etude comparative des procedes de decoupe

B U L L E T IN T E C H N IQ U E N ° 2 7
ETUDE COMPARATIVE DES
PROCEDES DE DECOUPE FORTE
EPAISSEUR
AOUT 2011
Introduction
La découpe est utilisée dans des domaines d’application très variés et le choix du procédé
prend en compte plusieurs critères que les entreprises recherchent à optimiser en permanence.
Dans le présent bulletin, une étude comparative a été alisé sur cinq technologies de découpe: le laser CO2, le laser Nd: YAG, le jet d’eau, l’oxycoupage et le plasma. Ces technologies ont été comparées en termes de vitesse, qualité de découpe (rugosité, dépouille, ZAT) et
tolérance dimensionnelle.
Sommaire :
Moye ns
Les essais ont été réalisés sur 3 matériaux: aluminium, inox 304L et acier A36. Chaque matériau a été testé en 3 épaisseurs différentes. Les tests de découpe en oxycoupage et plasma
ont été réalisés chez Air Liquide Welding avec le concours du C.T.A.S (Centre Technique des
Applications du Soudage) à Saint Ouen l’Aumône, 95 Paris. Concernant la découpe jet d’eau,
la société Oratech Innovation nous a permis d’utiliser leurs installations à St Hilaire de Loulay,
85 Montaigu.
INTRODUCTION
1
MOYENS
1
CARACTÉRISATION
1
PROCÉDÉS
MACHINES UTILISÉES
Nous remercions ces 2 entreprises pour leur aide et contribution à cette étude. Nous tenons
aussi à remercier l’Université de Rennes 1 pour nous avoir permis d’utiliser leurs équipements
de métrologie.
Caractérisation
La norme internationale ISO 9013 a été utilisé, afin d quantifier la qualité de coupe. Cette
norme prend en compte la rugosité de la face de coupe, l’angle de coupe (dépouille) et la
tolérance dimensionnelle. Un paramètre important dans cas des procédés à hautes températures (oxycoupage, plasma, laser) a été ajouté: la ZAT (zone affectée thermiquement).
Rugosité (Ra)
Elle correspond à la moyenne arithmétique des
valeurs absolues des ordonnées à l’intérieur
d’une longueur de base.
Dépouille
C’est l’angle formé avec la verticale entre le
bord supérieur et inférieur. Cet angle varie selon le procédé, la vitesse et l’épaisseur du matériau.
Zone affectée thermiquement (ZAT)
La ZAT est la zone du matériau qui a subie des
modifications métallurgiques pouvant induire un
changement localisé de la résistance mécanique.
Ces modifications dépendent du matériau, du
procédé et des paramètres de découpe.
2-3
3
RÉSULTATS
ALUMINIUM
4
ACIER INOXYDABLE
5
ACIER
6
CONCLUSIONS
7
Entreprises ayant contribué à
l’étude:
Etat de surface d’une plaque d’inox 8mm :
laser Nd: YAG
Dépouille d’une plaque d’acier 8mm : plasma
440 HV
330 HV
ZAT d’une plaque d’acier 30mm: oxycoupage
Page 1
Etude comparative des procédés de découpe forte épaiss ur
Procé dés
Laser CO2
Principe de fonctionnement
Un faisceau laser focalisé par une lentille procure des
densités d’énergie permettant d’obtenir la fusion ou la
vaporisation quasi instantanée du matériau. L’éjection
par un gaz d’assistance combinée à un déplacement
donne une ligne de coupe.
Le milieu actif est un mélange gazeux (CO2/N2/He).
C’est un mélange cher. De plus la chambre de décharge
nécessite un entretien régulier onéreux.
Caractéristiques
• Les principales applications des lasers Nd: YAG continus sont: le soudage, le perçage et la découpe fine
de précision.
• Sa puissance crête, qui est plus élevée que celle du
laser CO2, rend le laser Nd: YAG pulsé plus performant pour le perçage.
Matériaux découpés
• Aciers non alliés et faiblement alliés
• Aciers inoxydables.
• Alliages d’aluminium, de cuivre.
• Céramiques
Caractéristiques
• Découpe des géométries complexes avec une très
haute précision (±0.1mm).
• Vitesses plus importantes par rapport aux autres procédés avec une excellente qualité de découpe pour
les faibles épaisseurs.
• Difficultés avec les matériaux réfléchissants tel que
l’aluminium, le cuivre ou l’argent ainsi que les pièce
creuses et multicouches.
Tête de découpe Nd: YAG (Precitec)
Matériaux découpés
• Aciers non alliés et faiblement alliés (1<e<25mm)
• Acier inoxydables (1<e<20mm)
• Aluminium (1<e<12mm)
• Nickel, titane et ses alliages
• Cuivre et ses alliages (performances limitées, épaisseurs faibles)
• Papier, carton, bois, composites, plastiques, céramiques, plexiglas, tissus, cuir.
Laser CO2: 7KW (Trumpf)
Laser Nd: YAG
Principe de fonctionnement
Le milieu actif (barreau de Nd-YAG) est excité par des
lampes flash ou des diodes émettant en continu, l’ensemble constituant la chambre de pompage.
Avec une longueur d’onde de 1,064µm, le laser
Nd:YAG est mieux adapté que le laser CO2 pour la
découpe des matériaux réfléchissants. Il possède un faisceau de puissance transportable par fibre optique.
Ceci donne la possibilité de travailler aisément dans
trois dimensions à l’aide d’un robot, tout en simplifiant la
maintenance (plus de réglage des miroirs).
Jet d’eau
Principe de fonctionnement
Méthode de découpe à froid par arrachement de matière. De l’eau sort d’une buse à haute vitesse et à très
haute pression. Pour les matériaux résistants, des grains
abrasifs tels que du grenat ou de la silice peuvent être
ajoutés au jet.
Caractéristiques
• Procédé offrant un bon état de surface sans bavure et
ne nécessitant pas ou peu de reprise.
• Bien adapté aux formes complexes.
• Idéal quand le matériau ne doit pas être affecté thermiquement (ex: composites).
• Faibles vitesses pour la découpe des fortes épaisseurs
(20mm/min en acier épaisseur 30mm)
Matériaux découpés
• Tous les matériaux sauf le verre trempé.
• Jusqu’à 600mm pour les matériaux tendres.
• Jusqu’à 150mm pour les matériaux durs.
Jet d’eau: WJA II 40.20 (LDSA)
Page 2
Institut MAUPERTUIS - Pôle Assemblage
Procé dés
Oxycoupage
Principe de fonctionnement
La découpe se fait par oxydation localisée. Ce procédé
utilise une flamme de chauffe pour l’amorçage et l’entretien de la coupe (l’acétylène est la gaz le plus couramment utilisé) et un jet d’oxygène pur (99.5%) servant
découpe centrale.
Caractéristiques
• Les pièces oxycoupées ne peuvent pas être soudées
directement, besoin d’un usinage préalable de la
croute oxydée.
• Difficile de découper de faibles épaisseurs, tendance à
chauffer fortement la pièce qui provoque des déformations importantes.
• Procédé pas adapté à la découpe des formes complexes.
La technologie DUALGAZ d’Air Liquide consiste à utiliser
un mélange gazeux en fonction du matériau et de son
épaisseur. Cette technologie permet d’optimiser la qualité de coupe en fonction du matériau à découper.
Caractéristiques
• Vitesses de coupe importantes (2.4m/min pour l’acier
en 8mm, 2m/min pour l’aluminium 10mm et 1.2m/min
pour l’inox en 8mm).
• Très performant pour la découpe des aciers avec
faible dépouille: inferieure à 1deg pour l’acier entre
8 et 30mm.
• Non adapté pour la découpe de formes complexes.
Matériaux découpés
• Aciers non alliés et faiblement alliés (0.6<e<40mm)
• Acier inoxydables (0.8<e<110mm)
• Aluminium et ses alliages (0.8<e<110mm)
• Tous les matériaux conducteurs
Matériaux découpés
Réservé à la découpe des aciers non et faiblement alliés
entre 3mm et 300mm d’épaisseur
Plasma: Alphatome HPC (Air Liquide Welding)
Machine s utilisées
Oxycoupage: Oxytome HPC (Air Liquide Welding)
Plasma
Principe de fonctionnement
Le jet est généré par l’arc électrique entre une électrode
en tungstène, hafnium ou zirconium intérieure à la torche
de coupage et la pièce. Le mélange entre les gaz plasmagènes s’ionise et forme le plasma en sortie de torche.
Le pouvoir calorifique du jet d’environ 20000 à 25000°C
en son centre provoque une fusion instantanée qui se propage dans toute l’épaisseur de la pièce.
Par rapport à la découpe laser, le plasma permet de
découper des épaisseurs plus importantes en acier inoxydable qu’en acier non allié à puissance égale. Ceci re
le plasma très attractif pour les aciers inoxydables.
La machine de découpe en CO2 utilisé est une Axel
3015 4KW de LVD. Une machine plus puissante permettrait d’avoir des vitesses de découpe plus importantes.
Pour les essais en laser Nd: YAG, une tête de découpe
Precitec monté sur un robot Fanuc R2000i et un laser
continu Trumpf 12KW a été utilisé à l’Institut Maupertuis.
Les essais en jet d’eau ont été réalisés chez Oratech Innovation sur une machine WJA 40.20 - 5 axes à
3200bar de LDSA. Les résultats retenus dans cette étude
correspondent à la qualité de découpe moyenne + (5
types de qualité: séparation, moyenne -, moyenne +,
fine et excellente).
Pour l’oxycoupage et le plasma, les machines utilisés sont
respectivement l’Oxytome et l’Alphatome 25 (Air Liquide
Welding).
Page 3
Etude comparative des procédés de découpe forte épaiss ur
Résultats: Aluminium
Vitesse de découpe
5
4 ,5
Vitesse(m/min)
4
3 ,5
3
Laser YAG: épaisseur 4mm
2 ,5
2
1,5
1
0 ,5
0
0
2
4
6
8
10
12
Epaisseur (mm)
Jet d’eau
Plasma N2/N2
Laser CO2
Laser Nd:YAG
Jet d’eau : épaisseur 4mm
Les vitesses de découpe du jet d’eau restent très en dessous de
celles des autres procédés. Cependant ce procédé donne le meilleur état de surface en terme de rugosité sans présence de bavures et donne une très bonne tolérance dimensionnelle. Dans le
cas des faibles épaisseurs (~4mm), le laser Nd: YAG est le plus
performant en terme de vitesse avec un état de surface similaire
à celui du laser CO2.
Plasma N2/N2 : épaisseur 4mm
Pour découper en laser CO2 des épaisseurs supérieures à 10mm,
une machine de plus forte puissance est nécessaire (les données ici
correspondent à une Trumpf 4KW). Cependant, il faut tenir
compte du prix d’une installation laser.
Pour les 4 procédés utilisés, la ZAT reste inferieure à 100µm dans
les 3 épaisseurs (4, 8 et 10mm)
Jet d’eau : épaisseur 4mm
Rugosité
30
27
24
Ra (µm)
21
18
15
12
Plasma N2/N2 : épaisseur 4mm
9
Laser CO2 : épaisseur 4mm
6
Performance par procédé
3
0
0
2
4
6
8
10
12
Laser
CO2
Epaisseur (mm)
Jet d’eau
Plasma N2/N2
Laser CO2
Laser Nd: YAG
Laser
YAG
Jet
d’eau
Plasma
Vitesse
Etat de surface & dépouille
Qualité
Formes
complexes
e < 10mm
e > 10mm
Laser CO2 : épaisseur 4mm
Elevée
Moyenne
Faible
Page 4