Laser Cutting of Carbon / Mild Steel

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Généralités sur l'acier au carbone

L'acier au carbone est un alliage fer-carbone à teneur en carbone allant jusqu'à 2 %. Selon la teneur en carbone, on distingue :

Acier doux (bas carbone) — teneur en carbone inférieure à 0,25 %.
Acier au carbone moyen — teneur de 0,25 à 0,6 %.
Acier à haute teneur en carbone — teneur supérieure à 0,6 %.

Selon la méthode de laminage, l'acier au carbone peut être laminé à chaud ou laminé à froid. La principale différence est la température du procédé.

L'acier laminé à chaud est issu d'une matière première de moindre qualité ; son prix est donc inférieur à celui du laminé à froid. Son épaisseur peut dépasser 160 mm.

L'acier laminé à froid s'utilise habituellement pour des structures en tôle fine, de 0,4 mm à 6 mm. Sa qualité est supérieure, son prix l'est aussi.

Choix du matériau

Qualités fournies :

Première qualité
Deuxième qualité
Troisième qualité
Hors spécification

Pour la découpe laser, on retient la première et la deuxième qualité, en particulier pour les pièces destinées à la peinture ou les produits décoratifs. Les qualités diffèrent par la composition et le procédé de fabrication.

Pour un travail stable, l'opérateur de découpe laser doit demander au fabricant une tôle d'essai de l'épaisseur requise, avec description de la nuance et du procédé. Il peut alors identifier les défauts, évaluer les risques et, en accord avec le fournisseur, définir un régime stable pour la série — soit en travaillant durablement avec ce fournisseur, soit en en changeant pour éviter les problèmes en production série.

Composition du matériau

Le matériau utilisé est déterminant. L'acier de basse qualité contient souvent des impuretés très réactives lors du chauffage. Plusieurs réactions thermiques peuvent influer sur la formation de calamine, les éjections brutales de métal et d'autres défauts de coupe. Une viscosité élevée du bain fait coller la calamine et oblige à un nettoyage supplémentaire. Réduire la vitesse ou ajouter une finition n'est pas favorable.

Qualité du matériau

Si le laminage a été fait hors technologie et les tôles mal stockées, attendez-vous à des tôles rouillées, à surface non homogène, à épaisseur variable et à porosité — autant de causes de défauts de coupe.

Choix du gaz

L'oxygène et l'air sont typiquement utilisés pour couper l'acier doux et les aciers faiblement alliés. L'azote est un gaz universel, mais sa forte consommation le réserve aux cas particuliers.

Découpe à l'oxygène

Provoque une réaction exothermique favorable à la découpe de l'acier au carbone. Mais elle laisse des bords oxydés et exige un contrôle strict des paramètres pour minimiser l'adhérence de calamine, le slag, le dross, la rugosité et la zone affectée thermiquement (ZAT / HAZ).

La pression d'oxygène à la buse se situe typiquement entre 0,5 et 5 bar.
À mesure que l'épaisseur augmente, la pression d'oxygène diminue (pour éviter la combustion) et le diamètre de buse augmente.
La pureté du gaz compte : une tôle de 1 mm se coupe jusqu'à 30 % plus vite avec de l'O₂ à 99,9 % ou 99,99 % qu'avec la qualité standard à 99,7 %.
L'épaisseur maximale coupable est relativement plus élevée avec l'oxygène qu'avec l'azote haute pression.

Air comprimé

Meilleur choix pour la tôle fine. La vitesse de coupe est très supérieure à celle de l'oxygène.
Au-delà de 2 mm, les défauts deviennent difficiles à éviter — une finition supplémentaire sera nécessaire.
Une pression d'air portée à 5–6 bar suffit à expulser le métal fondu de la saignée.
Comme près de 80 % de l'air est de l'azote, la découpe à l'air comprimé est en réalité une découpe par fusion.
Inconvénient du compresseur : entretien régulier (vidange) et filtres qui peuvent défaillir. Après trois mois de fonctionnement normal, ils peuvent se mettre à « cracher » : du condensat depuis le réservoir entre dans la ligne. Si la conduite est contaminée une fois, des filtres neufs ne suffisent plus — il faut nettoyer la conduite elle-même en la soufflant à l'alcool.

Alignement du faisceau, vérification de l'optique et de la buse

En début de poste, vérifiez que l'alignement du faisceau laser est correct et que les verres de protection sont propres. En cas de défauts, commencez le diagnostic par le centrage du faisceau et la propreté des verres. En découpe oxygène, utilisez des buses doubles et contrôlez régulièrement la géométrie de l'orifice.

Défauts de coupe : calamine, bavure, slag, dross

Calamine : accumulation indésirable de résidus issus du matériau fondu — sous-produit du procédé.

Trois causes principales : calamine basse vitesse, calamine haute vitesse et calamine finement dispersée (slag).

Calamine haute vitesse. À vitesse trop élevée, l'arc retarde dans la saignée et laisse du matériau non coupé sur la face inférieure de la tôle. La calamine s'accumule, la qualité baisse.

Calamine basse vitesse. À vitesse trop faible, le procédé « cherche » du matériau supplémentaire. Le diamètre de l'arc grandit, la saignée s'élargit, et le plasma haute vitesse ne disperse plus la matière fondue, qui s'accumule sous la tôle.

Slag (calamine finement dispersée). Apparaît quand le métal resolidifié forme des dépôts à la surface, qui s'écaillent ensuite. Deux causes habituelles : vitesse trop élevée ou pression de buse trop basse. Contrairement aux autres, son retrait est trivial.

Dross (bavure durcie). Gouttes solidifiées de métal fondu sur la bordure de la pièce, qui apparaissent quand la vitesse ou d'autres paramètres technologiques de coupe en forte épaisseur dévient.

Dross en forme de perles avec sillons orientés vers le bas, adhérant à l'acier de construction. Cause : focale trop haute par rapport au nominal ou vitesse trop élevée. Solution : ralentir de 10 % ou baisser la focale.
Dross avec miettes et piqûres sur la pièce. Cause : focale sous le nominal avec pression d'oxygène trop élevée et adhérence de particules à haute vitesse. Solution : remonter la focale et ralentir de 5–10 %.

Bavure (burr) : matière solidifiée très adhérente, ou slag d'oxyde solidifié, formée sur la face inférieure de la coupe. Les matières fondues à forte tension superficielle et faible viscosité sont plus difficiles à évacuer du front de coupe par le gaz d'assistance et peuvent générer des collages de calamine en face inférieure.

Zone affectée thermiquement (ZAT / HAZ)

La découpe laser crée une zone affectée thermiquement (ZAT) à côté de la bordure de coupe. La ZAT est la partie du métal dont la structure est influencée par la chaleur sans pour autant fondre. La modification microstructurale dans la ZAT est l'une des caractéristiques qui définissent la qualité du laser.

La ZAT modifie la structure et affaiblit la pièce dans cette zone, de sorte qu'une éjection de métal complique la coupe suivante. Solutions : pré-perçage, soufflage continu, coupe du centre vers l'extérieur dans plusieurs directions, soufflage supplémentaire.

Éclat / cratère de perçage

Déchirure du côté d'entrée, cratère au perçage. Causée par une focale basse, de mauvais paramètres (hauteur de coupe faible, fréquence élevée, buse surdimensionnée, puissance de perçage excessive).

Pour éviter ce défaut :

remonter la focale ;
utiliser une buse plus petite ;
mettre les paramètres d'entrée par défaut ;
réaliser un pré-perçage.

Conditions pour le coupage à l'oxygène

Pour le coupage à l'oxygène, les conditions suivantes doivent être réunies :

(a) La température de combustion du métal dans l'oxygène doit être inférieure à sa température de fusion, faute de quoi le métal fond avant de brûler dans l'oxygène.

(b) Les oxydes métalliques formés doivent fondre à une température inférieure à la température de combustion du métal et ne pas être trop visqueux.

(c) La chaleur dégagée par la combustion du métal dans l'oxygène doit être suffisante pour entretenir le procédé. Pour l'acier, environ 70 % de la chaleur de préchauffage provient de la combustion du métal dans l'oxygène et 30 % de la flamme de préchauffage.

(d) La conductivité thermique du métal ne doit pas être trop élevée, sous peine que la dissipation intense interrompe le procédé.

Influence de la composition de l'acier

Le fer pur et les aciers à bas carbone répondent le mieux aux conditions ci-dessus. Le fer pur a une température d'inflammation dans l'oxygène de 1050 °C et une température de fusion de 1528 °C. Avec 0,7 % de carbone, la température d'inflammation passe à 1300 °C — égale au début de fusion pour cette composition. Selon A. N. Shashkov, l'oxydation sélective du fer dans l'oxygène lors du coupage commence vers 1130 °C ; au-delà de 1300 °C démarre la combustion intense du carbone.

Outre la composition, l'état de surface, la taille des pièces, la pression et la vitesse du flux d'oxygène influent sur la température d'inflammation. Une surface rugueuse facilite l'inflammation. La poudre de fer peut s'enflammer dans l'oxygène pur dès 315 °C, bien en dessous du métal laminé. La surface d'un gros bloc d'acier s'enflamme à 1200–1300 °C. À 25 kgf/cm² de pression et 180 m/s de vitesse du flux, la température d'inflammation de l'acier au carbone dans l'oxygène descend à 700–750 °C.