Découpe laser : procédé, avantages, paramètres de réglage et domaines d'application
La découpe laser (CO₂ ou solide/fibre) est un procédé thermique utilisant un faisceau et un gaz d'assistance (oxygène ou azote) pour réaliser des coupes précises sur aciers, inox et aluminium jusqu'à 30 mm. L'utilisation de gaz LASAL™ azote et oxygène permet de gagner en productivité et d’augmenter la qualité de la production.
Points clés
• Technologie : faisceau laser (CO2 de 1 à 20 kW ou solide/fibre de 1 à 30 kW) offrant la plus haute densité de puissance.
• Capacités : découpe de matériaux métalliques (aciers, inox, aluminium) jusqu'à 30 mm d'épaisseur.
• Gaz d'assistance :
- oxygène (LASAL™ 2003) pour l'acier au carbone ou
- azote (LASAL™ 2001) pour acier inox, aluminium et sur acier au carbone pour garantir une coupe blanche.
Que signifie le mot LASER ?
Light
Amplification by
Stimulated
Emission of
Radiation
c'est-à-dire : Amplification de Lumière par Émission Stimulée de Radiation.
Qu’est-ce que la découpe laser ?
La découpe laser est un procédé de découpe thermique utilisant la lumière qui permet d'obtenir une saignée de coupe très précise par l'action combinée d'un faisceau laser et d'un gaz d'assistance neutre ou oxydant en fonction des matériaux et des performances de coupe souhaités (oxygène, azote ou argon). C'est une étape importante en amont du processus de fabrication de pièces industrielles.
Pour la découpe laser industrielle on distingue plusieurs types de machines :
- Les lasers CO2 (de 1 kW à 20 kW) : un mélange gazeux (gaz lasant) constitué principalement d’hélium, d’azote et de dioxyde de carbone est nécessaire pour générer le faisceau laser. Ce dernier sera ensuite transmis par un jeu de miroirs dans un chemin optique protégé jusqu’à la tête de découpe.
- Les lasers solides (1 kW à 30 kW) : disk ou fibre capable de transporter le faisceau par fibre optique. Cette technologie ne nécessite pas de gaz lasant.
Les principaux procédés de découpe thermique
Dans l’industrie, en plus du coupage laser, on distingue différents procédés de découpe tels que le coupage oxyacétylénique et le coupage plasma.
- Le coupage laser est un procédé thermique pour lequel la chaleur nécessaire pour atteindre le point de fusion ou de vaporisation est apportée par un faisceau laser. Le faisceau laser est focalisé par une lentille qui reçoit les densités énergétiques permettant d’obtenir la fusion ou l’évaporation immédiate d’une grande partie des matériaux. Un gaz d’assistance (oxygène ou azote) assure l’éjection du métal fondu ou vaporisé. Sa pureté a une influence déterminante sur la qualité et la productivité.
- L’oxycoupage (coupage à la flamme) est une opération de coupage par combustion localisée et continue sous l’action d’un jet d’oxygène pur agissant en un point préalablement porté à une température convenable (1300 °C) dite température d’amorçage, via une flamme oxy-combustible (générée à partir d’acétylène ou autres). Le déplacement de ce jet d’oxygène entraîne la formation de la saignée.
- Le coupage plasma est un procédé de découpe par fusion localisée, dans lequel le jet de plasma, par sa température, fait fondre la matière et par sa vitesse chasse le métal fondu. Le plasma est une atmosphère gazeuse fortement ionisée à très haute température mais électriquement neutre. Le jet plasma est obtenu entre un gaz plasmagène et un arc électrique, établi entre une électrode et la pièce à couper. Les gaz plasmagènes utilisés sont généralement des mélanges argon-hydrogène, l’azote, l’air comprimé ou l’oxygène.
Les avantages de la découpe laser
Au niveau industriel, la découpe laser est devenue un procédé de coupage standard. Sur des épaisseurs inférieures à 15 mm le coupage laser reste plus rapide et plus précis que les autres procédés de découpe. Son principal atout est la forte densité d’énergie concentrée, qui permet de réaliser des coupes fines, précises et de forme complexe avec une Zone Affectée Thermiquement (ZAT) extrêmement réduite permettant de préserver les caractéristiques mécaniques des matériaux.
La découpe laser est un procédé polyvalent, qui permet de couper une grande variété de matériaux métalliques (acier, inox, aluminium, titane…) et non métalliques (papier, carton, bois, tissus…) avec une vitesse de coupe élevée.
Contrairement aux autres procédés de coupage, la découpe laser garantit une qualité des faces de coupe limitant et réduisant les opérations de parachèvement telles que l’ébavurage ou le meulage avant soudage.
Sur acier, l'oxycoupage est supérieur à la découpe laser dès que l'on souhaite couper de très fortes épaisseurs ou que l'on travaille sur chantier.
Tableau de comparaison entre découpe Laser, Plasma et Oxycoupage :
| Criteres | Découpe Laser | Découpe Plasma | Oxycoupage |
|---|---|---|---|
| Précision et tolérance | Excellente (± 0,1 mm). Idéale pour les géométries complexes et les petits trous. | Bonne (± 0,5 mm). Légère dépouille (biais) possible sur les bords. | Faible (± 1 à 2 mm). Moins adapté pour les pièces nécessitant une grande finesse. |
| Épaisseur max. de coupe | Faible à moyenne. Jusqu'à 25-30 mm pour l'acier (variable selon la puissance de la source). | Moyenne à élevée. Jusqu'à 150 mm (voire 160 mm pour des installations très puissantes). | Très élevée. De 30 mm jusqu'à plus de 300 mm (voire 1000 mm pour des installations spécifiques). |
| Qualité de coupe | Parfaite. Bords nets, pas de scories (grattons), pièces souvent prêtes à l'emploi sans reprise. | Bonne. Bords relativement propres, mais un léger meulage peut être nécessaire selon le matériau. | Moyenne à grossière. Présence fréquente de scories nécessitant une opération d'ébavurage. |
| Impact thermique (ZAT) | Très faible. La Zone Affectée Thermiquement (ZAT) est minime, réduisant les risques de déformation. | Modéré. La ZAT est plus large que le laser, ce qui peut légèrement modifier la structure du métal sur les bords. | Élevé. Importante diffusion de chaleur ; risque de déformation important sur les tôles fines. |
| Productivité | Très élevée sur les tôles fines (vitesse de coupe extrêmement rapide). | Élevée, particulièrement performante et rapide sur les tôles de moyenne épaisseur. | Faible. Procédé relativement lent en comparaison des deux autres. |
| Sécurité (risques) | Rayonnement optique (nécessite une cabine fermée/lunettes spécifiques), fumées nocives. | Rayonnement UV intense, bruit très élevé (souvent > 100 dB), forts dégagements de fumées, risque électrique. | Risque d'incendie/explosion (manipulation de bouteilles de gaz combustibles), brûlures, fumées. |
| Coût d'investissement | Elevé. Machine, source laser (fibre ou CO2) et maintenance onéreuse. | Modéré. Bon compromis entre le prix d'achat et les capacités de coupe. | Faible. Matériel peu coûteux et technologie très accessible. |
| Type d'installation (mobilité) | Fixe uniquement. Machines lourdes, complexes et nécessitant un environnement contrôlé (cabine). | Fixe ou mobile. Existe en tables de découpe CNC ou en petits postes portatifs pour les chantiers. | Fixe ou mobile. Tables CNC ou simple chalumeau manuel avec bouteilles de gaz, idéal sur chantier. |
| Acier au carbone (doux) | Oui | Oui | Oui |
| Acier inoxydable (Inox) | Oui | Oui | Non |
| Aluminium & alliages | Oui | Oui | Non |
| Cuivre & Laiton | Oui (lasers fibre) | Oui | Non |
| Titane | Oui | Oui | Non |
| Fonte | Non (déconseillé) | Oui | Non |
Quels sont les paramètres clé de la découpe laser ?
En découpe laser industrielle, la qualité d'une pièce et la sécurité de l'opérateur ne dépendent pas d'un paramètre isolé, mais de quatre variables.
1. La puissance du laser
C'est l'énergie totale délivrée par le faisceau. La puissance détermine l'épaisseur maximale que vous pouvez couper. Elle doit être parfaitement calibrée pour garantir que le métal est porté à sa température de fusion ou de vaporisation. Une puissance mal réglée génère des instabilités de la coupe, ce qui augmente la projection de particules métalliques.
2. La vitesse de coupe
La vitesse de coupe influence la ZAT (Zone Affectée Thermiquement) et impacte la qualité et l’aspect des faces de coupe ainsi que la largeur de saignée.
- Une vitesse trop lente : génère une surchauffe de la pièce, ce qui altère ses propriétés mécaniques et augmente l'émission de fumées toxiques.
- Une vitesse trop élevée : le faisceau ne traverse plus l'épaisseur, génère des projections (risque pour la tête laser) et une coupe incomplète.
- Une vitesse optimisée : réduit et limite les opérations de parachèvement après coupage.
3. La position du point de focalisation (p.f)
Le point de focalisation est positionné en fonction du matériau travaillé et du résultat souhaité. Le point de focalisation peut-être positionné sur la face supérieure de la tôle, dans l’épaisseur de la tôle, sur ou en dessous de la face inférieure de la tôle. Un point focal positionné très bas dans l’épaisseur de la tôle ou sur la face inférieure augmente la largeur de saignée. L’action mécanique du gaz est alors plus efficace et élimine les bavures. Pour les épaisseurs inférieures à 2 mm, le point de focalisation sera positionné plutôt sur la face supérieure.
4. Rôle du gaz d’assistance
Le gaz d'assistance, dont le rôle est d'accroître les performances de découpe a deux actions :
- Chimique : le gaz utilisé réagit avec le matériau à découper. Par exemple, le plus connu est l’utilisation d’oxygène pour la coupe des aciers, la réaction exothermique de combustion du fer dans l’oxygène augmente les performances.
- Mécanique : le gaz, par sa vitesse, expulse le matériau en fusion. Il doit être canalisé et injecté dans l’axe du faisceau.
Le gaz assure également la protection des optiques de focalisation contre les fumées et projections.
Quels sont les secteurs et domaines d’application qui utilisent la découpe laser ?
De tous les procédés de coupage thermique, la découpe laser est le procédé dont la densité de puissance est la plus élevée.
La découpe laser industrielle est devenue une technologie fondamentale dans l'industrie, non seulement pour sa précision, mais aussi pour sa capacité à s'intégrer dans des flux de production automatisés.
Différents matériaux peuvent être traités :
- Les matériaux métalliques ferreux et non ferreux (aciers au carbone, aciers inoxydables, aluminium et ses alliages, titane et cuivreux) jusqu’à 30 mm en fonction des puissances laser et des matériaux.
- Les matériaux non métalliques (certains plastiques, bois, céramique, tissu, carton, papier et verre sous certaines conditions, etc.).
De nombreux secteurs d’activité utilisent le procédé laser en raison de sa haute précision. Les applications sont nombreuses à la fois dans l’univers industriel, mais aussi artisanal. La découpe laser est utilisée principalement dans les secteurs industriels suivants :
- Industrie automobile,
- Aéronautique et Aérospatial,
- Secteur Médical,
- Construction et Machines
Les machines de découpe laser à commande numérique offrent un large spectre d’utilisation du fait des capacités du procédé pouvant être associées à des découpes en 2D ou 3D. La découpe laser est généralement accompagnée d’opérations de pliages ou d’assemblages par soudage permettant la réalisation de pièces complexes.
Quelles sont les précautions à prendre lors de l’installation et l’utilisation d’une machine de découpe laser ?
Lors de l’achat d’une machine de découpe laser, il faut prendre en compte différents éléments, notamment :
- Les conditions d’implantation de la machine à l’intérieur de l’atelier (circulation autour de la machine, alimentation du chargeur automatique s’il y en a, et évacuation des pièces).
- Les matériaux à couper (acier, inox, aluminium, cuivre, etc.) et leurs épaisseurs.
- L’implantation extérieure du système d’alimentation en gaz d’assistance.
Avant de lancer un cycle de découpe, il est nécessaire d’effectuer une vérification du bon état de la machine (miroirs, hublot, lentilles, etc.), surface totale des matériaux et des lames avant de lancer le système de découpe.
Lors du réglage de la machine de découpe laser, l’opérateur doit être muni des EPI adaptés pour se prémunir des effets induits par une exposition au faisceau laser sur la peau (brûlures) et les yeux (lésion irréversible pour l’oeil) et par le bruit :
- Le port de lunettes protectrices et spécifiques au laser est donc obligatoire.
- Les vêtements, chaussures et gants résistant à la chaleur sont essentiels pour protéger la peau des brûlures dues à la lumière réfléchie ou aux étincelles.
- Le port de protections auditives (bouchons ou casque).
Quel gaz est adapté à la découpe laser ?
Pour toutes les applications laser, Air Liquide propose une gamme complète de gaz LASAL™.
Au sein de la gamme LASAL™ :
- l’Oxygène LASAL™ 2003 est idéal pour la découpe des aciers au carbone,
- l’Azote LASAL™ 2001 est optimal pour la découpe des aciers inoxydables, des aluminiums et alliages.
Le développement des technologies et l’augmentation des puissances des lasers a permis la découpe d’acier carbone de faibles et moyennes épaisseurs sous azote, permettant ainsi une coupe blanche (coupe non oxydée).
Ces gaz vous permettront une meilleure productivité tout en garantissant un résultat de qualité.
Air Liquide propose une gamme de gaz qui s’adapte à la réalisation de vos projets industriels, selon le procédé de découpe (découpe plasma, laser, etc.).
Notre équipe de spécialistes est à votre service et disponible pour répondre à toute demande d’information ou de devis.
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