buse affecte également la largeur de la fente et la largeur de la zone affectée par la chaleur (HAZ). Comme le montre la figure 4.15, à mesure que l'ouverture de la buse augmente, la fente s'élargit tandis que la HAZ se rétrécit. La principale raison du rétrécissement de la HAZ est l'effet de refroidissement amélioré du flux de gaz auxiliaire sur le matériau de base dans la zone de coupe.

**2.3 Paramètres de l'équipement de découpe laser**

**2.3.1 Équipement de coupe entraîné par torche**

Dans l'équipement de coupe entraîné par torche, la torche de coupe est installée sur un portique mobile et se déplace transversalement (direction Y) le long de la poutre du portique. Le portique entraîne la torche le long de la direction X, et la pièce est fixée sur la table de coupe. Étant donné que la source laser est séparée de la torche, pendant la coupe, les caractéristiques de transmission du laser, le parallélisme le long de la direction de balayage du faisceau et la stabilité des miroirs réfléchissants peuvent être affectés.

L'équipement entraîné par torche peut traiter des pièces plus grandes, nécessite relativement moins d'espace au sol pour la zone de production de coupe et peut être facilement intégré dans des lignes de production avec d'autres équipements. Cependant, la précision de positionnement est généralement d'environ ±0,04 mm.

La structure typique de l'équipement de coupe entraîné par torche est illustrée à la figure 4.19. Cet exemple utilise une découpeuse laser à ondes continues CO2, avec une distance de transmission du faisceau de 18 m de la source laser à la torche. Pour garantir que les changements de forme du faisceau sur cette distance n'entravent pas la coupe, la combinaison des miroirs oscillateurs doit être soigneusement conçue.

Principaux paramètres techniques de l'équipement entraîné par torche :

* Puissance de sortie laser : 1,5 kW (mode unique), 3 kW (multimode).

* Déplacement de la torche : axe X 6,2 m, axe Y 2,6 m.

* Vitesse d'entraînement : 0 à 10 m/min (réglable).

* Hauteur de la torche (axe Z) Déplacement flottant : 150 mm.

* Vitesse de réglage de la hauteur de la torche : 300 mm/min.

* Taille maximale de la plaque d'acier pouvant être traitée : 12 mm d'épaisseur * 2 400 mm * 6 000 mm.

* Équipement de contrôle : méthode de contrôle CNC intégrée.

**2.3.2 Équipement entraîné par table de coupe à coordonnées XY**

Dans l'équipement entraîné par table de coupe à coordonnées XY, la torche est fixée sur le bâti de la machine et la pièce est placée sur la table de coupe. La table de coupe se déplace selon les instructions NC le long des directions X et Y. La vitesse d'entraînement est généralement de 0 à 1 m/min (réglable) ou de 0 à 5 m/min (réglable). Étant donné que la torche est fixe par rapport à la pièce, l'alignement du faisceau laser est moins affecté pendant la coupe, ce qui permet des coupes uniformes et stables. Lorsque la taille de la table de coupe est petite et que la précision mécanique est élevée, la précision de positionnement peut être de ±0,01 mm, ce qui se traduit par une excellente précision de coupe, ce qui la rend particulièrement adaptée à la coupe de précision de petites pièces. Il existe également des tables de coupe avec un déplacement de l'axe X de 2 300 à 2 400 mm et un déplacement de l'axe Y de 1 200 à 1 300 mm pour le traitement de pièces plus grandes.

Principaux paramètres techniques de l'équipement entraîné par table XY :

* Laser : laser à gaz CO2 (type tube droit semi-étanche).

* Alimentation laser : tension d'entrée 200 V CA, tension de sortie 0 à 30 kV, courant de sortie maximal 100 mA.

* Puissance de sortie laser : 550 W.

* Déplacement de la table de coupe : axe X 2 300 mm, axe Y 1 300 mm.

* Vitesse d'entraînement de la table de coupe (réglable par pas) : 0,4 à 5,0 m/min, 0,2 à 2,5 m/min, 0,1 à 1,3 m/min, 0,05 à 0,6 m/min.

* Hauteur de la torche (axe Z) Déplacement flottant : 180 mm.

* Taille maximale de la feuille pouvant être traitée : 6 mm d'épaisseur * 1 300 mm * 2 300 mm.

* Équipement de contrôle : méthode NC.

**2.3.3 Équipement de coupe à double entraînement torche-table**

L'équipement de coupe à double entraînement torche-table est un hybride entre les types entraînés par torche et entraînés par table XY. La torche est installée sur un portique et se déplace transversalement (direction Y) le long de la poutre du portique, tandis que la table de coupe entraîne longitudinalement (direction X). Il combine les avantages d'une grande précision de coupe et d'un gain de place. La précision de positionnement est de ±0,01 mm, la plage de réglage de la vitesse de coupe est de 0 à 20 m/min, ce qui en fait un type d'équipement de coupe largement utilisé. Les modèles plus grands de ce type peuvent avoir un déplacement de l'axe Y de 2 000 mm et un déplacement de l'axe X de 6 000 mm, capables de couper de grandes pièces.

Dans certaines conceptions, l'oscillateur laser est également monté sur le portique avec la torche. La précision de la coupe des trous circulaires avec un équipement à double entraînement est assez bonne. L'efficacité de la production est également élevée ; par exemple, il peut couper 46 trous de 10 mm de diamètre par minute dans une plaque d'acier de 1 mm d'épaisseur.

**2.3.4 Équipement de coupe intégré**

Dans l'équipement de coupe intégré, la source laser est installée sur le bâti de la machine et se déplace longitudinalement avec lui, tandis que la torche et son mécanisme d'entraînement forment une unité qui se déplace transversalement sur la poutre du bâti. En utilisant le CNC, diverses pièces de forme peuvent être coupées. Pour compenser la modification de la longueur du trajet optique causée par le mouvement transversal de la torche, un composant de réglage de la longueur du trajet optique est généralement équipé, assurant un faisceau homogène sur la zone de coupe et maintenant une qualité de surface de coupe constante.