Explication de la découpe plasma et de la découpe laser

Dernière mise à jour :
24 août 2023

Table des matières

Découpe au plasma

Découpe au plasma est l'utilisation d'un arc équidistant à haute densité énergétique et d'un flux de plasma à grande vitesse pour éloigner le métal en fusion de l'arête de coupe et former une arête de coupe continue.

La vitesse de découpe à l'arc plasma est rapide et il n'y a pas de combustion de la pièce pendant la découpe à l'oxygène et à l'acétylène.

Par conséquent, la chaleur de la pièce est relativement faible et la déformation de la pièce est également faible.

Il convient à la découpe de divers matériaux métalliques.

Cependant, en raison du débit élevé de l'arc plasma, le bruit, la fumée et la poussière sont importants et les conditions d'hygiène de travail sont médiocres.

L'arc plasma peut être utilisé pour le soudage, la pulvérisation, le surfaçage et la découpe.

Lors de la découpe de plaques d'acier au carbone d'une épaisseur inférieure à 25 mm, la découpe à l'arc plasma est environ 5 fois plus rapide que la découpe oxyacétylénique, tandis que lors de la découpe de plaques d'une épaisseur supérieure à 25 mm, la découpe oxyacétylénique est plus rapide.

Caractéristiques et classification de la découpe à l'arc plasma

1.1 Ces caractéristiques du découpage à l'arc plasma

L'arc à plasma est un arc qui comprime l'arc libre entre la cathode (telle que l'électrode de tungstène) et l'anode en un arc à haute température, à haut degré d'ionisation, à haute densité d'énergie et à haut débit de flamme au moyen d'un pistolet à plasma.

Le découpage à l'arc plasma est réalisé avec un jet très chaud à grande vitesse. L'arc et le gaz inerte sont poussés à travers le trou de petit diamètre pour produire ce jet à grande vitesse.

L'énergie de l'arc est concentrée dans une petite zone, ce qui fait fondre la plaque, et le jet de gaz expansé à haute température pousse le métal en fusion à travers l'encoche.

Lors du découpage de l'acier au carbone ou de la fonte, l'ajout d'oxygène au flux de gaz peut également fournir une énergie de découpage supplémentaire.

La méthode de découpe à l'arc plasma présente les avantages d'une grande épaisseur de coupe, d'un mouvement flexible, d'un serrage simple de la pièce et de courbes de coupe.

Par rapport à l'oxycoupage à la flamme acétylène, l'arc plasma a une énergie concentrée, une faible déformation de coupe, pas de préchauffage au début de la coupe, peut couper presque tous les métaux, et la vitesse de coupe de l'acier au carbone est plus rapide que celle de l'oxycoupage.

Cependant, en raison de la largeur du bord de coupe, une plus grande quantité de métal est fondue. Lorsque la plaque est plus épaisse, la coupe n'est pas aussi lisse et plate que celle de l'oxycoupage à l'acétylène.

Pour que les côtés de l'incision soient parallèles, une buse de coupe spéciale est nécessaire.

Pour obtenir une certaine forme de rainure, une technologie de coupe spéciale est également nécessaire.

Les caractéristiques du découpage à l'arc plasma sont principalement les suivantes

① Il peut découper divers matériaux métalliques difficiles à découper à l'oxygène (certains matériaux non métalliques peuvent également être découpés à l'arc plasma) ;

② Lors de la découpe de métaux de faible épaisseur, la vitesse de découpe est rapide, en particulier lors de la découpe de tôles fines en acier au carbone, la vitesse peut atteindre 5 à 6 fois celle de la méthode de découpe au gaz ;

③ La surface de coupe est brillante et propre, et la déformation thermique est faible, ce qui convient particulièrement à l'usinage de pièces de formes diverses ;

④ La largeur de la coupe et l'angle de biseau de la surface de coupe sont importants, mais lors de la coupe de plaques minces, un chalumeau ou un procédé de coupe spécial peut être utilisé pour obtenir une surface de coupe presque verticale ;

⑤ La capacité à découper des plaques épaisses n'est pas aussi bonne que la découpe au gaz.

Les inconvénients du découpage à l'arc plasma sont : une grande tolérance de coupe, le rayonnement de l'arc, la fumée et le bruit pendant la coupe.

Par rapport à la flamme oxygène-acétylène, l'équipement de découpe à l'arc plasma est coûteux et la tension à vide de l'alimentation électrique de découpe est élevée, ce qui non seulement consomme beaucoup d'énergie, mais provoque aussi facilement des chocs électriques pour les opérateurs en cas de mauvaise isolation du pistolet de découpe.

L'arc plasma pour le découpage est formé en comprimant l'arc à l'aide d'une torche de découpage spéciale.

Le découpage à l'arc plasma nécessite une tension d'arc élevée, et donc une alimentation électrique spéciale avec une tension à vide élevée.

En fonction du matériau et de l'épaisseur à découper, la puissance requise est comprise entre 25 et 200 kW.

Le courant de coupe est compris entre 30 et 1000 A.

On utilise généralement de l'argon ou un mélange de gaz d'azote et d'hydrogène, et la torche de coupe doit être refroidie à l'eau.

Il existe des torches de coupage à l'arc plasma pour le coupage manuel.

Les exigences techniques pour le découpage manuel à l'arc ISO sont similaires à celles du découpage manuel à l'oxygène et à l'acétylène.

Cependant, pour ajuster davantage de paramètres, une formation plus poussée est nécessaire.

Lors de la découpe de plaques minces, la vitesse de déplacement n'a pas besoin d'être soigneusement contrôlée, ce qui améliore la qualité de la découpe.

La découpe à l'arc plasma fait appel à des équipements d'automatisation plus mécaniques.

La torche de coupe et les autres accessoires sont les mêmes que ceux utilisés pour le découpage manuel à l'arc au plasma. Le système de marche est automatisé.

Le mécanisme de déplacement de la torche de coupe est similaire à celui utilisé pour le coupage à l'oxygène et à l'acétylène, mais nécessite une vitesse de déplacement plus élevée.

Les équipements multi-torches nécessitent une alimentation électrique et un boîtier de commande supplémentaires pour chaque torche.

En outre, afin d'absorber le bruit et la fumée, une chemise d'eau ou un réservoir d'eau peut être utilisé.

1.2 WPrincipe de fonctionnement du découpage à l'arc plasma

La température de l'arc plasma pour le découpage est généralement comprise entre 10000 et 14000 ℃, ce qui est bien plus élevé que le point de fusion de tous les métaux et non-métaux.

Il est possible de couper la plupart des matériaux métalliques et non métalliques.

Cette méthode est née dans les années 1950 et a été initialement utilisée pour couper des matériaux métalliques qui ne pouvaient pas être coupés par la flamme oxygène-acétylène, tels que l'alliage d'aluminium et l'acier inoxydable.

Avec le développement de cette méthode de coupe, son application a été étendue à l'acier au carbone et à l'acier faiblement allié.

La conception de base du pistolet de découpe à l'arc plasma est similaire à celle du pistolet de soudage à l'arc plasma.

Lorsqu'il est utilisé pour le soudage, un flux de gaz ionique à faible vitesse est utilisé pour faire fondre le métal de base afin de former un joint soudé ;

Pour le découpage, un flux de gaz ionique à grande vitesse est utilisé pour faire fondre le métal de base et souffler le métal fondu pour former une entaille.

La vitesse d'écoulement et l'intensité de la flamme du gaz ionique pour la découpe dépendent du type de gaz ionique, de la pression du gaz, du courant, du rapport entre le canal de la buse et la distance entre la buse et la pièce à usiner.

La structure de base du pistolet de découpe à l'arc plasma est illustrée à la figure 4.1.

Lors du découpage à l'arc plasma, seule la polarité de courant de la connexion positive CC est utilisée, c'est-à-dire que la pièce est connectée à l'électrode positive de l'alimentation électrique.

L'arc de transfert est utilisé lors de la découpe du métal. La méthode d'allumage de l'arc de transfert est liée au pistolet de découpe.

Le pistolet de découpe peut être divisé en deux types : le pistolet de découpe à l'arc avec entretien et le pistolet de découpe à l'arc sans entretien.

Voir Fig. 4.2 pour le câblage du pistolet de découpe à l'arc d'entretien.

Le câblage du pistolet de découpe à l'arc sans entretien n'a pas de branche de résistance, et le reste est identique au câblage du pistolet de découpe à l'arc avec entretien.

Fig. 1 : Structure de base du pistolet de découpe à l'arc plasma

1. Électrode ;

2. Buse de compression ;

3. Comprimer la longueur du canal de la buse ;

4. Distance entre la buse et la pièce ;

5. Comprimer l'ouverture de la buse ;

6. Distance de rétraction des électrodes ;

7. Gaz ionique.

Fig. 2 Circuit de base du pistolet de découpe à l'arc de maintenance

1. Alimentation électrique ;

2. Démarreur d'arc à haute fréquence ;

3. Résistance ;

4. Contact du contacteur ;

5. Spray de compression ;

6. Électrode ;

7. Pièce à usiner.

La fonction de la résistance dans la figure 2 est de limiter le courant d'entretien de l'arc à la valeur la plus basse qui puisse allumer en douceur l'arc de transfert.

Un démarreur d'arc à haute fréquence est utilisé pour allumer l'arc de maintenance.

Lorsque l'arc est frappé, le contact du contacteur est fermé et le démarreur d'arc à haute fréquence génère une haute fréquence et une haute tension pour enflammer l'arc de maintenance.

Après l'allumage de l'arc d'entretien, lorsque le pistolet de coupe s'approche de la pièce, la flamme de plasma à grande vitesse provenant de la buse entre en contact avec la pièce pour former un chemin entre l'électrode et la pièce, de sorte que l'arc est transféré entre l'électrode et la pièce.

Une fois l'arc de transfert établi, l'arc de maintenance s'éteint automatiquement et le contact du contacteur est automatiquement déconnecté après un certain délai.

Lcoupe de l'aser

La découpe laser est une technologie de découpe avancée et largement utilisée dans le traitement des matériaux.

Il s'agit d'une méthode de traitement qui utilise un faisceau laser à haute densité énergétique comme "outil de coupe" pour découper thermiquement des matériaux.

La technologie de découpe laser peut être utilisée pour découper divers types de plaques métalliques et non métalliques, des matériaux composites et des matériaux durs tels que le carbure de tungstène et le carbure de titane. Elle est largement utilisée dans les secteurs de la construction de la défense nationale, de l'aérospatiale, des machines d'ingénierie et dans d'autres domaines.

Lprincipe, classification et caractéristiques de la coupe à l'aser

2.1 Lprincipe de coupe de l'aser et classification

(1) Principe de la découpe laser

La découpe laser consiste à utiliser un faisceau laser focalisé de haute puissance pour irradier la pièce à usiner, de sorte que le matériau irradié fond, se vaporise, s'ablate ou atteint rapidement le point d'ignition, et que le matériau fondu est simultanément soufflé par le flux d'air à grande vitesse coaxial avec le faisceau, de manière à découper la pièce à usiner.

La découpe laser est l'une des méthodes de découpe thermique.

Le principe de la découpe au laser est présenté à la figure 3.

Fig. 3 Principe de la découpe au laser

(2) Classification de la découpe laser

La découpe laser peut être divisée en découpe par vaporisation laser, découpe par fusion laser, découpe par oxygène laser et découpe par traçage laser et fracture contrôlée.

1) Découpe par vaporisation laser

La pièce est chauffée par le faisceau laser à haute densité d'énergie, de sorte que la température augmente rapidement, atteint le point d'ébullition du matériau en très peu de temps, et le matériau commence à se vaporiser pour former de la vapeur.

Ces vapeurs sont éjectées à grande vitesse et des entailles sont formées dans le matériau en même temps que les vapeurs sont éjectées.

La chaleur de vaporisation des matériaux étant généralement très élevée, la découpe par vaporisation au laser nécessite une puissance et une densité de puissance élevées.

La découpe par vaporisation laser est principalement utilisée pour la découpe de matériaux métalliques extrêmement fins et de matériaux non métalliques (tels que le papier, le tissu, le bois, le plastique et le caoutchouc).

2) Découpe par fusion laser

Lors de la découpe par fusion laser, le matériau métallique est fondu par chauffage laser, puis un gaz non oxydant (Ar, Hc, N, etc.) est soufflé à travers la buse coaxiale avec le faisceau, et le métal liquide est déchargé par la forte pression du gaz pour former une entaille.

La découpe par fusion laser ne nécessite pas de vaporiser complètement le métal, et l'énergie requise n'est que 1/10 de celle de la découpe par vaporisation.

La découpe par fusion laser est principalement utilisée pour la découpe de certains matériaux ou métaux actifs qui ne sont pas faciles à oxyder, tels que l'acier inoxydable, le titane, l'aluminium et leurs alliages.

3) Oxycoupage au laser

Les principe du laser L'oxycoupage est similaire à l'oxyacétylénage. Il utilise le laser comme source de chaleur de préchauffage et un gaz actif tel que l'oxygène comme gaz de coupe.

D'une part, le gaz soufflé interagit avec le métal de coupe pour produire une réaction d'oxydation et libérer une grande quantité de chaleur d'oxydation ;

D'autre part, l'oxyde fondu et la matière en fusion sont expulsés de la zone de réaction pour former une entaille dans le métal.

Comme la réaction d'oxydation dans le processus de découpe génère une grande quantité de chaleur, l'énergie requise pour la découpe laser à l'oxygène n'est que 1 / 2 de celle de la découpe par fusion, et la vitesse de découpe est bien supérieure à celle de la découpe par vaporisation laser et de la découpe par fusion.

L'oxycoupage laser est principalement utilisé pour les matériaux métalliques faciles à oxyder, tels que l'acier au carbone, l'acier au titane et l'acier traité à la chaleur.dize, tels que l'acier inoxydable, le titane, l'aluminium et leurs alliages.

4) Traçage au laser et fracture contrôlée

Le marquage au laser consiste à utiliser un laser à haute densité énergétique pour balayer la surface de matériaux fragiles, de sorte que les matériaux soient chauffés et évaporés hors d'une petite rainure, puis à appliquer une certaine pression, et les matériaux fragiles se fissureront le long de la petite rainure.

Les lasers utilisés pour le marquage laser sont généralement des lasers à commutation Q et des lasers à CO2 lasers.

La fracture contrôlée consiste à utiliser la distribution abrupte de la température générée par le rainurage au laser pour créer une contrainte thermique locale dans les matériaux fragiles et briser les matériaux le long de petites rainures.

2.2 Caractéristiques de la découpe laser

Par rapport à d'autres méthodes de découpe thermique, la découpe au laser se caractérise par une vitesse de découpe rapide et une qualité élevée.

Elle peut être résumée comme suit.

(1) Bonne qualité de coupe

En raison de la petite taille des spot laser, haute densité d'énergie et vitesse de coupe rapide, la découpe laser permet d'obtenir une meilleure qualité de coupe.

① L'incision de la découpe laser est fine et étroite, les deux côtés de la fente sont parallèles et perpendiculaires à la surface, et la précision dimensionnelle des pièces découpées peut atteindre ± 0,05 mm.

② La surface de coupe est propre et belle, et la rugosité de la surface n'est que de quelques dizaines de microns.

La découpe laser peut même être utilisée comme dernier processus, sans traitement mécanique, et les pièces peuvent être utilisées directement.

③ Après la découpe du matériau au laser, la largeur de la zone affectée par la chaleur est très faible, la performance du matériau à proximité du joint de coupe est à peine affectée et la déformation de la pièce à usiner est faible, la précision de la découpe est élevée, la géométrie du joint de coupe est bonne et la forme de la section transversale du joint de coupe présente un rectangle régulier.

Le tableau 1 compare les méthodes de découpe laser, oxyacétylénique et plasma.

Le matériau de coupe est une plaque d'acier à faible teneur en carbone de 6,2 mm d'épaisseur.

Tableau 1 - Comparaison de la découpe laser, de la découpe oxyacétylénique et de la découpe plasma

Méthode de coupeLargeur de la fente / mmLargeur de la zone affectée thermiquement / mmForme de la fenteVitesse de coupecoût du matériel
Découpe laser0.2~0.30.04~0.06parallèleRapideHaut
Oxycoupage0.9~1.20.6~1.2Relativement parallèlelentFaible
Découpe au plasma3.0~4.00.5~1.0Moulé et inclinéRapideMoyen

(2) Efficacité de coupe élevée

En raison des caractéristiques de transmission du laser, les machine de découpe laser est généralement équipé de plusieurs tables de travail à commande numérique, et l'ensemble du processus de coupe peut être entièrement contrôlé numériquement.

En fonctionnement, il suffit de modifier le programme de commande numérique, et il peut être appliqué à la découpe de pièces de différentes formes, qui peuvent être à la fois bidimensionnelles et tridimensionnelles.

(3) Vitesse de coupe rapide

Un laser d'une puissance de 1200 W est utilisé pour découper une plaque d'acier à faible teneur en carbone de 2 mm d'épaisseur, et la vitesse de découpe peut atteindre 15 000 px/pluie ;

La vitesse de coupe peut atteindre 15000 px / min lors de la coupe d'une feuille de résine de polypropylène de 5 mm d'épaisseur.

Les matériaux n'ont pas besoin d'être serrés et fixés pendant la découpe au laser, ce qui permet d'économiser l'outillage et les fixations, ainsi que le temps auxiliaire pour le remplissage et le découpage.

(4) Coupe sans contact

Il n'y a pas de contact entre la torche de découpe et la pièce pendant la découpe au laser, et il n'y a pas d'usure de l'outil.

Pour traiter des pièces de formes différentes, il n'est pas nécessaire de changer d'"outil", mais seulement de modifier les paramètres de sortie du laser.

Le processus de découpe au laser est peu bruyant, peu vibrant et non polluant.

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