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

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 la donne en matière de 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 laser, mais lorsqu'il s'agissait de matériaux non ferreux, la réflectivité optique a fait son apparition. Cela complique considérablement la découpe laser des matériaux non ferreux. La découpe du cuivre et du laiton au laser CO2 était (et est toujours) rare, même si certains fabricants tenaces ont réussi l'exploit.

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

Puis, au début de ce siècle, le laser à fibre est entré en scène avec sa longueur d'onde de 1 micron. Les métaux les plus courants dans l’atelier de fabrication absorbent davantage 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 la saignée elle-même ? Pour répondre à cette question, le FABRICATEUR s'est entretenu avec Charles Caristan, PhD, chercheur technique et directeur du marché mondial, fabrication et construction métalliques, au bureau d'Air Liquide de Conshohocken, en Pennsylvanie. Expert de longue date en découpe laser, Caristan est l'auteur du Laser Cutting Guide for Manufacturing, publié par SME.

Comme l'explique Caristan, la recette de coupe des non-ferreux ne se limite pas à la longueur d'onde du faisceau. Les autres composants incluent la densité de puissance, la focalisation du faisceau, la largeur de saignée, ainsi que le type et le débit du gaz d'assistance. Mélangez tout cela de la bonne manière et vous obtenez les vitesses de coupe époustouflantes 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 découpe, sont définis par le fabricant de l'équipement. 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-photoniques » – pourquoi ces paramètres fonctionnent comme ils le font.

Si quelqu'un dit que quelque chose dans la découpe laser est impossible ou peu pratique, il y a de fortes chances qu'un fabricant quelque part ait rendu cela à la fois possible et pratique. Par exemple, Caristan se souvient avoir rendu visite il y a des années à un fabricant qui coupait 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 cela pendant des années », a-t-il déclaré. « La tête de coupe bougeait lentement et l'opérateur devait arrêter le cycle de coupe à mi-chemin pour la laisser refroidir. Ce n’était pas joli, mais c’était faisable.

Les matériaux non ferreux découpés au laser ont l’habitude de rencontrer et de surmonter des obstacles. Comme l'explique 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 constaté les effets des faibles caractéristiques d'absorption de l'aluminium, produisant des rétro-réflexions.

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

Les outilleurs-ajusteurs prêtent attention à la résistance et aux propriétés de cisaillement d'un matériau. Les ingénieurs et techniciens développant des paramètres de découpe laser se concentrent ailleurs, notamment 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.