La technologie des gaz d'assistance à la découpe laser à fibre évolue

Les fabricants disposent désormais de plus d'options de gaz d'assistance à la découpe laser que jamais. Et à mesure que les puissances des lasers à fibre augmentent, les possibilités de gaz d'assistance augmentent également. Getty Images

Les dernières années ont été une période de transition pour le gaz d'assistance à la découpe laser. La sagesse conventionnelle est remise en question, et à cause de cela, en fait, le marché a maintenant plus d'options que jamais. L'azote et l'oxygène en vrac et en bouteille sont toujours populaires, mais d'autres options entrent rapidement dans la mêlée. Celles-ci incluent l'utilisation d'un mélange d'oxygène, de génération d'azote, ainsi que de systèmes à air séché.

Selon Steve Albrecht, président de Liberty Systems, basé à Hartland, dans le Wisconsin, l'utilisation du gaz d'assistance dans l'industrie a considérablement évolué au cours des dernières années, une tendance impliquée par le record de ventes de l'entreprise. Liberty, mieux connu pour ses systèmes de génération d'azote, vend désormais des systèmes d'air plus performants.

"Parmi les systèmes que nous avons vendus cette année, entre 20 % et 30 % sont des systèmes de génération d'azote", a-t-il déclaré, ajoutant que 10 % supplémentaires sont constitués de systèmes mixtes azote-oxygène. "Le reste est presque entièrement de l'air à haute performance."

Les options de gaz d'assistance traditionnelles comme l'azote en vrac ne vont nulle part. Pourtant, Albrecht a déclaré qu'il ne serait pas surpris qu'avec la montée en puissance des lasers à fibre et, en particulier, de la puissance laser, l'air haute performance puisse éventuellement devenir, sinon le plus populaire, du moins une forme majeure de gaz d'assistance à la découpe laser que l'industrie utilise.

De quelle façon précisément? Tout d'abord, cela aide à définir certains termes. Lorsque vous parlez avec Albrecht de la découpe avec de l'air à haute performance, n'appelez pas cela "l'air de l'atelier".

"Si vous parlez d'air d'atelier ordinaire, vous parlez d'air relativement humide que vous pourriez utiliser dans des matériaux jusqu'à 1/8 de pouce d'épaisseur", a-t-il déclaré. "Mais coupez plus épais que ça et ça ne sera pas joli."

Dans l'état actuel des choses, les lasers utilisent l'un des trois types de gaz d'assistance provenant de l'air ambiant, tous filtrés pour la propreté (minimisation des particules), mais chacun avec un niveau de sécheresse différent. L'un est l'air sec réfrigérant qu'Albrecht considère comme "humide". Cela peut fonctionner correctement sur du papier mince, selon les exigences de bord d'un travail, mais peut présenter des défis pour une coupe plus épaisse. Le niveau intermédiaire comprend des systèmes à air sec qui utilisent un déshydratant.

"Ensuite, vous arrivez aux systèmes d'air extrêmement secs et performants", a déclaré Albrecht. "C'est de l'air très sec et, dans de nombreux cas, il offre les performances et la vitesse dont vous avez besoin."

À l'époque où les lasers CO2 dominaient, la découpe avec un gaz d'assistance à l'azote est devenue la norme pour les travaux de précision nécessitant un bord brillant, tandis que la découpe à l'oxygène a conservé sa place pour l'acier au carbone épais, qui a bénéficié de la réaction exothermique de l'oxygène qui a stimulé la coupe.

Au début des années 2000, beaucoup appréciaient les avantages de l'air sec de l'atelier, en particulier pour les papiers fins, mais il n'était toujours pas recommandé pour les travaux épais et critiques où la découpe à l'azote continuait de régner en maître. Dans le même temps, les générateurs d'azote ont commencé à apparaître dans l'atelier de fabrication, mais ils n'étaient pas répandus, et pour cause.

"Au début des années 2000, ceux qui ont adopté les premiers systèmes de génération d'azote utilisaient des systèmes avec des conceptions fondamentales remontant aux années 1970", a déclaré Albrecht. "Les compresseurs n'étaient pas si raffinés non plus."

Entre 2005 et 2008, les premiers systèmes de génération d'azote haut de gamme, à la fois les variétés à membrane et à absorption modulée en pression (PSA), ont commencé à apparaître sur le marché. À la fin des années 2000 également, bien sûr, l'émergence du laser à fibre et avec elle le besoin d'une plus grande pression de gaz d'assistance. Au début, la consommation d'azote du laser à fibre a été un réveil brutal pour certains. Cela a à son tour donné un coup de pouce à la génération d'azote, une technologie qui est de plus en plus acceptée par un plus grand nombre d'OEM de machines laser.

Pourtant, comme l'a expliqué Albrecht, bien que l'utilisation du gaz d'assistance ait augmenté, elle n'a pas explosé car le laser à fibre a pris le contrôle de l'industrie. L'histoire est un peu plus nuancée que ça.

Sur la plupart des premières machines laser à fibre, les opérateurs utilisaient les mêmes buses droites (avec des diamètres de trou de 2, 2,5, 3 ou 4 mm) que celles qu'ils utilisaient sur leurs machines de découpe laser CO2. "Avec ces buses, les machines consommaient beaucoup plus de gaz d'assistance car la pression requise était bien supérieure à celle requise par les lasers CO2", a expliqué Albrecht. "C'est de la physique simple. Si vous avez un trou d'une certaine taille et que vous augmentez la pression, vous avez plus de débit de gaz et plus de consommation de gaz."

Pour lutter contre cela, l'industrie a vu des innovations dans la technologie des buses. Les géométries des buses modifient la dynamique du gaz, de sorte qu'un orifice plus petit peut produire un trait de scie plus large et une coupe nette. Par exemple, certaines buses émettent un flux de gaz de 2 mm entouré d'un rideau de flux. "" Rideau "n'est pas le meilleur terme pour le décrire", a déclaré Albrecht. « Quoi qu'il en soit, l'effet est qu'une buse de 2 mm peut créer le même trait de scie qu'une buse de 4 mm. La buse produit l'augmentation de pression nécessaire sans augmentation significative du débit de gaz, d'où les économies sur la consommation de gaz d'assistance. D'autres buses "embrassent" la surface du matériau pour réduire la quantité de gaz d'assistance qui s'échappe avant d'entrer dans le trait de scie.

"D'autres équipementiers de machines laser ont affiné les paramètres laser pour réduire la pression requise", a-t-il déclaré. "Et lorsque vous réduisez la pression, vous pouvez réduire le débit."

Enfin, l'augmentation continue de la puissance du laser à fibre commence à avoir un effet sur l'utilisation du gaz d'assistance. "Les pressions de gaz d'assistance ont pu être réduites à mesure que les lasers sont devenus plus puissants", a déclaré Albrecht.

Au cours des dernières années, Liberty a développé et affiné ses systèmes de gaz mélangés azote-oxygène, qui ont continué à gagner en popularité dans les applications de coupe critiques et difficiles, en particulier celles impliquant l'aluminium. "Dans ces systèmes, vous disposez généralement d'un approvisionnement en vrac d'azote combiné à une banque de bouteilles d'oxygène", a expliqué Albrecht. "Lors de la découpe de l'aluminium, la teneur en oxygène aide. En fait, c'est très similaire à la découpe à l'air haute performance."

Ce n'est pas une coïncidence. Lors du développement de leurs systèmes à mélange de gaz, les techniciens de Liberty Systems ont continué à réduire la quantité d'azote dans le mélange, au point qu'il était finalement très similaire au mélange trouvé dans l'air que nous respirons. Si cet air pouvait être filtré, nettoyé des particules et séché à l'extrême, la découpe à l'air pourrait-elle fonctionner pour les applications critiques, même dans des matériaux plus épais ?

Il s'est avéré que oui. Le système d'air haute performance de l'entreprise dispose d'une unité de déshydratation qui, selon Albrecht, "est similaire à un déshydratant mais un peu différente".

Les premiers systèmes d'air à haute performance ont été installés dans des lasers à fibre de 6 kW. Ces systèmes coupent avec de l'air tout ce qui est de 0,25 po et moins. Cependant, à mesure que la puissance augmentait, les capacités de coupe à l'air augmentaient également. "Lorsque les systèmes de 8 kW sont sortis, la règle d'or était un matériau de 5/16 pouce", a déclaré Albrecht. "Maintenant, pour les systèmes de 10 kW, cette règle est passée entre 3/8" et ½". Ainsi, à mesure que les puissances des lasers à fibre continuent d'augmenter, vous allez voir des épaisseurs supplémentaires être coupées avec de l'air haute performance."

Il a ajouté que ces épaisseurs ne sont que des règles empiriques ; L'efficacité de la découpe à l'air dépend du mélange de matériaux qu'un atelier traite, des lasers dont il dispose au sol, des paramètres de découpe utilisés par l'atelier et de la qualité des bords exigée par les clients.

Quoi qu'il en soit, Albrecht a déclaré que la part de marché du gaz d'assistance pourrait changer dans les années à venir. L'oxycoupage repose sur cette réaction exothermique et, par conséquent, ne peut se produire que si rapidement. Il y a dix ans, ce n'était pas un problème, compte tenu de la façon dont le laser à fibre rampait lorsqu'il coupait une plaque épaisse. Mais à mesure que les puissances des lasers à fibre atteignent 12, 15, voire 20 kW et au-delà, l'histoire change.

"L'oxygène est assez bon marché, mais la découpe à l'air haute performance prend vraiment le dessus", a déclaré Albrecht. "Pour de nombreuses applications, l'air peut remplacer l'oxycoupage."

Il a ajouté que la coupe à l'oxygène n'ira pas dans le sens du dodo et que la coupe à l'azote conventionnelle ne le fera pas non plus. Il est difficile d'imaginer une opération de découpe au laser efficace avec de l'acier au carbone de 1,25 pouce d'épaisseur découpé par un faisceau laser entouré non pas d'oxygène purifié mais d'un jet d'air.

Cela dit, ne dites jamais jamais. "J'ai vu de l'acier inoxydable de 1 pouce d'épaisseur coupé avec de l'air à haute performance", a déclaré Albrecht. "Le bord n'avait pas l'air joli mais néanmoins c'était fait."