Comment la découpe laser de l'aluminium a changé les règles de la fabrication des métaux

La découpe laser de l'aluminium n'a jamais été un jeu d'enfant, compte tenu de la conductivité thermique et de la réflectivité optique élevées du matériau. Mais à bien des égards, le laser à fibre a changé la donne. Getty Images

Le laser à fibre a changé le jeu de la découpe laser, non seulement pour sa vitesse mais aussi pour sa longueur d'onde. La longueur d'onde de 10,6 microns du faisceau laser CO2 a connu des décennies de succès depuis la naissance de l'industrie de la découpe au laser, mais en ce qui concerne les matériaux non ferreux, la réflectivité optique a fait son apparition. Ce matériau non ferreux de découpe laser compliqué de manière considérable. La découpe du cuivre et du laiton avec un laser CO2 était (et est toujours) rare, bien que certains fabricants tenaces aient réussi l'exploit.

La découpe de l'aluminium avec un laser CO2 est bien sûr assez courante. Mais la longueur d'onde de 10,6 microns du CO2 n'est toujours pas idéale, donc le processus reste un peu comme serrer une petite cheville ronde dans un trou carré plus grand. Ce n'est pas impossible; la cheville passe toujours dans le trou, mais la fixer demande un certain effort.

Puis, au début de ce siècle, le laser à fibre est entré dans la mêlée avec sa longueur d'onde de 1 micron. La plupart des métaux courants dans l'atelier de fabrication absorbent plus et réfléchissent moins cette longueur d'onde de 1 micron que la longueur d'onde de 10,6 microns. Dans le domaine du laser à fibre, en fait, l'aluminium coupe très bien, tout comme le cuivre et le laiton.

Ainsi, lorsqu'un fabricant réalise une coupe nette dans l'aluminium ou un autre matériau non ferreux avec le laser à fibre, que se passe-t-il exactement dans le trait de scie lui-même ? Pour répondre à cette question, The FABRICATOR s'est entretenu avec Charles Caristan, PhD, chercheur technique et directeur du marché mondial, fabrication et construction métalliques, au bureau d'Air Liquide à Conshohocken, en Pennsylvanie. Expert de longue date en découpe laser, Caristan est l'auteur du Guide de découpe laser pour la fabrication, publié par SME.

Comme l'a expliqué Caristan, il y a beaucoup plus dans la recette de coupe non ferreuse que la longueur d'onde du faisceau. D'autres composants incluent la densité de puissance, la focalisation du faisceau, la largeur de saignée, ainsi que le type et le débit de gaz d'assistance. Mélangez tout cela de la bonne manière et vous obtenez les vitesses de coupe et les coupes nettes du laser à fibre, même dans une gamme de matériaux non ferreux qui étaient autrefois considérés comme trop réfléchissants pour être coupés avec un faisceau de lumière laser CO2.

Notez que ce qui suit ne couvre pas les paramètres de coupe spécifiques, qui pour la plupart des machines de coupe sont définis par l'équipementier. Certains fabricants utilisent ces paramètres d'usine, d'autres les ajustent en fonction des exigences de l'application. Ce qui suit décrit - en termes basiques, "non-photonique-journal" - pourquoi ces paramètres fonctionnent comme ils le font.

Si quelqu'un dit que quelque chose dans la découpe au laser est impossible ou peu pratique, il y a de fortes chances qu'un fabricant quelque part l'ait rendu à la fois possible et pratique. Par exemple, Caristan se souvient d'avoir rendu visite à un fabricant il y a des années qui a coupé un alliage de cuivre de 0,125 pouce d'épaisseur à l'aide d'un laser CO2 de 2,5 kW. "Le fabricant a fait ça pendant des années", a-t-il déclaré. "La tête de coupe se déplaçait lentement et l'opérateur devait arrêter le cycle de coupe à mi-parcours pour le laisser refroidir. Ce n'était pas joli, mais c'était faisable."

La découpe au laser de matériaux non ferreux a l'habitude de rencontrer et de surmonter des obstacles. Comme l'a expliqué Caristan, les premiers utilisateurs du laser CO2 ont connu de sérieuses difficultés de croissance lors de la découpe de matériaux réfléchissants. Très tôt, ils ont vu les effets des caractéristiques de faible absorption de l'aluminium produisant des rétro-réflexions.

"Donc, non seulement le processus de découpe au laser était moins efficace", a déclaré Caristan, "mais ils ont dû faire face à la rétro-réflexion à travers les systèmes optiques, remontant jusqu'aux cavités des résonateurs laser, les détruisant souvent. Nous avons beaucoup appris depuis lors. La plupart des machines, y compris les systèmes laser à fibre, ont des optiques intégrées et des commandes numériques qui atténuent ou empêchent la rétro-réflexion."

Les fabricants d'outils et de matrices prêtent attention à la résistance et aux propriétés de cisaillement d'un matériau. Les ingénieurs et les techniciens qui développent des paramètres de découpe laser se concentrent ailleurs, y compris sur les caractéristiques d'absorption et de réflectivité d'un matériau ; point de fusion; viscosité du matériau fondu; conductivité thermique; et les conditions de surface des matériaux, y compris les films et les revêtements.

La réflectivité de surface des métaux à incidence normale et à température ambiante (300 K) varie avec la longueur d'onde du faisceau lumineux incident. Source : Guide de découpe laser pour la fabrication par Charles Caristan.

"La difficulté lors de la coupe de l'aluminium est de faire une coupe nette avec un minimum de scories", a déclaré Caristan. "Avec le gaz d'assistance, la livraison et le débit appropriés, vous pouvez minimiser la génération de scories."

La viscosité joue ici un rôle. Tous les métaux ont un certain niveau de viscosité à la température de fusion, mais la viscosité n'est pas constante à mesure que le métal chauffe davantage. Le laser amène l'aluminium bien au-delà de sa température de fusion d'un peu plus de 1 200 degrés F. Comme Caristan l'a décrit dans son livre, la viscosité de l'aluminium diminue en fait de plus de moitié lorsque sa température augmente entre sa température de fusion et 1 328 degrés F - une différence d'un peu plus de 100 degrés F, un changement de température infime dans le monde de la découpe thermique. Au fur et à mesure que le matériau à faible viscosité refroidit, sa viscosité fait plus que doubler à mesure qu'il se rapproche de la resolidification - et l'évacuer efficacement avant qu'il ne se solidifie devient une affaire compliquée.

"La faible viscosité devient un contributeur majeur à l'accumulation de scories", a déclaré Caristan, "en particulier si la température de fusion du matériau est relativement basse, comme avec l'aluminium."

Certains défis de coupe sont liés à la température de fusion, en particulier en ce qui concerne la fine couche de film d'oxyde d'aluminium (Al2O3), qui se forme à la surface de l'aluminium lorsqu'il est exposé à l'atmosphère. Le film empêche une corrosion supplémentaire, mais il complique également le processus de découpe au laser.

L'aluminium fond à environ 950 K, soit un peu plus de 1 200 F ; l'oxyde d'aluminium fond à environ 2 000 K, soit à plus de 3 000 F. "Le point de fusion élevé du film d'oxyde d'aluminium formé à la surface de la gouttelette d'aluminium fondu l'amène à se solidifier très rapidement autour de la gouttelette encore fondue, il est donc très important que le gaz d'assistance le chasse rapidement avant qu'il ne se resolidifie", a expliqué Caristan. "S'il n'est pas rincé assez rapidement, il forme des stalactites sur le bord inférieur, également appelées scories." Il a ajouté que la bonne nouvelle est que, par rapport aux scories de matériaux comme l'acier inoxydable, les scories d'aluminium sont généralement molles, si molles que de nombreux opérateurs peuvent les éliminer avec leur pouce.

La conductivité thermique de l'aluminium est plusieurs fois supérieure à celle de l'acier au carbone et cette conductivité thermique accélère la perte de chaleur. c'est-à-dire que la chaleur s'éloigne du trait de scie dans le corps principal de la pièce. Plus vous avez de perte de conduction thermique, moins il reste de chaleur dans le trait de scie et moins la découpe au laser est efficace.

Les différences de conductivité thermique contribuent à des caractéristiques de coupe différentes entre les nuances, en particulier dans les matériaux plus épais. Comme Caristan l'a publié dans son livre, l'aluminium de la série 6XXXX a subi une perte de conduction thermique beaucoup plus élevée que l'aluminium 5XXXX; les deux coupent de manière similaire dans les épaisseurs de jauge, mais très différemment dans les stocks plus épais.

Historiquement, les opérateurs découpant l'aluminium avec un laser CO2 étaient confrontés à plusieurs défis qui rendaient la découpe plus inefficace : une réflectivité élevée du faisceau lumineux de 10,6 microns, ainsi qu'une conductivité thermique élevée de l'aluminium entraînant une plus grande perte de conduction thermique. En fait, toute la perte de chaleur obligeait à de nombreuses opérations pour faire face aux dilatations thermiques de la tôle, écrivant parfois le programme de coupe pour que la tête se déplace alternativement d'un quadrant de la tôle à l'autre, égalisant les effets de la chaleur.

Cela dit, la densité de puissance du laser à fibre et, encore une fois, la longueur d'onde de 1 micron ont vraiment changé la donne. Les propriétés thermiques de l'aluminium n'ont pas changé ; il a toujours une conductivité thermique élevée. Mais il absorbe également plus et réfléchit moins l'énergie du faisceau laser de 1 micron. Ceci, combiné aux niveaux de puissance élevés, aux densités de puissance et aux vitesses offertes par le faisceau laser à fibre moderne, a considérablement amélioré les performances de découpe au laser.

La découpe au laser de l'aluminium avec du gaz d'assistance à l'azote ou de l'air comprimé d'atelier (qui peut fonctionner pour un matériau mince) favorise une action de coupe similaire à celle d'autres alliages coupés à l'azote. Très simplifié, tout est une interaction entre l'énergie thermique du faisceau, le débit d'alimentation, la largeur de saignée résultante et le flux de gaz d'assistance qui évacue le matériau fondu hors de la saignée. Perfectionnez le flux de gaz d'assistance afin qu'il joue bien avec la chaleur (caractéristiques de mise au point et de faisceau), la vitesse de coupe et la largeur de saignée, et vous obtenez un bord de coupe de qualité avec un minimum de stries et de scories.

L'optimisation de la mise au point, de l'assistance au flux de gaz et d'autres paramètres minimise les bris et les scories. Image reproduite avec l'aimable autorisation d'Air Liquide.

Traditionnellement, l'aluminium nécessite généralement un foyer de faisceau profondément sous la surface du matériau, en particulier lorsque le matériau devient plus épais. Cela permet d'évacuer le matériau du fond du trait de scie. Pour comprendre comment et pourquoi cela se produit, visualisez le matériau en train de fondre au sommet du trait de scie, cette fois avec le point focal sur ou près de la surface du matériau.

"Le matériau fond rapidement puis s'écoule à travers le trait de scie, où le faisceau diverge et la densité d'énergie diminue de manière quadratique", a déclaré Caristan. Par conséquent, moins d'énergie est disponible au fond du trait de scie pour le métal fondu, ce qui fait que les oxydes métalliques gèlent en scories.

Réglez la mise au point bas sous la surface du matériau et la situation de densité de puissance change. Au fur et à mesure que le matériau fondu près de la surface du matériau descend le trait de scie, il passe à travers la section la plus brillante du faisceau et, par conséquent, reste liquide jusqu'à ce qu'il soit évacué par le bas.

L'exercice d'équilibre ne fait que commencer. "Il existe une fenêtre d'opportunité pour la vitesse de coupe", a déclaré Caristan. "Si vous coupez trop vite, vous produisez des scories. Mais si vous coupez trop lentement, vous produisez également des scories."

L'écume d'une coupe rapide est intuitive ; le gaz d'assistance n'a pas eu le temps de rincer le matériau fondu avant que la source de chaleur (le faisceau) n'avance, de sorte que le matériau fondu "a gelé" au fond de la coupe sous forme de scories.

Mais qu'en est-il des scories d'une coupe trop lente ? Caristan a déclaré qu'il n'avait pas de données scientifiques solides pour étayer cela, "mais je pense que cela a à voir avec l'apport de chaleur sur le métal et la capacité du gaz d'assistance à éliminer tout le métal fondu en même temps".

La vitesse de déplacement affecte également la largeur du trait de scie. Une vitesse de déplacement plus lente crée un trait de scie plus large, tandis qu'un faisceau plus rapide crée un trait de scie étroit. "Au fur et à mesure que votre trait de scie se rétrécit, vous avez du mal à faire passer le gaz d'assistance et vous n'obtenez pas autant de puissance de rinçage", a déclaré Caristan. Cela affecte à son tour la qualité de coupe, y compris les scories.

Les stries de bord changent également avec la vitesse de coupe, ainsi que d'autres variables. Coupez l'aluminium (et d'autres matériaux) trop lentement et vous voyez des stries profondes. "Ceux-ci représentent la preuve d'un flux de gaz poussant et chassant le métal liquide", a déclaré Caristan.

Tout cela interagit avec une autre variable qui n'est pas souvent prise en compte : la vitesse du gaz sortant de la buse. Il est supersonique et, comme tout ce qui se déplace plus vite que le son, génère de petites ondes de choc. "Cette onde de choc peut dévier le flux de gaz d'assistance de l'endroit où vous l'aviez prévu", a déclaré Caristan, "et elle peut perturber la quantité de gaz qui circule à travers le trait de scie."

Si les ondes de choc dévient au-dessus du trait de scie, elles forment une barrière partielle qui entrave la colonne de gaz d'assistance, ce qui modifie à son tour la dynamique du gaz dans la coupe et peut affecter la capacité du gaz à évacuer efficacement le métal en fusion. Vous obtenez donc une qualité de coupe médiocre. La probabilité que cela se produise augmente à mesure que la largeur du trait se rétrécit.

Une largeur de coupe variable peut être un problème lors de la coupe de l'aluminium. Dans cet exemple, le trait de scie est large sur la surface supérieure (image du haut) et à peine visible sur la partie inférieure.

Étant donné que le flux de gaz est supersonique, les opérateurs de découpe au laser ne peuvent pas éliminer les ondes de choc, mais ils peuvent les rendre moins préjudiciables à la coupe en réglant correctement la distance de sécurité de la buse. "La règle de base est que la distance de sécurité doit être égale ou inférieure au diamètre de l'orifice de la buse", a déclaré Caristan. Allez plus haut et vous exacerbez les déviations des ondes de choc qui pourraient produire moins de gaz pour atteindre le trait de scie.

Assurez-vous également que le faisceau focalisé est centré dans l'ouverture de la buse. "Vous devez vous assurer que le centre de l'ouverture de la buse est toujours parfaitement aligné avec la ligne médiane du trait de scie", a-t-il déclaré. "Un désalignement se traduit par des performances de coupe différentes chaque fois que vous changez de direction de coupe."

La propagation du faisceau focalisé et la distribution d'énergie sont des sujets complexes, mais lorsque vous pensez à la focalisation, imaginez le faisceau laser comme deux cônes, l'un au-dessus de l'autre. L'endroit où les pointes des cônes se rencontrent est le point de focalisation. Plus la distance focale de l'optique de mise au point est courte, plus les cônes sont gros, plus la taille du point de mise au point est petite et plus la densité de puissance au point de mise au point est élevée.

La taille du point focal change avec la longueur d'onde, de sorte que lorsque le faisceau lui-même est constitué d'une longueur d'onde plus courte, la densité de puissance au point focal augmente de manière quadratique. Cette capacité de focalisation élevée et la capacité de diverses qualités métalliques à absorber l'énergie des faisceaux laser à fibre font partie de ce qui rend le laser à fibre si efficace.

"C'est l'une des raisons pour lesquelles vous avez une règle empirique : pour certains matériaux et épaisseurs de matériau, chaque kilowatt d'un laser à fibre a des performances de coupe équivalentes au double de celles du laser CO₂ de même puissance", a déclaré Caristan.

Dans la découpe au laser, une plus grande densité de puissance crée plus d'énergie thermique, et la quantité d'énergie dépend de la façon dont un métal, y compris l'aluminium, absorbe l'énergie du faisceau laser. Mais ce n'est qu'une partie de l'équation.

Le métal en fusion doit être évacué. Une distance focale courte de l'optique de mise au point signifie que la densité de puissance chute considérablement à mesure que vous vous éloignez de la position du point de mise au point. Cela réduit le trait de scie et signifie également que le point de mise au point doit être au bon endroit, d'autant plus que le métal devient plus épais. Le trait de scie étroit peut empêcher le gaz d'assistance d'évacuer proprement le métal en fusion.

"Une optique de focalisation avec une distance focale courte fait diverger rapidement le faisceau au-delà du point focal", a déclaré Caristan, "donc au moment où vous arrivez au fond du trait de scie, vous avez très peu de densité de puissance, relativement parlant." C'est l'une des raisons pour lesquelles définir une position de point de focalisation plus profonde (à l'intérieur et non au-dessus du matériau) sur de l'aluminium plus épais est une pratique courante.

L'une des avancées de l'industrie ces dernières années est de diminuer l'effet de cette baisse de densité de puissance. Vous ne pouvez pas changer la physique des faisceaux laser ; ils convergent tous vers et divergent d'un point focal. Même ainsi, d'autres caractéristiques du faisceau peuvent être modifiées pour produire un meilleur bord de coupe.

Comme l'a expliqué Caristan, certains proposent une mise au point oscillante qui ajuste son comportement avec l'épaisseur du matériau. D'autres modifient la distribution ou le mode d'énergie du faisceau en fonction de la qualité et de l'épaisseur du matériau. Par exemple, un faisceau en mode gaussien, avec une énergie concentrée au centre même qui se dissipe sur le profil du faisceau, a une densité d'énergie inférieure loin du centre, ce qui crée un trait de scie étroit. Une distribution en anneau concentre l'énergie autour du périmètre du faisceau, maintenant l'énergie la plus élevée plus près des parois de la coupe.

Les scories d'aluminium sont si molles qu'elles peuvent souvent être enlevées par le pouce de l'opérateur.

Mais encore une fois, l'énergie du faisceau n'est que la moitié de l'équation ; l'efficacité du flux de gaz d'assistance est l'autre moitié. Ici, la technologie des buses a joué un rôle important. Certaines buses ont maintenant des composants qui touchent la surface de la pièce. Ceux-ci réduisent le gaz d'assistance gaspillé qui n'arrive jamais dans le trait de scie, ce qui est un problème particulier avec le trait de scie plus étroit produit par le laser à fibre.

"Dans une buse typique, le flux de gaz se dilate dès qu'il sort de l'orifice", a déclaré Caristan, "et une grande partie de celui-ci ne voit jamais le trait de scie. Avec ces buses tactiles qui embrassent la surface de la pièce, vous avez moins de gaz gaspillé sur la surface de la pièce et plus de gaz va directement dans le trait de scie."

Un atelier utilisant un laser pour couper à l'oxygène de l'acier doux épais tire parti de la réaction chimique entre l'oxygène et le fer. Pour couper de l'aluminium plus épais et d'autres matériaux non ferreux avec de l'azote, il s'agit de faire fondre et d'évacuer le matériau proprement.

Caristan a décrit une configuration laser "idéale", avec un gaz d'assistance s'écoulant de manière laminaire parfaite dans la coupe, avec un faisceau qui enlève et rince le matériau proprement - pas de "gel" prématuré au fond (crasses) ou sur le bord (stries). Les ondes de choc supersoniques sont là, mais elles se déplacent de manière à ne pas dévier ou obstruer le flux de gaz dans le trait de scie.

De nos jours, les lasers à haute puissance coupent extrêmement rapidement, mais toute cette vitesse n'a pas d'impact si les pièces résultantes doivent être retravaillées ou mises au rebut. L'industrie a parcouru un long chemin pour comprendre exactement comment le laser coupe le métal, et le travail continue. Plus la compréhension est bonne, meilleurs sont les paramètres de coupe et meilleures sont les chances pour l'opérateur d'obtenir une pièce nette du premier coup.

Les nouvelles technologies de buse, y compris la buse tactile, entraînent moins de gaspillage de gaz d'assistance sur la surface de la pièce. Photo publiée avec l'aimable autorisation d'Air Liquide.