The Role of Assist Gas in Metal Laser Cutting

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Principe d'action du gaz d'assistance

Le faisceau laser est focalisé sur la ligne de coupe et pénètre dans le métal — il commence par un perçage (pierce), puis poursuit le contour par action thermique. Simultanément, un gaz d'assistance (gaz de coupe / process) est envoyé coaxialement dans la zone de coupe. Il chasse le métal fondu hors de la saignée (kerf). Selon le gaz choisi, il peut réagir avec le métal ou le refroidir. Une partie du métal est vaporisée.

Pendant la coupe, sous l'action du faisceau laser, le matériau dans la zone de coupe fond, s'enflamme, se vaporise ou est chassé par le jet de gaz.

Pureté du gaz

Un gaz pur (de qualité) influe sur la qualité de l'arête et sur la vitesse de coupe à puissance laser donnée. Avec un gaz de mauvaise qualité, le métal n'est pas tranché proprement à la vitesse standard — sur les aciers fortement alliés, calamine, scories et changements de couleur peuvent apparaître.

La qualité est généralement exprimée en pourcentage de la molécule principale. Pour l'azote, l'oxygène et l'argon, la pureté typique est de 99 % suivie de plusieurs décimales — plus il y a de « 9 » après la virgule, plus la pureté est élevée. Plus le métal est épais, plus la pureté doit être élevée.

Les entreprises industrielles utilisent généralement de l'oxygène technique à 99,5 % ou 99,7 %. Inutile de chercher un gaz ultrapur avec une multitude de « 9 » — 99,99 % suffit.

Le choix du gaz dépend du type de matériau, de l'épaisseur de la tôle et des opérations à venir. Pour l'azote, la pureté n'est pas toujours prioritaire ; pour l'oxygène, les résultats dépendent directement de sa pureté.

Facteurs de consommation de gaz

En coupe métal au laser à fibre, la consommation de gaz dépend de :

type de gaz utilisé ;
pression ;
épaisseur du matériau ;
buse (nozzle).

Types de gaz pour la coupe laser

Air comprimé (mélange de gaz) ;
Oxygène (gaz actif) ;
Azote (gaz conditionnellement inerte) ;
Argon et Hélium (gaz véritablement inertes) ;
Dioxyde de carbone liquéfié (gaz actif).

Code couleur des bouteilles

Dioxyde de carbone — bouteille noire avec inscription jaune ;
Oxygène — bouteille bleue ;
Azote — bouteille noire avec bande marron ;
Argon — bouteille noire avec bande blanche ;
Hélium — marron ;
Air comprimé — bouteille noire avec inscription blanche.

Modes de stockage du gaz

Bouteilles de 40 ou 70 L — pas la meilleure option : remplacement fréquent.
Cadre de bouteilles (manifold) — bouteilles reliées par des flexibles. Durent plus longtemps, mais le remplissage et le transport sont compliqués et l'encombrement important.
Cuve cryogénique (gazéifieur) — réservoir de grande capacité contenant le gaz liquéfié. Option préférée : gaz plus pur et consommation moindre.
Centrales gaz (générateurs sur site) — produisent le gaz directement ; utilisées dans les grandes usines.

Gaz actifs et inertes

Gaz actifs. Le dioxyde de carbone protège le métal du contact avec l'oxygène, tandis que l'oxygène est utilisé comme composant oxydant : il réagit avec le métal et forme des oxydes. La surface de presque tous les métaux et alliages étant couverte d'une fine couche d'oxyde, le gaz entre dans une réaction exothermique — bien adapté à la coupe de l'acier carbone.

Les gaz inertes ont une réactivité quasi nulle et n'entrent pas dans la réaction exothermique. Cela évite l'oxydation et protège l'arête et la microstructure des aciers fortement alliés contre la corrosion et les altérations structurelles.

Fonctions du gaz d'assistance

Évacuation du bain de fusion hors de la zone de coupe — fonction principale.
Refroidissement de l'arête. Un avantage clé du laser face aux autres procédés est l'absence de déformation thermique. Seule la zone de coupe est fortement chauffée ; les zones voisines ne chauffent pas assez pour se déformer. Le refroidissement par le jet de gaz y contribue largement.
Suppression du plasma. Le jet de gaz dans la zone de coupe empêche la formation d'un foyer de plasma qui modifierait le procédé de manière imprévisible.
Protection de l'optique. Bien orienté, le gaz protège l'optique du laser des projections de métal fondu et de vapeur qui pourraient l'endommager.
Fonction réactionnelle — dépend du gaz :
- un gaz actif entre dans la réaction exothermique et rend la coupe plus rapide et plus efficace ;
- un gaz inerte isole la zone de coupe des composants réactifs de l'air et empêche les arêtes de réagir.

Air comprimé (Air)

Composants constants de l'air : oxygène — 21 %, azote — 78 %, gaz inertes (essentiellement argon) — 0,94 % ; composants variables : dioxyde de carbone — 0,03 %, plus impuretés (vapeur d'eau, poussières, oxydes de soufre et d'azote, autres gaz).

L'air contenant environ 78 % d'azote, il suffit en principe comme gaz d'assistance pour la coupe de tôles fines (jusqu'à 3 mm). Effet maximal sur les alliages à haut carbone ; l'acier bas carbone ne devrait pas réagir avec les impuretés et le CO₂ de l'air — l'azote est préférable. L'air doit être correctement séché et filtré.

À l'air comprimé on coupe habituellement acier noir, acier galvanisé, laiton, aluminium.

Les coupes à l'air comprimé sont au mieux de qualité moyenne. L'air contient environ 75 % d'azote et 25 % d'oxygène (en volume), et l'oxygène peut oxyder le matériau, ce qui dégrade l'arête. À l'inverse, l'air combine un léger effet « brûlure » de l'oxygène et la vitesse de l'azote — il prend en quelque sorte le meilleur des deux mondes. Vous noterez cependant une légère teinte jaunâtre sur l'arête, due à l'oxygène. Si beaucoup de post-traitement est prévu, l'air comprimé n'est pas recommandé.

Bien qu'il soit l'option la plus rentable, il présente de sérieux problèmes.

L'air atmosphérique est fourni par un compresseur qui maintient la pression nécessaire dans la ligne. Un traitement de l'air efficace est indispensable.

Huile résiduelle et gouttes d'eau se déposent sur le verre de protection de la tête laser et réduisent sa transmittance. La transmission lumineuse chute rapidement et le verre doit être remplacé. L'air transporte l'humidité et les gouttes d'huile des compresseurs — cela contamine l'air, endommage la lentille de protection et, dans le pire des cas, la tête. Toute la ligne d'air se contamine. Une filtration rigoureuse, sans compromis, est obligatoire.

Ce qui arrive à l'acier inoxydable coupé à l'air

L'acier inoxydable est résistant et stable face aux environnements agressifs. Contrairement à l'acier noir, il ne corrode pas facilement au contact de l'air et de l'humidité — au moins dans la plage prévue pour le grade considéré. C'est obtenu grâce aux éléments d'alliage, le principal étant le chrome.

Le problème du chrome : il réagit volontiers avec le CO₂ toujours présent dans l'air atmosphérique. En théorie, la réaction a lieu aussi en conditions normales, mais à une vitesse si faible qu'aucun changement n'est perceptible à l'échelle d'une vie humaine. À l'état incandescent lors de la coupe laser, en revanche, le chrome réagit instantanément avec le CO₂.

Conséquences :

Les grains de carbure de chrome formés réduisent la résistance de la pièce — dans la matrice métallique homogène apparaissent des inclusions qui n'assurent pas ces liaisons. De nombreux maillons faibles apparaissent.
Le chrome ainsi mobilisé cesse de jouer son rôle d'alliage. Un inox de qualité se met à se comporter comme si la moitié du chrome avait été « volée » — il rouille là où il ne devrait pas.

Si l'on coupe du titane à l'air atmosphérique, le matériau est ruiné — il faut remplacer l'air par de l'argon pur.

Oxygène (O₂)

L'oxygène est un gaz chimiquement actif qui entre dans des réactions exothermiques d'oxydation du fer. Il agit comme un catalyseur et ajoute près de 40 % d'énergie dans la zone de coupe. Des oxydes de faible viscosité se forment. L'oxygène accélère l'oxydation : il oxyde d'abord la partie fondue, puis évacue les résidus.

La coupe à l'oxygène repose sur la capacité du métal à brûler dans un jet d'oxygène techniquement pur une fois chauffé près de la température de fusion de l'acier. Elle comporte :

le préchauffage du métal jusqu'à la température d'ignition dans le jet d'oxygène ;
la combustion du métal ;
l'évacuation des oxydes et des particules fondues par le jet d'oxygène.

La température de préchauffage en début de coupe dépend de la masse (épaisseur) et surtout de la composition du métal : plus la masse et les éléments d'alliage sont importants, plus la température doit être élevée. L'intensité de l'oxydation augmente avec la pureté de l'oxygène et avec la température. L'évacuation des oxydes (scories) débute simultanément à l'oxydation du métal.

Ainsi, l'oxygène ne fait pas que chasser le bain — avec le rayonnement laser, il participe à la fusion et à l'écoulement du métal hors de la zone chauffée par le laser. C'est pourquoi, en coupe oxygène, il faut soigner le réglage de la pression, ainsi que la puissance, la vitesse et la position du foyer.

Pour les aciers fins (jusqu'à 3 mm), oxygène et azote sont possibles. Avec l'oxygène sur tôle fine, la puissance doit être plus basse qu'avec l'azote pour éviter de brûler l'arête, mais la vitesse diminue aussi.

La coupe de métaux fins avec de l'oxygène à 99,5 % a une vitesse et une qualité proches de l'air comprimé ; pour les aciers épais (plus de 10 mm) cette pureté ne convient pas.

L'oxygène étant un gaz actif, il s'utilise à pression plus basse que l'azote ou l'air, ce qui réduit la consommation. Un réglage précis de la pression est nécessaire : après le perçage, il faut élever la pression, sinon des projections de métal en fusion apparaîtront lors de la coupe. La pression de coupe à l'oxygène ne dépasse typiquement pas 1 bar, alors qu'avec l'azote elle monte jusqu'à environ 20 bar. L'oxygène est plus économique que l'azote.

L'oxygène est généralement utilisé pour les aciers faiblement et moyennement alliés, sauf pour les pièces dont les arêtes seront peintes ensuite. La distance focale est plus courte avec l'oxygène, et le foyer doit en général se situer sur la face supérieure de l'acier.

À noter : avec l'oxygène — à l'inverse de l'azote — quand l'épaisseur augmente, la pression doit diminuer, pas augmenter, pour éviter des réactions exothermiques trop violentes susceptibles d'échapper à tout contrôle et de ruiner la coupe et la pièce. Pour de l'acier au-delà de 12 mm, une pression d'oxygène n'excédant pas 1 bar suffit en général. Revers de cette basse pression : même de faibles variations affectent visiblement la régularité de la coupe — des détendeurs/régulateurs fiables sont indispensables.

La coupe oxygène a ses inconvénients : l'oxydant agit aussi sur les arêtes, ce qui est très indésirable. Avec des paramètres bien calculés, cet effet secondaire peut être maîtrisé sur l'acier noir et faiblement allié. Sur l'inox, le contrôle est nettement plus difficile. Sous haute température et excès d'oxygène, le métal de l'arête s'oxyde et brûle ; un percement (burn-through) est très probable. Le métal perd alors sa propriété principale — la résistance à la corrosion. Autrement dit, la coupe laser d'inox en atmosphère oxygène n'apporte pas la qualité visée et transforme l'arête « inoxydable » en « oxydable ».

L'oxygène en coupe d'aluminium donne une arête grossière. Si des arêtes irrégulières et une couche d'oxyde dans la zone de coupe ne sont pas critiques pour vous (ils le sont pour le poudrage des chants), l'oxygène est utilisable.

Pour le perçage et la coupe du cuivre, on utilise généralement de l'oxygène à haute pression.

Que fait l'oxygène à la coupe d'aluminium ? Il ruine la qualité phare de la coupe laser — des arêtes propres et droites. L'aluminium coupé à l'oxygène ressort irrégulier, plein de bavures. Auparavant, on coupait l'aluminium à l'oxygène faute de puissance, puis on usinait les arêtes — ce qui allongeait et alourdissait la production. Aujourd'hui, avec des sources puissantes, l'azote donne une coupe propre en une passe.

Azote (N₂)

Ce gaz est dit conditionnellement inerte. Pour la coupe laser, on peut utiliser un azote de pureté à partir de 99,5 %. L'azote et les autres gaz inertes ne provoquent pas de réactions exothermiques. Il est « conditionnellement » inerte parce que la triple liaison de la molécule N₂ n'est pas facile à rompre — l'azote n'est pas pressé de réagir. Mais en principe ses molécules peuvent réagir. Sur le titane c'est critique : il se forme des molécules de nitrure de titane qui dégradent la résistance du matériau, exactement comme les carbures de chrome dégradent l'inox.

C'est pourquoi le titane se coupe à l'argon — un gaz véritablement inerte dont les atomes sont « autosuffisants » et ne réagissent pas.

L'azote représente plus de 70 % de l'air, il est donc facile à obtenir. Contrairement à l'argon, il se combine avec d'autres substances et participe à des réactions chimiques. On le considère inerte parce qu'il n'est pas oxydant : pas de combustion ni de formation de plasma en atmosphère d'azote.

À l'azote on coupe principalement : acier inoxydable, acier fortement allié, nickel, aluminium. L'azote permet aussi de traiter des aciers ferreux, mais sa productivité est très inférieure à celle de l'oxygène. Les propriétés inox étant absentes, l'oxydation provoquée par l'oxygène peut être ignorée.

Certains matériaux ne se coupent pas proprement à l'azote, et encore moins à l'oxygène — l'un d'eux est le titane. L'azote manque d'inertie, réagit avec le titane, et le matériau commence à s'effriter, ses propriétés et sa structure changent. Il faut un gaz plus neutre — l'argon, qui n'interagit avec aucun matériau.

Avantages de la coupe inox à l'azote :

pas de modification de structure ni de composition chimique de l'inox dans la zone de coupe ;
possibilité de coupes et de perforations de qualité en tôle fine ;
précision idéale et absence de déformation thermique et mécanique — les pièces passent à l'assemblage sans usinage complémentaire.

Pourquoi on utilise l'azote :

Acier inoxydable. Même une petite quantité d'oxygène à haute température oxyde l'arête et détruit les propriétés anticorrosion. En atmosphère d'azote, la couche d'oxyde passivée riche en chrome reste intacte et les propriétés de l'inox sont préservées.
Surfaces galvanisées, y compris zinguées. La coupe à l'azote préserve la couche protectrice.
Surfaces peintes. L'azote comme gaz d'assistance évite la calamine et minimise les retouches.
Arêtes destinées à la peinture. L'azote empêche la formation d'oxydes sur l'arête, qui dégraderaient l'accrochage du poudrage.
Aluminium et métaux non ferreux. L'oxygène n'augmente pas la vitesse sur ces matériaux, et la qualité de coupe est meilleure sous azote.

Pour le laiton, l'azote est le gaz d'assistance approprié.

Si vous coupez des aciers fins et que vitesse et qualité comptent — sans être gêné par le coût plus élevé du gaz — choisissez l'azote.

Avec l'azote, le foyer du laser doit être plus proche de la face inférieure de la tôle. Le kerf devient plus large et reçoit davantage d'azote comprimé. On utilise généralement des buses de 1,5 mm de diamètre ou plus.

Argon (Ar) et Hélium (He)

Les gaz véritablement inertes — argon et hélium — non seulement ne participent pas à l'oxydation, mais ne réagissent pas du tout avec le matériau fondu. Ils chassent en outre, hors de la zone de coupe, tous les gaz qui pourraient réagir avec lui.

Pour la plupart des métaux, ce n'est pas nécessaire. Rien de dramatique ne se produit si l'aluminium peut réagir avec l'azote. Mais pour le titane, par exemple…

Rappelons que le titane est, à juste titre, considéré comme un des matériaux les plus difficiles à usiner. Légèrement plus dur que l'inox, il ne peut pas être coupé dans la même épaisseur. Intéressant : le titane est près de 40 % plus léger que l'inox.

Couper du titane avec d'autres gaz génère non seulement des oxydes indésirables qui ruinent l'arête, mais aussi des composés titane-azote — extrêmement fragiles, à proscrire. Le titane ne peut donc pas se couper à l'azote ; il se coupe en revanche en gaz véritablement inertes. Les gaz inertes sont aussi utilisés en inox et aluminium — ils préviennent l'oxydation et garantissent une surface de coupe propre et lisse. Mais ils coûtent nettement plus cher que l'azote, et ne s'emploient que lorsque c'est réellement indispensable.

Argon :

teneur dans l'air : 0,9 % en volume et 1,3 % en masse ;
masse volumique aux conditions normales : 1,78 kg/m³ ;
point d'ébullition : −186 °C.

L'argon est un gaz inerte qui ne réagit pas avec la plupart des métaux et n'entre pas en réaction chimique. Un atout de la coupe à l'argon : pas de réaction d'oxydation sur la surface obtenue. L'argon offre une grande pureté et précision de coupe, des arêtes lisses et régulières — particulièrement utile sur tôle fine.

Argon et hélium sont peu employés en coupe laser fibre. L'argon possède une capacité thermique spécifique plus élevée — il peut absorber la chaleur de la zone de coupe. Cela peut entraîner une trempe locale et un refroidissement rapide à l'endroit de la coupe, et endommager le matériau. Il sert donc uniquement d'alternative pour des métaux susceptibles de réagir avec l'azote.

La coupe à l'argon traite des métaux de diverses épaisseurs et compositions — inox, aluminium, métaux alliés, etc. Mais le coût, la consommation et le risque d'endommagement font de l'argon un gaz spécialisé et peu fréquent en laser.

Hélium. Il a le point d'ébullition le plus bas de toutes les substances connues. L'hélium est non combustible, non toxique, non explosif. Sa conductivité thermique est supérieure à celle de l'argon — d'où une vitesse plus élevée et un moindre apport de chaleur au métal. L'hélium est souvent utilisé pour la coupe de métaux fins exigeant une grande précision.

Dioxyde de carbone liquéfié (gaz actif)

En coupe laser — dans notre cas, sur machines à fibre — le CO₂ comme gaz de travail est rare, bien qu'il réagisse peu avec le métal sans l'oxyder. Le CO₂ est plus lourd que l'air, isolant ainsi le bain de fusion du contact atmosphérique. C'est une alternative en l'absence de compresseur : moins cher que l'azote, plus cher que l'oxygène. Adapté à l'inox, avec une qualité nettement inférieure à celle de l'azote. Le CO₂ se comprime mal — la bouteille en contient moins.

À n'utiliser qu'en dernier recours, déconseillé par tous les fabricants de matériel laser.

Pourquoi la coupe laser du laiton et du cuivre est si difficile

La faible absorption du rayonnement laser infrarouge complique la coupe de ces métaux.
Cuivre et laiton (alliage cuivre-zinc) sont de bons réflecteurs — donc de mauvais absorbeurs — de la lumière laser infrarouge (IR), surtout à l'état solide.
Le cuivre pur solide réfléchit > 95 % du proche IR (longueur d'onde ~1 µm).
La réflectivité du cuivre et d'autres métaux réfléchissants diminue avec la chauffe et chute brutalement à la fusion (par exemple < 70 % pour le cuivre fondu). À l'état fondu, ces métaux absorbent bien plus d'énergie laser.

Du fait de la forte propension à l'oxydation de métaux comme le bronze, le laiton et l'aluminium, la coupe doit se faire avec des gaz inertes. Ces derniers créent dans la zone laser une atmosphère sans oxygène et préviennent l'oxydation rapide. Couper de l'aluminium, du cuivre ou du bronze sous oxygène produit des arêtes irrégulières avec bavures, nécessitant une reprise mécanique.

En pratique, on utilise le plus souvent l'azote. C'est l'option la plus rentable et elle permet généralement d'obtenir la qualité requise.

Facteurs à considérer pour planifier l'approvisionnement en gaz

Type et épaisseur des matériaux (diélectriques, métaux, lesquels) ;
présence et nombre de pics de consommation, et demande aux pics ;
consommation moyenne mensuelle ;
pression de service prévue au point d'utilisation (tête de coupe) ;
diamètre de la buse ;
chute de pression en pointe entre la source de gaz (cuve cryogénique ou rampe) et le point d'utilisation ;
niveau minimum de liquide à laisser dans la cuve cryogénique pour une exploitation sûre et continue ;
fréquence des livraisons sur le mois ;
croissance de production attendue et besoin futur en gaz.