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FR2880566A1 - Coupage laser avec une lentille revetue de baf2 - Google Patents

Coupage laser avec une lentille revetue de baf2 Download PDF

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FR2880566A1 FR0550102A FR0550102A FR2880566A1 FR 2880566 A1 FR2880566 A1 FR 2880566A1 FR 0550102 A FR0550102 A FR 0550102A FR 0550102 A FR0550102 A FR 0550102A FR 2880566 A1 FR2880566 A1 FR 2880566A1
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Hakim Maazoui
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Abstract

L'invention est un procédé de coupage par faisceau laser (L) mettant en oeuvre au moins une lentille de focalisation (LF) pour focaliser ledit faisceau laser (L), caractérisé en ce qu'au moins l'une des surfaces du corps (CL) de la lentille (LF) est recouverte d'au moins une couche (RAR) de fluorure de baryum (BaF2). Avantageusement, la lentille (LF) est à focale multiple (PF1, PF2...PFn), de préférence une lentille à double focale (PF1, PF2). Utiliser une lentille selon l'invention permet d'augmenter la durée d'utilisation d'un procédé de coupage la mettant en oeuvre.

Description

I
L'invention concerne un procédé de coupage par faisceau laser mettant en oeuvre une lentille recouverte d'une couche de fluorure de baryum.
Un procédé de coupage laser met classiquement en oeuvre un faisceau laser issu, par exemple d'une machine laser de type CO2 (2,=10,6 pm) ou YAG, lequel faisceau est focalisé par un élément optique, généralement une lentille ou un miroir, de longueur focale donnée, sur la pièce à découper. Un gaz d'assistance sous pression est habituellement injecté dans la saignée de découpe de manière à évacuer le métal fondu. La saignée de coupe est alors créée par déplacement relatif, par rapport à la pièce à couper, de la tête de coupe comprenant l'élément de focalisation délivrant le faisceau et délivrant le gaz d'assistance.
Les optiques de focalisation transmissives, c'est-à-dire les lentilles, sont les éléments les plus utilisés pour la découpe laser, car elles permettent de créer une cavité étanche sous pression dans la tête découpe dans laquelle le gaz d'assistance peut être injecté et sortir ensuite par une tuyère coaxiale au faisceau laser.
Une lentille de focalisation comporte deux dioptres ou faces, sur lesquels est déposé un traitement anti-réfléchissant destiné à limiter les pertes de puissance par réflexion.
Le matériau du coeur de la lentille est souvent du séléniure de zinc pour les lasers de type CO2 et de la silice fondu, du verre (bk7), du quartz ou analogue pour les lasers de type YAG.
Actuellement, les différentes formes de lentille principalement utilisées sont: - les lentilles plan-convexe composées d'un dioptre sphérique et d'un dioptre plan, - les lentilles ménisques composées de deux dioptres sphériques. Cette forme de lentille a l'avantage de minimiser les aberrations de sphéricité par rapport aux lentilles plan- convexe et, est pour cette raison, très largement utilisée en découpe laser.
- les lentilles asphériques, pour lesquelles la forme du premier dioptre n'est plus une sphère de rayon constant mais est optimisée de manière à réduire encore les aberrations géométriques par rapport à la lentille ménisque à dioptres sphériques et obtenir ainsi des plus grandes densités de puissance au point de focalisation, en particulier dans le cas des longueurs focales courtes, c'est-à-dire inférieures à 95,25 mm (3, 75"). Le dioptre de sortie des lentilles asphériques est généralement plan pour réduire leur coût de fabrication.
Toutes ces lentilles tendent à focaliser le faisceau laser en un point de focalisation unique de taille minimale.
Un procédé de découpe laser utilisant une optique à plusieurs points de focalisation améliorant les performances du procédé de découpe laser est enseigné par le document WO-A-98/14302. La forme de cette optique, qui est de type lentille ou miroir, est telle que le faisceau incident n'est plus focalisé en un seul point mais en deux (lentille à double focale) ou davantage de points de focalisation (lentille à multi- focale).
Plus précisément, lorsqu'on utilise une lentille LF à double focale, la partie du faisceau incident située à l'extérieur d'un diamètre égal à 2H est focalisée en un premier point focal PF1 situé à une longueur focale principale FL; La partie du faisceau laser (L) incident située à l'intérieur du diamètre égal à 2H est, quant à elle, focalisée en un deuxième point focal PF2 situé à une distance DF après le premier point focal PF1 dans le sens de la propagation de la lumière. Cette lentille de focalisation LF à double point de focalisation est réalisée avec un rayon de courbure d'un des dioptres, celui de la face convexe par exemple, différent à l'intérieur et à l'extérieur du diamètre 2H.
Ce type d'optique de focalisation permet d'obtenir des gains de vitesse, de qualité de coupe et de tolérance par rapport aux variations de la distance entre la lentille et la pièce et permet aussi de couper des matériaux plus épais que les lentilles conventionnelles à un seul point de focalisation.
Communément en découpe avec laser de type CO2, le matériau de base formant le corps CL de la lentille de focalisation est du séléniure de zinc (ZnSe).
De plus, comme illustré en Figure 2, les deux faces du dioptre sont habituellement recouvertes d'un traitement anti-réfléchissant RAR pour favoriser la transmission du faisceau laser à travers la lentille tout en limitant l'absorption de ce dernier. Une mauvaise transmission du faisceau dans la lentille conduit à un échauffement et une déformation de cette dernière. Les caractéristiques optiques de la lentille changent, en particulier son rayon de courbure, et ii se forme des aberrations optiques au voisinage du point de focalisation. Généralement, ce revêtement anti-reflet RAR est formé de fluorure de thorium (ThF4), l'épaisseur de ce revêtement anti-reflet RAR étant est de quelques microns, typiquement de 0.5 à 10 pm.
Pour encore limiter les effets de réflexion et palier au comportement hydrophile du ThF4, une ou plusieurs couches supplémentaires CS d'un autre matériau moins hydrophile peuvent recouvrir le ThF4. Le matériau de ces couches peut être aussi du séléniure de zinc (ZnSe) et leurs épaisseurs, qui doivent être un multiple de la longueur d'onde du faisceau laser incident, peuvent varier entre 1 et 10 pm.
Classiquement, l'absorption garantie d'une lentille en ZnSe avec un revêtement RAR de ThF4 est inférieure à 0.25%.
Toutefois, le problème qui se pose est que l'on a remarqué que des lentilles possédant un revêtement en ThF4 subissaient, au cours du temps, un vieillissement prématuré causé par l'humidité ambiante, ce qui détériorait notablement les performances de coupe obtenues avec ces lentilles et ce, malgré la présence de la (ou des) couche supplémentaire CS de ZNSe.
Le but de l'invention est donc de proposer une solution à ce problème, c'est-à-dire de proposer un procédé de coupage par faisceau laser mettant en oeuvre une lentille de focalisation, en particulier une lentille à double focale, dont les caractéristiques se détériorent beaucoup moins rapidement au fil du temps de manière à ce que les performances du procédé de coupage par faisceau laser la mettant en oeuvre soient maintenues à un niveau acceptable au plan industriel et donc que la qualité du coupage n'en soit pas ou peu affectée.
La solution de la présente invention est basée sur le fait d'utiliser en coupage laser une lentille dont le revêtement de ThF4 de la couche anti-reflet (RAR) a été remplacé par un revêtement anti-reflet en fluorure de baryum (BaF2) Dit autrement, l'invention porte sur un procédé de coupage par faisceau laser mettant en oeuvre au moins une lentille de focalisation pour focaliser ledit faisceau laser, caractérisé en ce qu'au moins l'une des surfaces du corps de la lentille est recouverte d'au moins une couche de fluorure de baryum.
Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la lentille est à focale multiple, de préférence une lentille à double focale.
- les deux surfaces opposées du corps de la lentille sont recouvertes d'une couche de BaF2.
- au moins une des couches de BaF2 est recouverte d'au moins une couche supplémentaire de ZnSe.
- une ou chaque couche de BaF2 a une épaisseur comprise entre 0,5 et 10 m.
- la couche supplémentaire a une épaisseur comprise entre 1 et 10 m.
- le corps de la lentille (LF) est formé de ZnSe.
- le faisceau laser est délivré par un dispositif laser de type CO2 ayant une puissance comprise entre 0,5 kW et 12 kW.
- on utilise un gaz d'assistance contenant de l'azote et l'on découpe une pièce en acier inoxydable, en aluminium ou en un alliage d'aluminium.
- on utilise un gaz d'assistance contenant de l'oxygène et l'on découpe une pièce en acier, en cuivre et ou en un alliage de cuivre.
- on utilise un gaz d'assistance contenant de l'oxygène et de l'azote et l'on découpe une pièce en acier, en acier inoxydable, en cuivre ou en un alliage de cuivre, en titane, en aluminium ou en un alliage d'aluminium.
- la pièce à couper a une épaisseur entre 0,1 et 20 mm, de préférence entre 1 et 10 mm.
Pour tenter de remédier au problème susmentionné, les inventeurs de la présente invention ont proposé de remplacer la couche anti-reflet de ThF4 de la lentille de localisation (LF) par un revêtement anti-reflet RAR de nature différente, à savoir de BaF2.
Comme illustré sur la Figure 3, les surfaces supérieure et inférieure du corps de la lentille CL en ZNSe est, selon l'invention, recouvert d'au moins une couche RAR de BaF2 (Fluorure de Baryum), qui est déposée à la surface des lentilles en ZnSe, en lieu et place de la couche habituelle de ThF4 pour limiter les effets de réflexion du faisceau laser. L'épaisseur du revêtement anti-reflet RAR de BaF2 est de quelques microns, typiquement de 0.5 à 10pm.
Dans le cadre de l'invention, on appelle surface supérieure de la lentille la face du corps de lentille située du côté du faisceau incident, c'est-à-dire du côté où le faisceau frappe en premier la lentille, et on appelle surface inférieure de la lentille la face située du côté où le faisceau ressort de la lentille après l'avoir traversée, c'est-à-dire du côté du matériau à couper.
De plus, pour limiter les réflexions du faisceau et protéger encore davantage la couche de BaF2 des effets de l'humidité de l'air, une ou des couches supplémentaires CS de ZnSe peuvent être déposées sur la couche de BaF2. Les épaisseurs des couches CS de ZnSe varient entre 1 et 10 dam et sont généralement un multiple de la longueur d'onde du faisceau laser incident. L'absorption garantie d'une lentille en ZnSe avec un revêtement en BaF2 est inférieure à 0.15%.
L'utilisation d'un revêtement en BaF2 en lieu et place d'un revêtement de ThF4 est particulièrement car un revêtement en BaF2 est généralement considéré comme plus hydrophile que le revêtement en ThF4. Dès lors, on aurait pu s'attendre à obtenir de moins bonne performances avec un tel revêtement de BaF2.
Or, lors de la mise en oeuvre d'un procédé de découpe laser avec lentille de type bi- ou multifocale, c'est-à-dire focalisant le faisceau laser en plusieurs points de focalisation, tel que décrit dans le document \NO-A-98/14302, il a été constaté que l'efficacité du revêtement en BaF2 est meilleure que celle du revêtement en ThF4 classiquement utilisé.
En effet, en opérant un vieillissement artificiel de ces deux types de lentilles, l'inventeur de la présente invention a constaté que, de façon surprenante, les performances de coupe obtenues avec une lentille à revêtement anti-reflet en BaF2 selon l'invention étaient meilleures que celles obtenues avec une lentille possédant un revêtement en ThF4.
L'expérience a consisté à stocker des lentilles de type bifocale, c'est-à-dire à double focale, revêtues de BaF2 et, à titre comparatif de ThF4, dans une atmosphère contrôlée en humidité et en température (80% d'humidité et 28 C).
Ces lentilles ont été régulièrement testées afin d'établir leurs performances, en particulier la vitesse de coupe, au cours du processus de découpe laser après différentes durées de stockage sous cette atmosphère contrôlée.
Les résultats présentés sur la figure 4 représentent les vitesses de découpe laser (m/min) atteintes avec les deux types de lentille en fonction du temps (en heures) de stockage dans l'atmosphère à 80% d'humidité et une température de 28 C. Les vitesses de découpe sont données pour de l'acier inoxydable d'épaisseur 4, 6, et 8mm. La puissance laser est de 4kW et le mode transverse du faisceau est un TEM01* (ring). Le gaz de découpe est de l'azote. Les lentilles utilisées sont de type à double focale, focalisant le faisceau en deux points de focalisation, comme illustré sur la figure 1, dont les caractéristiques sont: FL= 190. 5mm; 2H=7mm; DF= 8mm (voir figure 5). On voit sur la figure 4 que les performances des lentilles testées avec le revêtement BaF2 évoluent peu en fonction du temps de stockage. Par contre, les performances des lentilles avec le revêtement en ThF4 selon l'art antérieur se détériore dès 732 heures pour l'acier inoxydable de 8 mm d'épaisseur et après 1404 heures pour l'acier inoxydable de 6mm d'épaisseur. Sur l'acier inoxydable de 4mm d'épaisseur, on voit que les performances de la lentille diminuent nettement.
En outre, une mesure du coefficient des lentilles testées avec les deux revêtements a été réalisée après 732 heures dans l'atmosphère à 80% d'humidité et une température de 28 C. Les résultats sont présentés dans le tableau suivant:
Tableau
Absorption (%) Temps (en heures) t = 0 t = 732 Lentille avec revêtement en ThF4 0.22 0.36 Lentille avec revêtement en BaF2 0.09 0.22 On peut voir qu'après 732 heures de stockage dans l'atmosphère précédente, les coefficients d'absorption des deux lentilles ont augmenté.
Celui de la lentille avec un revêtement en ThF4 a atteint la valeur critique de 0.36%. Celui de la lentille avec un revêtement en BaF2 a atteint seulement la valeur de 0.22%, ce qui correspond au coefficient de la même lentille avec un revêtement en ThF4 mais lorsqu'elle était neuve, c'est-à-dire au temps t=0.
Autrement dit, là encore, les mesures réalisées confirment les performances nettement améliorées des lentilles selon l'invention avec revêtement de BaF2 par rapport aux lentilles classiques avec revêtement de type ThF4, puisque les lentilles avec couche de BaF2 peuvent être stockées beaucoup plus longtemps que les lentilles classiques et ce, sans engendrer de perte notable de leurs performances de découpe.
Ceci est d'autant plus surprenant que les revêtements de type BaF2 sont réputés être très sensibles à l'humidité donc ne pouvant être stockés longtemps sans risque de pertes de performances.
Dans le cadre de la présente invention, il a été montré qu'un revêtement de type BaF2 est particulièrement recommandé en combinaison avec une lentille de type multifocale, en particulier de type bifocale.
Le procédé de revêtement de la lentille n'entre pas dans le cadre de la présente invention et pour obtenir le revêtement désiré, on peut utiliser tout procédé classique de dépôt d'une couche de matériau anti- reflet à la surface d'une lentille avec, si besoin est, des adaptations à la portée des compétences normales de l'homme du métier.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Procédé de coupage par faisceau laser (L) mettant en oeuvre au moins une lentille de focalisation (LF) pour focaliser ledit faisceau laser (L), caractérisé en ce qu'au moins l'une des surfaces du corps (CL) de la lentille (LF) est recouverte d'au moins une couche (RAR) de fluorure de baryum (BaF2).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lentille (LF) est à focale multiple (PF1, PF2...PFn), de préférence une lentille à double focale (PF1, PF2).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux surfaces opposées du corps (CL) de la lentille (LF) sont recouvertes d'une couche de BaF2.
4. Procédé selon la revendication 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une des couches de BaF2 est recouverte d'au moins une couche supplémentaire (CS) de ZnSe.
5. Procédé selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce qu'une ou chaque couche de BaF2 a une épaisseur comprise entre 0,5 et 10 um.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche supplémentaire (CS) a une épaisseur comprise entre 1 et 10 m.
7. Procédé selon la revendication 1 à 6, caractérisé en ce que le corps (CL) de la lentille (LF) est formé de ZnSe.
8. Procédé selon la revendication 1 à 7, caractérisé en ce que le faisceau laser est délivré par un dispositif laser de type CO2 ayant une puissance comprise entre 0,5 kW et 12 kW.
9. Procédé selon la revendication 1 à 8, caractérisé en ce qu'on utilise un gaz d'assistance contenant: - de l'azote et l'on découpe une pièce en acier inoxydable, en aluminium ou en un alliage d'aluminium, -de l'oxygène et l'on découpe une pièce en acier, en cuivre et ou en un alliage de cuivre, ou - de l'oxygène et de l'azote et l'on découpe une pièce en acier, en acier inoxydable, en cuivre ou en un alliage de cuivre, en titane, en aluminium ou en un alliage d'aluminium.
10. Procédé selon la revendication 1 à 9, caractérisé en ce que la pièce à couper a une épaisseur entre 0,1 et 20 mm, de préférence entre 1 et 10 mm.
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